先进管理技术对制造新模式演化过程的影响
2021-09-01 来源： 智造苑
伴随着制造新模式的产生，原有的管理技术不能有效解决制造新模式中呈现的管理问题，先进的管理技术应运而生。目前，先进管理技术按照作用对象可分为系统层面和执行层面两大类。其中，系统层面的技术包括新型企业资源计划技术、产品全生命周期管理技术、智能生产计划与控制技术；执行层面的技术包括任务驱动的协同资源配置与管理技术、基于多智能体的协同方法、基于“分解-自治-协调”的协同优化决策机制、基于工作流的协调过程管理技术。这些先进的管理技术将有效地应对制造新模式中出现的新挑战。
「 1. 先进管理技术发展路线 」
先进管理技术在制造新模式演化过程发挥重要作用。在智能制造时代，宏观层面上，制造企业需要基于“互联网+”的协同制造模式来进行生产运作管理；此种模式以客户的个性化需求为目标导向，以互联网相关技术为手段，在产品的全生命周期内进行高效协同；而这些都可以通过运用先进管理技术来实现。微观层面上，通过应用先进管理技术，制造企业可以实现更优的资源配置，减少流程浪费和降低生产成本，提升企业运作效率和服务水平以便更快更好地响应市场多样化的需求。值得注意的是，先进管理技术也经历过不断演化的过程，以便更好地满足制造新模式的需求，本文以新型企业资源计划（ERP）和产品全生命周期管理技术（PLM）为例展开论述。
ERP是在制造资源计划II（MRP II）的基础上，嵌入质量管理、流程管理、数据管理、人力资源管理、数据挖掘、云计算等模块后生成的。目前，最新的ERP系统跳出传统企业内边界，立足于供应链管理，优化企业与企业交互资源。基于网络经济时代的新一代ERP系统，主要用于改善企业间业务流程以提高企业间合作共赢的能力，满足制造新模式合作全球化的需求。ERP系统演化过程如图1所示，面对制造业模式不断地升级，企业资源系统由最初的MRP系统逐步过渡到如今的ERP系统，系统管理内容的范围不断扩大，使用的技术也不断地更新。
图1 ERP系统演化过程
PLM是在产品数据管理（PDM）基础上发展而来。PDM主要用于管理所有与产品相关信息（硬件信息、文档、CAD文件）和所有与产品相关过程（过程定义和管理）的技术。PLM则是以产品创新为驱动的战略管理方法，应用一系列应用系统，支持企业内及企业间从产品概念设计到产品使用结束过程中产品信息的协同产生、管理、分发和使用。PLM更加适合于制造新模式产品管理。PDM与PLM关系表示如图2所示。
图2 产品管理演化
图3展示2005—2018年先进管理技术领域专利申请数量的变化趋势。智能生产计划与控制专利数量呈现较快增长趋势，尤其是2011年以后呈现指数型增长趋势。值得注意的是：“工业4.0”概念正是2011年德国举行的汉诺威工业博览会上提出，而智能生产计划与控制正是“工业4.0”内涵的重要实践之一。“分解-自治-协调”的协同优化决策、新型企业资源计划、产品生命周期管理在2011年后也呈现一定的增长趋势，顺应制造新模式的新需求而生。总的来说，制造新模式对管理思维、方法和工具都提出新的挑战，工业界和学术界也积极应对新的挑战，不断地开发满足先进管理技术要求的新产品。
图3 2005—2017年先进管理技术领域的专利申请数量
「 2. 先进管理技术对演化过程的促进作用 」
不同的先进管理技术对制造新模式演化过程产生不同的促进作用。下面从系统层面和执行层面两个维度论述先进管理技术如何促进制造新模式的演化过程。
1）在系统层面
（1）新型企业资源计划技术
新型企业资源技术（ERP）能满足制造新模式下企业之间和企业内部各部门的协同运作管理的需求。为加强企业内部和企业之间重要信息传输和共享的力度，新型企业资源技术采用全新的商业管理策略与开放应用架构，帮助企业按需构建个性化的应用系统，同时可以根据管理模式、组织结构、业务流程的变化实时信息系统的自适应调整，从而实现整合和优化企业内部以及企业之间的商务运作、协同运营的目标。
ERP能充分满足制造新模式演化过程的合作全球化需求和生产透明化需求。从满足合作全球化需求的一方面来说：通过对企业间组织架构重塑、系统流程组合、信息整合共享等，企业间的业务模块可以高效融合和再组织，从而加快企业间的资源调度与优化决策的效率；从满足合作全球化需求的另一方面来说：新型企业资源技术有利于打破企业间业务模式、经营状况差异的局面，制造企业利用开放的、个性化的、实时自适应调整的应用系统，将制造商和供应商的信息进行整合、共享和决策，实现对资源快速的优化配置，进一步加强制造商与供应商间的合作关系。从满足生产透明化需求方面来说：利用新型企业资源技术，制造企业能及时掌握供应商的生产、制造的技术和能力，合理组织生产技术，从而降低产品成本，更快更好地生产多样化的产品，满足顾客制化的需求。
（2）产品全生命周期管理技术
产品全生命周期管理技术的使用有助于完善产品设计，实现数字化、智能化的全生命周期管理产品的目标。通过实施产品全生命周期管理技术，制造企业可以对产品研发、生产、销售等环节的资源、流程和信息进行集成，协调并整合产品价值链上各环节的数据，并对产品设计过程建立优化模型，获得详细和直观的数字化产品设计内容，缩短产品开发周期同时保证产品质量。
产品全生命周期管理技术可以满足制造新模式产生的客户定制化需求。为满足客户定制化的需求，制造企业必须提高整个系统各个环节的柔性和快速响应能力，产品全生命周期的管理平台提供管理支持。管理支持的微观层面上：制造企业采取并行和串行相结合方式开展生产的各个环节，提高制造过程的柔性，缩短产品研发和生产周期，降低物料成本和提高生产效率；管理支持的宏观层面上：制造企业统筹管理产品全生命周期的商业活动，快速协同各个环节的资源参与制造过程，从而快速响应并满足客户定制化需求。
（3）智能生产计划与控制技术
智能生产计划与控制技术主要用于制造的作业计划与调度、数据采集与跟踪监测、统计过程控制与质量管理、设备维护管理等环节，旨在提升产品生产效率和质量，减少运作成本。具体操作过程：制造企业对生产各个作业环节进行系统建模，实时采集相关数据资料，并监控生产环节重要参数指标，从而对生产各个作业环节实施动态跟踪和追溯、提前预警及改善，确保制造整个生产过程不间断地高效运作。
智能生产计划与控制技术可以满足制造新模式演化过程生产透明化的需求。依托于智能生产计划与控制技术，制造企业实时采集各个生产环节的数据，系统建模及优化，实现对生产各个环节及细节透明化地管理，从而提前对制造系统进行维护及更新，预警设备工作性能的变化，及时维修或更新。合理利用智能生产计划与控制计划，宏观层面上企业高层能够依据生产系统的反馈做出精准而明智的判断与决策，微观层面上企业管理者可以实现有效预防性维护管理并依据信息设备的提示降低管理成本，提升运作效率，最终改善和提高产品质量。
2）在执行层面
（1）任务驱动的协同资源配置与管理技术
任务驱动的协同资源配置与管理技术能够实现设计-制造-服务的高效协同运作。具体操作是利用云技术对分散、异构的资源进行虚拟化和封装，协同资源动态优化配置与管理，从而更好地满足智能制造模式下多品种、大批量、定制化的生产要求。
任务驱动的协同资源配置与管理技术能够满足制造新模式演化过程的产品多样化需求。制造新模式面临的产品多样化已转化为与产品相关服务的多样化以及产品界限的多样化，制造企业需要借助于产品服务系统来提供与产品相关的覆盖产品全生命周期的服务及整体解决方案，抵御来自低成本经济体的竞争压力。融入CPS技术和ICT技术的智能PSS立足于产品-服务-信息的相互融合，建立产品实体价值和虚拟价值的框架结构，设计产品与增值服务的配比关系和呈现形式，从而获得实体产品与附加服务的最优匹配，提升企业差异化竞争能力。依托于任务驱动的协同资源配置与管理技术，企业可以实现智能工厂与客户零距离对话，客户全面参与到产品“智造”全过程。
（2）基于多智能体系统的协同方法
面对向动态的协同任务，动态封装智能体可以形成多智能体系统。多智能体系统在实际应用时，分解动态协同的任务并指派给每一位参与任务的主体，调用自主决策模型并进行相应的配置，封装多个智能体并建立彼此之间的关系，从而实现任务驱动的多智能体协同决策。
多智能体系统的协同方法可以从模块化视角满足制造新模式演化过程的合作全球化需求。为了充分发挥国际区域优势，整合和部署全球高端研发资源来实现产品创新研发、制造，制造企业需建立全球协同的研发和技术平台。宏观层面上：制造企业建立企业研发、生产、供应链、销售、服务和财务等的多智能体，统一到企业间协同管理的管控平台，协调联盟整体和联盟内部个体的利益，实现合作企业间的核心业务一体化管理目标，从而加快合作全球化的步伐。微观层面上：将制造系统的各加工单元看成智能体，加工过程则构成一个半自治的多智能体系统，完成单元内加工任务的监督和控制。
（3）基于“分解-自治-协调”的协同优化决策技术
“分解-自治-协调”的协同优化决策可以解决跨企业、跨业务系统难以进行整体集中优化的问题。制造新模式演化过程中，跨企业间合作时，由于业务数据隔离，企业间相关的设计-制造-服务协同问题变成大规模复杂的问题，不利于企业间的合作。借助于“分解-自治-协调”的协同优化决策，制造企业可以首先将参与协同主体的任务作为一个子问题进行局部求解，获得局部最优决策；然后基于一系列协调耦合机制，求解协同主体任务模型，获得所有子问题构成全局解的最优或近似最优，最大化满足合作者各方的利益，从而完成不同企业间业务集成与共享，实现合作的共赢。
“分解-自治-协调”的协同优化决策立足于合作方的利益最大化，进一步满足制造新模式演化过程的合作全球化需求。企业间合作目的是实现利益的最大化，合作企业间任务分配、资源的付出及相关要素的占用等都会影响到企业各自的利益，如何有效分配企业之间的任务、要素的使用等成为企业间合作顺利与否的前提。“分解-自治-协调”的协同优化决策立足于合作企业个体利益的子问题，运用一系列协调耦合机制，优化出所有子问题的全局最优或近似解，充分满足合作联盟整体和联盟内部个体的利益，确保全球化合作的可持续性。
（4）基于工作流的协同过程管理技术
工作流协同管理技术旨在对设计制造服务协同业务过程进行自动化或半自动化管理。实际的操作流程是：把具体的流程工作任务分解，形成多个已经事先定义好的任务、角色、资源、工具和信息等，遵循已定义好的规程，协调和监控不同文档、信息等在各个操作执行人员中间传递和实施，有利于项目实施的流程化和标准化，进而提高业务协同管理的效率和质量。
工作流协同管理技术能够满足制造新模式演化过程的能耗低碳化需求。工作流程协同化的使用，宏观层面上：规范化企业间各种资源调配操作，降低新制造模式下多种因素交织可能带来的能源消耗量；微观层面上：有助于规范制造过程的参与者如人员、机器、物料等工作内容和资源使用，降低各种资源使用不当带来的浪费，从而实现制造新模式的低能耗目标。
制造新模式演化过程有五个重要变革，一是重建组织的活动逻辑，包括组织内部端到端的并行活动逻辑和组织外部模块化结构的重塑；二是塑造集成网络，在企业价值网内实现横向集成，以数字化为手段集成端到端工程，同时在企业内部完成网络的纵向集成；三是向智能制造推进，企业发展核心是满足客户现实需求并发掘潜在需求，以需求为导向集成产品研发的各个环节包括设计、验证和虚拟生产等；四是研发模式变革，个性化与定制化为现代生产和服务的发展趋势，以用户的个性化与运营需求为中心，以“集成研发”保证研发效率，并向服务端延伸；五是通过智能工厂的模式贯通商业闭环，围绕用户需求和价值，用“流程思维”去思考，将更加柔性、灵活且高效的工厂、供应链等组织起来。随着演化过程不断推进，新型管理技术的内容会进一步更新，以便更好地组织和管理制造新模式的演化过程。
通过引入系统层面和执行层面的各种先进管理技术，制造新模式演化过程可以更加科学合理、高效地推进。值得注意的是，引入先进管理技术一定要立足于制造新模式演化过程遇到的新问题，培育适合于先进管理技术的土壤，即对应的组织架构、人员配备等。此外，制造新模式演化过程也会对先进的管理技术产生一定的影响，即随着制造新模式演化过程不断的推进，流程的复杂性、组织架构的灵活性、信息的传递等都对先进管理技术提出更高的要求，督促先进管理技术不断地迭代更新。总得来说，制造新模式演化与先进管理技术之间是可以相互促进的，使得对方各个维度上都呈现出更好的性能。随着制造新模式演化过程的进一步地推进，制造新模式需要更先进的管理技术来取代原来的管理技术，从而进一步促进制造新模式向高效、低成本、绿色环保的发现发展。
「 3. 先进管理技术对演化过程的潜在风险 」
任何事物都具有两面性，先进管理技术的使用也不例外。目前制造新模式中应用的先进管理技术大多依赖于智能系统相关产品及衍生物，而智能系统本身安全等方面就存在一定风险，从而将风险转嫁与制造系统。智能制造系统安全风险主要表现在以下三方面:
（1）我国智能制造关键产品及系统被国外垄断，难以实现安全可控；
（2）智能制造系统中存在的安全风险与传统信息系统面临的风险不同；
（3）虚拟网络—实体物理系统（CPS）技术使制造业和物流业统一，但同时使得工业控制信息安全面临新的威胁与挑战。
此外，制造新模式各种先进技术的使用对人类自身基本能力的锻炼也带来新的挑战。相较传统的制造模式，工人操作过程中需要调用更多脑力等资源来完成任务，新制造模式下工人只需要操作几个简单按钮即可完成所有的任务。长此以往，工人在处理突发事件或者脱离于各种设备单独处理各种业务，其智力的应用可能大打折扣。当下各种人工智能、大数据等技术被广泛应用于制造新模式中，制造企业可以享受这些技术带来生产效率的改进、产品成本的降低，但企业也要注意这些高新技术可能带来的潜在风险，尤其是对员工智力和认知能力的影响而可能带来的一系列连锁反应。拥抱科技带给我们的各种好处时，也要清醒认识到科技可能带来的潜在风险，采取措施去尽可能消除。
改编自：《未来制造新模式——理论、模式及实践》（作者：江志斌，林文进，王康周，李乐飞，涂金）
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