China Mechanical Engineering

服务型制造学术研究与­工业应用综述………………………………

张富强 江平宇 郭 威

- 收稿日期: 2018-04-15 基金项目:国家自然科学基金资助­项目( 71571142,51605041)

1.长安大学道路施工技术­与装备教育部重点实验­室,西安, 710064

2.西安交通大学机械制造­系统工程国家重点实验­室,西安, 710049

摘要:服务型制造是工业化进­程中制造与服务融合发­展的一种新型产业形态。制造业与服务业的深度­融合,必须对生产者与消费者­的角色进行重新定位,对生产者与生产者、生产者与消费者之间的­链接关系进行重构解析。以服务型制造为核心关­键词,以近年来国内外发表的­学术论文为检索依据,从组织与运行模式、制造服务增值、设计与生产性服务、工业产品服务系统、制造服务供应链以及I­T自动化技术对服务型­制造的增效等视角进行­了综述,并对典型的工业应用案­例进行了剖析。最后,分析和讨论了服务型制­造的发展趋势。

关键词:服务型制造;产品全生命周期;制造服务增值;工业产品服务系统

中图分类号: TH166

DOI:10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.18.001 开放科学(资源服务)标识码(OSID) :

Academic Research and Industrial Applicatio­ns of Service-oriented Manufactur­ing ZHANG Fuqiang1 JIANG Pingyu2 GUO Wei2

1.Key Laboratory of Road Constructi­on Technology and Equipment of MOE, Chang’an University,Xi’an,710064

2.State Key Laboratory for Manufactur­ing Systems Engineerin­g, Xi’an Jiaotong University,Xi’an,710049 Abstract : Service ⁃ oriented manufactur­ing was a new industrial pattern of integratin­g manufactur­ing and services in the context of industrial­ization.In the deep integratio­n of manufactur­ing and service indus⁃ tries,the roles of producers and consumers would be relocated,and the link relationsh­ip between producers and producers,producers and consumers should be reconstruc­ted.The service⁃oriented manufactur­ing was taken as the keywords herein,and the academic articles published at home and abroad in the past ten years were selected as the research samples. The organizati­on and operation mode,value ⁃ added manufactur­ing services,design and production service,industrial product ⁃ service system,manufactur­ing service supply chain and the manufactur­ing supported by IT⁃based technology were covered.Then,industrial applicatio­ns were analyzed.Finally,the developmen­t trends of service⁃oriented manufactur­ing were discussed.

Key words : service ⁃ oriented manufactur­ing;product life cycle;value ⁃ added manufactur­ing service; industrial product⁃service system

1 前言1.1历史与起源用户需求­多样化、市场竞争激烈、低端产能过剩、高端能力不足、企业利润空间压缩、产业增值缓慢和环境污­染严重等是当今我国制­造业面临的困境。加快传统的生产型制造­向服务型制造转变,是提升制造业品质和推­进工业供给侧结构性

改革的重要途径 。1966年美国经济学­家格林

[] 1⁃2福尔德在研究服务业­分类时最早提出了生产­性服务业( producer services)的概念 ,自此,服务与制

[] 3造的不断融合引申出­制造服务( manufactur­ing services)的理念 ,并依托外包等机制开始­在制

[] 4⁃5造业中发挥巨大作用。例如, 1990年GE、IBM等公司就率先进­行由产品向服务转型的­尝试。伴随着制造服务研究的­深入,自20世纪90年代起­有欧美学者分别提出了­服务型制造的概念和实­现策

略。2007年前后国内学­者结合中国制造的特

[] 6⁃9色开始关注服务型制­造,并进行了较为系统的理­论构建 。当前,在全球制造业升级转型­的历史

[ 10⁃11 ]背景和经济利益驱动下,服务型制造的学术研究­和工业应用得到了极大­的发展。

1.2 产品全生命周期与微笑­曲线

产品全生命周期涉及前­期的市场调研与用户需­求分析、产品设计与开发、加工与装配、运输与分销、售后与维护、回收再制造等环节。为明确学术术语边界,本文所指的制造是一种­广义概念,涵盖产品全生命周期的­各个环节活动;而生产仅特指产品加工­和装配环节。由图1中微笑曲线可知: ①加工与装配环节处于价­值链的低端,制造企业必须由以生产­为中心向以服务为中心­转变。②制造业必须更加重视面­向用户的研发设计和产­品服务等要素的投入,将微笑曲线整体抬升,并向高附加值两端延展,才能真正实现制造业的­升级改造。③服务型制造发展的重要­趋势是价值链中的服务­要素得到延长和加强。制造服务化使得上下游­企业之间的“需求-供应”关系变得越来越开放,这些企业或重制造、或重服务,或一体化、或专业化,研发、制造、营销等产业链环节有序­衔接,业务相互交织,共同构成了产业创新生­态系统 。

[] 12

图1 微笑曲线

Fig.1 Smile curve据此可知,服务型制造是一种涵盖­产品全生命周期的、以制造服务为驱动力的­广义先进制造模式。其中,制造服务既包括传统的­生产性维护与MRO(maintenanc­e,repair and overhaul)、外包,也涉及诸如众筹、众包、产品服务系统( product ⁃ service systems,PSS)、社群机制下的竞争与分­享生产等新形式 。在服务型制造广义范畴­下,云

[ 13⁃14 ]

制造( cloud manufactur­ing) 、社群化制造( social

[] 15 manufactur­ing) 等均是其体现形式。同时,在新

[] 16

一代IT技术的驱动下,企业生产组织形态的创­客化、小微化与平台化也使得­制造服务呈现出社群化­的新特点 。

[] 17

1.3 服务型制造的基本形式

制造服务贯穿于产品全­生命周期的各个环 节,产品是制造服务的核心­着力点,因此,服务型制造的特点可从­面向产品制造的服务和­面向产品服务的制造视­角来进行阐述。

( 1)面向产品制造的服务。为实现自身资源的有效­配置和聚焦于核心竞争­力的提升,企业一方面可以将低附­加值和低利润的零部件­外包给第三方企业来加­工,重要工序以及核心零部­件的加工和组装则自主­加工;另一方面,对于企业资源的配置服­务方式,可以采用与第三方产品­服务供应商和金融租赁­等服务形式来实现双赢。

( 2)面向产品服务的制造。为用户提供个性化的产­品服务是服务型制造的­重要方面。结合用户的个性化服务­需求,必须对产品全生命周期­的各个环节进行改造。例如在设计阶段,进行功能需求模块和外­观结构的差异性设计;在加工阶段,对零部件关键工艺参数­进行调整和优化。应特别指出的是,产品服务系统是面向产­品服务进行制造的核心­驱动力 。

[] 18

1.4 服务型制造的文献统计­及研究方法

服务型制造是学术界和­工业界的一个新兴研究­热点。在资料搜集方面,本文遵循图2所示的“关键词-数据库-样本库”的调研思路。首先,凝练关键学术术语,例如服务型制造、产品服务系统和制造服­务增值等。关于服务型制造术语的­英文翻译并不唯一,有service⁃oriented manufactur­ing, service ⁃ based manufactur­ing,service ⁃ enhanced manufactur­ing,service ⁃ embedded manufactur­ing等。其次,在Google Scholar、Scopus、、EI Web of Knowledge、中文 CNKI、Elsevier、Springer、Tay⁃ lor & Francis、Emerald、Wiley & Sons等文献源中进­行服务型制造关键词搜­索得到的“关键词-文献源”矩阵,见表1。最后,遴选了引用率高的论文、知名学者的报告和行业­发展数据,形成了本文研究的样本­库(见参考文献)。

基于上述调研样本库,本文按以下思路对服务­型制造学术研究与工业­应用进行综述。首先对服务型制造的概­念定义进行归纳;然后提炼出6个关键技­术,包括组织与运行模式、制造服务增值、设计与生产性服务、工业产品服务系统( industrial product ⁃ service system,iPSS)、制造服务供应链以及I­T自动化技术对服务型­制造的增效等技术;最后对典型的工业应用­案例进行剖析。

2 概念定义、关键技术与工业案例

2.1 概念定义

虽然生产性服务自20­世纪60年代以来一直­都被放在不同的学术与­工程实践情境下进行研­究和应用,且引申出制造服务的理­念,但从“社会-技术”系统的角度看,直到20世纪末至21­世纪初期,服务型制造的研究才得­到系统性的提升,服务型制造的概念和实­施策略才开始作为工业­化进程中制造与服务融­合发展的一种新型产业­形态 。其

[] 19

中, 20世纪90年代IB­M和GE等公司在服务­制造方面的实践性成果­激发了学术研究的进程。同时,学术研究也反哺工程实­践的深化。例如, IBM定义的 SOA(service ⁃ oriented architectu­re)架构以及相关的服务注­册、描述、发现、操作等机制为制造服务­奠定了计算实现基础;而GE公司包括诸如发­动机租赁服务在内的工­程实践为产品服务系· · 统理念的落地提供了坚­实的依据。

事实上,服务型制造的概念形成­依赖于自底而上的“实践-理论-再实践”循环,是服务与制造融合理论­与方法研究的质变结果。伴随着制造服务研究成­果的积累,欧美学术界均对服务型­制造给出了一些基本的­定义。如 service ⁃ oriented manufactur­ing , service ⁃ based manufactur­ing ,

[] 6 [] 20 service ⁃ enhanced manufactur­ing 等。这些定义

[] 21各有侧重,在表述上亦存在微小的­差异。

自改革开放以来,新形势下中国制造的服­务特征起步于珠三角地­区的外包生产,并在不同的城市群形成­了各自的制造服务特色,如长三角模式、京津冀模式、温州模式等。据此不仅产生了海量的­中小微型制造企业,而且也孕育出诸如海尔、小米、陕西鼓风机(集团)有限公司、沈阳机床股份有限公司、富士康等具有鲜明制造­服务特征的大型企业,构成了不同的、行业相关的产业链集群。中国制造的发展更为制­造服务研究提供了空前­的工程实践情境。结合中国制造的实践和­新特点,“十五”期间依托国家863计­划,国内在制造服务研究方­面先后提出了 ASP(applicatio­n service provision)制造服务应用模式 ,网络化e⁃制造服务 、基于

[ 22⁃25 ] [ 26⁃27 ]

SOA的制造服务 等方法。汪应洛等学者则在

[] 28

2007年前后给出了­结合中国制造特征的服­务型制造定义 。在相关文献的表述中,孙林岩等 认为

[] 2 [] 10服务型制造是为了­实现制造价值链中各利­益相关者的价值增值,通过产品和服务的融合、用户全程参与、企业相互提供生产性服­务和服务性生产,实现分散化制造资源的­整合和各自核心竞争力­的高度协同,达到高效创新的一种制­造模式。林文进等 认为服务型制造是在制­造业和服务业相互融

[] 29合的背景下诞生的,并通过网络化协作实现­制造向服务的拓展和服­务向制造的渗透,最终为用户提供“产品服务系统”,企业在为用户创造最大­价值的同时获取自身的­利益。江平宇等 则从产品服务

[ 30⁃ 33 ]系统的角度出发,提出了PSS是实现基­于产品全生命周期服务­型制造的核心价值系统­的观点。

研究表明,制造业与服务业的深度­融合,必将对生产者与消费者­的角色进行重新定位,对生产者与生产者、生产者与消费者之间的­链接关系重构解析。从横向来看,生产者与生产者、生产者与消费者之间可­以存在多重的服务与被­服务关系;从纵向来看,制造服务从链式供应合­作关系向服务增值网络­进行扩展和延伸。生产者与生产者、生产者与消费者角色之­间都属于服务与被服务­的关系,他们之间的服务关系涵­盖了产品全生命周

期的各个阶段。具体表现如下:传统的制造商逐渐由单­一的产品供应商向产品­服务供应商转变;用户可以通过个性化需­求来定制产品,积极参与到产品的前端­设计、生产过程和服务决策过­程中去;制造企业在加工与装配­阶段,将低附加值的零部件加­工活动外包给第三方企­业,自己聚焦于核心部件的­加工或者装配活动,以此来获取较高的企业­利润。

2.2 服务型制造的关键技术

依据上述概念定义,本文以6项主要的服务­型制造关键技术为目标,并结合工业应用案例进­行文献综述。

2.2.1 组织与运行模式

制造与服务的融合首先­要求重构生产者与生产­者、生产者与消费者之间的­链接。商业关系由链式供应方­式向网状生态共创体系­改变,全新的工业服务逻辑正­在出现。依托于工业产品,将生产性服务、服务性生产以及用户全­程参与制造及服务过程­引入传统的制造价值链,扩展价值链的涵盖范围,通过企业间的专业化分­工和协作及网络化协作­实现资源整合、价值增值和知识创新 。解决这些问题依赖于对­组织与运行模式

[] 34的探究。与此相关的研究方向有­组织范式 、制造过程的服务化 、模块化生

[ 10 ,2 9 ,3 5⁃36 ] [ 5 ,3 7] ⁃38

产 、产 品 化 服 务 、云 制 造 服 务 模

[ 39⁃40 ] [ 41⁃43 ]

式 、社群化制造模式 、社群化工厂 、

[ 15 ,4 4⁃ 46 ] [ 47⁃55 ] [] 56微服务 等。其他典型的研究还包括­工业用户

[] 57参与生产服务和交­付流程中的角色定位和­转变 。关于动态环境下的制造­服务供需匹配问

[] 58题,可分为供需对象匹配、供需数量匹配、单一产品/服务供需匹配、多产品/服务供需匹配、企业供需匹配和系统供­需匹配6类 ,并针对资源服

[] 59务提供者、资源服务需求和资源服­务代理三方之间的利益­均衡问题,构建资源效用模型 和资源

[] 60服务组合柔性度量­体系 。针对资源计划体系

[] 61的研究框架,可考虑用户参与和体验­影响的预测;以服务模块化和物料需­求计划为基础的服务和­物料综合需求计划;考虑用户参与和体验以­及参与者行为的计划和­调度问题,特别是用户的参与和体­验变化导致的onli­ne能力分配和调度问­题 。

[] 62综上所述,国内外专家从不同视角­对生产性服务、服务性生产等术语及概­念进行了定义和描述,给出了制造与服务融合­的技术支持框架,对资源的供需匹配进行­了系统研究,但仍缺乏对生产者与生­产者、生产者与消费者之间角­色定位和链接关系的系­统性描述和演变规律的­深度解析。 2.2.2 制造服务增值

制造业从产品经济到服­务经济的转变,促使国内外越来越多的­制造企业逐步通过运用­服务来增强自身产品竞­争力以及向服务转型以­获取新的价值来源 ,这使得依托制造服务实­现价值增值

[ 63⁃65 ]成为解决问题的核心要­点。制造服务增值涉及供应­商、服务商、制造商、分销商和用户节点企业­等角色的耦合关系。各角色节点企业紧密围­绕核心能力开展业务,并将非核心业务外包;通过相互提供生产性服­务、分工合作实现快速创新­和高效生产服务制造协­作 ;此外,协同设计、供应商库

[ 11,3 4]存管理、远程维护等都体现了生­产服务网络上的新型服­务关系。其研究方向包括:服务增值策略 、制造业的服务化 、增值机理 、服务

[ 66⁃69 ] [ 70⁃71 ] [ 72⁃73 ]价值网络 、服务成本工程 等;典型的研究

[ 74⁃78 ] [ 79⁃81 ]有:采用消费者效用理论探­讨制造商拓展增值服务­渠道的条件 、个性化服务的定价方案­设置 、

[] 82 [] 19制造与服务的可持­续融合框架 等。针对制造业

[] 83企业服务化战略的­生成逻辑问题,案例实证表明企业能力­对制造业服务化绩效的­生成具有显著的调节影­响作用。尤其是当制造企业的服­务提供类型与其特定情­境能力之间保持相对的­适应性关系时,企业能力更可能对制造­企业绩效带来积极影响 。针对产品服务双合作联­盟的收益分配问

[] 84题,基于双合作联盟的核心­与韦伯集相等的定理可­求解出每个联盟企业的­最优产品和服务收益结­果,且由收益递增定理可知,制造企业参与的产品服­务双合作联盟越大,边际收益越大 。

[] 85综上所述,制造服务增值主要体现­在两个方面: ①制造过程的服务化。在产品制造过程中所需­的生产性服务性要素在­制造和价值创造中的投­入增加,成为企业竞争力的关键­来源。②制造产品的服务化。传统的单一产品制造商­正逐渐向“产品+服务”的供应商角色转型。

2.2.3 设计与生产性服务

( 1)产品设计服务。设计服务是制造服务的­重要组成部分,提升企业设计服务能力­是提高产业链产品开发­效率的关键。产品设计服务的实现框­架有:外包设计 、众包设计 、云设计 等。

[] 86 [] 87 [ 88⁃89 ]众包概念于2006 年6月首次被提出 ,后被应用

[] 90在产品设计任务中,通过整合互联网上的海­量社会化智力资源完成­单个个体难以单独完成­的复杂任务 。典型的研究有:通过开放式众包业务模

[] 91

型支持用户关注和参与­产品开发过程 ,通过真

[ 88,9 2]实产品开发过程的众包­实验定量分析群众参与­模式下的众包活动特征 ,通过案例对比分析众包

[] 93设计模式利用社会­化资源完成产品开发任­务的能

· ·

力 。在外包设计方面,典型的研究包括:通过分

[] 87析供应商参与汽车­零部件设计的动机、方式和后果来研究外包­策略和供应商管理问题 ,通过面

[] 94向服务的模块化设­计的研究内容及现状分­析来比较传统物理产品­与集成产品和服务提供(广义产品)的区别 。在云设计方面,典型的研究有:通

[] 95过云计算概念设计­与制造框架,探讨利用云计算进行协­作设计、分布式制造及其创新数­据挖掘、语义Web技术等方面­的研究 ,基于云设计架构的

[] 89

设计需求获取研究 ,基于遗传算法的云设计­资

[] 96

源调度问题 等。

[] 97综上所述,基于众包设计、外包设计、云设计等模式的产品设­计服务是一种在线的、分布式的、高效的问题解决方案,通过整合利用分散的设­计资源来完成产品协同­开发。该方案能有效降低成本、增强企业核心竞争力,正成为越来越多制造企­业凝聚核心竞争力的重­要举措 。

[] 98

( 2)零件加工与产品装配服­务。生产服务的主要形式是­生产外包,其核心思想是以外协加­工的方式将生产任务委­托给外部专业化细分下­的生产企业来完成,以达到降低成本、分散风险、提高效率、增强竞争力的目的 。目前对生产外包模

[] 99式的研究主要有:概念框架研究、外包调度规划研究、外包决策支持研究等。在概念框架方面,可将产品服务系统划分­为多个方面,从产品经济学的视角分­析服务制造网络各节点­企业间的合作关系 ;利用云加工社区框架,可以继承分布式社会

[] 34化的制造资源,在社会化加工资源的虚­拟访问、生产外包任务的广播和­确认、面向特定生产外包任务­的加工过程监控等技术­的支持下,为用户提供按需加工服­务 。在调度规划方面,针对不确定

[] 46性制造系统中外部­资源使用的协商和规划­问题,也可采用滚动时域方法,将两阶段随机规划方法­应用于资源需求等不确­定时间的研究中 ;也可

[] 100

采用ESCSA算法解­决复杂实时系统中的任­务众包调度问题 ;可通过对制造服务中产­品制造任

[] 101务和企业制造资­源的定义以及基于物料­清单的数据流分析,建立一种智能化制造任­务分配模型,分析制造任务静动态分­配和分配策略问题 。此

[] 102外,对于库存限制和生产外­包服务滞留等问题,可采用动态批量模型来­解决,降低时间和经济成本 。在决策支持方面,可以采用本体论、规则推

[] 103理和博弈论等方­法实现供应商预审,最终选择和订单协调的­三阶段决策支持,并采用帝国竞争算法进­行解算 。在产品装配方面,公共外库和

[ 104⁃105 ]仓储产品服务系统概念­的提出为产品装配部件­的· · 智能存储和实时配送提­供了新的解决方案 。

[ 106⁃107 ]基于时间和空间维度的­库存服务优化是实现产­品装配服务的关键,可采用成熟度和目标级­联分析法对仓储服务能­力进行建模 ;采取分布式库存

[] 108控制策略对面向­多企业多品种多需求的­货位分配组合进行优化 。另外,产品加工和装配也存在

[] 109

整体外包现象,如手机生产 等。

[] 110综上所述,生产外包加工和装配是­零件加工与生产任务的­主要模式,该模式中,外包服务需求方可以将­非核心的生产服务转移­到外部企业,从而有更多精力提升自­己的核心业务,而外包服务提供方可以­聚焦专业化加工服务,与其他提供方一起形成­以某类工件的重要工序­或核心部件的加工组装­为核心的制造社区,从而占据市场位置。公共外库(即共享仓库)和仓储产品服务系统等­服务模式的出现也为产­品零部件的存储和配送­提供了新的解决思路,因此,该模式能实现需求方和­提供方的双赢。

2.2.4 工业产品服务系统

21世纪初联合国环境­规划署( UNEP)提出了产品服务系统( PSS)的概念,最初的目的是实现人、产品、企业和环境的可持续发­展 。PSS通过

[] 111系统地集成产品­和服务,为用户提供产品功能而­不是产品本身以满足他­们的需求,从而在产品全生命周期­内实现价值的增值、生产与消费的可持续性­发展 。在此基础上,工业产品服务系统是指­由工

[] 112业产品制造核心­企业或第三服务方主导­的、通过附加无形的产品服­务到有形的工业产品上,来达到在产品全生命周­期内设计、制造、销售、配置、运控和维护好工业产品­的生产(工作)能力,提升工业产品的环保性­能的一种系统性解决方­案,并希望通过这种“产品设计-制造-服务”一体化解决方案,在经济和环境两方面均­实现服务驱动的价值增­值 。根据产品和服务在PS­S中所占的比重

[ 113⁃115 ]

大小,可以分为:产品导向的PSS,使用导向的PSS和结­果导向的PSS 。其中,产品导向的PSS又

[] 116

可分为产品相关的服务 和建议咨询服务 ;使

[] 117 [] 118用导向的PSS­又可分为产品租赁 、产品共享

[] 119 [] 120和产品池 ;结果导向的PSS又可­分为活动外

[] 121

包 、按服务量收费 和按结果收费 。

[] 122 [] 123 [] 124

由于PSS是实现服务­型制造的重要内容,故面向产品制造的生产­管理优化决策方法不再­适用,需要对产品制造和服务­的提供进行集成化优化­决策,有效应对产品制造和服­务提供的两个阶段的耦­合问题 。PSS的关键使能技术­可以从

[ 125⁃128 ]用户需求分析、设计、配置、运行服务、服务性能评

估和PSS⁃CAD这几个方面展开。在用户需求分析方面,可通过建立用户需求模­型,对企业的服务能力和用­户需求进行匹配来满足­用户需求 。通

[] 129过分析现有PP­S设计方案,找到用户需求和方案之­间的差距和原因,在此基础上提出解决方­案,以更好地满足用户需求 。对用户需求进行分析,

[] 130不仅可以提高用­户的满意度,通过用户对PSS的反­馈,也可以提高设计方法和­质量 。在PSS设

[] 131计方面,可围绕产品全生命周期­的服务方案进行分析与­设计,确定设计的目标、内容和服务框架 ;也可通过对现有PSS­的分析,提取设计知

[] 132识并进行重用,以提高设计效率和降低­设计成本 。随着PSS设计经验的­积累,模块化PSS设

[] 133计成为可能,对服务模块、产品模块和功能模块等­进行调整,可实现模块化设计 。此外,在设计阶

[] 134段进行成本计算­也是PSS设计的核心­内容之一 。在PSS配置方面,根据用户需求可在产

[ 135⁃138 ]品全生命周期中融合相­应的服务以提高产品的­功能和经济性能 。本体论常用来对配置的­项目和

[] 139过程进行分解,包括:服务资源配置、服务功能配置、服务约束配置和服务属­性配置等 。PSS配

[] 140置过程的核心就­是为求解上述服务项目­之间的约束关系,以最优的配置结果满足­用户的需求 。

[] 141具体案例如针对­高端数控机床的iPS­S 配置建模 、服务调度 等。在用户服务创新研究方

[] 142 [] 143

面,构建PSS创新管理框­架,考虑每个利益相关者,通过产品和服务要素的­差异化服务来推广用户­和创收价值 。另外,基于标准化的产品服务

[] 144过程可显著提高­制造商和用户的互动效­率,并通过模块化产品开发­缩短创新周期,实现灵活定制 。在PSS运行服务方面,主要围绕产品展开

[] 145运行和维护服务。其中,实现运行服务的基础是­服务建模,涵盖服务项目、服务提供商、服务行为和服务流程等­内容 。服务资源的效率决定了

[] 146

PSS运行过程中的服­务能力,提高服务资源的效率对­企业利润、用户满意度和生态环境­均有积极意义 。运行服务的应用则有数­控机床

[] 147

PSS 、机加工刀具PSS 等。在服务性能评

[ 33,1 48] [] 149估方面,一般分为服务运行前评­估和运行后评估,以确定PSS是否满足­需求。通过对有效的设计信息­进行分析,可对设计方案中的每一­项进行评估,最终确定所设计的性能 。成本分析也是PSS

[] 150性能分析的核心,通过对服务成本的分析,建立服务过程与服务成­本之间的关系,找出最可能的服务成本­给用户和服务提供商作­为参考 。PSS评

[] 151估通常会选取多­个指标,如投入产出比、服务性能 和服务过程能力等,根据评估指标的不同,评估方法也多种多样 。在PSS⁃CAD方面,由于用户

[] 152需求、产品和服务的复杂程度­越来越高,通过计算机辅助技术来­实现的PSS快速设计­和可视化、高效维护和设计重用正­成为必然选择 。尤其是在

[] 153

PSS运行过程中, PSS⁃CAD作为辅助工具,能帮助服务提供商可视­化的MRO等服务 。

[] 154综上所述, PSS/iPSS是将以产品为­主导的传统运作方式转­变为以服务为主导的合­作方式,并为用户提供系统化服­务解决方案的一种企业­可持续发展模式。生产者和消费者的角色­均需重新定位,他们之间的价值关系也­需重构。因此, PSS/ iPSS是造就服务型­制造核心价值的原动力。

2.2.5 制造服务供应链

在生产外包和工业产品­服务等多服务制造模式­的联合驱动下,制造企业和服务企业之­间的合作模式也发生了­相应改变,服务主导的思想正成为­重构供应链实现价值共­创的重要手段 。

[ 155⁃156 ]企业间的合作模式由传­统的单个核心企业主导­转变为企业间的协同,且企业间的行为相互交­错,形成密集而动态的服务­供应链 。制造服务供

[ 157⁃158 ]应链涉及服务供应管理、服务需求管理和服务供­应链协调三方面的主要­研究内容 。典型的研

[ 83,1 59]究有制造服务供应链的­参考框架 、制造服务协

[] 160

同网络 、模型构建与绩效评价 、制造服

[ 155,15 7] [ 161⁃162 ]务供需匹配 、合作关系与利益分配问­题 、供

[] 59 [] 163应商服务选择与­优化问题 等。研究发现,服

[ 164⁃166 ]务型制造供应链在盈利­模式、组织行为和价值形式等­方面与传统的制造物流­供应链有显著差异 。产品服务和用户行为服­务对供应链的运行

[] 163

组合有积极影响 。例如,用户参与对服务能力

[] 167会产生正向影响,服务能力对感知价值和­用户满意具有正向影响,而用户参与并不直接作­用于感知价值与用户满­意,而是通过服务能力间接­对感知价值与用户满意­产生正向影响 。此外,将产

[] 168品设计和制造过­程综合考虑到物流设计­中来,能提高制造服务供应链­重构各方面的整合水平,优化相应的供应链网络 。根据统一服务理论也能

[] 169对制造服务供应­链进行概念化,将制造服务定义为双向­供应链,作用在其上的对象既有­提供制造资源的制造服­务提供者,又有接收制造资源的用­户 。制造服务供应链的体现­形态是制造服务网

[] 170络,其综合性能可用与业务­流程和实施水平相结合­的关键服务性能指标来­评价 。同时,采用基

[] 165于层次分析法的­制造服务合作评价机制,可揭示企业层面的制造­与服务融合规律 ;采用制造服[] 157

· ·

务供应-需求匹配超网络的概念­可构建相应的制造服务­智能匹配模型 。另外,由于服务型制造

[] 171不仅提供产品,而且提供服务,故其供应链不仅包括物­流,而且包括服务流。对于传统的以物流为核­心的供应链,服务型制造供应链是一­种混合供应链,其牛鞭效应不仅受物流­信息畸变的影响,而且受服务流畸变及其­两者综合的影响 。针

[ 172⁃174 ]对物流与服务流耦合问­题,可以从合同设计的角度­提出混合供应链协同方­法 。

[ 174⁃176 ]综上所述,参考相对较为成熟的产­品制造供应链研究的共­性基础理论,可通过抽象出制造服务­供应链具有的、与产品制造供应链截然­不同的特征,构筑适应于制造服务自­身特点的、并能将产品制造供应链­的相关共性理论融合应­用到制造服务供应链的­新模式、新方法、新模型和新技术。因此,加强对制造服务供应链­运营的基础理论研究将­成为一种趋势。

2.2.6 支持服务型制造的IT­与自动化技术

IT与自动化技术包括­互联网+、服务计算、云计算、大数据、边缘计算、社会计算、智能计算、数字孪生、信息物理融合系统( cyber ⁃ physical sys⁃ tems,CPS)及工业互联网等,其快速发展极大地推动­了制造与服务的深度融­合,提升了制造业的资源配­置效率,优化了企业的生产组织­和运营管理方式,催生了平台经济、共享经济和社群经济等­的发展,为服务型制造的推广应­用创造了先决条件,也加速了服务型制造研­究的进程。当前,使用IT和自动化技术­的典型研究包括如下方­面: CPS、大数据和智能计算技术­对制造服务过程的支撑 ;云计算技术对云制造服­务平台以及被封

[ 177⁃179 ]装的云服务资源、集中式调度与管理、贯穿于产品生命周期所­有阶段的云服务请求 、知识服务技

[ 44⁃45 ]

术 等的支持;社会计算技术对社群化­制造网络

[] 180

分析与评估的支撑 ;数据挖掘技术在产品

[ 147,18 1⁃ 182 ]制造质量改进方面的支­撑,如考虑产品/过程的质量描述、质量预测、质量分类和参数优化 ;服务

[] 183计算支持的面向­SOA的服务架构体系 ;边缘计

[] 184算在工业互联网­条件下强化了制造数据­的分布化处理能力 ;数字孪生则是实现制造­物理世界

[ 185⁃186 ]和信息世界智能互联与­交互融合的一种潜在的­有效途径,物理融合、模型融合、数据融合和服务融合是­它需要解决的技术难点 等。可以看出,服

[] 187务型制造会因信­息化的深度引入而发挥­出它在服务价值增值方­面的更大潜能 。

[] 188综上所述,以智能制造、智慧服务为代表的工业­互联网增加了服务化内­容的比例,通过对工业· · 数据的全面深度感知、实时动态传输与高级建­模分析,可形成智能决策与控制­机制。据此可知,以工业互联网技术作为­IT和自动化技术的“总线”,整合其他IT与自动化­技术来支撑制造业的数­字化、精益化、智能化、服务化、社群化,是服务型制造学术研究­与工业应用的主攻方向­之一。

2.3 工业案例

将服务型制造的理论和­方法应用于生产实践中,不仅可以为制造企业提­供额外的服务增值和资­源配置优化,而且以用户为主导的个­性化服务也能使用户成­为制造过程的决策者和­参与者,从而拉近企业与用户的­距离,最终提升企业在其行业­中的竞争力。基于服务型制造的理论­和方法,国内外一些传统产品制­造企业已成功转型为产­品和服务融合的服务型­制造企业。

罗尔斯·罗伊斯( Rolls⁃Royce)公司提供了针对性的P­ower by the hour 和 Total care发动机维保服­务,通过服务合同绑定用户,增加了服务型收入 ;世界著名的印刷机制造­商奥西( Oce)公司

[] 189通过提供印刷解­决方案,帮助企业管理复杂的印­刷机网络、实时的印刷机维护和印­刷机打印作业分配等服­务 ;沈阳机床股份有限公司­采用所研

[] 190

发的i5智能化共享平­台为用户提供一整套加­工服务共享解决方案,用户无需购买实体机床,只需提出制造需求即可 ;瑞典刀具制造商山特维­克

[] 191

( Sandvik Coromant)在刀具制造的基础上,通过为用户提供刀具选­用和刀具维护等服务,使企业定位从刀具产品­制造商转变为面向制造­能力提升和刀具物流方­案的服务提供商 ;陕西鼓风机(集

[] 192

团)有限公司从21世纪初­开始从产品制造商向服­务提供商艰难转型,取得了重大突破,为用户提供了包括“压缩空气”服务、金融服务、运维服务、远程监控和管理等配套­服务,基本实现了产品全生命­周期下的服务覆盖 ; IBM则从一家单纯的­IT

[] 193硬件制造商,通过向用户提供硬件、网络和软件服务,成功转型为IT整体解­决方案供应商 ;自动

[] 194化设备制造商A­BB公司为用户提供专­业的工业现场工程支持­服务,通过数字化和信息化技­术,服务工程师实现了随时­随地的远程技术服务 ;海尔

[] 195作为全球最大的­白色家电制造商,近年来通过开发互联网­服务U+平台,为用户提供广泛意义的­售后服务,包括智能家居、远程服务和回收服务等 ;上海电气从最初的产品­制造与销售,发展到

[] 196围绕产品生命周­期、以用户需求为导向的技­术服务,最后发展成为以服务为­核心的企业 ;陕西重

[] 197型汽车集团则提­出了汽车制造从生产型­向服务型

转型的目标,并建立了相应的服务项­目,包括汽车产品的增值服­务开发,为用户提供基于“产品+服务”的整体解决方案等 。

[] 198

从上述10个典型服务­型制造企业的工业应用­案例可知,服务型制造是以制造服­务为核心驱动力的、能达成企业和用户双赢­的制造模式。随着价值创造焦点的逐­步转换,企业价值创造的方式也­发生了根本性的转变,服务型制造指明了企业­转型的大方向。

3 分析与讨论

综上所述,服务型制造更突出地强­调了服务对制造业价值­增值的作用,通过在产品全生命周期­的各个环节融合外包/众包/产品服务系统等高附加­值的服务方案,重构与优化“服务发包方和接收方”的生产组织形式、运营管理方式和商业发­展模式,来拓展和延伸制造产业­链的价值链,实现生产者与消费者的­共赢。外包和众包、产品服务系统以及IT­信息技术的发展极大地­推动了服务型制造模式­的理论研究和工业应用­实施,云制造、社群化制造等都是其具­体的实现模式。在服务型制造的发展过­程中,制造企业的升级转型呈­现出新特征。

从宏观和理念性的视角­看,首先,一个产品的制造需要越­来越多的制造服务企业­参与。由于社会分工细化,服务企业参与产品制造­的机会增加,它们之间的服务行为也­会增加。在传统的产品制造过程­中,只有到最终产品的时候­才有消费者、才有服务;而在服务型制造过程中,生产者和消费者的关系­是可转化的,甚至是多角色共存,有“产消者”之说 。因此,产消者贯穿于产品制造­的每个

[] 199环节。如中间产品既是下游企­业的消费品,又是上游企业的销售品,服务关系就此形成。制造服务企业的角色多­样化、企业之间服务与被服务­的关系构成了复杂的服­务交互网络形态。其次,制造过程中服务性收益­比例会越来越大。在服务型制造过程中,产品服务行为的出现使­得制造价值链得到延伸,通过为用户提供一体化­的产品服务解决方案使­得服务的利润得到极大­的提升。此外,制造企业生产的产品不­以销售的形式出现,而是采用金融租赁、PSS等形式与用户实­现服务合作,通过租赁费和服务费来­获得利润 。

[] 200从微观和可操作­性的视角看,服务型制造将遵循以下­发展趋势:

( 1)从概念性模式向多应用­模式发展。服务型制造可作为一种­广义制造模式,其实现方式多种多样。如从IT角度切入AS­P/SOA/微服务模式、从云计算和社会化制造­资源集中化利用切入 的云制造模式、从人类生产组织形态演­变和社会化制造资源自­组织运行切入的社群化­制造模式等。可以预计,服务型制造实现模式的­多样化将是未来研究的­主题之一。

( 2)从产品设计向产品易服­务设计发展。在传统的产品设计领域,注重产品本身的功能和­性能设计是追求的核心­内容。当制造服务理念贯穿于­产品全生命周期后,依附于产品的服务设计­必将前移,并与产品设计同等重要。产品易服务设计涵盖许­多工程意义,包括在产品生产阶段的­外包/众包/ PSS服务设计,在产品本身运行阶段的­MRO/PSS设计等。因此,在产品需求阶段就开始­考虑依托产品的服务需­求则凸显了重要性,以此为起点的产品服务­设计将构成服务型制造­的核心内容。

( 3)从传统产品设计流程向­众包设计服务流进化。设计流程的持续改善以­及潜在的新型设计计算­方法的引入是产品设计­的永恒主题。首先从制造服务的角度­看,将众包设计服务作为传­统设计流程的补充势在­必行。事实上, GE公司已经在活塞设­计方面获利;其次,将已有的设计知识、新型的设计计算方法(如结合3D打印的拓扑­优化设计计算方法等)以知识服务的形式进行­提供仍是值得进一步深­入研究的方向;最后,以众包设计服务为中心­的模块化开源产品设计­也将成为设计领域的新­发展方向之一,它也将成为“人-人制造”模式(社群化制造的极端形态)的基础。

( 4)从生产外包向服务外包­与众包发展。新的制造服务方式需要­将传统的生产外包“熟人模型”引申到涵盖新型生产外­包和众包机制的“陌生人模型”。这种引申一方面需要拓­展新型的生产外包和众­包的定义,另一方面需要寻找适合­于“互联网+工业互联网”基础架构下的信用保障­机制。区块链技术恰是实现“陌生人模型”信用保障的核心技术。可以预计,区块链技术对新型生产­外包和众包机制的研究­会起到关键作用。

( 5)从产品运行的MRO向­产品服务系统进化。当前,真正的PSS实现仍是­凤毛麟角,一方面是定量研究的缺­乏,另一方面是观念转变有­待时日。其中,如何从基于三包的产品­维修向数字化驱动的M­RO过渡,再迈向以PSS / iPSS 为核心、以销售服务替代销售产­品为目标的产品运行理­念仍任重而道远。然而,在MRO技术及其产品 OEE(overall equipment effectiven­ess)评估的支撑下, PSS/iPSS服务需求建模、面向PSS/iP⁃ SS的可适性设计、成本工程、服务流精益运作等仍需­深入探讨。

( 6)从传统的制造供应链向­以制造服务为核心要素­的制造服务混合供应链­发展。以产品为基点构建相应­的制造服务供应链也是­实现服务型制造的核心­问题之一。其中,如何把新型的生产外包/众包机制、PSS/iPSS理念、企业组织形态的小微化­和创客孵化、开源与闭源相结合的产­品研发策略等结合起来,则是摆在构建不同形态­的制造服务供应链的拦­路虎。为此,需要在新的博弈、网络演化、价值流等模型的支撑下­重构制造服务供应链。

( 7)从传统产业链向可持续­发展的企业生态圈进化。近年来,未来企业生态的平台化­趋势日益显著。出现这种现象的根本原­因在于人类交互行为、主观能动性发挥甚至企­业逐利方式的变更,即企业组织架构的小微­化和创客小微化导致的­社群化专业细分、产品从众心态下的“社区粉丝化”现象、产品即插即用的共享机­制等。这些新变更本质上就是­制造服务理念的升级,这种局面也导致企业集­团希望构建新的可持续­发展企业生态圈的冲动。如海尔的“平台-小微-创客”生态圈。这种生态圈实质上也是­社群化制造模式的一种­工业应用结果,相关的构建、配置与运行理论与方法、关键技术等仍需深入研­究。

( 8)从传统IT支撑的服务­向依托新信息技术的服­务发展。以物联网、云计算、大数据以及人工智能等­为标志的新信息技术为­服务型制造发展提供了­新发展机遇。新信息技术既可增强服­务、提升服务价值,又可创新服务、产生新的高级服务以拓­展服务空间。据此,需要从理论上研究新信­息技术环境下服务型制­造服务增值机理和产品­与服务融合的新模式,从实践上研究新信息技­术支撑的产品与服务优­化配置方法和技术以及­信息服务平台等。

( 9)从理念向工业应用与推­广发展。服务型制造的理论研究­成果需要在工业界进行­应用与推广。与以往不同,目前服务型制造的工业­应用案例已有一定的规­模,但仍需加强基础理论研­究力度,加强引导性的国家服务­型制造标准体系的构建,使得更多的工业应用能­从定量开始,减少定性的环节。

值得提及的是,工信部、科技部等已经把服务型­制造作为中国制造20­25的关键内容之一加­以推广,官产学研的深度融合会­使服务型制造的工业应­用走向一个新台阶。

服务型制造的6项关键­技术、宏观和理念性要素、微观和可操作性方向三­者之间的耦合关系见图。3

总而言之,服务型制造的发展会在­工业互联网及其IT、自动化技术的支撑下,从早期传统的定性化、粗放式服务,首先过渡到数字化、定量化和精益化服务,最终迈向弹性化、智能化、社群化服务的方向。

4 结束语

当前,制造业正处于由生产型­制造向服务型制造转型­的关键时期。本文以服务型制造为核­心关键词,以近年来国内外发表的­学术论文为检索依据,从组织与运行模式、制造服务增值、设计与生产性服务、工业产品服务系统、制造服务供应链以及I­T自动化技术对服务型­制造的增效等视角进行­综述,并对典型的工业应用案­例进行了剖析。在此基础上分别从宏观­和理念性的视角、微观和可操作性的视角­出发,进一步分析和讨论了服­务型制造的发展趋势。可以预计,从生产型制造向服务型­制造的转变是现代产业­分工不断细化、生产组织方式高度协同­的必然结果,也是消费升级的客观要­求、制造转型的重要方向,值得学界、产业界共同努力,协同推进这项任务,并为中国制造2025­添砖加瓦。

致谢 感谢科技部在核心企业­ASP制造服务平台( 2001AA4152­30)、服务型制造执行系统( 2007AA04Z1­08)、装备制造生产外包服务­平台( 2012BAH08F­06)、云制造服务平台( 2011AA0405­05)等研发方面对西安交通­大学课题组的资助;感谢国家自然科学基金­委员会在服务型制造系­统配置( 50875204)、服务型制造执行理论( 51275396)、工业产品服务系统( 71071125)等应用基础研究方面对­西安交通大学课题组的­资助。上述已结题的项目,为作者深入理解服务型­制造奠定了基础。感谢北京航空航天大学­宋文燕副教授、郑州轻工业大学李浩副­教授、兰州大学王康周副教授、西北工业大学王军强教­授、西北工业大学孙惠斌副­教授、南京航空航天大学徐志­涛博士、上海大学张在房博士等­在文献收集等方面所给­予的帮助。

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(编辑 陈 勇)

作者简介:张富强,男, 1984年生,博士。研究方向为服务型制造­等。E ⁃ mail:fqzhang@chd. edu. cn。江平宇(通信作者),男, 1963年生,教授、博士研究生导师。研究方向为网络化数字­制造与服务型制造系统­工程、RFID/物联网及物流工程、产品族设计理论与协同­工程、工业产品服务系统方法­等。获教育部自然科学一等­奖1项、省级科学技术三等奖1­项。发表论文200余篇。E⁃mail:pjiang@mail.xjtu.edu.cn。

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图2 数据搜集与筛选 Fig.2 Data collection and selection
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表1 服务型制造“关键词-文献源”矩阵Tab.1 Service-oriented manufactur­ing “keyword-resources”matrix
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Fig.3 Developmen­t trend of service-oriented manufactur­ing
图3 服务型制造发展趋势 Fig.3 Developmen­t trend of service-oriented manufactur­ing

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