协同生产网络组织的脆弱性研究与工程应用

随着经济全球化和社会分工的发展，企业面临着各种新的挑战，如商业竞争突破地域和国家的界限、产品生命周期的日益缩短、客户需求日益多样化和个性化等。越来越多企业通过联合的方式应对激烈的市场竞争，形成了各种协同生产网络组织。同时，计算机技术的飞速发展为这种企业协同模式提供了技术保障。但是众多实际案例表明，企业通过协同方式获得竞争优势的同时也面临着新的风险，即合作伙伴企业的故障或异常会影响到网络中其他的企业，乃至整个生产系统的正常运营，产生系统脆弱性。为保持协同竞争优势并降低系统风险，研究协同生产网络组织的系统脆弱性成为学术界和企业界关注的重点。 进入新世纪，协同生产网络组织呈现出网状结构、动态协同、跨产业、跨区域、知识协同等新的发展趋势。而现有的协同生产网络组织的脆弱性分析多采用故障分析等传统方法，已无法适应协同生产网络组织的各种新特征。本文在分析相关领域研究现状的基础上，提出基于复杂网络理论进行协同生产网络组织脆弱性研究的新思路，主要进行了下述工作： 首先，根据经济、金融、生态、信息网络、电网等领域脆弱性研究的成果，给出了系统脆弱性的定义和提出了本文的主要研究内容。通过脆弱性与稳定性、抗毁性、鲁棒性、风险等概念的对比分析，确定系统效能衡量、失效模式分析两个主要研究问题。结合复杂网络理论的研究成果，梳理该理论的脆弱性分析方法，并提出应用此方法必须满足系统拓扑结构、理论适用性两个前提条件。基于协同网络理论明确了协同生产网络组织的概念，并分析其系统运行特征和网络拓扑特征。在区分五类协同生产网络组织脆弱性的基础上，提出了脆弱性环境、关联、内部三层次的产生机理，并指出拓扑结构、企业功能、失效模式对脆弱性的大小有重要影响。在总结研究内容、主要问题、前提条件和影响因素的基础上，梳理应用复杂网络理论进行协同生产网络组织脆弱性分析的研究框架。 其次，根据协同生产网络组织的系统运营特征，将企业作为节点、企业间的物料供应关系作为边，构建无权网络模型。在无权网络模型基础上，提出复杂网络理论适用于协同生产网络组织脆弱性分析的四个充分条件，即：非均质特性、无标度特性、小世界特性、节点中心性。根据协同生产网络组织的网络拓扑特征，研究连通度、凝聚度、韧性度等参数在衡量网络效能方面的优缺点，提出基于网络效率参数构建脆弱性分析方法，并分析节点度数、节点介数、四种边度数以及边介数与脆弱性的关系。通过某典型重化工协同生产网络组织的仿真分析，验证所提出模型、方法的有效性，并讨论了拓扑参数与脆弱性的关系。 再次，参考GeMoC模型的网络、协同、环境三层次结构，改进原有模型中黑箱作用机制、环境因素不确定、定性分析等缺陷，基于价值工程理论，对原有无权网络中各个边进行赋权从而区分企业的差异性，提出协同生产网络组织的加权网络模型。简要介绍模糊集理论的原理和概念，将专家判断的语义变量转化为三角模糊数对各个边进行赋值。根据加权模型和模糊理论，提出两种赋值方案：第一种，区分协同关系对企业的影响概率，根据各种协同关系并联的特征确定两节点间的边权重；第二种，区分企业提供的各种产品、功能或服务的稀缺性，将稀缺性转化为影响概率，从而确定两节点间的边权重。通过对某典型重化工协同生产网络组织的仿真，分别验证两种方案的可行性，对比原有分析方法，明确企业功能差异对脆弱性的影响。 然后，回顾BA无标度网络的构建方法，将无标度网络“既鲁棒又脆弱”的特性作为分析协同生产网络组织中失效模式与脆弱性关联的理论基础。依据协同生产网络组织中企业故障、协同关系中断等现实状况，提出失效模式的概念，其包含失效元素、失效顺序、失效规模三个变量。失效元素主要指节点、边，失效顺序主要按照点度数、点介数、边介数降序排列，失效规模主要指失效元素数量与原有数量的比值，用上述三个变量在不同组合表示不同的失效模式。通过对某典型重化工协同生产网络组织的仿真，分别分析在无权网络模型和加权网络模型中，脆弱性与失效模式的关联。 最后，列举脆弱性分析结论的实际应用案例，总结本文所做主要工作及相关成果，并展望进一步研究的方向和研究热点。