基于云制造的个性化定制生产模式研究

李　强　史志强　闫洪波　李　丽(内蒙古科技大学，包头　014010)

基于云制造的个性化定制生产模式研究

李强史志强闫洪波李丽
(内蒙古科技大学，包头014010)

〔摘要〕针对单个企业实施个性化定制生产面临资源不足、能力不强等实际情况，本文结合个性化定制特点及云制造理论提出一种新的个性化定制生产模式。分析了该模式的组织形式，并以云制造平台为核心从内外两个角度研究了该模式的运作方式，最后对其关键技术及优势进行了说明。研究结果表明，基于云制造的个性化定制生产模式不仅能够有效解决单个企业存在的能力不足问题，而且对于提高定制企业应对市场变化的能力也具重要的作用。

〔关键词〕个性化定制云制造生产模式运作模式

引言

在全球化市场竞争的环境下，消费者有了更广阔的产品选择范围。他们不再满足于企业提供的单一化产品，而是希望更多地获得与自身需求相一致的准确产品。为此，企业不得不将个性化定制作为企业新的竞争手段和经营战略，进而通过为顾客生产定制产品来获取利润。但是由于个性化定制在商业运作原理上与大批量生产以及大规模定制存在着显著差异，使得企业用于大规模生产及大规模定制的生产系统、信息化管理方法以及所具备的生产能力都很难满足个性化定制生产的需要［1，2］。再加上我国制造企业普遍存在生产规模小、信息化水平低、研发能力不足等问题［3］，这就使得单个企业在实施个性化定制的过程中往往会受到自身资源和能力的束缚，进而使企业在实施个性化定制时出现如下情况: (1)缺少开发某项产品的核心技术和能力。(2)产品生产时转换成本过大。(3)面对复杂的产品结构时，企业独立开发成本高、风险大。虽然，企业可以通过引进先进的信息管理系统和柔性生产系统对企业现有的生产条件进行改造，来满足个性化定制生产的需要。但是，对现有的生产系统和信息化系统进行改造，企业不仅需要花费高额的成本和较长的改造周期，而且还会面临着资金周转困难的问题。针对上述问题，本文试图将云制造理论引入到个性化定制生产中来构建一种新的生产组织形式——基于云制造的个性化定制生产模式，使定制企业能够以低成本、高质量的产品满足顾客的个性化需求。

1　个性化定制的原理及特点

个性化定制的原理与传统大规模生产和大规模定制的原理有很大不同。个性化定制采用的是“设计——销售——设计——制造”的运作模式［4］，如图1所示。个性化定制运作模式是以顾客为中心进行的，企业需要事先设计好产品的总体结构(确定产品的模块数量、形状、以及模块之间的连接与界面)，通过销售环节，在顾客的参与下结合顾客的喜好完成个性化设计，之后再对产品进行生产制造。在驱动方式上，它是一种拉式生产。这就使得企业在组织个性化定制生产时要比组织大规模生产和大规模定制生产更为困难，具体表现为: (1)由于企业各类资源有限，当不同顾客提出定制需求时，单个企业无论在资金上还是技术上很难在短时间内具备快速完成产品从设计到销售所有技术和能力。(2)个性化定制没有了大规模生产和大规模定制的时间优势和成本优势，产品在完成个性化设计之后，才能组织生产。由于顾客产品的差异性，企业很难进行连续性生产，使得生产效率和成本难以控制。这就要求实施个性化生产企业要与其他企业密切合作，相互利用彼此优势，通过分工合作来降低生产成本和提升生产效率。

图1　个性化定制原理

2　云制造原理

云制造是一种面向服务，基于知识、高能低耗的网络制造新模式。它是云计算服务模式在制造业的应用。它通过将云计算、高性能计算、物联网等技术同电子商务技术融合，实现对各类制造资源(制造设备、计算系统、软件、模型、数据、知识等)统一的、集中的智能化管理和经营，为制造全生命周期过程提供可随时获取的、按需使用的、安全可靠的、优质廉价的服务［5，6］。它体现的是一种“分散资源集中使用、集中资源分散服务”的网络化制造理念。

云制造基本运作原理可以用“三种用户和一个核心支持(知识)、两个过程(接入、接出)”来描述，如图2所示［5］。制造资源提供者将自身的制造资源和制造能力利用各种知识手段将其封装为云服务，交由制造云运营进行统一管理，制造运营者根据制造资源使用者制造需求，将云服务聚集形成制造云，面向制造全生命周期应用提供各种服务。云制造作为一种新的制造理念，弥补了传统网络化制造模式的不足。传统网络化制造模式强调是“联盟”，目的是快速响应外界需求。而云制造是以“资源和能力的按需使用”为核心，通过搭建支持海量资源统一管理及具有弹性架构的云平台，能够实现松耦合、紧耦合等不同形式的协作方式、构建不同形式的联盟［7］。因而，云制造不仅能够满足企业快的要求，而且也能够满足企业“需”的要求。

图2　云制造的运行原理

3　基于云制造的个性化定制生产模式设计

3. 1基于云制造的个性化定制组织模式的构建

根据云制造理念及原理，结合个性化定制的特点构建了基于云制造平台的个性化定制生产组织模式，如图3所示。

其基本思想是将不同规模、不同性质的企业封装为独立的功能单元，通过网络将其接入到云制造平台，并由云制造平台进行统一管理，其中实施个性化定制的企业利用平台内部嵌入的定制系统，通过网络与顾客进行交流，了解顾客的个性化需求。然后，把顾客的个性化需求反映到产品设计中心，由产品设计中心按照顾客的个性化需求设计出顾客需要的定制产品，或者直接让顾客与产品设计中心进行交流，共同设计需要定制的产品。再通过网络将产品配置文件传输到产品加工制造中心，加工制造中心通过对生产能力分配，将供应云、制造云、装配云、物流云、服务云按照一定的合作方式集成起来共同完成该定制产品的生产，以达到低成本、快速响应顾客个性化需求的目的。通过云制造平台实现对人、物、知识的高度集成，进而实现对定制产品全生命周期整个过程的智能化控制。该模式利用云制造平台将分布在不同地理位置上、不同类型的企业汇聚在一起。通过企业之间的资源共享、信息互通、能力互补来弥补企业各自的不足。这种组织形式不同于企业之间的联盟合作，企业不论规模大小、能力强弱都处在平等地位，彼此之间没有严格的从属关系，他们根据需要可以采取不同合作形式，例如由临时性需求产生的机会合作、围绕制造过程的运作合作、围绕产品的战术合作等。这种开放的合作形式能够很好地满足单个企业实施个性化定制生产的需求，满足个性化定制生产“稳、准、快”的要求。

图3　基于云制造服务平台的个性化定制组织模式

3. 2云制造平台的体系结构设计

为了满足基于云制造的个性化定制生产组织模式的有效运行，因此，本文借鉴李春泉等(2011)的云制造体系构建方法构建了适用于个性化定制的云制造平台体系框架，如图4所示。整个框架体系共分为4层，包括支撑层(平台基础设施)、管理层、服务层、门户层。支撑层是由网络、数据库、存储及各类服务器等基础设施组成，为整个平台运作提供可靠的IT环境支持。管理层由各类服务功能工具组成，为平台内资源管理、调度、组合、分解、搜索、匹配、交易、结算等功能活动提供工具支持。服务层是平台的核心功能层，向平台用户提供如协同设计、协同制造、物料采购等服务。门户层为平台用户提供注册、登录以及身份验证、安全认证、资源审核的接口。

结合该组织模式的需要，云制造服务平台应具备如下功能。

3. 2. 1作为一个资源调度中心

云制造服务平台通过物联网技术、云计算技术、智能技术将各个企业的资源情况接入到平台中，存储在云数据库中。根据实施定制生产企业的需求信息，自动搜索云数据库选择含有所需资源的企业，并将有业务联系的各个企业集成起来，利用互补优势，分工合作完成定制产品的生产。

3. 2. 2作为一个研发设计中心

利用平台内集中存储的设计工具、设计人员、设计知识等信息，根据设计需要，平台能够迅速组织起来多个设计团队，进行新产品的研发，降低了单个企业独自开发的风险。

3. 2. 3作为一个产品交易中心

云制造通过虚拟化技术将零部件资源信息虚拟化为云数据，运用软件工程技术，构建零部件在线交易系统模块，为企业之间信息发布、管理、交互并最终达成在线交易提供服务。

3. 2. 4作为一个物流配送中心

云制造服务平台通过接入大量拥有完善服务体系和各行业客户的物流企业，使得定制企业能够利用这些企业混合装载、规模经济的效应，实现定制产品的低成本运输和快速响应。

图4　个性化定制云平台体系架构

3. 2. 5作为一个供应链管理中心

云制造服务平台能够对参与某一定制任务的所有企业进行统一管理，通过对供应链上信息的集中处理和共享，可以加快信息传递速度和提高信息的准确性，有利于各企业制定合理的生产计划，实现精益生产和敏捷制造，降低定制生产成本，减少资源消耗和不必要的资源浪费。

3. 3基于云制造服务平台的运作模式设计

3. 3. 1平台外部运作模式设计

定制企业基于云制造服务平台的外部运作模式应以生产计划为主线，围绕云制造服务平台对企业内外部各种资源进行合理配置与管理，通过最优地组织生产，使顾客订单要求与企业资源有机地结合，既满足顾客定制要求又使自身资源得到高效利用。基于云制造服务平台的生产计划模型，如图5所示。

在图5中，基于云制造服务平台的生产计划的运作流程如下: (1)云制造服务平台接收顾客订单，根据企业当前资源能力情况及定制产品的BOM进行能力分析和成本分析，确定其生产类型，并将分析结果返回给定制企业; (2)定制企业根据平台返回的能力和成本分析信息，决定是否将部分定制任务外包，若外包，将外包任务发布到云制造服务平台，平台根据外包任务要求会自动选择合适的合作伙伴来完成外包任务; (3)定制企业及其合作伙伴根据各自当前生产能力制定详细的生产计划，并将其提交给云制造服务平台。(4)在计划执行时，云制造服务平台根据各企业的生产计划对整个生产任务的进度进行跟踪反馈和控制，并及时将生产进度给定制企业及顾客。(5)下一次计划时，云制造服务平台会重新对平台内各企业生产能力进行评估分析，并对新订单按照(1)～(4)的步骤滚动制定计划，同时，对于哪些订单正在占用的能力不再考虑作为新订单任务的计划。基于云制造服务平台的生产计划模型突破了MRPⅡ［10］、JIT［11］、TOC［12］只局限于单一企业内部的资源利用和优化的局限性，将资源利用的空间和能力平衡扩展到了企业外部，提高了企业应对个性化定制快速多变的能力。

3. 3. 2云制造服务平台内部运作模式

为了保证外部运作模式的有效运行，本文对云制造服务平台内部的业务处理流程进行了设计，如图6所示。

在前文构建的用于个性化定制的云制造服务平台主要包括定制中心，产品设计中心、订单管理中心、协同加工中心、物料采购中心、物流服务中心6个服务模块。因而，平台内部的业务主要围绕这6个服务模块开展。具体运作过程如下:

图5　基于云制造服务平台的生产计划模型

定制中心从制造云池中调取需求描述工具，获取顾客需求，对于获取的需求，一方面将其导入制造云池存储，为以后挖掘顾客潜在需求提供依据;一方面对其进行功能转化，得到设计人员可以理解的产品功能参数，并将其导入制造云池中存储，为设计人员研发产品提供依据。产品设计中心接收定制中心发送的顾客需求(已转化过的)，并调取制造云池内设计资源(包括设计人员、设计工具、设计资料)对定制产品进行实体模型，将生成产品数据文件导入到制造云池内存储，以便订单管理中心调取。管理订单管理中心将调取得存储在制造云池内的顾客信息及产品信息融合生成顾客订单文件，根据定制企业生产能力的实际情况对订单进行适当的分解和分配，并将分解得到的外包订单及外购订单发布到平台内，待协同加工中心及物料采购中心进行任务再分配。协同加工中心调取存储在制造云池内的外包任务，根据任务要求从制造云池内选择合适的合作伙伴，并将分配结果和订单执行情况返回给订单管理中心，以便订单管理中心对订单完成进度进行监控。物料采购中心调取存储在制造云池内的外购任务，根据任务要求从制造云池内选择合适的供应商，并将分配结果和供货情况返回给订单管理中心，以便订单管理中心对订单完成进度进行监控。在订单任务执行时，物流服务中心调取存储在制造云池内的来自不同企业的配送任务，根据配送任务要求选择合适的物流公司，来保证企业之间产品零部件间准时配送。

图6　云制造平台内部运作过程

3. 4实现所需的关键技术

基于云制造的个性化定制生产模式的成功运行离不开相应技术的支持。整个模式涉及的关键技术主要有智能化匹配技术、智能化管理技术、信息标准化技术等。

3. 4. 1智能匹配技术

智能匹配是云制造平台按需分配任务的关键，涉及资源建模、任务建模、匹配算法设计等问题。

3. 4. 2智能化管理技术

智能化管理技术是云制造环境下个性化定制实施的关键技术，涉及订单管理、资源管理、过程管理等方面。主要包括资源部署、调度、监控等技术;订单分解、分配、调度、监控、评价等技术。

3. 4. 3信息标准化技术

信息标准化技术是基于云制造的个性化定制生产模式成功实施的基础之一。信息表示、处理、交换的标准化，是企业之间互通有无的保证。信息标准化主要涉及产品文件格式的标准化、商务信息的标准化、管理、运行方式的标准化等。

3. 5基于云制造的个性化定制生产模式的优势

基于云制造的个性化定制生产模式与单个企业独立实施个性化定制生产相比具有显著优势，主要如下:

(1)该模式通过利用云计算等先进技术对各类制造资源进行虚拟聚集，使分布在不同地理位置上的制造资源达到高度共享和优化配置，也使加入云制造的企业能够以低廉的成本，快速寻求到资源互补对象来弥补自身能力的不足。(2)企业利用云制造服务平台实施个性化生产突破了单个企业生产能力的束缚，使企业能够以无限大的生产能力来进行生产的规划，使企业能够获得更高的效益。(3)可以利用云制造服务平台内资源的规模优势，迅速汇集生产所需的各种生产要素，以更快的速度研发和生产定制产品，它提高了企业应对市场变化速度和能力。(4)在合作伙伴和供应商选择上更加灵活、方便，企业之间能够以更加多样化的形式进行即时合作，相互利用彼此的优势，实现最优化生产，以更低的成本生产出顾客满意的产品。(5)云制造服务平台能够根据各企业具体生产情况，按需调度任务，实现了社会资源的优化配置和高效利用。

4　结论

基于云制造的个性化定制生产模式是为了解决单个企业生产能力不强以及快速应对顾客定制需求而提出的网络化生产模式。它通过云制造服务平台对社会资源实现了有效的集成和统一管理，使加入云制造服务平台的企业能够按需使用资源，弥补自身能力的不足，灵活选择合作伙伴，降低生产成本，进而快速有效的满足顾客定制需求。在该模式下，企业之间通过彼此能力和资源的共享，不仅使各自的资源得到充分利用、实现增值，也使各企业能够以更低的成本组织生产，实现多赢。因而，基于云制造的个性化定制生产模式为企业应对全球化竞争的挑战提供了新的条件。

参考文献

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(责任编辑:王平)

Research on the Production Mode of Personalized Customization Based on Cloud Manufacturing

Li Qiang Shi Zhiqiang Yan Hongbo Li Li
(Inner Mongolia University of Science＆Technology，Baotou 014010，China)

〔Abstract〕For a single enterprise to implement personalized custom production is facing the lack of resources，the ability is not strong and so on the actual situation，and this paper combined with the characteristics of personalized customization and cloud manufacturing theory proposed a new personalized custom production mode．The organization form of the model was analyzed，and the operation mode of the pattern from inside and outside the two angles of the cloud manufacturing platform was studied．Finally，the key technologies and the advantages of the pattern were described．The analysis results show that the personalized customization production model based on cloud manufacturing can not only effectively solve the problem of the existing problems of individual enterprises，but also has an important role in improving the ability to respond to market changes．

〔Key words〕personalized customization; cloud manufacturing; production mode; operation mode

作者简介:李强，内蒙古科技大学机械工程学院教授，博士。研究方向:制造业信息化、现代设计理论。史志强，内蒙古科技大学机械工程学院硕士研究生。研究方向:云制造。闫洪波，内蒙古科技大学机械工程学院副教授。研究方向:创新设计。李丽，内蒙古科技大学机械工程学院讲师。研究方向:现代设计方法。

基金项目:内蒙古自治区十二五应用技术研究与开发资金项目:电子与信息化“装备制造业中云制造协同制造模式的研究及企业应用规范”(项目编号: 20111424)。

收稿日期:2015—11—16

〔中图分类号〕F426. 4

〔文献标识码〕A

DOI:10．3969/j．issn．1004－910X．2016．04．012