智能制造體系簡析

■ 趙永宣 / 中國航發(fā)研究院

隨著新一代信息通信技術(shù)的快速發(fā)展及其與先進(jìn)制造技術(shù)的不斷深度融合，全球興起了以智能制造為代表的新一輪產(chǎn)業(yè)變革，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為未來制造業(yè)發(fā)展的大趨勢。各國均加緊謀篇布局，紛紛推出新的重振制造業(yè)的國家戰(zhàn)略，支持和推動(dòng)智能制造發(fā)展，以重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢。

智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。簡而言之，智能制造是由物聯(lián)網(wǎng)（IOT）系統(tǒng)支撐的智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)和智能服務(wù)，具有動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行的特征。智能制造既是“中國制造2025”的五大工程之一，又是德國“工業(yè)4.0”的研究主題。實(shí)施智能制造工程能夠更好地整合社會(huì)資源，統(tǒng)籌兼顧智能制造各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，突破發(fā)展瓶頸，加快組織實(shí)施智能制造工程，對于促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國目標(biāo)具有重大意義。

智能制造在各國的戰(zhàn)略地位

德國工業(yè)4.0

“工業(yè)4.0”研究項(xiàng)目是在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成的。德國在社會(huì)發(fā)展新形勢下，提出“工業(yè)4.0”的工業(yè)戰(zhàn)略，目的是為了保持德國的制造業(yè)強(qiáng)國地位，并在新的工業(yè)模式下，改變生產(chǎn)過程中人、設(shè)備、資源等之間的相互關(guān)系。

德國工業(yè)4.0變革與影響

德國的“工業(yè)4.0”關(guān)注整個(gè)企業(yè)的價(jià)值鏈層面，它以廣泛采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的手段為特征，幫助企業(yè)、工業(yè)乃至整個(gè)社會(huì)實(shí)現(xiàn)人、物、信息、能源的互聯(lián)互通，建立一個(gè)賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS），通 過“計(jì)算-交互-控制”（3C）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)?！肮I(yè)4.0”關(guān)注整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造過程的全面數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)虛擬制造過程和物理實(shí)現(xiàn)過程的融合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)貫通、交互及時(shí)，并且在整個(gè)價(jià)值鏈全過程中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)模式，并且使各層級能夠進(jìn)行識別、確認(rèn)、判斷、監(jiān)控、決策等智能活動(dòng)。

美國再工業(yè)化

自工業(yè)化以來，制造業(yè)一直是美國經(jīng)濟(jì)的支柱，在20世紀(jì)80年代之前經(jīng)歷了“絕對強(qiáng)大—漸次衰落—重塑優(yōu)勢”的過程。20世紀(jì)后期，信息時(shí)代的到來、勞動(dòng)力成本高企等因素，促成了全球產(chǎn)業(yè)的再分工。美國在2008年陷入了自大蕭條后的最大經(jīng)濟(jì)危機(jī)，最終把目光聚焦到“再工業(yè)化”?！霸俟I(yè)化”戰(zhàn)略的實(shí)質(zhì)是要推動(dòng)美國制造業(yè)的脫胎換骨，中期目標(biāo)是要重振美國制造業(yè)，創(chuàng)造就業(yè)，推動(dòng)美國經(jīng)濟(jì)走出低谷等；而遠(yuǎn)期目標(biāo)則是要在世界經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域掀起一場“戰(zhàn)略大反攻”，以“再工業(yè)化”作為搶占世界高端制造業(yè)的戰(zhàn)略跳板，促使主導(dǎo)“新型制造業(yè)”的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備在環(huán)保、能源、交通，乃至所有經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域遍地開花，以達(dá)到鞏固并長期維持其世界第一經(jīng)濟(jì)超級大國地位的戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。

美國所指的“再工業(yè)化”絕不僅是簡單的“實(shí)業(yè)回歸”，而是在二次工業(yè)化基礎(chǔ)上的三次工業(yè)化，實(shí)質(zhì)是以高新技術(shù)為依托，發(fā)展高附加值的制造業(yè)，如先進(jìn)制造技術(shù)、新能源、環(huán)保、信息等新興產(chǎn)業(yè)，從而重新?lián)碛袕?qiáng)大競爭力的新工業(yè)體系。

中國制造2025

2015年5月19日，國務(wù)院正式發(fā)布《中國制造2025白皮書》，以期指導(dǎo)國家制造業(yè)發(fā)展方向，同時(shí)還明確了重點(diǎn)的戰(zhàn)略任務(wù)來帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展和前進(jìn)。國內(nèi)的相關(guān)機(jī)構(gòu)、學(xué)者對《中國制造2025白皮書》進(jìn)行了解讀，具體課題總結(jié)為“一二三四五五十”[2]。

德國提出的“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”，從大的方向上來看，可以說是不謀而合、異曲同工，但又因發(fā)展階段的不同而存在差異。相同的是二者都是更多地以信息技術(shù)和先進(jìn)制造業(yè)的結(jié)合，或者說以“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”的結(jié)合，來帶動(dòng)整個(gè)新一輪制造業(yè)發(fā)展，發(fā)展的最大動(dòng)力還在于信息化和工業(yè)化的深度融合。不同的地方在于兩國工業(yè)發(fā)展的階段不同：德國基本上實(shí)現(xiàn)了“工業(yè)3.0”，目前正在從“工業(yè)3.0”向“工業(yè)4.0”發(fā)展，即從生產(chǎn)的自動(dòng)化向網(wǎng)絡(luò)信息化邁進(jìn)；我國的生產(chǎn)信息化在地區(qū)之間、行業(yè)之間、企業(yè)之間還存在著很大的差距，有些行業(yè)和企業(yè)要在補(bǔ)上“工業(yè)2.0”電氣化到“工業(yè)3.0”自動(dòng)化這一課的同時(shí)，還要適應(yīng)向“工業(yè)4.0”發(fā)展的需要，所以不同的企業(yè)須針對各自所處的階段加速發(fā)展。

“中國制造2025”和“工業(yè)4.0對比”

智能制造體系的成熟度

借鑒國際普遍認(rèn)可的“工業(yè)4.0”發(fā)展路徑，制造企業(yè)智能化的成熟度可分為三大階段：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[3]。

數(shù)字化——企業(yè)在智能制造方向發(fā)展的第一個(gè)階段就是針對企業(yè)的生命周期管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。將此前業(yè)務(wù)過程中產(chǎn)生的圖樣、文檔、檢查單等進(jìn)行數(shù)字化定義和標(biāo)識，利用信息系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、傳遞、存儲(chǔ)和使用。只有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，才能為未來企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

智能制造體系

網(wǎng)絡(luò)化——在企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理的基礎(chǔ)上，通過廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多種形式的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、信息和數(shù)據(jù)的互聯(lián)，通過“網(wǎng)絡(luò)+業(yè)務(wù)”的形式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程、生產(chǎn)制造過程、供應(yīng)鏈過程以及服務(wù)保障過程的充分協(xié)同，實(shí)現(xiàn)資源效能最大化。

智能化——在企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的即時(shí)糾正和排產(chǎn)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)控制并使其規(guī)范地執(zhí)行，能夠通過智能分析系統(tǒng)準(zhǔn)確地表達(dá)生產(chǎn)過程信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)可知可視。通過對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)控設(shè)備的精益運(yùn)行，簡化設(shè)備的操作過程，保障整個(gè)生產(chǎn)過程運(yùn)行順暢和穩(wěn)定。

這三個(gè)階段不是嚴(yán)格意義上的串行關(guān)系，并不是在沒有完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)上不可開展網(wǎng)絡(luò)化的建設(shè)。這三個(gè)階段是廣義的串行和局部的并行關(guān)系，如企業(yè)在開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中可適時(shí)開展網(wǎng)絡(luò)化的建設(shè)以及智能化的研究和探索，也就是說將2.0的補(bǔ)課、3.0的建設(shè)和4.0的追趕同步進(jìn)行。

智能制造實(shí)施思路

要達(dá)到智能制造最高成熟度（自適應(yīng)）的標(biāo)準(zhǔn)，需要集成車間現(xiàn)場軟硬件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場信息的動(dòng)態(tài)感知；充分集成工程領(lǐng)域的產(chǎn)品三維數(shù)字模型，同時(shí)將三維模型充分應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場并進(jìn)行模型信息的反饋和修正；基于生產(chǎn)全過程管理建立智能的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程信息進(jìn)行實(shí)施分析并對生產(chǎn)過程做出相應(yīng)調(diào)整；生產(chǎn)現(xiàn)場的軟硬件也可以針對統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行自主判斷，以更好地服務(wù)生產(chǎn)。實(shí)施思路具體可拆解為如下5個(gè)步驟。

一是打通計(jì)劃物流線，建立生產(chǎn)制造信息基礎(chǔ)。以企業(yè)一個(gè)車間或者部分車間為試點(diǎn)，打通企業(yè)主生產(chǎn)計(jì)劃、物料需求計(jì)劃、車間計(jì)劃、工序計(jì)劃的企業(yè)價(jià)值主線，打通企業(yè)進(jìn)銷存的物流主線，建立企業(yè)統(tǒng)一信息化平臺(tái)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，打造企業(yè)生產(chǎn)制造全過程信息管理基礎(chǔ)。

二是實(shí)現(xiàn)全面無紙化，建立橫向協(xié)同計(jì)劃機(jī)制。通過企業(yè)全面制造執(zhí)行的橫向推廣，實(shí)現(xiàn)企業(yè)全面無紙化，提升對企業(yè)價(jià)值主線的支撐和保障，建立生產(chǎn)計(jì)劃縱向之間、橫向之間、計(jì)劃與物流和計(jì)劃與資源的全面協(xié)同機(jī)制。

三是將車間管理下沉，建立車間級層級遞推。在企業(yè)全面實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場管理的基礎(chǔ)上，圍繞制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）集成多種軟硬件技術(shù)，針對數(shù)字化自動(dòng)化水平較高、具有一定專業(yè)代表性的典型產(chǎn)品建立示范性智能車間/生產(chǎn)線，然后推廣到其他車間和生產(chǎn)線。

四是將生產(chǎn)管理前移，深度集成產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型。在實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程全面管理的基礎(chǔ)上，深度集成產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型，充分應(yīng)用模型的產(chǎn)品標(biāo)注信息、工藝標(biāo)注信息以及檢驗(yàn)標(biāo)注信息。利用三維模型，自動(dòng)應(yīng)用到生產(chǎn)管理過程的物流、工藝和質(zhì)量檢驗(yàn)過程，并通過實(shí)際生產(chǎn)過程，對三維模型信息進(jìn)行修正并反饋回工程領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和物理制造的結(jié)合。

五是將計(jì)劃管理上浮，全面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程智能管控。在實(shí)現(xiàn)主生產(chǎn)計(jì)劃、物料需求計(jì)劃、車間計(jì)劃、工序計(jì)劃的企業(yè)價(jià)值主線的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)過程尤其是生產(chǎn)計(jì)劃全過程的信息，進(jìn)行處理和分析，建設(shè)生產(chǎn)過程的智能管控系統(tǒng)，為企業(yè)生產(chǎn)全過程提供智能分析和決策數(shù)據(jù)，并通過前面所建立的信息系統(tǒng)進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)調(diào)整和執(zhí)行。

結(jié)束語

智能制造已經(jīng)對工業(yè)乃至整個(gè)社會(huì)的發(fā)展帶來革命性的變化，各個(gè)國家也提出相應(yīng)的發(fā)展策略并逐步上升為國家戰(zhàn)略。我國制造業(yè)的過程管理、流程約束現(xiàn)在還比較松散，工廠布局、設(shè)備布局相對落后，物流體系、信息化應(yīng)用層次較低。距智能制造的目標(biāo)距離雖遠(yuǎn)，但行動(dòng)卻不能遲緩，當(dāng)務(wù)之急則是打牢智能制造基礎(chǔ)，并認(rèn)真做好實(shí)施智能制造的思路和步驟，快速推進(jìn)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的發(fā)展。