王朝峰 林江海

（山東省機械設(shè)計研究院，濟南 250031）

面對科技發(fā)展新趨勢，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮中，世界主要國家和先進地區(qū)紛紛將數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化作為制造業(yè)變革的核心，加速推進生產(chǎn)要素、資源要素、技術(shù)要素與制造業(yè)的融合。我國是制造大國，應(yīng)把發(fā)展智能制造確定為建設(shè)制造強國的主攻方向。發(fā)展智能制造不僅是我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的突破口，也是重塑制造業(yè)競爭優(yōu)勢的新引擎，確定了先進制造業(yè)的發(fā)展方向[1]。

文獻資料證明[2]，以信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）為支撐的全球新商業(yè)模型已經(jīng)面世。新商業(yè)模型是以信息物理系統(tǒng)為核心基礎(chǔ)，將現(xiàn)代企業(yè)的智能設(shè)備、倉儲系統(tǒng)、制造設(shè)備等要素通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合成為智能工廠。第四次工業(yè)革命基于智能工廠實現(xiàn)信息的自動交換、活動發(fā)起和控制的獨立執(zhí)行[3-4]，開辟了生產(chǎn)制造領(lǐng)域新的商業(yè)模式，如圖1所示。

圖1 智能工廠概念圖

1 智能制造的愿景

智能制造以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，深度融合新能源、新材料、新工藝，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(huán)節(jié)[5]，以及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，實現(xiàn)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展。智能制造聚焦創(chuàng)造智能產(chǎn)品、智能工藝、智能程序，核心愿景是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并將人、物、設(shè)備普遍互聯(lián)，實現(xiàn)產(chǎn)品、物流設(shè)備、工具共享協(xié)作，以創(chuàng)造更加柔性的生產(chǎn)工藝。智能制造模式的本質(zhì)是數(shù)字化虛擬模型和實體生產(chǎn)的相互滲透，實現(xiàn)了物理世界和虛擬世界的互聯(lián)。

智能制造的主要特征是水平、垂直和數(shù)字化的完全集成，如圖2所示。新的制造方法催生了新的商業(yè)模式，關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)嵤藴驶煞奖悴煌髽I(yè)之間互聯(lián)互通。例如，開發(fā)和應(yīng)用新的模型和方法實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的管理，規(guī)劃實施綜合的基礎(chǔ)設(shè)施（高質(zhì)量的信息網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)連接）、工作組織和設(shè)計（轉(zhuǎn)變員工角色，更多參與其中，進步更快，樹立終身學(xué)習(xí)理念）、法律體系（法律體系協(xié)調(diào)）以及資源的有效利用（盡可能節(jié)約能源和原材料）。企業(yè)決策者正確理解新一代智能制造及其在現(xiàn)實中如何實施非常重要。通過探尋一個能夠支持企業(yè)發(fā)展的合理模型，建立適合企業(yè)個性化的智能制造愿景和實施路徑。智能制造的概念需要結(jié)合特定領(lǐng)域的特定工廠，探明生產(chǎn)活動所屬領(lǐng)域，并做好智能制造整體實施規(guī)劃。

圖2 新型智能制造模式

水平集成指的是用于產(chǎn)品的不同信息系統(tǒng)集成生產(chǎn)計劃和業(yè)務(wù)流程，如圖3所示。這些系統(tǒng)包括原材料交換系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)（如內(nèi)部物流、生產(chǎn)、分銷等）以及不同企業(yè)之間的系統(tǒng)。集成的主要目的是在整個網(wǎng)絡(luò)中傳遞產(chǎn)品生命周期信息，從供應(yīng)商到銷售客戶[6]。信息輸出集成對供應(yīng)商來說非常有意義，可使供應(yīng)商及時了解庫存狀態(tài)，以便更好地計劃和組織原材料的準備和交付。目前，客戶需要與生產(chǎn)商密切聯(lián)系，以便及時確定其產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)。水平系統(tǒng)集成確保了客戶可以監(jiān)控其訂購的產(chǎn)品（計算機可以顯示已經(jīng)完成的內(nèi)容，前提是智能產(chǎn)品可以感知一切）。如果出現(xiàn)意外，客戶可以及時介入，確定解決問題的措施。

圖3 水平集成示意圖

垂直集成是指不同層次信息系統(tǒng)的集成，以實現(xiàn)從控制金字塔底部到頂部的信息交互，反之亦然。通過在生產(chǎn)的每一個工位使用傳感器并連接所有的生產(chǎn)工序，生產(chǎn)者檢查質(zhì)量并減少浪費。通過金字塔管控模型不斷交換信息，使合格的員工能夠發(fā)現(xiàn)潛在的問題。在整個過程中，連接到通信網(wǎng)絡(luò)的機器能夠獲取信息，并通知操作員機器的狀態(tài)和運行過程。全面數(shù)字化工程使產(chǎn)品開發(fā)全過程的數(shù)據(jù)收集和交換成為可能，從而減少了大量產(chǎn)品生命周期中計算數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時間。這種方式已經(jīng)儲備了相應(yīng)的生產(chǎn)信息，能夠減少未來產(chǎn)品生產(chǎn)的時間。早期被應(yīng)用的數(shù)據(jù)如產(chǎn)品開發(fā)文檔、生產(chǎn)計劃和模擬等，可以被用來更快速地創(chuàng)建文檔。綜上所述，智能管理算法變得尤為重要。智能管理依賴于物聯(lián)網(wǎng)、信息服務(wù)和智能產(chǎn)品，如圖4所示。通過采用新型信息物理系統(tǒng)和通信技術(shù)，智能生產(chǎn)過程管理將變得更加透明。

圖4 企業(yè)內(nèi)部管理的垂直集成

2 智能制造實施研究

智能制造是多學(xué)科和多要素深度融合的復(fù)雜系統(tǒng)工程，既有科學(xué)理論層次上的問題，又有技術(shù)方法層次上的問題，同時要把這些科學(xué)理論和技術(shù)方法應(yīng)用于工程實踐。因此，必須在系統(tǒng)工程思想的指導(dǎo)下，通過科學(xué)合理的工程管理，把科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新、組織管理創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新有機融合起來，實現(xiàn)綜合集成創(chuàng)新，以達到預(yù)設(shè)的目標。

智能制造系統(tǒng)是解決產(chǎn)品研發(fā)、制造、物流、企業(yè)管理等全生命周期的各種控制、優(yōu)化和管理系統(tǒng)，以及基于智能裝備（工業(yè)機器人等）的系統(tǒng)集成。借助互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和移動應(yīng)用產(chǎn)品的技術(shù)架構(gòu)和開發(fā)模式，重點解決制造業(yè)現(xiàn)場管理中有關(guān)進度采集與監(jiān)控、品質(zhì)管理、現(xiàn)場物流驅(qū)動以及生產(chǎn)過程防錯等業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)車間現(xiàn)場人員、設(shè)備、物料、任務(wù)等各個方面的有機整合，從而實現(xiàn)制造業(yè)的智能化。

針對制造行業(yè)智能制造項目的實施，研究一套基于智能制造應(yīng)用標準和互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用場景下的先進實施方法體系，融合傳統(tǒng)實施方法論中保障項目成功實施的所有基本要素，填充互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新興技術(shù)、方法和手段，更加適合智能工廠項目的實施管理。結(jié)合項目實施經(jīng)驗，研究開發(fā)智能工廠實施策略、方法、工具和模板，優(yōu)化在實施過程中對時間、質(zhì)量和資源的有效使用等，形成了智能制造項目的實施方法論。

2.1 實施總體規(guī)劃

智能制造系統(tǒng)工程是一項長期、艱巨以及復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須按照“總體規(guī)劃、分步實施、重點突破以及滾動推進”的原則進行規(guī)劃[3]。智能制造是“一把手”工程，將其納入企業(yè)的長期發(fā)展戰(zhàn)略，是5～10年的企業(yè)發(fā)展愿景。實施總體規(guī)劃路線圖如圖5所示。

圖5 總體路線規(guī)劃圖

2.2 實施路線

目前，大部分企業(yè)實現(xiàn)了基于軟件功能的信息化，少數(shù)企業(yè)只實現(xiàn)了跨業(yè)務(wù)信息集成，即僅達到數(shù)字化工廠的水平。少數(shù)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的人機交互，具備智能化的特征和功能，即達到了智能工廠的初級水平?？梢?，智能工廠并非一蹴而就，需要從企業(yè)的核心需求出發(fā)，從生產(chǎn)環(huán)節(jié)的痛點入手，實現(xiàn)企業(yè)的提質(zhì)增效。實施路線如圖6所示。

2.2.1 調(diào)研與評估

調(diào)研與評估階段主要完成團隊組建，明確項目組織及崗位職責(zé)，完成客戶需求匹配度分析和項目實施的主計劃及預(yù)算，同時需明確實施智能工廠的背景、目的與意義。

2.2.2 方案設(shè)計

制定智能工廠項目調(diào)研計劃，發(fā)放調(diào)研問卷，生產(chǎn)調(diào)研報告，形成詳細需求清單，并在此基礎(chǔ)上形成智能工廠項目系統(tǒng)環(huán)境的部署方案，進而形成設(shè)計方案及原型，經(jīng)評審評審、確認后，進行基礎(chǔ)測試工作，對關(guān)鍵用戶開展培訓(xùn)指導(dǎo)，作為下一步系統(tǒng)上線應(yīng)用的主要依據(jù)。

2.2.3 系統(tǒng)構(gòu)建

先界定系統(tǒng)的主體功能和需求，對各個功能需求進行一個籠統(tǒng)的描述和定義，為系統(tǒng)建設(shè)提供業(yè)務(wù)依據(jù)和方向，開展實施對象環(huán)境規(guī)劃與部署。實施后，采用真實業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過全面模擬客戶真實的業(yè)務(wù)環(huán)境，對系統(tǒng)進行全面驗證。系統(tǒng)模擬演練是系統(tǒng)順利上線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，保證模擬演練效果的關(guān)鍵是完善模擬演練方案。

2.2.4 上線運行

通過上線前的知識轉(zhuǎn)移活動，使客戶的上線運行支持體系具備足夠的能力。在上線準備階段和正式上線運行后，依據(jù)上線運行支持體系處理各項突然事件和上線后出現(xiàn)的問題，保障系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。

2.2.5 項目總結(jié)

針對離散型制造企業(yè)企業(yè)多品種和小批量的制造方式，在充分調(diào)研與評估的基礎(chǔ)上，設(shè)計離散型智能制造總體方案并分步實施。

3 結(jié)語

智能制造代表了先進制造業(yè)的發(fā)展方向，是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路，主要特征是實現(xiàn)水平、垂直和數(shù)字化的全集成。智能制造是多學(xué)科和多要素深度融合的復(fù)雜系統(tǒng)工程。針對制造行業(yè)智能制造項目的實施，研究提出了一套基于智能制造應(yīng)用標準和互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用場景下的先進實施方法體系，既融合了傳統(tǒng)實施方法論中保障項目成功實施的所有基本要素，又填充了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新興技術(shù)、方法和手段，更加適合智能工廠項目的實施管理。制造工廠成功實施新制造模式后，生產(chǎn)成本將變得可控，并能夠提高經(jīng)濟效益。