大數(shù)據(jù)驅動的綠色制造模式研究

陳爾東，徐建萍，廖 斌 （貴州大學 管理學院，貴州 貴陽 550005）

0 引言

隨著全球生態(tài)環(huán)境問題的日益嚴峻，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略成為各國的重要發(fā)展戰(zhàn)略。習近平總書記在十九大會議報告提出“要推進綠色發(fā)展，加快建立綠色生產和消費的法律制度和政策導向，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系”。制造業(yè)是我國實體經(jīng)濟的重要支撐產業(yè)，更是能源消耗、污染排放的一大根源，全面推進制造業(yè)向綠色生產模式轉型是我國發(fā)展綠色經(jīng)濟的當務之急。

1996年，美國制造工程師學會首次提出綠色制造的概念，認為綠色制造是一個綜合考慮資源、能耗、生態(tài)效率、經(jīng)濟效益的現(xiàn)代制造模式，其目標是提高產品整個生命周期內的資源利用率的同時降低能源消耗、污染排放，使企業(yè)實現(xiàn)經(jīng)濟效益與生態(tài)效率的雙贏。經(jīng)過20多年的發(fā)展，綠色制造理念不斷延展，綠色技術創(chuàng)新[1]、綠色調度[2]、綠色生產物流[3]、綠色工廠[4]等概念的提出和應用為制造企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了理論和技術的支持，產生了巨大的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

然而，學者們較少關注綠色制造模式的推進過程中，如何收集產品綠色制造全生命周期中研發(fā)、制造、檢測、維護、銷售、回收等各階段的數(shù)據(jù)；如何將這些工業(yè)大數(shù)據(jù)與綠色制造模式的各個環(huán)節(jié)進行匹配關聯(lián)，如何集成各階段數(shù)據(jù)，從海量制造過程數(shù)據(jù)中學習與挖掘制造系統(tǒng)內部結構的系統(tǒng)特性與車間性能的演化規(guī)律，是當前制造業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)與機遇。

2009年，“數(shù)據(jù)密集型科學”成為繼“實驗科學”、“理論推論”、“模擬仿真”后的第四科學研究范式。該范式認為，系統(tǒng)規(guī)模越大、結構越復雜，數(shù)據(jù)間形成的關聯(lián)機制所產生的動產能力和分析決策能力也越強。因此，基于“關聯(lián)＋預測＋調控”的決策新模式，本文嘗試以新一代智能感知技術和數(shù)據(jù)監(jiān)測技術的應用為基礎，以綠色制造全生命周期的智能優(yōu)化決策為目標，提出一種數(shù)據(jù)驅動的綠色智能制造新模式及其服務體系構架，為制造企業(yè)實現(xiàn)產品研發(fā)設計、制造調度、運營維護、質量管控、產品回收乃至整個生命周期的智能化和綠色可持續(xù)化發(fā)展提供一個可參考的解決方案。

1 大數(shù)據(jù)驅動的綠色智能制造服務新模式

在新一輪制造業(yè)大變革的背景下，各制造大國紛紛提出不同的戰(zhàn)略規(guī)劃來搶占發(fā)展先機。德國提出“工業(yè)4.0”，強調真實世界與虛擬世界的深度融合和生產制造的智能化與自主化；美國提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，指出通過各工業(yè)數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)互享，形成實時更新、開放挖掘的工業(yè)網(wǎng)絡可最大程度加速工業(yè)化進程；我國工業(yè)經(jīng)濟正處于工業(yè)化進程變軌超車的關鍵時期，相關部門提出的“中國制造2025”要求兼顧綠色制造和智能制造，為生產加工的全生命周期“賦智”的同時，降低能耗與碳排放，進而實現(xiàn)生產制造的智慧系統(tǒng)自組織可持續(xù)運營與演化。但由于我國綠色制造模式對生命周期各階段數(shù)據(jù)的整合能力和應用能力的缺乏，大量工業(yè)數(shù)據(jù)得不到有效利用，形成了大量的數(shù)據(jù)孤島。整個生產系統(tǒng)得不到信息的交互和反饋，更無法滿足工業(yè)變革對生產系統(tǒng)自適應和自決策、可持續(xù)的目標要求。

1.1 設計思路

利用大數(shù)據(jù)分析技術，結合銷售數(shù)據(jù)和客戶訂單數(shù)據(jù)特征刻畫顧客信息圖，指導產品綠色設計，推動制造業(yè)定制化和精準服務化轉型；應用關聯(lián)分析法對企業(yè)調度信息和訂單信息進行回溯研究，構建主動生產、動態(tài)調度、能耗實時監(jiān)控的生產運營系統(tǒng)；應用預測分析法對生產中的設備維護周期和質量監(jiān)控力度進行模擬預測，形成事先維護、事先控制的質量管理與設備維護機制；利用聚類分析法對能耗數(shù)據(jù)與回收數(shù)據(jù)進行動態(tài)關聯(lián)，探索企業(yè)生產制造低碳化、清潔化、循環(huán)化的發(fā)展路徑。通過各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互相關聯(lián)，最終形成全生命周期的閉環(huán)大數(shù)據(jù)智能運維模式。

基于以上構想，本文設計了大數(shù)據(jù)驅動的綠色智能制造服務體系構建，如圖1所示。該體系構架主要由技術支撐、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、應用服務、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交互與獲取七部分構成。

圖1 大數(shù)據(jù)驅動的綠色智能制造服務體系構架

1.2 主要模塊介紹

（1）技術支撐模塊：通過智能感知、RFID等先進技術對數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析模塊提供相關技術和可行性方案，是連接真實世界和數(shù)據(jù)世界的物理要素。

（2）數(shù)據(jù)收集模塊：將綠色制造模式全生命周期進行延展，對研發(fā)、訂單、維護、銷售等各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行采集、轉換和儲存。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊：提供數(shù)據(jù)處理和分析相關技術，為復雜、多維、多噪聲的數(shù)據(jù)進行降噪、降維和數(shù)據(jù)可視化處理，為數(shù)據(jù)分析層提供有效數(shù)據(jù)。

（4）大數(shù)據(jù)分析模塊：對數(shù)據(jù)處理模塊提供的有效數(shù)據(jù)進行進一步的數(shù)據(jù)挖掘和決策方案生成，主要提供銷售客戶和訂單客戶的特征刻畫、生成運作系統(tǒng)內部各工藝環(huán)節(jié)的關聯(lián)性、預測性規(guī)律分析。

（5）應用服務模塊：本模塊是整個服務體系的應用層和目標層。通過整合服務體系的相關內容和技術，進而實現(xiàn)本制造模式產品設計綠色化、生成調度主動化、質量預測預先化、生產回收清潔化。

（6）數(shù)據(jù)交互模塊：本模塊通過API接口與同行業(yè)工業(yè)以太網(wǎng)對接，為各企業(yè)提供“數(shù)據(jù)共享池”，同時也將本企業(yè)的數(shù)據(jù)決策方案及數(shù)據(jù)資源分享給其他企業(yè)，進而為先驗維護、產品質量預測等技術提供了數(shù)據(jù)支持。

（7）數(shù)據(jù)儲存模塊：本模塊為物理支撐模塊，負責存儲綠色制造模式的所有數(shù)據(jù)信息、過程信息及決策信息。

2 結論

為響應“中國制造2025”綠色和智能融合的要求，將大數(shù)據(jù)制造技術與方案融入傳統(tǒng)綠色制造模式中，提出一種大數(shù)據(jù)驅動的綠色智能制造新模式研究，以實現(xiàn)綠色制造過程的智能化。

（1）分析了當前綠色制造模式面臨的挑戰(zhàn)、機遇與不足，提出了一種大數(shù)據(jù)驅動的綠色智能制造新模式及其服務體系構架。

（2）本文所提出的數(shù)據(jù)驅動的全生命周期綠色制造新模式是將傳統(tǒng)綠色制造模式從研發(fā)、生產、維護延伸到銷售與回收，引入智能感知、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)等先進設施，實現(xiàn)綠色制造全生命周期數(shù)據(jù)的收集與各階段數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通與動態(tài)交互，在此基礎上應用大數(shù)據(jù)處理技術，對數(shù)據(jù)進行降維、清洗、集成和可視化處理，對數(shù)據(jù)結構進行描述與優(yōu)化，為數(shù)據(jù)的分析和運營提供支持。

（3）作為一項探索性研究，本文僅以綠色制造模式為原型，對其智能化體系架構、實現(xiàn)框架與實現(xiàn)思路進行了闡述和探討。今后還可對網(wǎng)格制造模式、云霧制造模式、社會制造模式等的智能化改造進行研究。