智能制造體系：從牛津預(yù)言到中國制造2025

PTC公司高級售前總監(jiān) 紀(jì)豐偉

智能制造體系：從牛津預(yù)言到中國制造2025

PTC公司高級售前總監(jiān) 紀(jì)豐偉

紀(jì)豐偉

高級售前總監(jiān)PTC公司

紀(jì)豐偉博士目前擔(dān)任PTC公司高級售前總監(jiān)，他專注于產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）領(lǐng)域已超過17年，作為主要負(fù)責(zé)人領(lǐng)導(dǎo)和參與了多個(gè)國內(nèi)外領(lǐng)先PLM項(xiàng)目的咨詢和實(shí)施工作。目前紀(jì)豐偉博士已在國家核心期刊上發(fā)表了19篇論文，其中6篇為美國工程索引EI收錄期刊，兩篇為英文論文。

紀(jì)豐偉博士畢業(yè)于清華大學(xué)，擁有機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)博士學(xué)位。

2013年P(guān)TC公司和牛津經(jīng)濟(jì)研究院曾經(jīng)對制造業(yè)發(fā)展趨勢做過一個(gè)全球調(diào)查，調(diào)查的初衷是分析整個(gè)制造業(yè)面臨的新問題、新形勢和新格局，由此來判斷制造業(yè)發(fā)展的走向，進(jìn)一步探究在全球化競爭的新市場環(huán)境下，制造業(yè)將采取的一些轉(zhuǎn)型措施，尤其是新技術(shù)和科技發(fā)展帶來的新機(jī)遇。當(dāng)時(shí)調(diào)研了全球超過300位CIO和高管，涉及航空航天和國防、汽車行業(yè)、消費(fèi)品零售業(yè)和服裝業(yè)、電子設(shè)備和高科技行業(yè)、工業(yè)設(shè)備以及醫(yī)療設(shè)備行業(yè)等行業(yè)，遍布美國、中國、日本和德國等11個(gè)國家。對市場領(lǐng)導(dǎo)者開展的調(diào)查和一系列相關(guān)訪談表明，競爭能力取決于應(yīng)對市場變化和技術(shù)趨勢時(shí)采取的轉(zhuǎn)型措施。目標(biāo)不僅僅是“生產(chǎn)更好的產(chǎn)品”，即打造滿足客戶需求的產(chǎn)品和服務(wù)，使產(chǎn)品和服務(wù)真正具有創(chuàng)新性且獨(dú)樹一幟，而且還要“用更好的方式生產(chǎn)產(chǎn)品”，即大力推動(dòng)工程、服務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行、管理和生產(chǎn)流程，并借此讓創(chuàng)新從概念設(shè)計(jì)階段一直發(fā)展到產(chǎn)品生命周期的結(jié)束，并打造閉合的反饋環(huán)，確保整個(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)和調(diào)整。

根據(jù)這份調(diào)查的總結(jié)報(bào)告（以下簡稱“牛津報(bào)告”），全球制造業(yè)轉(zhuǎn)型的驅(qū)動(dòng)力被總結(jié)為七種力量：個(gè)性化、全球化、數(shù)字化、智能化、合規(guī)性、服務(wù)化和互連性。在這七種力量的驅(qū)動(dòng)下，超過68%的制造業(yè)企業(yè)，預(yù)計(jì)會(huì)在未來3年中經(jīng)歷重大的業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)型。這可以看作2013年的那個(gè)冬天，牛津經(jīng)濟(jì)研究院和PTC給出的一個(gè)“預(yù)言”。

到三年后的今天，上面這個(gè)預(yù)言似乎被印證了。在這三年中，制造業(yè)戰(zhàn)略確實(shí)又被置于國力競爭的制高點(diǎn)，世界各國重新認(rèn)識了制造業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性，紛紛制訂和出臺了相關(guān)的制造業(yè)發(fā)展目標(biāo)和戰(zhàn)略，比如美國提出“美國先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃”、德國提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略、法國提出了“新工業(yè)法國”、英國提出了“英國制造2050”，中國也在2015年5月正式推出了“中國制造2025”戰(zhàn)略。

解讀中國制造2025之智能制造

中國工程院“制造強(qiáng)國戰(zhàn)略研究”課題組根據(jù)2012年各國的制造業(yè)綜合指數(shù)劃分了三個(gè)國家方陣：美國處于第一方陣；德國、日本處于第二方陣；中國、英國、法國和韓國處于第三方陣。為了實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，“中國制造2025”進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了制造業(yè)對于中國的重要意義，并指出制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。“中國制造2025”迅速成為引領(lǐng)中國制造業(yè)的重要綱領(lǐng)。“中國制造2025”強(qiáng)調(diào)以兩化融合為主線，以智能制造為主攻方向，因此，正確理解“中國制造2025”所提出的智能制造對于制造業(yè)本身具有非常重要的意義。

首先，智能制造不僅僅是制造本身，智能制造也不等于智能工廠，“中國制造2025”所要打造的是智能制造體系（Smart Manufacturing System of Systems）,通過這個(gè)體系研制出智能化的產(chǎn)品，過程中使用的裝備和工具（軟件和硬件）是智能化的，從研發(fā)、制造到服務(wù)的過程是智能化的。在智能制造體系建立的過程中，產(chǎn)品形態(tài)、產(chǎn)品未來的制造方式和經(jīng)營方式將發(fā)生巨大變化，并帶動(dòng)一系列企業(yè)內(nèi)外部的轉(zhuǎn)型。

產(chǎn)品形態(tài)的轉(zhuǎn)型：未來通過智能制造體系將產(chǎn)出個(gè)性化和智能化的創(chuàng)新產(chǎn)品

無論制造方式如何變化，產(chǎn)品本身及其創(chuàng)新能力永遠(yuǎn)是企業(yè)的核心競爭力。試想，如果企業(yè)沒有好的產(chǎn)品，生產(chǎn)速度越快，自動(dòng)化水平越高，可能失敗的速度也會(huì)越快。因此，智能制造體系的首要目的是幫助企業(yè)更好地進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新。但從產(chǎn)品的角度，產(chǎn)品的個(gè)性化和需求碎片化的趨勢越來越明顯，因此，智能制造體系需要優(yōu)先處理如何滿足個(gè)性化的問題。

根據(jù)牛津報(bào)告，在通用平臺上開發(fā)各種可定制的產(chǎn)品系列的比例將增長49%。這只是滿足個(gè)性化的一種方式，更為重要的是如何直接和最終用戶或消費(fèi)者建立聯(lián)系，讓用戶參與到產(chǎn)品的開放式創(chuàng)新過程中，對其需求進(jìn)行更好地捕捉和響應(yīng)，同時(shí)通過智能制造體系和用戶建立更為緊密的聯(lián)系。

在個(gè)性化滿足的過程中，軟件將扮演重要的角色。因?yàn)橥ㄟ^硬件的變化來滿足無窮的個(gè)性化需求是不可能的。例如，在手機(jī)行業(yè)中，硬件的標(biāo)準(zhǔn)化和同質(zhì)化程度越來越高，用戶的個(gè)性化需求完全通過軟件或APP的方式來表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)完全碎片化需求的滿足。而軟件在產(chǎn)品中的比例提高后，產(chǎn)品就變得智能了。產(chǎn)品智能化后，除了軟件以外，越來越多的傳感器被嵌入到產(chǎn)品中。硬件、傳感器、數(shù)據(jù)儲存裝置、微處理器和軟件，它們以多種多樣的方式組成新產(chǎn)品。借助計(jì)算能力和裝置迷你化技術(shù)的重大突破，這些“智能互聯(lián)產(chǎn)品”將開啟一個(gè)企業(yè)競爭的新時(shí)代。這也是智能制造體系的終極目標(biāo)之一。

裝備水平的轉(zhuǎn)型：運(yùn)用智能化的軟件和硬件裝備

智能制造體系除了強(qiáng)調(diào)產(chǎn)出的結(jié)果是智能化的，同時(shí)還強(qiáng)調(diào)過程中使用的裝備是智能化的。個(gè)性化、智能化的產(chǎn)品在研制過程中，需要柔性化、自動(dòng)化和智能化的裝備輔助，以保證產(chǎn)品研制的柔性、高效和可控。這些裝備包括傳統(tǒng)意義的硬件裝備，例如機(jī)器人、高端數(shù)控機(jī)床等。根據(jù)IDC的預(yù)測：到2025年，至少50%的工人將使用自動(dòng)化輔助技術(shù)。和智能化產(chǎn)品類似，工具和裝備也變得越來越智能，例如，Bosch提供的智能互聯(lián)工具可以為工人提供操作方案的快速建議，在工作中實(shí)時(shí)采集工具數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，以提高裝配質(zhì)量。

除了硬件裝備，更需要關(guān)注智能化軟件裝備的應(yīng)用，例如CAD工具、仿真工具和控制系統(tǒng)等。在“中國制造2025”中，也特別設(shè)定了軟件裝備的應(yīng)用指標(biāo)，例如數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)工具普及率、關(guān)鍵工序數(shù)控化率等。

指標(biāo) 2013年 2015年 2020年 2025年數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)工具普及率（%） 52 58 72 84關(guān)鍵工序數(shù)控化率（%） 27 33 50 64

運(yùn)營模式的轉(zhuǎn)型：構(gòu)建智能化的運(yùn)營體系

產(chǎn)品和裝備智能化的同時(shí)，智能制造體系還將帶來一系列企業(yè)運(yùn)營模式的轉(zhuǎn)型。

迭代式創(chuàng)新：智能互聯(lián)的產(chǎn)品將使得產(chǎn)品制造商能及時(shí)、準(zhǔn)確和直觀地了解產(chǎn)品特性和運(yùn)行使用情況，并進(jìn)行產(chǎn)品的迭代式創(chuàng)新，從而改變了企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品的方式，并增加與用戶的黏性。

智能工廠：根據(jù)IDC的估計(jì)，到2020年，采用智能互聯(lián)技術(shù)的工廠將依托于全面整合的IT和OT系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、柔性化的生產(chǎn)。

服務(wù)型制造業(yè)：產(chǎn)品的智能互聯(lián)特性將改變企業(yè)提供服務(wù)的方式，從被動(dòng)式的響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程服務(wù)和主動(dòng)式、預(yù)測式服務(wù)，這將進(jìn)一步影響企業(yè)的盈利模式，產(chǎn)品即服務(wù)的模式將成為企業(yè)的重要利潤來源。

智能制造體系關(guān)鍵使能技術(shù)

智能制造體系并不是一個(gè)愿景，而是馬上就可以開始，而且馬上就需要建設(shè)的體系，這是由新一輪制造業(yè)變革的浪潮所決定的。因?yàn)橹悄芑ヂ?lián)產(chǎn)品和智能裝備已經(jīng)開始不斷涌現(xiàn)，并推動(dòng)著企業(yè)運(yùn)營體系的變革。要“落地”智能制造體系，需要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備。

物聯(lián)網(wǎng)、設(shè)備云和數(shù)據(jù)湖：無論是智能互聯(lián)的產(chǎn)品、智能工廠的建設(shè)或是遠(yuǎn)程服務(wù)體系的建立，都首先需要解決各種異構(gòu)異質(zhì)設(shè)備、產(chǎn)品的連接問題。這包括處理各種連接協(xié)議、處理實(shí)時(shí)分時(shí)協(xié)議、改造各種陳舊設(shè)備等。沒有統(tǒng)一、柔性且開放的連接技術(shù)尤其是物聯(lián)網(wǎng)，智能制造體系的構(gòu)建就無從談起。連接了產(chǎn)品、設(shè)備、產(chǎn)線后，緊接著需要解決數(shù)據(jù)存儲的問題，這往往需要借助設(shè)備云來實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)備云收集連接上來的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)的流數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的格式五花八門，包括傳感器數(shù)據(jù)、地理位置、溫度、交易以及保修記錄等。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總和分析工具，例如數(shù)據(jù)庫工具都無力管理格式如此繁雜的數(shù)據(jù)，因此企業(yè)需要考慮采用“數(shù)據(jù)湖”（Data Lake）的解決方案。

邊緣計(jì)算：雖然設(shè)備云能處理連接的問題，但企業(yè)必須評估判斷究竟該如何界定才能既讓設(shè)備功能最大化，又使延遲達(dá)到最小化，因?yàn)楹芏嘀悄芄S、智能產(chǎn)品的事務(wù)處理具有非常高的實(shí)時(shí)性要求。這時(shí)候，企業(yè)需要的其實(shí)只是一個(gè)多級連接和處理架構(gòu)，這個(gè)架構(gòu)將承載各層級的邊緣計(jì)算——從智能設(shè)備到靠近設(shè)備部署的小型服務(wù)器，再到中間計(jì)算設(shè)備，直至云端。

工業(yè)大數(shù)據(jù)分析：智能產(chǎn)品、裝備和工廠的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)連接并完成收集后，這些數(shù)據(jù)將是海量的。如果不經(jīng)過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，這些數(shù)據(jù)本身是沒有意義的。通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，企業(yè)才能洞察產(chǎn)品性能、設(shè)備狀態(tài)、工廠效率等，從而不斷優(yōu)化智能制造體系。

工業(yè)“安卓”平臺：對于智能制造體系來說，僅僅有設(shè)備連接和數(shù)據(jù)分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要有相應(yīng)的應(yīng)用來幫助企業(yè)使用整個(gè)智能制造體系，例如遠(yuǎn)程服務(wù)、制造執(zhí)行等。類似于手機(jī)行業(yè)，制造業(yè)需要采納工業(yè)“安卓”平臺（如ThingWorx平臺）來快速創(chuàng)建各種應(yīng)用，并能根據(jù)市場情況調(diào)整和優(yōu)化企業(yè)級智能制造應(yīng)用，而且這些應(yīng)用貫穿了研發(fā)、制造、服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

“數(shù)字化映射”（digital twin）技術(shù)：在智能制造體系中，無論是智能互聯(lián)產(chǎn)品、智能工廠還是智能化的服務(wù)，強(qiáng)調(diào)對各種產(chǎn)品、設(shè)備和產(chǎn)線的連接，同時(shí)還需要用數(shù)字化的手段來模擬物理環(huán)境的狀態(tài)。數(shù)字化映射技術(shù)實(shí)際上是物理產(chǎn)品在三維虛擬環(huán)境中的數(shù)字化復(fù)制。物理產(chǎn)品持續(xù)運(yùn)行，其狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境不斷變化，而產(chǎn)品的數(shù)字化映射也伴隨著數(shù)據(jù)的流入而不斷反映實(shí)際產(chǎn)品的變化。作為實(shí)際產(chǎn)品的數(shù)字化身，公司可以通過它掌握千里之外的產(chǎn)品狀態(tài)和環(huán)境條件。數(shù)字化映射還能提供新的產(chǎn)品洞察力，幫助企業(yè)更好地設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和維護(hù)產(chǎn)品。

精準(zhǔn)執(zhí)行輔助技術(shù)：智能制造體系最終是靠人來執(zhí)行的，因此制造體系的智能化還反映在如何幫助人來更精準(zhǔn)地使用智能制造體系或者說如何更精準(zhǔn)地進(jìn)行工作。對于智能制造體系來說，需要借助AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）/VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）等技術(shù)來幫助工作人員來更好地工作。例如，施耐德電氣公司基于PTC的ThingWorx構(gòu)建了一對多的智能互聯(lián)服務(wù)平臺，基于PTC的Vuforia實(shí)現(xiàn)了基于AR的維修指導(dǎo)?，F(xiàn)場工程師獲取服務(wù)信息將變得更便捷，且可以實(shí)時(shí)獲得服務(wù)方案的決策支持，使得現(xiàn)場操作更加高效。

安全技術(shù)：當(dāng)智能制造體系中的產(chǎn)品、裝備和工廠等都智能化并具備互聯(lián)性后，安全性就變得重要起來。每一臺智能互聯(lián)設(shè)備都是網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，因此都可能成為黑客的目標(biāo)或網(wǎng)絡(luò)攻擊的發(fā)起點(diǎn)。智能互聯(lián)產(chǎn)品的分布非常廣，且暴露在網(wǎng)絡(luò)攻擊之下，常規(guī)的物理保護(hù)手段難以奏效。此外，由于這些產(chǎn)品自身的計(jì)算能力通常十分有限，因此也無法部署常規(guī)的安全硬件和軟件。黑客不但可能奪取產(chǎn)品的控制權(quán)，更能竊取制造商與用戶之間傳輸?shù)拿舾袛?shù)據(jù)。除了對敏感數(shù)據(jù)采用加密技術(shù)外，還可以考慮結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)。冗長的數(shù)據(jù)序列被分割為多個(gè)部分或區(qū)塊，用32位“哈希”碼加密，存儲在不同的計(jì)算機(jī)上。這一序列的各個(gè)部分稱為區(qū)塊，組合成為區(qū)塊鏈。數(shù)據(jù)一旦輸入，只有在所有區(qū)塊持有者同意的情況下，才能更改。對于數(shù)據(jù)篡改或偷竊，這是目前來看相對比較安全的保護(hù)機(jī)制。

智能制造轉(zhuǎn)型路線圖

制造企業(yè)正處在變革的最前線，它們面臨的產(chǎn)品和組織轉(zhuǎn)型之旅將充滿荊棘和不確定性。在技術(shù)成果轉(zhuǎn)化過程中，最大的風(fēng)險(xiǎn)和障礙不是技術(shù)本身，而是何時(shí)采用何種技術(shù)，企業(yè)需要考慮如何以最穩(wěn)妥的方式循序漸進(jìn)地導(dǎo)入新技術(shù)。PTC公司提出的企業(yè)轉(zhuǎn)型路線圖（Transformation Journey Map）的目的就是解決這個(gè)問題，通過分析技術(shù)成熟度和企業(yè)準(zhǔn)備情況，來分步驟、有計(jì)劃地建設(shè)智能制造體系。

從牛津報(bào)告的預(yù)言開始，智能制造體系正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，智能制造體系本身的內(nèi)涵和外延都在不斷發(fā)生著變化，但隨著“中國制造2025”計(jì)劃的逐步細(xì)化，智能制造體系的方向越來越清晰，智能制造體系建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)也越來越成熟，現(xiàn)在到了考驗(yàn)企業(yè)管理人員建設(shè)智能制造體系的決心和信心的時(shí)刻。