陶 熠， 吳佑波， 劉瀚元

(1.重慶工商大學(xué) a.商務(wù)策劃學(xué)院 b.重慶市特色農(nóng)產(chǎn)品加工儲(chǔ)運(yùn)工程技術(shù)研究中心 c.環(huán)境與資源學(xué)院 d.重慶現(xiàn)代商貿(mào)物流與供應(yīng)鏈協(xié)同創(chuàng)新中心， 重慶 400067；2.重慶南開中學(xué)，重慶 400030)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和市場需求的變化，催生出產(chǎn)業(yè)分工和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的多元化，制造業(yè)和服務(wù)業(yè)相互滲透和融合，制造服務(wù)成為產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。關(guān)于制造服務(wù)的研究越來越多，總的來看，制造服務(wù)的研究集中在生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、制造服務(wù)運(yùn)營方式、制造服務(wù)管理、制造服務(wù)平臺等以下幾個(gè)方面：

(1) 生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)。生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效[1]，新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)來源于PLM(Product Life-Cycle Management，產(chǎn)品生命周期管理)中的制造服務(wù)，多個(gè)發(fā)達(dá)國家制造業(yè)信息化的重點(diǎn)發(fā)展方向已涵蓋制造服務(wù)[2]；即使目前關(guān)于制造服務(wù)的市場需求尚未大量涌現(xiàn)，在制造業(yè)信息化取得了大量建設(shè)成果的基礎(chǔ)之上，制造服務(wù)有了很好的發(fā)展基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然要求亦是制造服務(wù)[3]；開展制造服務(wù)是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的方向[4]；賀可太等[5]針對服務(wù)提供商的選擇準(zhǔn)則，建立了一般評價(jià)指標(biāo)體系和可擴(kuò)展的量化模型。

(2) 制造服務(wù)運(yùn)營方式。云制造被業(yè)界專家學(xué)者認(rèn)為是面向網(wǎng)絡(luò)化開展制造服務(wù)運(yùn)行的新模式[6-7]；同時(shí)有學(xué)者提出制造服務(wù)中典型的運(yùn)營方式是云制造[8]；服務(wù)型制造亦被廣泛研究，其概念、起源、機(jī)理等都有學(xué)者進(jìn)行了研究[9]；關(guān)于現(xiàn)代制造服務(wù)的典型運(yùn)營方式，有學(xué)者選取了若干運(yùn)營方式進(jìn)行了對比分析和選擇決策的研究[10-11]，有學(xué)者研究了兩級服務(wù)活動(dòng)中再制造服務(wù)決策方法[12]；黃輝等[13]從宏觀和微觀兩個(gè)角度分析了云制造的運(yùn)作模式。

(3) 制造服務(wù)管理。有學(xué)者通過建模的方式進(jìn)行制造服務(wù)管理研究[14]，亦有關(guān)于任務(wù)分配在制造服務(wù)中的應(yīng)用研究[15]；楊玉舒[16]建立了排序模式下基于三維結(jié)構(gòu)的制造服務(wù)組合優(yōu)化模型，以解決包括服務(wù)聚合、服務(wù)選擇和服務(wù)排序在內(nèi)的三維組合優(yōu)化問題；封宇等[17]為了解決云制造服務(wù)的信任評價(jià)問題，為云制造服務(wù)使用者提供服務(wù)選擇的準(zhǔn)則，并為平臺運(yùn)營者提供服務(wù)管理的方法，提出一種層次化可配置的可信評價(jià)模型；劉婷婷等[18]在基于模糊集的基礎(chǔ)上構(gòu)建了制造服務(wù)模糊決策優(yōu)選模型；鄭煒等[19]建立了基于雙層蟻群算法的，以時(shí)間最短、成本最低、能耗最少、可靠性最高為目標(biāo)的服務(wù)組合優(yōu)選模型。

(4) 制造服務(wù)平臺。智能搜索引擎的原型系統(tǒng)建立于中小企業(yè)制造服務(wù)云平臺上，其核心思想即為云制造服務(wù)模式[20]；易樹平等[21]為解決云制造服務(wù)平臺中制造任務(wù)分解與資源配置環(huán)節(jié)脫節(jié)的問題，提出了一種基于聚類算法的任務(wù)分解優(yōu)化方法；關(guān)于再制造的云平臺通過閉環(huán)供應(yīng)鏈中需求整合、資源對接、制造服務(wù)集成等方式實(shí)現(xiàn)制造管理服務(wù)化[22]；趙道致等[23]采用Hotelling模型建立價(jià)格競爭和需求函數(shù)模型對制造服務(wù)平臺供需關(guān)系進(jìn)行了研究。

以上研究表明：關(guān)于制造服務(wù)的研究集中在生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、制造服務(wù)運(yùn)營方式、制造服務(wù)管理、制造服務(wù)平臺等。制造服務(wù)的典型特征雖然有不同方面的描述和研究，但是其核心概念“基于服務(wù)的制造和面向制造的服務(wù)”卻是學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的共識。

在人工智能和智能制造時(shí)代，基于互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境，發(fā)展制造服務(wù)業(yè)、開展制造服務(wù)是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。尤其關(guān)于制造服務(wù)中智能業(yè)務(wù)協(xié)作是實(shí)現(xiàn)智能制造、智慧型制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)。制造服務(wù)的服務(wù)內(nèi)容涵蓋了設(shè)計(jì)服務(wù)、倉儲(chǔ)運(yùn)輸服務(wù)、商貿(mào)服務(wù)、供應(yīng)鏈管理服務(wù)、信息與金融服務(wù)等。通過歸納相關(guān)研究，不難總結(jié)制造服務(wù)的顯著特征如下：

首先是相關(guān)性和關(guān)聯(lián)度特征。制造服務(wù)既跟制造相關(guān)，又跟服務(wù)相關(guān)，僅就其與制造和服務(wù)的關(guān)聯(lián)度高低不同。制造服務(wù)非孤立存在于企業(yè)生產(chǎn)服務(wù)活動(dòng)當(dāng)中，制造服務(wù)必須依托于制造這一基礎(chǔ)活動(dòng)方可存在，其本質(zhì)是為制造活動(dòng)進(jìn)行服務(wù)，同時(shí)，制造服務(wù)具有明顯的服務(wù)特征，其業(yè)務(wù)可以從制造活動(dòng)中剝離出來，制造服務(wù)與制造的相關(guān)性大小和關(guān)聯(lián)度高低決定其生命力大小。

其次是可分解和可重構(gòu)特征。鑒于制造服務(wù)典型的服務(wù)特征，以及其可從制造活動(dòng)剝離的特征，因此制造服務(wù)可分解為不同的單元，封裝成不同的制造服務(wù)模塊，并進(jìn)行重構(gòu)和重組，根據(jù)服務(wù)組合的不同，對外形成具有各種服務(wù)能力的制造服務(wù)組合。因此，制造服務(wù)單元具有分解性和重構(gòu)性。

1 制造服務(wù)中的服務(wù)協(xié)作鏈

制造服務(wù)是“面向制造的服務(wù)”，如圖1所示，研發(fā)、設(shè)計(jì)、采購、市場調(diào)查、庫存控制、配送、銷售、維修、質(zhì)量控制、外協(xié)加工、金融和物流等服務(wù)存在于制造各個(gè)階段。

圖1 制造各階段所需服務(wù)示意圖Fig.1 Sketch map of service requirements for manufacturing stages

以外協(xié)加工為例，作為制造服務(wù)的一種，在企業(yè)制造活動(dòng)過程中，往往會(huì)因自身加工能力不足而進(jìn)行零部件外協(xié)加工或工序外協(xié)加工。如某企業(yè)在一段時(shí)期內(nèi)收到了大量的訂單，按訂單要求均需進(jìn)行按時(shí)交貨，因其自身加工能力不能滿足訂單的交貨期要求，則需將部分零部件的生產(chǎn)加工任務(wù)進(jìn)行外協(xié)，尋求外部業(yè)務(wù)協(xié)作伙伴進(jìn)行外協(xié)加工的生產(chǎn)方式。工序外協(xié)一般存在于某些特殊加工對象或某些加工對象的特殊工藝，如某生產(chǎn)廠商對某成套設(shè)備的某大型器具不具備加工能力，則需將該器具的加工進(jìn)行外協(xié)。

從制造服務(wù)需求來看，在外協(xié)加工制造服務(wù)過程中，一項(xiàng)任務(wù)往往需要多個(gè)外協(xié)加工企業(yè)或外協(xié)加工工序才能完成。因此，不同的外協(xié)加工制造服務(wù)任務(wù)可分解為若干協(xié)作子任務(wù)，各協(xié)作子任務(wù)根據(jù)作業(yè)時(shí)間先后或者交貨期的先后組成了一條服務(wù)協(xié)作鏈(Business Collaboration Chain, BCC)。服務(wù)協(xié)作鏈的運(yùn)行效率關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響企業(yè)整體運(yùn)作。服務(wù)協(xié)作鏈的管理成為重要內(nèi)容，有必要對服務(wù)協(xié)作鏈產(chǎn)生機(jī)理、動(dòng)態(tài)變化、控制決策等進(jìn)行研究。

服務(wù)協(xié)作鏈由不同服務(wù)子任務(wù)組成，以外協(xié)加工為例，若外協(xié)加工制造服務(wù)任務(wù)需要若干外協(xié)加工子任務(wù)時(shí)，各外協(xié)加工子任務(wù)的服務(wù)組合即生成了服務(wù)協(xié)作鏈。服務(wù)協(xié)作鏈根據(jù)協(xié)作任務(wù)的組成不同，以及服務(wù)協(xié)作任務(wù)組合的時(shí)間序列或作業(yè)序列差異，分別構(gòu)成服務(wù)協(xié)作單鏈、服務(wù)協(xié)作多鏈。對服務(wù)協(xié)作鏈中串行任務(wù)和并行任務(wù)進(jìn)行建模優(yōu)化，即為組合優(yōu)化問題。

2 服務(wù)協(xié)作鏈定義

服務(wù)協(xié)作鏈中有各種不同的制造服務(wù)協(xié)作對象、需求服務(wù)協(xié)作企業(yè)等，服務(wù)協(xié)作鏈中的關(guān)鍵核心企業(yè)需要對服務(wù)協(xié)作鏈的有效長度和運(yùn)行效率進(jìn)行管控，以便對服務(wù)協(xié)作質(zhì)量進(jìn)行控制。核心企業(yè)需要重點(diǎn)考量的因素是服務(wù)協(xié)作鏈的長度，因?yàn)榉?wù)協(xié)作鏈的長度是決定服務(wù)協(xié)作質(zhì)量的一個(gè)重要因素。據(jù)此，對服務(wù)協(xié)作鏈進(jìn)行如下定義：

定義1 服務(wù)協(xié)作鏈(Service Collaboration Chain, SCC)：將服務(wù)協(xié)作各組子任務(wù)，按服務(wù)的時(shí)間先后順序或作業(yè)順序進(jìn)行組合排序，從而形成關(guān)于服務(wù)協(xié)作任務(wù)的有序集合。

服務(wù)協(xié)作鏈?zhǔn)峭ㄟ^對不同的服務(wù)協(xié)作子任務(wù)進(jìn)行封裝和鏈接生成的，為提升服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平，服務(wù)協(xié)作鏈對不同的服務(wù)進(jìn)行優(yōu)化組合，從而滿足更廣范圍的服務(wù)協(xié)作供需雙方的目的和需求。

定義2 通用服務(wù)協(xié)作任務(wù)(General Service Collaboration Task, GSCT)：指一般常用方法可實(shí)現(xiàn)的通用服務(wù)協(xié)作任務(wù)。

定義3 特殊服務(wù)協(xié)作任務(wù)(Special Service Collaboration Task, SSCT)：指通過特殊方法方可實(shí)現(xiàn)的特殊服務(wù)協(xié)作任務(wù)。

服務(wù)協(xié)作鏈的組裝需要滿足服務(wù)業(yè)務(wù)協(xié)作調(diào)度的一般要求，將通用服務(wù)協(xié)作任務(wù)加以組合并封裝成鏈，便于服務(wù)業(yè)務(wù)協(xié)作調(diào)度時(shí)進(jìn)行服務(wù)協(xié)作的調(diào)用。對于一些比較特殊的服務(wù)協(xié)作任務(wù)，也可以通過對服務(wù)協(xié)作鏈進(jìn)行逐步擴(kuò)展，以此進(jìn)一步豐富服務(wù)協(xié)作鏈。

服務(wù)協(xié)作鏈SCC定義為以下多元組：

L={LGSCT,LSSCT}={[LGSCT1,LGSCT2,…,LGSCTm],

{LSSCT1,LSSCT2,…,LSSCTn}}

(1)

其中，LGSCT表示通用服務(wù)協(xié)作任務(wù)，LSSCT表示特殊服務(wù)協(xié)作任務(wù)，二者組合為L服務(wù)協(xié)作鏈。本文構(gòu)建服務(wù)協(xié)作鏈時(shí)，選取模塊化方法[24]對服務(wù)協(xié)作鏈進(jìn)行建模，各服務(wù)協(xié)作任務(wù)具不同的粒度大小，可組建為若干服務(wù)協(xié)作模塊，再由不同服務(wù)協(xié)作模塊組建為服務(wù)協(xié)作鏈。

3 基于Petri網(wǎng)構(gòu)建服務(wù)協(xié)作鏈

在服務(wù)協(xié)作鏈建模過程中，一是要描述服務(wù)協(xié)作鏈的組成，二是要描述各服務(wù)協(xié)作任務(wù)、各服務(wù)協(xié)作子任務(wù)的相互作用和關(guān)系。鑒于Petri網(wǎng)對于異步并發(fā)系統(tǒng)建模的優(yōu)越性，且服務(wù)協(xié)作鏈的任務(wù)組成多為異步并發(fā)任務(wù)，采用Petri網(wǎng)建模方法建立服務(wù)協(xié)作鏈模型如圖2所示。

圖2為基于Petri網(wǎng)的服務(wù)協(xié)作鏈模型圖，其中，L表示服務(wù)協(xié)作鏈構(gòu)成元素的處所，C表示服務(wù)協(xié)作鏈構(gòu)成元素的變遷?？捎梦逶M來表示基于Petri網(wǎng)的服務(wù)協(xié)作鏈：PSCC={L,C,I,O,R0}，其中，L表示服務(wù)協(xié)作鏈元素的處所集合，C表示服務(wù)協(xié)作鏈元素的變遷集合，I表示輸入集合，O表示輸出集合，R0表示規(guī)則集合。{L,C,I,O,R0}五元組表示Petri網(wǎng)系統(tǒng)。位置集合L和變遷集合C的含義如表1所示。

圖2基于Petri網(wǎng)的服務(wù)協(xié)作鏈模型圖
Fig.2ModeldiagramofbusinesscollaborationchainbasedonPetrinet

4 服務(wù)協(xié)作鏈優(yōu)化

服務(wù)協(xié)作鏈由若干具有時(shí)間序列和物理序列的服務(wù)協(xié)作任務(wù)所組成，各服務(wù)協(xié)作任務(wù)具有邏輯關(guān)聯(lián)，各服務(wù)協(xié)作任務(wù)的有序組合即為服務(wù)協(xié)作鏈，如圖3所示。服務(wù)協(xié)作鏈的執(zhí)行情況直接影響服務(wù)協(xié)作的效率。在服務(wù)協(xié)作任務(wù)執(zhí)行過程中，存在許多外來因素或不可控因素的影響，需要對外協(xié)加工服務(wù)協(xié)作鏈進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，通過對各服務(wù)協(xié)作任務(wù)結(jié)點(diǎn)的執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)服務(wù)協(xié)作目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化服務(wù)協(xié)作任務(wù)，重新構(gòu)建新的服務(wù)協(xié)作鏈。

圖3 外協(xié)加工服務(wù)協(xié)作鏈?zhǔn)疽鈭DFig.3 Sketch map of collaboration chain for outsourcing processing service business

調(diào)度中心運(yùn)用服務(wù)協(xié)作調(diào)度方案對服務(wù)協(xié)作任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，調(diào)整生成重組后的服務(wù)協(xié)作鏈。啟發(fā)式算法常被用于對服務(wù)協(xié)作鏈的優(yōu)化方，其中貪婪算法是解決最優(yōu)化問題的近似方法[25]。貪婪算法的算法過程和思想如下：在尋優(yōu)過程中，算法的每一步?jīng)Q策都是貪婪的，且不可在決策后進(jìn)行更改，貪婪因子是其決策依據(jù)，如何設(shè)定貪婪因子是貪婪算法的核心。以外協(xié)加工為例，在圖3所示的服務(wù)協(xié)作鏈模型中，對服務(wù)協(xié)作鏈中的每個(gè)服務(wù)協(xié)作任務(wù)進(jìn)行作業(yè)時(shí)間賦值，最小作業(yè)時(shí)間即為服務(wù)協(xié)作鏈的優(yōu)化目標(biāo)，可利用貪婪算法進(jìn)行求解。

表1 服務(wù)協(xié)作鏈模型參數(shù)定義Table 1 Parameter definition of business collaboration chain model

貪婪因子即為Si(t)，貪婪算法的計(jì)算過程如下：

步驟1 計(jì)算服務(wù)協(xié)作任務(wù)提供者是否具備完成服務(wù)協(xié)作任務(wù)的時(shí)間，若否則退出算法；否則轉(zhuǎn)至步驟2。

為空，迭代變量j=0。

步驟3 從剩余服務(wù)協(xié)作提供者(n-j)中選取1個(gè)服務(wù)協(xié)作提供者加入到Si中，構(gòu)成(n-j)條服務(wù)協(xié)作鏈。

步驟4 計(jì)算目標(biāo)值Stotal(i)(1≤i≤n-j)，其中(n-j)為(n-j)條服務(wù)協(xié)作鏈。

步驟5j=j+1。

步驟6 檢查必要條件滿足情況，若Si滿足，則為近似最優(yōu)解；否若Si滿足不滿足必要條件，則構(gòu)成新的服務(wù)協(xié)作鏈Si，轉(zhuǎn)步驟3。

實(shí)例驗(yàn)證：以外協(xié)加工為例，在某外協(xié)加工服務(wù)協(xié)作中，協(xié)作總?cè)蝿?wù)數(shù)為20，有20個(gè)服務(wù)協(xié)作提供者，每項(xiàng)任務(wù)均為并發(fā)任務(wù)，并可由服務(wù)提供者獨(dú)立完成，任務(wù)的先后約束關(guān)系在此可忽略，各服務(wù)提供者的服務(wù)能力用矩陣表示為[SNSTSP]描述，矩陣中SN表示可完成的任務(wù)數(shù)，ST表示相應(yīng)任務(wù)的服務(wù)時(shí)間，SP表示相應(yīng)任務(wù)的服務(wù)價(jià)格，服務(wù)能力矩陣H=[ABCDE]T中：

構(gòu)建服務(wù)協(xié)作鏈時(shí)確定貪婪因子為服務(wù)時(shí)間，算法過程依次從服務(wù)提供者中選取時(shí)間最小的加以組合，目標(biāo)函數(shù)為Si(t)服務(wù)時(shí)間最小。利用貪婪算法進(jìn)行該服務(wù)協(xié)作鏈的優(yōu)化，其結(jié)果如圖4所示。其中O表示開始進(jìn)行服務(wù)協(xié)作鏈的組建，Pi表示組建服務(wù)協(xié)作鏈的各結(jié)點(diǎn)，E表示組建服務(wù)協(xié)作鏈完成，該服務(wù)協(xié)作鏈的Si(t)值為28。

圖4 貪婪算法對服務(wù)協(xié)作鏈的優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Optimization results of greedy algorithm for business collaboration chain

5 結(jié) 論

制造服務(wù)是面向制造的服務(wù)，具有與制造和服務(wù)的關(guān)聯(lián)性以及服務(wù)的分解性和重構(gòu)性。制造服務(wù)中服務(wù)協(xié)作鏈?zhǔn)歉鶕?jù)服務(wù)協(xié)作需求，將服務(wù)協(xié)作任務(wù)以服務(wù)流程先后順序加以組合而成的服務(wù)協(xié)作任務(wù)的有序集合。服務(wù)協(xié)作鏈將不同的協(xié)作服務(wù)進(jìn)行組織，用以滿足更廣范圍內(nèi)的服務(wù)協(xié)作需求雙方的對接，其運(yùn)行效率對制造服務(wù)能力有顯著影響，構(gòu)建和優(yōu)化服務(wù)協(xié)作鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)智能化制造系統(tǒng)的前提條件，也是先進(jìn)制造系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。