基于成熟度模型的智能制造能力評價研究

尹翠芝 文瑛

基金項目：2021年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于成熟度模型的企業(yè)智能制造評估系統(tǒng)設(shè)計”，編號：202112317007Y

摘 要：智能制造能力成熟度模型是在以往關(guān)于能力成熟度模型研究的基礎(chǔ)上，同時又根據(jù)我國制造業(yè)智能制造的特點，且通過大量企業(yè)的實踐所總結(jié)的一種方法論。汽車業(yè)作為制造業(yè)的主力軍，智能制造能力一直處于平均水平之上，論文選取汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的汽車發(fā)動機零部件作為研究對象，汽車發(fā)動機零部件車間的制造類型屬于離散型，車間的生產(chǎn)智能化成熟等級評估選擇模型中的七個常用的維度進行評價。根據(jù)能力成熟度模型對標(biāo)分析進行等級評價結(jié)果，最終提出對車間的智能制造能力進行有針對性的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：成熟度模型;智能制造;評價研究

引言：近年來世界各國分別提出了利用信息技術(shù)改進傳統(tǒng)制造工業(yè)的國家戰(zhàn)略與規(guī)劃，如德國的“工業(yè)4.0”，我們國家的“中國制造2025”等，工信部定義智能制造是基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)、大數(shù)據(jù)并行計算與存儲等新一代信息技術(shù)，貫穿于工業(yè)生產(chǎn)的方案設(shè)計、生產(chǎn)管控、產(chǎn)品管理、后續(xù)服務(wù)等制造活動各個環(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)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。如何提升制造業(yè)的智能制造水平，首先要對企業(yè)目前的智能制造水平有一套相對科學(xué)完整的評價體系，一些國內(nèi)的專家學(xué)者依據(jù)成熟度模型結(jié)合國內(nèi)制造業(yè)的實際情況總結(jié)出智能制造能力成熟度模型，以此對制造業(yè)的智能制造水平進行對標(biāo)評估。

一、智能制造能力成熟度模型的綜述

1.模型的總體構(gòu)成

智能制造能力成熟度模型是由成熟度等級、能力要素和成熟度三部分構(gòu)成。成熟度等級規(guī)定了企業(yè)智能制造能力在不同階段應(yīng)達(dá)到的水平，能力要素給出了智能制造能力成熟度提升的關(guān)鍵方面，成熟度則要求規(guī)定了能力要素在不同成熟度等級下應(yīng)滿足的具體條件。

2.成熟度等級

能力成熟度等級自低向高分別是等級一（初始級）、等級二（可重復(fù)級）、等級三（已定義級）、等級四（已管理級）和等級五（優(yōu)化級）。這里高等級涵蓋了低等級的要求，等級通過漸進式的提升來實現(xiàn)，具體的等級內(nèi)容要求如表1所示。

3.能力要素

能力要素包括制造、人員、技術(shù)和資源，反映了人員將資源、技術(shù)應(yīng)用于制造環(huán)節(jié)，提升智能制造能力的過程，具體內(nèi)容如表2所示。

4.評價方法

企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點，參照《智能制造能力等級要求》來確定所需評價的內(nèi)容，即評價域。本文的評價對象屬于離散型制造企業(yè)主要評價域。

5.評價依據(jù)

本次評價采用采購、計劃與調(diào)度、生產(chǎn)作業(yè)、設(shè)備管理、安全環(huán)保、倉儲配送、能源管理七個維度進行評價。

二、汽車發(fā)動機零部件車間智能制造能力的總體評價

汽車發(fā)動機零部件車間的制造類型屬于離散型，車間的生產(chǎn)智能化成熟等級評估選擇采購、計劃與調(diào)度、生產(chǎn)作業(yè)、設(shè)備管理、安全環(huán)保、倉儲配送、能源管理七個維度進行評價。整體而言，關(guān)鍵工序的設(shè)備自動化、數(shù)字化程度高，少量設(shè)備實現(xiàn)了互聯(lián)互通，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的核心業(yè)務(wù)實現(xiàn)了流程化管理。但尚未應(yīng)用信息化管理軟件進行流程的優(yōu)化，尚未實現(xiàn)生產(chǎn)與質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時采集與監(jiān)控，設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率有較大提升空間。

車間生產(chǎn)智能化成熟度達(dá)到1級，企業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)具備實施智能制造的基礎(chǔ)和條件。

通過對汽車發(fā)動機零部件生產(chǎn)車間指標(biāo)差距分析如下：

三、能力差距的原因分析

1.業(yè)務(wù)流程和組織結(jié)構(gòu)

沒有建立產(chǎn)品全生命周期的端到端流程，項目計劃、報價、設(shè)計到量產(chǎn)的流程屬于不同部門和負(fù)責(zé)人，雖然各段流程的邊界比較明確，但職能式的管理不能滿足企業(yè)產(chǎn)品的協(xié)同調(diào)整、持續(xù)優(yōu)化的需求。

在項目開發(fā)階段，針對量產(chǎn)良率的目標(biāo)，制定了相應(yīng)的質(zhì)量工程管理流程，并在實施量產(chǎn)時提交QCP成果。量產(chǎn)后，企業(yè)對良率提升仍然有明確的預(yù)期，但主要針對具體不良問題的分析改進，或者按照開發(fā)階段的質(zhì)量工程管理流程，沒有基于量產(chǎn)階段的良率目標(biāo)、策劃、實施等流程。

工藝和質(zhì)量控制計劃的制定、質(zhì)量控制細(xì)化方案、工藝下達(dá)流程、質(zhì)量反饋處理等流程的縱向集成度不足，沒有形成對量產(chǎn)后良率的分析、良率目標(biāo)分解、方案設(shè)計、效果評估的協(xié)同化流程。

現(xiàn)有的生產(chǎn)計劃管理流程是根據(jù)銷售訂單交期排出貨計劃，根據(jù)出貨計劃制定上模計劃，根據(jù)上模計劃安排加工計劃，然后按照實際差異和在制品，進行生產(chǎn)調(diào)度，出貨需求、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)排程到調(diào)度的流程分層管理，需求計劃、發(fā)貨計劃、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)排程等流程分層管理，沒有建立工廠級的縱向集成和閉環(huán)的計劃流程。

2.技術(shù)與數(shù)據(jù)

現(xiàn)有的產(chǎn)品項目管理軟件為單項應(yīng)用，主要為項目文檔的收集，沒有建立支持產(chǎn)品全生命周期的端到端流程化管理的平臺，不能支持項目全過程的計劃、任務(wù)協(xié)同、信息透明化和結(jié)構(gòu)化管理。

研發(fā)項目管理與工程項目管理沒有集成，不能支持制造資源的規(guī)劃建設(shè)與客戶項目的一體化管理。

研發(fā)項目管理與財務(wù)管理沒有集成，無法支持對項目的成本控制和財務(wù)核算。

沒有建立數(shù)字化、模塊化設(shè)計平臺，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計和模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)庫和設(shè)計規(guī)范控制，確保標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)改進。

現(xiàn)有的需求計劃沒有與生產(chǎn)調(diào)度集成，沒有建立需求計劃，基于有限產(chǎn)能的高級生產(chǎn)排程系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控與調(diào)度的集成化協(xié)同化計劃平臺，不能適應(yīng)車間產(chǎn)能匹配優(yōu)化、異常快速調(diào)整、約束條件下優(yōu)先交付的需求。

缺乏員工的自動識別和現(xiàn)場人員移動化管理系統(tǒng)，人員調(diào)度、上崗資格、員工績效等無法實現(xiàn)精準(zhǔn)、實時管理。

產(chǎn)品沒有建立二維碼等電子識別模式，無法支持在制品的自動定位和自動識別，難以準(zhǔn)確、實時監(jiān)控在制品庫存，影響生產(chǎn)調(diào)度、在制品物流配送的效率和準(zhǔn)確性。

模具沒有建立二維碼等電子識別模式，無法支持模具的使用和上模確認(rèn)的自動控制。

現(xiàn)有的設(shè)備管理軟件為用于記錄維修作業(yè)內(nèi)容的單項應(yīng)用，沒有建立支持設(shè)備維護的計劃性、流程化管理的系統(tǒng)，不能支撐設(shè)備維護與生產(chǎn)計劃的協(xié)調(diào)，難以對設(shè)備維護中的備件采購、人工作業(yè)、故障分析等進行集成化管理。

沒有實施工程項目管理系統(tǒng)，不能支持工程項目的立項、預(yù)算、任務(wù)分解、采購、成本、轉(zhuǎn)固定資產(chǎn)的全過程集成化管理。

現(xiàn)有的鋁錠送貨軟件為內(nèi)部使用的工具，沒有建立面向供應(yīng)商的、開放的采購管理平臺，供應(yīng)商開發(fā)、采購招標(biāo)、采購下單、送貨、對賬的過程沒有實現(xiàn)在線閉環(huán)管理。

現(xiàn)有的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)主要為設(shè)備單元層次的生產(chǎn)信息采集，與生產(chǎn)計劃和排程無關(guān)聯(lián)，不能支持工藝、程序直接下達(dá)并與產(chǎn)品匹配，對生產(chǎn)計劃執(zhí)行和可視化調(diào)度管理的支撐不足。缺乏設(shè)備工況數(shù)據(jù)的采集，不能支持對設(shè)備運行的監(jiān)控和故障預(yù)警，不能支持在線檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)同步上傳。

沒有建立設(shè)備、工藝、人員等生產(chǎn)要素的數(shù)字化模型，不能支持工藝設(shè)計、生產(chǎn)排程的仿真。

目前采集的設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要用于即時的生產(chǎn)情況監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)沒有構(gòu)建大數(shù)據(jù)庫，對設(shè)備運行的分析、設(shè)備故障預(yù)測的支持不足。

沒有建立質(zhì)量管理系統(tǒng)，將質(zhì)量控制計劃及相關(guān)細(xì)則下達(dá)到相關(guān)產(chǎn)品與工位，并進行監(jiān)控。

產(chǎn)品質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)以及不良品的數(shù)據(jù)分散在檢測設(shè)備、不良品記錄軟件中，沒有構(gòu)建質(zhì)量大數(shù)據(jù)庫，不能支持失效模式和單一重點學(xué)習(xí)庫的數(shù)字化、系統(tǒng)化管理。

四、提升汽車發(fā)動機零部件車間智能制造能力的優(yōu)化路徑

1.產(chǎn)品物聯(lián)精準(zhǔn)管控

汽車發(fā)動機零部件車間為多工段的流水線生產(chǎn)模式，在制產(chǎn)品信息是生產(chǎn)進度監(jiān)控、計劃調(diào)度、物流配送、質(zhì)量控制、質(zhì)量追溯、成本核算等管理需要的原始數(shù)據(jù)，通過建立產(chǎn)品電子化識別系統(tǒng)，可以自動獲取產(chǎn)品過站信息和在制品倉儲信息，確保數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。

考慮到車間輸送線的現(xiàn)狀，建議的產(chǎn)品物聯(lián)方案為載具RFID方案，產(chǎn)品在各工段完工、在制品入庫、工段物料配送時，通過產(chǎn)品載具RFID的綁定與解綁，對產(chǎn)品信息進行記錄，對產(chǎn)品進行識別和定位。改變現(xiàn)有的人工報工方式，實現(xiàn)產(chǎn)品在生產(chǎn)現(xiàn)場的全方位可視化管理，指導(dǎo)計劃調(diào)度、物流和質(zhì)量管理。

2.產(chǎn)能高效利用的柔性制造

建立高級生產(chǎn)排程系統(tǒng)，實現(xiàn)需求計劃、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)排程的協(xié)調(diào)管理，基于產(chǎn)品生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，對各工段生產(chǎn)排程進行統(tǒng)一的調(diào)整和確認(rèn)。建立制造資源的數(shù)字化模型，包括設(shè)備、員工、模具、工裝等資源，實現(xiàn)基于產(chǎn)能優(yōu)化配置的生產(chǎn)排程。建立基于制造資源數(shù)字化模型的產(chǎn)品設(shè)計平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品工藝路線、工時定額、工裝模具、操作人員等資源需求的數(shù)字化設(shè)計。建立設(shè)備維護管理系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備維護計劃、設(shè)備故障與維修作業(yè)的系統(tǒng)化管理。構(gòu)建設(shè)備大數(shù)據(jù)分析平臺，通過采集設(shè)備工況實時數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備故障數(shù)據(jù)，對設(shè)備的故障進行預(yù)判，實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測性保養(yǎng)與維修。

通過生產(chǎn)計劃與產(chǎn)品庫存、訂單交期、發(fā)運計劃、訂單優(yōu)先級、設(shè)備維修計劃、工廠日歷等信息系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)基于約束條件的生產(chǎn)排程。

3.過程精細(xì)化及基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量優(yōu)化

關(guān)鍵質(zhì)量管控站點的聯(lián)網(wǎng)，包括設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和人工站點的HMI接口聯(lián)網(wǎng)，指令、程序、操作規(guī)范下達(dá)到站點，并與產(chǎn)品匹配、實時的過程數(shù)據(jù)采集，進行生產(chǎn)過程監(jiān)控、異常報警、差異分析。構(gòu)建質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析平臺，匯集產(chǎn)品過站數(shù)據(jù)和不良品數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)機器學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程的質(zhì)量風(fēng)險，及時處理潛在的問題，對改進措施的效果進行持續(xù)的、精準(zhǔn)的跟蹤評價，形成失效數(shù)據(jù)庫，完善產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4.提升企業(yè)的管理數(shù)字化水平

通過建立管理信息系統(tǒng)來提升企業(yè)的數(shù)字化管理水平，具體做法：建立基于產(chǎn)品全生命周期的研發(fā)項目管理平臺，實現(xiàn)項目全過程從產(chǎn)品需求、項目計劃、設(shè)計到量產(chǎn)的協(xié)同化管理，通過與設(shè)計工具、仿真工具的集成落實設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。建立互聯(lián)網(wǎng)的供應(yīng)商管理平臺，實現(xiàn)供應(yīng)商開發(fā)、采購招標(biāo)、采購下單、送貨、對賬等過程的在線閉環(huán)管理。建立工程項目管理系統(tǒng)，支持工程項目的立項、預(yù)算、任務(wù)分解、采購、成本、轉(zhuǎn)固定資產(chǎn)的全過程集成化管理。通過實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的聯(lián)網(wǎng)與在線實時監(jiān)控確保企業(yè)安全日常經(jīng)營生產(chǎn)。

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