工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑研究

方杰

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

當(dāng)前，新一輪信息技術(shù)驅(qū)動產(chǎn)業(yè)深度變革，制造業(yè)生產(chǎn)方式、組織管理和商業(yè)模式等加速重塑，制造業(yè)“生產(chǎn)換線”和“機(jī)器換人”步伐明顯加快，生產(chǎn)過程逐步走向高度自動化、數(shù)字化、智能化。在數(shù)字化浪潮中，智能制造面臨著新技術(shù)革命以及實(shí)現(xiàn)高端制造業(yè)的跨越式發(fā)展的新挑戰(zhàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為智能制造發(fā)展的新突破口，“互聯(lián)網(wǎng)+”與工業(yè)系統(tǒng)的深度融合，利用新技術(shù)對企業(yè)進(jìn)行全方位、全鏈條改造，帶動數(shù)字經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)等新經(jīng)濟(jì)模式加速向工業(yè)領(lǐng)域滲透，驅(qū)動制造模式發(fā)生根本性變化。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，“深入實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?！惫I(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于智能化的產(chǎn)業(yè)革命，構(gòu)建起人、機(jī)、物、法、環(huán)、能的全面互聯(lián)互通，是支撐工業(yè)系統(tǒng)智能化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知，推動網(wǎng)絡(luò)、平臺、數(shù)據(jù)、安全的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革，加速工業(yè)經(jīng)濟(jì)向數(shù)字經(jīng)濟(jì)深度邁進(jìn)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為制造業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)深度融合的產(chǎn)物，已經(jīng)成為新工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐和智能制造的重要基石。在制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展新階段，大力發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，加快基礎(chǔ)設(shè)施演進(jìn)升級，形成基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的輕量級、模塊化、低成本的APP和解決方案，推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和裝備升級，引領(lǐng)高價(jià)值環(huán)節(jié)從制造環(huán)節(jié)向服務(wù)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變，促進(jìn)生產(chǎn)制造模式和商業(yè)模式發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，打造新階段工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵驅(qū)動力。

3 建設(shè)需求分析

近年來，我國大力實(shí)施數(shù)字化制造普及和智能化制造示范行動，工業(yè)自動化和數(shù)字化水平快速提升，產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展效應(yīng)和示范引領(lǐng)更加凸顯，但工業(yè)數(shù)字化升級仍面臨諸多難點(diǎn)：工業(yè)加工過程設(shè)備數(shù)據(jù)采集量大并且分散，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議復(fù)雜，缺少標(biāo)準(zhǔn)一致的數(shù)據(jù)采集接口；關(guān)鍵工序軟件、底層操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、開發(fā)工具不滿足企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，供需不適配等；企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面意識不強(qiáng)烈，或僅完成局部數(shù)字化升級，缺乏體系化發(fā)展思考等。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為智能制造的升級和演進(jìn)，通過構(gòu)建精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系，提供基于云端的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化解決方案，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)模型匯入各類工業(yè)場景大數(shù)據(jù)，結(jié)合工藝技術(shù)、行業(yè)知識、模型工具等，構(gòu)建業(yè)務(wù)場景的數(shù)字孿生，對物理世界從描述、診斷向預(yù)測、決策、優(yōu)化不斷演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更深層次更大范圍內(nèi)制造資源優(yōu)化配置。

3.1 推進(jìn)IT網(wǎng)和OT網(wǎng)深度融合

傳統(tǒng)工廠內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)主要采用有線網(wǎng)絡(luò)接入為主，網(wǎng)絡(luò)配置及控制主要依靠人工管理，工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)建成后，調(diào)整、改造的難度和成本較大，極易造成資源的浪費(fèi)。采用工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)連接的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)眾多，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議彼此互聯(lián)性和兼容性差，設(shè)備層、車間層、企業(yè)層等各層級網(wǎng)絡(luò)的割裂難互通，大量的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)沉淀或消失在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，無法上行延伸到企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)。而隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化趨勢，以時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）為典型的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)制式的技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各層級協(xié)議的解耦合，推動IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)逐步融合。

圖1 IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

3.2 提升邊緣計(jì)算能力

隨著網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲和安全等方面技術(shù)的不斷提升，對邊緣計(jì)算的需求不斷增加，利用物端計(jì)算能力，滿足企業(yè)在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。隨著工業(yè)裝備網(wǎng)絡(luò)接入需求增多，產(chǎn)生大量實(shí)時(shí)感知的數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡(luò)帶寬資源占用量加大，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)中斷、網(wǎng)絡(luò)延遲現(xiàn)象也越來越多。通過在過程控制系統(tǒng)層和機(jī)器控制層之間建立邊緣服務(wù)器，把數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析、預(yù)測等下沉至邊緣層，提高計(jì)算任務(wù)實(shí)時(shí)性，同時(shí)將非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聚合后傳輸?shù)皆贫?，并將?shù)據(jù)分析結(jié)果反饋給ERP/MES系統(tǒng)，提高生產(chǎn)的協(xié)同交互。

圖2 邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)

3.3 加強(qiáng)數(shù)據(jù)集成管理與分析利用

企業(yè)現(xiàn)有ERP、MES、CRM等業(yè)務(wù)系統(tǒng)都有各自的數(shù)據(jù)管理體系，數(shù)據(jù)管理功能更多偏向規(guī)模有限且高度結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對海量多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)缺乏必要的采集與處理能力，各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)之間缺乏關(guān)聯(lián)性，數(shù)據(jù)庫彼此無法兼容，體現(xiàn)在業(yè)務(wù)不集成、流程不互通、數(shù)據(jù)不共享，而隨著業(yè)務(wù)系統(tǒng)的不斷增多與業(yè)務(wù)流程的日趨復(fù)雜，需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)定義和使用標(biāo)準(zhǔn)。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺打通對各類數(shù)據(jù)資源的動態(tài)接入，包括主流數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)(如：DB2，Oracle,Informix,SQL Server等)，以及XML文件、文本文件、圖片、音頻/視頻信息等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)訪問分布在各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間、不同業(yè)務(wù)部門間的信息交互，解決數(shù)據(jù)孤島問題，加速數(shù)據(jù)集成與分析利用。

4 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化架構(gòu)

結(jié)合企業(yè)業(yè)務(wù)流程、管理基礎(chǔ)、信息化及自動化程度等，沿著智能制造要素→智能制造能力→智能制造系統(tǒng)的發(fā)展方向，全面集成企業(yè)各類生產(chǎn)運(yùn)營系統(tǒng)，設(shè)計(jì)包括智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能運(yùn)營、智能服務(wù)組成的完整工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方案，幫助企業(yè)建設(shè)行業(yè)內(nèi)示范性的“智慧工廠”。

圖3 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型架構(gòu)

4.1 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)系統(tǒng)互聯(lián)支撐的基礎(chǔ)，涉及設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層之間的互聯(lián)，以及企業(yè)信息系統(tǒng)、產(chǎn)品、用戶與云平臺之間不同互聯(lián)。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)扁平化、IP化、無線化等趨勢，采用有線/無線寬帶、LTE增強(qiáng)、NB-IoT、5G等技術(shù)，增強(qiáng)對現(xiàn)場的控制器(PLC、DCS、FCS等)、傳感器、伺服器、監(jiān)控器等連接，增加網(wǎng)絡(luò)接口改造，以工業(yè)以太網(wǎng)代替現(xiàn)場總線，提高組網(wǎng)靈活性。同時(shí)，在工廠級層面利用工業(yè)云平臺實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)、管理軟件、產(chǎn)業(yè)鏈之間的信息協(xié)同交互。

4.2 智能設(shè)計(jì)

建立以用戶為中心的智能研發(fā)，采用PDM/PLM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整個(gè)生命周期中所有相關(guān)信息管理，集成CAD、CAE、CAM等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將詳細(xì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)變成可制造的工藝流程和生產(chǎn)流程，融入智能制造相關(guān)新興使能技術(shù)，對產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可制造性、可裝配性、可測試性、產(chǎn)品服務(wù)和價(jià)格等多因素進(jìn)行考量，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，提高產(chǎn)品競爭力。

4.3 智能生產(chǎn)

以智能設(shè)計(jì)圖文檔輸出為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品EBOM和MBOM的一致性，通過應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、設(shè)備集成技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、定位技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造及生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理和敏捷制造，提升動態(tài)感知和柔性生產(chǎn)能力。

建設(shè)數(shù)字孿生工廠，利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、設(shè)備監(jiān)控技術(shù)等，將工廠的設(shè)備、人員、物料、生產(chǎn)計(jì)劃等數(shù)據(jù)以可視化的形式呈現(xiàn)出來，使虛擬環(huán)境中的生產(chǎn)仿真與現(xiàn)實(shí)中的生產(chǎn)無縫融合，實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理生產(chǎn)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)和管理效率。

計(jì)劃與調(diào)度方面，根據(jù)制造資源能力和動態(tài)的訂單庫存等數(shù)據(jù)，綜合考慮企業(yè)排產(chǎn)的整體目標(biāo)和策略(如客戶優(yōu)先級、訂單交期、相同產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)、資源負(fù)載均衡等)，形成多種約束條件下的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃。

生產(chǎn)管理方面，利用制造執(zhí)行系統(tǒng)MES系統(tǒng)管理生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過工序排程、人員派工、設(shè)備準(zhǔn)備等方式，提前準(zhǔn)確下達(dá)精細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃，跟蹤當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)狀況如訂單進(jìn)度、不良品率、損耗等。

質(zhì)量管理方面，采用基于工控機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，開展產(chǎn)品在線質(zhì)量監(jiān)測，實(shí)時(shí)采集如工序產(chǎn)量、工單在制品轉(zhuǎn)移狀況、檢驗(yàn)、產(chǎn)品不良故障等詳細(xì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，建立質(zhì)量數(shù)據(jù)算法模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程異常實(shí)時(shí)預(yù)警，幫助企業(yè)進(jìn)行日常品質(zhì)分析和周期性的品質(zhì)持續(xù)改進(jìn)；

設(shè)備管理方面，跟蹤設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，基于設(shè)備運(yùn)行模型和設(shè)備故障知識庫，開展設(shè)備綜合效率的精準(zhǔn)分析，提高設(shè)備稼動率，減少設(shè)備停機(jī)、待料時(shí)間；

廠內(nèi)物流方面，通過數(shù)字化儲運(yùn)設(shè)備與WMS信息系統(tǒng)集成，建立倉儲模型和配送模型，利用全流程條碼化，實(shí)施跟蹤訂單、了解準(zhǔn)確的庫存信息，保障物料先進(jìn)先出，合理安排產(chǎn)線物料供應(yīng)；

安環(huán)管理方面，檢測機(jī)房、車間的環(huán)境如氣體、溫濕度、新風(fēng)、漏水、紫外線等環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，建立環(huán)境數(shù)據(jù)分析模型，開展排放分析及預(yù)測預(yù)警；

能源管理方面，建立節(jié)能模型，對設(shè)備進(jìn)行用電質(zhì)量和產(chǎn)品能耗多方位分析對比，如遇異常及時(shí)預(yù)警避免損失。與生產(chǎn)MES系統(tǒng)對接，通過產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品單耗進(jìn)行動態(tài)分析，以便企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝。

4.4 智能運(yùn)營

智能運(yùn)營是為智能生產(chǎn)服務(wù)的，主要包括智能采購、產(chǎn)銷、供應(yīng)鏈、財(cái)務(wù)、辦公等，通過ERP系統(tǒng)將客戶需求和企業(yè)內(nèi)部的制造活動高效整合在一起，以訂單驅(qū)動企業(yè)價(jià)值鏈流轉(zhuǎn)，以信息流驅(qū)動企業(yè)物流和資金流，形成企業(yè)一個(gè)完整的供應(yīng)鏈條和產(chǎn)銷供一體化。

4.5 智能服務(wù)

利用CRM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)客戶集中管理，收集客戶資料信息，了解客戶需求，預(yù)測客戶消費(fèi)方向。通過開展客戶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與智能分析，統(tǒng)計(jì)與分析內(nèi)部銷售額并生成銷售報(bào)表，幫助企業(yè)預(yù)測市場發(fā)展方向，挖掘客戶價(jià)值。根據(jù)建立的各種不同的數(shù)據(jù)字段，快速查詢出所需要的統(tǒng)計(jì)信息，為企業(yè)產(chǎn)品性能改進(jìn)、工藝過程優(yōu)化等提供有力的依據(jù)。

5 數(shù)字化實(shí)施路徑探析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的順利實(shí)施，幫助企業(yè)在資源優(yōu)化、工藝改進(jìn)、生產(chǎn)過程管控、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等方面實(shí)現(xiàn)智慧化應(yīng)用，推動公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，但實(shí)施制造數(shù)字化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及技術(shù)種類多、覆蓋面廣、協(xié)調(diào)組織難度大，需要企業(yè)內(nèi)外部各方面的資源協(xié)作配合，共同參與信息化建設(shè)。

5.1 開展企業(yè)現(xiàn)狀診斷，做好系統(tǒng)性頂層規(guī)劃

對企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀與能力進(jìn)行診斷評估，圍繞企業(yè)設(shè)備層、感知層、邊緣計(jì)算層、生產(chǎn)層、運(yùn)營層等，明確企業(yè)數(shù)字化建設(shè)中存在的差距與不足。同時(shí)，制定企業(yè)下一步清晰發(fā)展規(guī)劃路徑，加大5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、AI等信息技術(shù)在工業(yè)場景融合應(yīng)用，提出具體的數(shù)字解決方案，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合集成和BI智能分析應(yīng)用。

5.2 加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，提高數(shù)字化建設(shè)制度保障

企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)涉及組織、流程、業(yè)務(wù)、部門協(xié)作等一系列變革，涉及員工思想轉(zhuǎn)變、管理優(yōu)化等方方面面，需要公司高層領(lǐng)導(dǎo)強(qiáng)有力的支持。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)班子中設(shè)立CIO專職崗位，組織公司的信息化規(guī)劃實(shí)施工作，引導(dǎo)企業(yè)轉(zhuǎn)變要素投入，推動企業(yè)發(fā)展更多依靠以信息技術(shù)為驅(qū)動的科技進(jìn)步和員工素質(zhì)的提高。企業(yè)高層需要全程領(lǐng)導(dǎo)數(shù)字化車間、智慧工廠的整體實(shí)施過程，提升流程、組織架構(gòu)、人員等方面的數(shù)字化能力，重視全員數(shù)字化素養(yǎng)的培育，把數(shù)字優(yōu)先思想貫穿到企業(yè)文化建設(shè)中。

5.3 加強(qiáng)人員隊(duì)伍建設(shè)，保證項(xiàng)目順利實(shí)施

設(shè)立項(xiàng)目專項(xiàng)實(shí)施小組，選擇IT部門、系統(tǒng)使用部門的骨干人員參加，完善相關(guān)激勵機(jī)制，加強(qiáng)信息化實(shí)施團(tuán)隊(duì)人員的連續(xù)性和穩(wěn)定性，保障數(shù)字化建設(shè)的成功。同時(shí)，加大培訓(xùn)和人員進(jìn)修的投入力度，培養(yǎng)和引進(jìn)支撐數(shù)字化建設(shè)的綜合素質(zhì)人才，保障未來智能制造的深度應(yīng)用。數(shù)字化應(yīng)用釋放了部分勞動力后，讓員工從事更高附加值的工作，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和人員合理配置。

5.4 聯(lián)合外部供應(yīng)商，共同推進(jìn)信息化落地

基于企業(yè)實(shí)際需求和建設(shè)能力，可選擇社會上經(jīng)驗(yàn)豐富的大型信息服務(wù)商，聯(lián)合服務(wù)商共同實(shí)施數(shù)字化建設(shè)，企業(yè)在進(jìn)行信息系統(tǒng)選型時(shí)，要結(jié)合公司的中長期發(fā)展戰(zhàn)略和工業(yè)技術(shù)特征、信息化規(guī)劃要求等，充分考慮IT業(yè)務(wù)系統(tǒng)的先進(jìn)性、擴(kuò)展性、專業(yè)性、實(shí)用性、性價(jià)比，對供應(yīng)商進(jìn)行公司實(shí)力、產(chǎn)品和服務(wù)、典型客戶等多維度的比選。

5.5 可靠度資金保障，提供良好支撐服務(wù)

（1）結(jié)合企業(yè)技改項(xiàng)目實(shí)施，把智能化和信息化投入列入技改項(xiàng)目的總投資，項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)時(shí)同步考慮信息化配套資金，提供穩(wěn)定的信息化資金保證。

（2）從企業(yè)的折舊費(fèi)和研發(fā)費(fèi)等中提取一部分用于信息化建設(shè)。

（3）積極利用政府在技術(shù)改造、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)上云、制造強(qiáng)省等方面的政策支持，向政府爭取必要的信息化建設(shè)資金。

6 結(jié)語

近年來，國家和省市層面都先后出臺5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型等方面的規(guī)劃和支持性政策，鼓勵企業(yè)加快數(shù)字化改造，本文通過對企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級路徑探析，聚焦實(shí)際業(yè)務(wù)痛點(diǎn)，幫助企業(yè)從設(shè)備、車間、工廠、集團(tuán)各層面構(gòu)建全面互聯(lián)的“新基建”能力，有重點(diǎn)地進(jìn)行優(yōu)化和潛力挖掘，搭建感知環(huán)境、獲取信息、傳遞指令的“神經(jīng)系統(tǒng)”，加快推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化場景應(yīng)用創(chuàng)新，推動企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入加速期。