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1、 风电装备企业服务型制造 模型优化 研究 Study on the Optimization of Wind-power Assembly Enterprises Service-Manufacturing Model 领 域 ： 工业工程 研 究 生 ： 郑 飞 指导教师： 刘洪伟 副 教授 企业导师 ： 张志春 正高 工 天津大学管理与经济学部 2014 年 11 月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使
2、用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘 要 我国 的 风电装备 企业 基础 薄弱， 创新 能力不强，
3、并且由于 盲目扩大生产 而 陷入同质化竞争 ， 影响 风电装备 企业 的 盈利 能力 。 因此， 加快 风电装备 企业 的 发展 ，提升风电装备企业的实 力， 对 于 优化 我国能源结构 具有重要意义 。 根据 风电装备 企业的发展现状 与服务型制造的内涵 ， 本文 为 风电装备企业 设计了一条向 服务型制造 转型的路径，并针对当前阶段的实际状况，建立了一个服务调度优化模型，采用智能算法进行求解 。 首先 ， 通过研究国内外 服务型制造 的文献成果 ， 结合我国 风电装备 企业的 现状 与 服务型制造的理论内涵 ， 为 风电装备 企业设计 了 向 服务型制造转型的 路径 。 其次，结合风电装备
4、企业现状，提出风电装备企业在转型初期的工作内容。具有一定 实力的 风电 主机制造商联合 相关企业，在 风电场分布密集区域设立 服务基地， 基地内包含若干支 服务队。 服务基地负责服务需求信息的获取 ，并 根据服务需求信息对服务队进行调度 ， 服务队则根据服务需求及调度安排 ， 为风电厂提供维护 、 维修 及 备品备件服务 。 再次， 本文 在 考虑了维修时间、运输 时间、 运输费用 、 服务能力 、 服务需求约束 下，构建了 数学模型 以 优化 服务 队的 调度 ，使服务队的服务效率最高 。 选择用遗传算法求解该模型，使用 基于风电场和服务 队的 混合非负整数分段 编码方式 ，避免了遗传操作过
5、程中非法解的产生 。 最后 依 据 DF 风电装备 企业 提供的数据 作为实证分析的对象 ， 用 Matlab 编程进行实例求解，得到了满意的结果 ， 验证了模型的科学 性和准确性。 关键词 ： 清洁能源 ； 风电装备 企业 ； 服务型制造 ； 产品服务系统；遗传算法 ABSTRACT With the rapid development of the global industry, the consumption of oil, coal and other ancient solar energy have accelerated very much. Global environmen
6、tal problems have become increasingly prominent, and how to promote the construction of a clean energy system has become an important issue which affects economic development. Because of the cleaning and huge commercial profits, wind energy has become the preferred source of energy. Wind-power assem
7、bly enterprise has gained rapid development because of national support. But due to technological disadvantage, wind-power assembly enterprises earn little profit. Therefore, wind-power assembly enterprise has to change its development model, develop new profit point, which is important for optimizi
8、ng Chinas energy structure. According to the status of development of wind power assembly enterprise, this paper proposes a method for wind-power equipment manufacturing enterprises transition to service-manufacturing. Then according to the situation of current stage, this paper establish a service
9、scheduling optimization model. In the first place, combining with the study about service-manufacturing and wind-power assembly enterprise, this paper put forward the transformation method. By studying paper, reading reports and conducting an interview with a wind-power companys leaders, this paper
10、summarized the service which is needed by wind plants. Then, this paper designed a transition path for the company based on the product pervice systems (PSS). In the second place, in the current stage, wind-power assembly enterprise provides maintenance services and spare parts .A strength wind-powe
11、r assembly enterprise establishes a union with other enterprise. Then, they can build some technical services teams which can provide technical services for wind plants.The union is responsible for collecting service information and arranging the teams tasks. In the third place, with constrains of s
12、ervice time, spare part transportation time and service capability, a scheduling model was establishes to minimize the service cost. Then, this paper uses genetic algorithm to solve the model and gives a new hybrid coding mentod of genetic algorithm based on the specifics of wind power plants and th
13、e service teams. At last, an optimum outcome of the case study is generated by programming in Matlab. Key word: clean energy; wind-power assembly enterprise; service manufacturing; product pervice systems; genetic algorithm目 录 目 录 . I 第一章 绪论 .1 1.1 研究背景 .1 1.2 研究目的及意义 .2 1.3 研究内容与技术路线 .4 1.4 研究方法 .5
14、 1.5 本章小结 .6 第二章 相关基础理论分析 .7 2.1 服务型制造的发展历程 .7 2.1.1 面向制造的服务 . 7 2.1.2 面向服务的制造 . 8 2.1.3 服务型制造 . 9 2.2 服务型制造的理论体系 .9 2.2.1 服务型制造网络 . 9 2.2.2 服务型制造企业 . 10 2.3 服务型制造的核心 产品服务系统 . 11 2.3.1 产品服务系统的定义 . 11 2.3.2 产品服务系统的分类 . 12 2.3.3 产品服务系统的作用 . 13 2.4 服务型制造的应用 . 13 2.4.1 宏观层面的应用 . 14 2.4.2 微观层面的应用 . 14 2.
15、4.3 服务 评价研究 . 15 2.5 服务型制造研究综述 . 16 2.6 本章小结 . 17 第三章 风电装备企业服务型制造转型路径 . 18 3.1 风电装备企业服务型制造转型路径设计 . 18 3.1.1 需求分析 . 18 3.1.2 服务分析 . 19 3.1.3 风电装备企业的服务型制造转型路径 . 20 3.2 风电场集成服务方式设计 . 21 3.2.1 集成服务的优势分析 . 21 3.2.2 服务基地的收益分析 . 22 3.2.3 服务基地的组建 . 23 3.3 服务队调度模型 . 24 3.3.1 模型假设及参数说明 . 24 3.3.2 模型建立 . 26 3.
16、4 本章小结 . 28 第四章 基于遗传算法的调度模型实现 . 30 4.1 遗传算法介绍 . 30 4.2 算法设计 . 31 4.2.1 基础数据 . 31 4.2.2 染色体编码及解码 . 33 4.2.3 种群初始化 . 33 4.2.4 适应度的计算 . 33 4.2.5 选择 . 35 4.2.6 交叉 . 36 4.2.7 变异 . 36 4.3 实证分析 . 37 4.4 本章小结 . 38 第五章 总结与展望 . 39 5.1 全文总结 . 39 5.2 本研究的不足与展望 . 40 参考文献 . 41 发表论文和参加科研情况说明 . 46 致 谢 . 47 第一章 绪论 1
17、 第一章 绪论 1.1 研究背景 随着 全球工业的快速发展， 人们加快了对 煤炭 、 石油等远古太阳能的消耗 ，全球的环境 问题日益突出 。 如何 加快 洁净 能源体系的构建已经成为 影响 经济发展的重要问题 。风能 由于其 再生性 、悠久的 使用历史 以及巨大 的商业利益，成为了优选 的能源来源 。根据世界气象组织统计，全球的风能 总量约为 2.74 106GW，能够被 人类使用的约 为 2 104 GW，这 是另一种清洁 能源 水能 的可使用 总量 的十 倍。 由于 其 不仅 无污染 而且 蕴藏量巨大 ， 因此 ，风能可以成为人类能源系统的重要组成部分 。 加快 对风能的开发使用 ，既可减
18、少 对环境 的破坏，又可缓解能源短缺 的 压力 1。 在 第 十二 个五年规划期 间，我国 需要把 煤炭、石油 等 的使用量 降低到 一次能源 消耗 量 的 88.6%以下 。到 2020 年，我国对 煤炭、 石油等远古太阳能 的使用量削减 到 能源 能消耗量的 85%以下 。为了 达到这个要求 ，我国将大力 推广风能、太阳能的使用 ， 以替代对远古太阳能的消耗 。 风能 作为一种 优质 的清洁能源 ， 应该被很好 的利用 。“因地制宜、科学规则、系统配套、协调发展” 作为 我国 发展 风电 的准则，指导着我国风电 行业的 蓬勃成长， 计划到 2015 年 ， 风电 累计装机容量 达到 100
19、GW 左右，年发电量超过 190TWh。 2013 年 中国风电装机容量统计报告 2显示 ，中国 5 家 风电装备 企业 的装机量 占当年 总 装机量的 54.4%，其中金风科技 的 装机容量 为 3.75GW， 约占 当年 总装机量 的 23.3% ， 继续保持第一 。 接下来是 联合动力 的 1.487GW、明阳风电 的1.286GW、远景能源 的 1.128GW 和湘电风能 的 1.052GW。 2013 年， 五大 风电装备 制造 商中 ，除联合动力 的 新增装机容量 同比下降了 26.7%外 ， 其它 四大 制造商均有大幅度增加， 远景 能源 甚至 同比增加了 107.4%。虽然新增
20、 装机容量 几乎 都有大幅度上升 ， 但是 五大 风电装备 制造商 市场份额同比 下降了 6 个 百分点，从2012 年 的 60%降低至 54.4%。 由此 可知风电 市场 的 容量 在 飞速 增 加 ， 风电装备企业 对市场 的争夺 日趋 激烈 。 2001 年我国的风电装机容量为 381.2MW， 经过十几年的迅速发展 ， 到 2013年已经达到 91.4GW。 风电装备 市场 的 急速增长 给 风电装备 企业 带来了 无限商机 ，也给 风 电装备 企业的发展带来了一些隐患 ： 第一章 绪论 2 1. 风电行业依靠购买国外图纸起步，这样造成 风电装备 企业 缺乏 竞争力，导致 “产能 过
21、剩 ”，进一步 加剧了 风电装备 市场的竞争； 2. 风电装备 企业的质量意识不够 强 ，对生产 过程 中的 质量 控制较弱 ， 导致一些 零件 在质保 期内 就出现故障， 增加了 风电装备 企业的质保费用，削弱 了 风电装备 企业的盈利能力 ； 3. 风电装备 企业的 科研 能力较弱， 造成 我国 风电装备 企业 持续成长无力； 4. 原材料 价格持续上升 ，增加 的成本 几乎 无法 转移，进一步 削弱 了 处于价值链 中段的 风电装备 制造企业 的 盈利能力 。 当前 的制造 业正 发生如 下 变化 ： 传统制造业 向产品价值链的上游和下游不断扩张 ，其覆盖范围逐渐从 价值链中段的生产制造
22、领域 ， 延伸到了上游的研发、设计及下游的产品维护、维修、回收等服务领域 ， 制造与服务 关系 越来越 密切 ，二者相互融合 3。服务业引导制造业生产 更符合顾客需求的产品 来 提高顾客满意度 ，而制造业 则通过提供顾客需要的 服务来提升其 生存能力与争夺市场的能力4。 服务和制造的 相互结合 促进了新的制造模式 服务型制造 3的诞生。 服务型制造（ Service-manufacturing） 是制造与服务 相结合的新型制造模式 ，包含面向中间企业的服 务和面向最终顾客的服务，表现为制造企业与服务企业的相互协作与融合 5。服务型制造 销售给顾客的是 有形 产品和无形产品的组合 ，即产品服务系
23、统（ Product service system， PSS）， 这是产品制造企业 提供 产品全生命周期的服务，将产品与服务打包出售给顾客的制造模式 6。我国 的 大型装备 制造 企业 如 陕西鼓风机（集团） 有限公司 7、 上海电气 8等已 开始向 服务型制造转变 ，为 顾客提供 融合 了 专业维修、备件管理、融资、租赁等服务的 产品服务系统。 由此 可知风电装备企业如何 顺应制造业变革趋势 ， 抓住 市场快速扩张的 机 遇制定出符合企业实际情况的发展战略，获得 更强 的盈利能力与 竞争优势， 取 得长足 发展 ， 是 风电装备 企业需要 解决的重要课题 。 1.2 研究目的 及 意义 制造
24、业支撑着国家经济的发展 ，决定着一个国家的经济实力 。 100 多年前 美国凭借其强大的制造能力 成为世界第一经济大国，随后的 100 多年里，美国一直保持着其世界第一大国的地位 。 上世纪四十年代末 ，日本制造业 开始获得巨大发展 ，于 1967 年超过西德 变为 世界第二经济大国。随着经济全球化的程度 持续 加深， 发达国家将产业链的制造部分转移到劳动力成本低廉的发展中国家。 廉价的劳动力给中国经济带来 了良好的发展机遇，中国的制造业 取得巨大进步 ， 2010第一章 绪论 3 年超过日本成为世界第二经济大国，超越美国成为世界第一制造大国 。但是 我国的 制造业 主要以传统的高能耗、高劳动
25、力投入率、低附加值、低成本模式进行发展 9。 2005 年至 2010 年， 我国工人 的工资水平 增加了 238%， 然而，美国 制造业从业人员的全负荷工资水平仅增加了 4%。这对于依靠 廉价劳动力 取胜的中国制造业而言无疑是 一个巨大 的 挑战，同时，产业链的上下游赢取了大部分利润，处于中段的制造获利微弱。 制造业要想 获得长足发展 ，就必须拓展 自己的 业务 领域，向制造的上下游延伸，获得 新的盈利点与竞争优势。 风电装备 企业 在 我国经过 20 多 年的发展， 已经逐渐 壮大起来 ， 尤其是进入二十一世纪以后，更是取得了快速发展， 装机 容量从 2001 年 的 不到 1GW 快速增
26、加 到 2013 年的 91.4GW，主机设备 也不再 依赖国外 厂商生产 而是 主要由国内厂商制造 。 风电装备 制造企业因此获得长足的发展，金风、华锐、联合动力、东汽、明阳等风电企业生产的设备累积装机量达到 56.3GW2。 五个 主要的 风电装备 企业 累计 装机量达到总装机量的 62%， 具有很强的 品牌优势。如何使这些 已经带来 过 盈利的设备继续为 风电装备 企业盈利成为了 这些 风电装 备 企业 保持盈利与竞争优势 的关键点。 随着 风电装备 装机 总量的 不断 增加， 预计 到 今年 年底， 我国陆上 风电装备 的维护 、维修 、技术 咨询等 服务 的市值将达到 100 亿 ，
27、 这 给 处于 微笑曲线 中段 的 风电装备 制造企业 提供了 新的盈利领域 。 风电装备 制造企业 具有 专业 人才、备件及维修设备，可以为风电场提供 优质、 稳定的服务 。 基于 风电装备 行业的特征及 服务型制造的 内涵 ，本文 为风电 企业 提出一个可操作的 发展方向 向 服务型制造模式 转型 。 根据 风电装备 企业的发展状况 与 成功实现转型的企业案例，将 风电装备 企业的转型方法 分为三个阶段 ， 并规划 风电装备 企业当前阶段 需要采取的措施： 风电装备 企业向 价值 链 的 下游 扩张 ， 由 若干个 风电装备 制造企业 基于特定的约束机制与利益分享机制 共同 在风场密集区
28、组建 一个维修 服务 基地 ， 服务基地派出 多个 专业的服务队 为 该地区 风电场 提供专业维护 、 维修 、 备品备件 服务 。 在此 基础上， 建立 数学模型 ， 优化 基地对服务队的调度 ， 既可以 使服务基地 的提供 服务的 成本最小 ， 又可以最大 程度 地满足 风电场对服务的 需求 ， 使风电装备企业赢取更忠实的客户 ， 提升其盈利能力与争夺市场的能力 。 第一章 绪论 4 1.3 研究 内容 与 技术路线 本文 依据 服务型制造 的理论基础， 结合 我国 风电装备 企业的行业 特点， 贴近服务型制造 的 当前现状和 发展趋势 ， 借鉴 国 内 外 成功 实现 服务型制造转型 的
29、 案例 ，通过 探讨 服务型制造 的概 念与内涵，从 风电装备 企业 向价值链 下游延伸 ， 提供 实物产品 和 无形服务 的角度入手，设计 一条 符合 风电装备 企业特点的服务型制造转型路径 ，并设计 当 前 阶段的 实现 方法 若干家 风电装备 产业链 企业 在 某地区共同组建一个 风电装备 服务基地 ， 为 该地区的 风电装备 提供 维护 、维修 服务 。接下来本文 建立 一个服务 调度 优化 模型， 利用 遗传算法 求解 该 调度 优化 模型， 并利用实证分析验证该模型的有效性。 本 文 的 技术路线 图 如图 1-1 所示 ： 图 1-1 技术路线示意图 文献收集与研究论文可行性研究建立转型路径建立数学模型分析转型初期工作数据收集实例分析结果分析前期准备建立转型路径与模型实证分析