周路菡

我國的制造業(yè)由“傳統(tǒng)工廠”模式轉(zhuǎn)向“智能工廠”，需要通過信息技術(shù)、廣泛互聯(lián)、信息交互、流程再造等一系列手段，拉動傳統(tǒng)制造往智能制造方向升級。

當(dāng)前，工業(yè)4.0概念延伸的智能工廠（Smart Factory） 成為了產(chǎn)業(yè)界和經(jīng)濟界的熱門話題。這場機器與機器對話的工業(yè)革命，正在世界各地悄悄興起。智能工廠把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化。通過人與智能機器的合作，去擴大、延伸和部分地取代技術(shù)專家在制造過程中的腦力勞動。它智能制造將在第三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上，從自動化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展。那么到底什么是智能工廠？智能工廠的德國和中國樣本是什么樣子，本文將向讀者系統(tǒng)地展示。

智能工廠的定義和特征

2017年3月，由國務(wù)院發(fā)展研究中心主辦、中國發(fā)展研究基金會承辦的中國發(fā)展高層論壇2017年年會上，工信部部長苗圩在會上肯定了我國制造業(yè)不斷創(chuàng)新的成果，并認為在工業(yè)4.0智能工廠時代工業(yè)機器人創(chuàng)新中心的建設(shè)將不斷提速。2017年4月7日，由e-works數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)主辦的“2017深圳智能工廠高峰論壇”在深圳召開。深圳市也在準(zhǔn)備于今年12月開幕的深圳國際先進制造與智能工廠展，智能工廠的發(fā)展已經(jīng)成為未來趨勢。

當(dāng)前，智能制造熱度高企，石化、鋼鐵、機械裝備制造、汽車制造、航空航天、飛機制造等行業(yè)紛紛開始探索建設(shè)智能工廠。作為“中國制造2025”的主攻方向，李克強總理一直高度關(guān)注智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。李克強總理在今年的《政府工作報告》中剛剛提出2017年要全面深入實施《中國制造2025》?！吨袊圃?025》明確提出要推進制造過程智能化，在重點領(lǐng)域試點建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間，這必將加速智能工廠在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

工信部印發(fā)的《原材料工業(yè)兩化深度融合推進計劃（2015～2018年）》也提出，要以智能工廠示范為著力點，推動企業(yè)向服務(wù)型和智能型轉(zhuǎn)變，提升我國原材料工業(yè)綜合競爭力。

實際上，早在這些戰(zhàn)略和計劃發(fā)布之前，包括數(shù)字化工廠、智能工廠以及智能制造等概念就已經(jīng)出現(xiàn)。只不過，原來的概念都是建立在“數(shù)字化工廠”的基礎(chǔ)之上。數(shù)字化工廠的本質(zhì)就是實現(xiàn)信息的集成，通過對企業(yè)全部流程進行數(shù)據(jù)采集，建立數(shù)據(jù)庫，將物理工廠變成數(shù)字化工廠。

而今提出的智能工廠，是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，以及合理計劃排程。同時，集初步智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。可以看出，智能工廠的本質(zhì)是人機交互，也就是賦予智能工廠自主判斷、自我學(xué)習(xí)、自行維護能力，能夠采集、分析、判斷、規(guī)劃和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和流程；也可以利用可視技術(shù)進行推理預(yù)測，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實境擴增展示設(shè)計與制造過程。

當(dāng)然，概念上的實現(xiàn)需要技術(shù)的支撐，沒有硬件的支持，智能工廠也是空中樓閣。

在硬件配備上，智能工廠主要是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、柔性、低耗能模式生產(chǎn)的工廠。比如智能工廠配備的智能儀表等要具有自我監(jiān)測、自我維護的感知能力，能夠理解環(huán)境信息和自身信息，并進行分析和判斷；智能設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通和實時控制，通過設(shè)備間的互聯(lián)來提高設(shè)備間的協(xié)同作業(yè)的能力，從而使生產(chǎn)模塊間的搭配方式更靈活、更自由；同時還要有系統(tǒng)的軟件來支撐，實現(xiàn)總體數(shù)據(jù)整合，通過進行大數(shù)據(jù)智能分析來建立專家系統(tǒng)，進行智能決策。

除此之外，由于智能工廠主要在3C制造、物流倉儲、食品飲料、機械制造、材料加工、包裝、汽車、醫(yī)藥、消費品等行業(yè)應(yīng)用較多，所以智能工廠的生產(chǎn)設(shè)備需要具備足夠的安全性、可靠性、可用性和可維護性，并符合人機工程理念；生產(chǎn)流程能實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理，生產(chǎn)物料、生產(chǎn)過程、物流、倉儲、銷售、應(yīng)用數(shù)據(jù)可追溯；此外一般還需要具備生產(chǎn)可視化系統(tǒng)，能快速提供完整、準(zhǔn)確、及時、一致的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)資源、生產(chǎn)物流、操作人員等信息，并支持移動和固定客戶端。智能工程還需要配備完善的產(chǎn)品質(zhì)量管理系統(tǒng)和測試檢驗系統(tǒng)，以讓產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控達到行業(yè)先進水平。

智能工廠的德國樣本：西門子、博世、巴斯夫和奧迪

作為工業(yè)4.0概念的提出者，德國也是第一個實踐智能工廠的國家。

位于德國巴伐利亞州東部城市安貝格的西門子工廠就是基于互聯(lián)網(wǎng)智能工廠的早期案例。西門子工廠主要生產(chǎn)可編程邏輯控制器（PLC）及相關(guān)產(chǎn)品，產(chǎn)品種類達1000多種。安貝格工廠可以看做是所有智能工廠的原型工廠。該工廠將工藝的規(guī)劃與工程化、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃與工程化、仿真優(yōu)化及驗證全部實現(xiàn)數(shù)字化，并且能夠達到實體與數(shù)字信息同步，達到設(shè)計、制造、調(diào)試信息一體化的聯(lián)動，其中任何一個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)變化，都能在整個環(huán)節(jié)上同步進行變更，強調(diào)的是集成的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

正是依賴統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和聯(lián)動機制，安貝格工廠僅通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就可以進行聯(lián)絡(luò)，大多數(shù)設(shè)備都在無人操作狀態(tài)下進行挑選和組裝。安貝格工廠為全球6萬多家客戶提供產(chǎn)品，達到自接到訂單，最短可達到一天之內(nèi)為用戶提供產(chǎn)品，生產(chǎn)組織形式真正高效、靈活。這個占地10萬平方米的廠房內(nèi)，員工僅有1000名，最令人驚嘆的是，每100萬件產(chǎn)品中，次品約為15件，可靠性達到99%，追溯性更是達到100%。

位于德國洪堡的博世工廠主要生產(chǎn)汽車發(fā)動機零部件，作為博世公司旗下智能工廠的代表，博世工廠主要解決的是機器與人之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，在博世工廠，人始終能在智能生產(chǎn)中找到一席之地，而且人是整個生產(chǎn)體系中最靈活的一部分。尤其是在很多裝配的精細環(huán)節(jié)，機器的出錯率依然很高，所以博世工廠也建立了工人同機器人“混搭”而成的生產(chǎn)線，這樣就將人力轉(zhuǎn)移到更加靈巧和復(fù)雜的工序中去。

為了便于人機對話，博世工廠生產(chǎn)線所有零件都有一個獨特的射頻識別碼，能同沿途關(guān)卡自動“對話”。每經(jīng)過一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，讀卡器會自動讀出相關(guān)信息，反饋到控制中心進行相應(yīng)處理，從而提高整個生產(chǎn)效率。獨立的射頻碼給博世公司旗下工廠的20多條生產(chǎn)線帶來了低成本高效率的回報。目前博世在全球十家工廠每個月掃描200萬個射頻碼。而這種讓每個零件都能說話的技術(shù)，也是智能工廠的重要體現(xiàn)形式。

德國巴斯夫化工集團凱澤斯勞滕工廠也是智能工廠的佼佼者。還是對于射頻碼的利用，傳統(tǒng)化工巨頭巴斯夫則在這方面更進一步。巴斯夫位于凱澤斯勞滕的試點智能工廠所生產(chǎn)的洗發(fā)水和洗手液已經(jīng)完全實現(xiàn)自動化。隨著網(wǎng)上的測試訂單的下達，其生產(chǎn)流水線上的空洗手液瓶貼著的射頻識別標(biāo)簽會自動地跟生產(chǎn)機器進行通訊，告知后者它需要何種肥皂、香料、瓶蓋顏色和標(biāo)記。在這樣的流水線上，每一瓶洗手液都有可能跟傳送帶上的下一瓶全然不同。值得注意的是，巴斯夫化工集團的很多理念已經(jīng)引起了歐洲化工界的普遍注意。德國Dechema協(xié)會2016年9月公布的白皮書“化工企業(yè)的數(shù)字化”更是將巴斯夫工廠作為典型案例進行解析，PROCESS雜志于2016年10月在德國維爾茨堡舉辦的“第六屆數(shù)字化工廠”論壇的總結(jié)認為，智能化工工廠是全數(shù)字化控制的、建立在數(shù)字化流程設(shè)備基礎(chǔ)之上的綜合化工生產(chǎn)基地。其主導(dǎo)思想是：為復(fù)雜的流程工藝設(shè)備開發(fā)數(shù)字化的3D模型，從流程設(shè)備的規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)制造和安裝調(diào)試開始，在流程設(shè)備的整個壽命周期內(nèi)都可以使用的3D模型。而巴斯夫智能工廠建設(shè)以來的第一號目標(biāo)就是，每一臺真實的流程設(shè)備都有一個完整的、可供智能化網(wǎng)絡(luò)使用的數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)。

奧迪一直都十分重視生產(chǎn)線技術(shù)的創(chuàng)新和突破。目前，奧迪在生產(chǎn)的許多方面都已經(jīng)達到了“智能工廠”的要求。例如，通過增強現(xiàn)實工具“世界之窗”（Window to the World）系統(tǒng)，預(yù)生產(chǎn)中心的員工能夠?qū)⑻摂M3D零部件投影到汽車上，從而實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的汽車開發(fā)精確結(jié)合。在奧迪模具部門，先進的3D打印設(shè)備能夠生產(chǎn)出復(fù)雜的金屬零部件，其智能工具可以通過準(zhǔn)確的高壓分配對金屬板材進行沖壓，精確度高達百分之一毫米。在英戈爾斯塔特工廠的裝配車間，機器人與員工在生產(chǎn)線上并肩工作，機器人以適當(dāng)?shù)乃俣群头先梭w工學(xué)的位置向員工傳送零部件。

在奧迪智能工廠中的零件物流運輸全部由無人駕駛系統(tǒng)完成。小型化、輕型化的機器人將取代人工來實現(xiàn)瑣碎零件的安裝固定。奧迪智能工廠發(fā)明的柔性抓取機器人最大特點在于柔性觸手，這種結(jié)構(gòu)類似于變色龍舌頭，抓取零件更加靈活。除了抓取普通零件外，柔性抓取機器人還可以抓取螺母、墊片之類的細微零件。

奧迪的在線雜志《Encounter》還展望了未來汽車生產(chǎn)的遠景：放棄傳統(tǒng)的裝配線，采用獨立智能工作臺（competence islands）生產(chǎn)汽車，所有的部件由3D打印制作，無人機負責(zé)材料的運輸，汽車則在生產(chǎn)完成后自動駛離生產(chǎn)線。

可以看到，德國的智能工廠主要依賴數(shù)字化、模擬仿真、模塊化及相對標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品設(shè)計，和基于自己產(chǎn)品的物料清單、工藝清單的數(shù)字化、信息化與自動化的高度融合，來實現(xiàn)智能工程的穩(wěn)定運行。

智能工廠的中國樣本：格力、美的、海爾和鴻海

美的已在合肥、武漢、廣州空調(diào)生產(chǎn)中心建設(shè)了三座智能工廠。所謂“智能”，指工廠在設(shè)備自動化、生產(chǎn)透明化、物流智能化、管理移動化、決策數(shù)據(jù)化進行了升級和改造。主要用于美的家電空調(diào)等產(chǎn)品的制造。工廠內(nèi)建有智能化中控中心，可實現(xiàn)線上線下數(shù)據(jù)共享，通過手機等移動終端實時了解數(shù)據(jù)，接入平臺。

據(jù)悉，美的智能工廠的設(shè)計與搭建共耗時兩年時間，前期走訪德國、日本等國調(diào)研，累計投入50億元。廠內(nèi)共布設(shè)有1500臺機器人，改用智能工廠后，訂單交付周期縮短50%，效率增長100%。在C2M（Consumer to Manufacturer，反向定制）的制造模式下，客戶從下訂單到收貨，12天完成，還可全程訂單跟蹤。在美的的智能制造產(chǎn)業(yè)布局中，庫卡作為主體，幫助美的集團在機器人本體生產(chǎn)、工業(yè)自動化方案、系統(tǒng)集成、以及智能物流等領(lǐng)域全面布局。

在格力空調(diào)武漢生產(chǎn)線，已實現(xiàn)高度自動化。經(jīng)過格力人不懈的努力，格力在智能制造上取得了矚目的成就，自主研發(fā)的智能產(chǎn)品覆蓋了工業(yè)機器人、智能AGV、數(shù)控機械手、大型自動化線體、數(shù)控機床、智能檢測設(shè)備、工業(yè)零部件等10多個領(lǐng)域，上百種規(guī)格產(chǎn)品，超百項專利技術(shù)。整個格力電器武漢工廠共安裝了120臺工業(yè)機器人，這些機器人和自動化生產(chǎn)線都是格力自己研發(fā)生產(chǎn)的，具有完全知識產(chǎn)權(quán)。在格力智能總裝工廠里面，AGV智能物流系統(tǒng)自動將需要的物料運達指定地點，然后由機器人接力，將物料提上生產(chǎn)線，自動打上螺釘螺母，之后在計算機控制的生產(chǎn)線上，由機器人自動安裝底盤、插管、頂蓋等各個部件，中間還穿插人工輔助的以機器人操作為主的焊接和制冷劑灌注等工藝流程。最后在末端進行自動化套袋、包裝，一臺空調(diào)就生產(chǎn)出來了。

海爾先后建造了沈陽冰箱、鄭州空調(diào)、佛山滾筒、膠州空調(diào)、青島熱水器、FPA電機、青島模具和中央空調(diào)七大互聯(lián)工廠。在不斷改良、迭代中追求高精度下的高效率。海爾的智能工廠可以實現(xiàn)信息在“人—人”、“人—物”、“物—物”之間自動傳遞的理念，此外柔性生產(chǎn)線、智能互聯(lián)工廠可以滿足為用戶大規(guī)模定制的需求。

海爾打造的智能平臺COSMOPlat是“企業(yè)和智能制造資源最專業(yè)的連接者”，能夠幫助更多的企業(yè)更快、更準(zhǔn)確的向大規(guī)模定制轉(zhuǎn)型。作為中國首個、也是最大的自主研發(fā)和創(chuàng)新的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”平臺，COSMOPlat目前有20多套相關(guān)軟件均屬海爾自主產(chǎn)權(quán)開發(fā)。它既不等同于美國由“軟”至“硬”的模式，也跟德國以“硬”求“軟”的模式不同，而是海爾在打造互聯(lián)工廠的實踐中，逐步構(gòu)建的一個開放共享的生態(tài)體系。該平臺運轉(zhuǎn)的核心用戶可以全流程參與產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、物流配送、迭代升級等環(huán)節(jié)，進而實現(xiàn)產(chǎn)品從大規(guī)模制造到大規(guī)模定制的快速轉(zhuǎn)型?，F(xiàn)在海爾COSMOPlat平臺上聚集了上億的用戶資源，同時還聚合了300萬+的生態(tài)資源，形成了用戶與資源、用戶與企業(yè)、企業(yè)與資源的3個“雙邊市場”。目前海爾的COSMOPlat與通用電氣的Predix、西門子的Mindsphere平臺已經(jīng)成為智能制造的代表平臺，推動中國的制造業(yè)不斷向智能制造領(lǐng)域邁進。

鴻海集團布局的智能工廠已經(jīng)擴及在中國28個廠區(qū)，智能工廠朝向無紙化、無人化和圖像化發(fā)展。目前鴻海正在與英特爾（Intel）合作，推動富士康在武漢智能工廠轉(zhuǎn)型。 鴻海集團積極布局機器人、高階設(shè)備、數(shù)控機床、智能生產(chǎn)、智能工廠與系統(tǒng)整合。透過建立平臺，累積龐大的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，逐步具有分析能力，朝向軟硬整合目標(biāo)前進。鴻海集團在中國持續(xù)布局熄燈工廠，目前集團熄燈工廠數(shù)超過5個，有望增加到10個，包括成都制造平板計算機的塑料成型、噴涂、CNC加工等制程，就采用熄燈工廠模式。 此外，鴻海集團在重慶廠區(qū)的一體成型計算機以及顯示器部分制程，以及鄭州廠區(qū)的CNC工廠，也采用熄燈工廠模式。

中國建造“智能工廠”還需要苦練內(nèi)功

2017年3月，上海市經(jīng)信委印發(fā)了《關(guān)于上海創(chuàng)新智能制造應(yīng)用模式和機制的實施意見》，以加快上海智能制造發(fā)展，實施期限為2017-2020年。《意見》指出，培育10家引領(lǐng)性智能制造系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商，建設(shè)100家示范性智能工廠，帶動1000家企業(yè)實施智能化轉(zhuǎn)型。此外，唐山曹妃甸區(qū)出臺《打造北京曹妃甸現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)加工制造基地工作方案》，提出通過創(chuàng)新協(xié)同制造模式，到2020年，聯(lián)合北京打造5個智能工廠或互聯(lián)工廠，建設(shè)50條（個）自動化生產(chǎn)線或數(shù)字化車間。

在“中國制造2025”的推動下，近年來中國的制造業(yè)發(fā)生了重大變化。許多行業(yè)紛紛加入到工業(yè)化重塑中。但我國大部分制造企業(yè)尚處于“工業(yè) 2.0”和“工業(yè) 3.0”并行的“傳統(tǒng)工廠”發(fā)展階段，大量核心技術(shù)如制造業(yè)操作系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡(luò)傳感器、制造業(yè)機器人、工業(yè)控制器、高端數(shù)控機床、高端工業(yè)軟件等仍嚴重受制于國外廠商，車間自動化水平不高，缺乏高效管理，產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同平臺和信息集成平臺尚未完全建立。與此同時也面臨交貨期卻越來越短，小批量、多批次的定制化或半定制化生產(chǎn)的需求越來越多，對生產(chǎn)線提出了較高柔性要求等問題，還面臨勞動力成本上升、土地資源和環(huán)境要素約束加劇等外部沖擊，迫使全國制造企業(yè)加快向“創(chuàng)新驅(qū)動”轉(zhuǎn)型。

我國的制造業(yè)由“傳統(tǒng)工廠”模式轉(zhuǎn)向“智能工廠”， 還需要苦練內(nèi)功。特別是需要通過信息技術(shù)、廣泛互聯(lián)、信息交互、流程再造等一系列手段，拉動傳統(tǒng)制造往智能制造方向升級。在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，需要探索運用互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、3D 顯示、移動 O2O 等打造用戶聚合平臺，收集用戶個性化需求，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部以及全球各方設(shè)計研發(fā)者之間的協(xié)同共享，通過眾包設(shè)計研發(fā)及云制造降低企業(yè)創(chuàng)新成本。在設(shè)備智能化改造方面，要加快人機智能交互、工業(yè)機器人、智能物流管理、增材制造等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，改造升級現(xiàn)有各類普通機床和生產(chǎn)線的數(shù)控功能、數(shù)控化率和聯(lián)網(wǎng)率，推動生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)、設(shè)備與產(chǎn)品互聯(lián)，建設(shè)自動化車間。從而滿足消費者差異化、定制化的需求，提高生產(chǎn)的靈活性，更好地實現(xiàn)“中國制造2025”的目標(biāo)。