制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型模式淺談

趙京鶴 李靜 徐可/文

數(shù)字化方面我國企業(yè)依舊處于啟蒙階段。企業(yè)對(duì)于數(shù)字化和數(shù)字資產(chǎn)的認(rèn)知較低，通過新一代信息技術(shù)有效管理和運(yùn)營的意識(shí)較差，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型尤為嚴(yán)峻。

制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型必要性

在我國傳統(tǒng)制造企業(yè)經(jīng)歷了近二十年的智能化和信息化發(fā)展，目前已逐漸實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的信息化管理和生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的智能化。尤其在航空航天、生物醫(yī)藥、汽車制造、石油化工等科技性較強(qiáng)、工業(yè)智能化需求較高的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)制造全過程的智能化管理和企業(yè)流程的信息化管理。

企業(yè)方面，1998 年前后ERP 等基礎(chǔ)信息化軟件在國內(nèi)得到了廣泛認(rèn)可并持續(xù)發(fā)展至今，為企業(yè)信息化提供了大量的基礎(chǔ)工具，軟件適用性能夠滿足日常經(jīng)營的絕大部分需要，大量的企業(yè)依舊將信息軟件改造作為其信息化向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的主要工作，忽視了在企業(yè)迅速變革中，信息系統(tǒng)之間缺乏關(guān)聯(lián)所帶來數(shù)據(jù)資產(chǎn)無法統(tǒng)一管理、分析和再次應(yīng)用的問題，這也是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的問題所在。

作為制造型企業(yè)，進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的根本需要是抓住生產(chǎn)工具、生產(chǎn)方式和生產(chǎn)關(guān)系這三條主線進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)。并在此基礎(chǔ)上對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行深層的分析與應(yīng)用，從而幫助企業(yè)在降低運(yùn)營成本、提高企業(yè)的生產(chǎn)工藝、優(yōu)化生產(chǎn)流程，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益提供支撐，從而達(dá)到提升企業(yè)生產(chǎn)力的目的。

《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中特別提出“十四五”期間，要大力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。其中特別提出加快企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，引導(dǎo)企業(yè)強(qiáng)化數(shù)字化思維，提升員工數(shù)字技能和數(shù)據(jù)管理能力，全面系統(tǒng)的推動(dòng)企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、經(jīng)營管理、銷售服務(wù)等業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。支持有條件的大型企業(yè)打造一體化數(shù)字平臺(tái)，全面整合企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)，強(qiáng)化全流程數(shù)據(jù)貫通，加快全價(jià)值鏈業(yè)務(wù)協(xié)同，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能決策能力，提升企業(yè)整體運(yùn)行效率和產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同效率。

面向生產(chǎn)工具數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑分析

面向生產(chǎn)工具的數(shù)字化轉(zhuǎn)型主要以生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化改造作為切入點(diǎn)，以設(shè)備數(shù)據(jù)的接入、分析、管理和反向控制為重點(diǎn)，開展設(shè)備域的數(shù)據(jù)體系構(gòu)建，形成設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析與預(yù)警、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理的全生命周期的可知、可視、可管。最終構(gòu)建起基于數(shù)字化的設(shè)備資產(chǎn)管理模式，保障生產(chǎn)工具的日常持續(xù)運(yùn)行和問題生產(chǎn)工具的提前預(yù)警與檢修，為企業(yè)生產(chǎn)過程提供保障。

整個(gè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑如下：構(gòu)建邊緣層設(shè)備接入體系，一方面對(duì)于DCS、PLC、SCADA等工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，一方面通過構(gòu)建工業(yè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)將各類加裝傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)、儀器儀表數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，形成圍繞設(shè)備域動(dòng)靜電儀各類數(shù)據(jù)的全面接入，形成時(shí)序數(shù)據(jù)前置數(shù)倉。

基于時(shí)序數(shù)據(jù)前置數(shù)倉，結(jié)合相關(guān)設(shè)備報(bào)警模型、設(shè)備運(yùn)行機(jī)理模型、組態(tài)建模工具，開展對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的初步分析，構(gòu)建設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、設(shè)備問題的預(yù)警及安全監(jiān)管多維一體的組態(tài)儀表盤模式。一方面打造邊緣側(cè)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可視化，并實(shí)現(xiàn)對(duì)于部分原有設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備故障報(bào)警等原有單一信息系統(tǒng)的替代。另外一方面打造邊緣側(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)倉庫，為設(shè)備數(shù)據(jù)資產(chǎn)化提供支撐。

在云端，基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的設(shè)備主數(shù)據(jù)和邊緣側(cè)數(shù)據(jù)倉庫形成設(shè)備數(shù)據(jù)，構(gòu)建設(shè)備域數(shù)據(jù)主數(shù)據(jù)庫（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）、時(shí)序數(shù)據(jù)庫（運(yùn)行數(shù)據(jù)）。并在此基礎(chǔ)上結(jié)合相應(yīng)的機(jī)理模型、指標(biāo)模型、AI 模型等對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深層分析，生成相應(yīng)運(yùn)行監(jiān)測和故障診斷報(bào)告類數(shù)倉。實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備的全方面監(jiān)控與遠(yuǎn)程故障預(yù)測。

在云端，基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)告數(shù)據(jù)，通過知識(shí)圖譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于故障的遠(yuǎn)程診斷與相應(yīng)維修方案的生成。而后在此基礎(chǔ)上融合檢測維修管理系統(tǒng)與數(shù)字孿生建模工具，構(gòu)建起設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的仿真空間，為設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷、維修方案研究推演等應(yīng)用提供環(huán)境支撐，最終達(dá)到確定有效的維修方案的目的。

將確定好的維修方案通過云邊協(xié)同的方式反饋到相應(yīng)維修保養(yǎng)人員的手持終端和設(shè)備檢測維修應(yīng)用系統(tǒng)中，幫助相關(guān)維修人員開展維修作業(yè)。

最終融合原有的設(shè)備管理系統(tǒng)、設(shè)備檢測維修系統(tǒng)、備品備件系統(tǒng)等原有的單一系統(tǒng)，構(gòu)建微服務(wù)體系，形成對(duì)于設(shè)備全生命周期管理的矩陣式工業(yè)APP 群，形成數(shù)字化應(yīng)用服務(wù)。從而保障了設(shè)備數(shù)據(jù)資產(chǎn)的統(tǒng)一采集與綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了面向生產(chǎn)工具數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

面向生產(chǎn)流程數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑分析

與面向生產(chǎn)工具的數(shù)字化轉(zhuǎn)型不同，面向生產(chǎn)流程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型主要是圍繞企業(yè)在生產(chǎn)制造流程的信息化改造為基礎(chǔ)展開的系列性工作。一般來說，傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程信息化主要是以MRP 或ERP的生產(chǎn)制造模塊為基礎(chǔ)開展包括MES、WMS、APS、MOM、QIS等信息系統(tǒng)建設(shè)，并在此過程中伴隨線下的各類工單、報(bào)表、會(huì)議等形成的龐大的生產(chǎn)管理運(yùn)行體系。在這種狀況下，產(chǎn)生的各系統(tǒng)和線下數(shù)據(jù)基本獨(dú)立存在。在流程制造業(yè)中，通常最終借助MES 或者ERP 將流程固化，形成一種固有模式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃安排、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度與生產(chǎn)過程監(jiān)控。而在離散制造業(yè)中，由于生產(chǎn)過程無法實(shí)現(xiàn)完全固化、線下參與程度過多，導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃無法有效執(zhí)行、生產(chǎn)過程無法有效監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度的難度增加。

在進(jìn)行生產(chǎn)流程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型中需要以滿足生產(chǎn)全流程的可視化為切入點(diǎn)，對(duì)于生產(chǎn)流程的斷點(diǎn)、堵點(diǎn)和管理指標(biāo)開展全面梳理，構(gòu)建起一整套的生產(chǎn)制造流程的數(shù)據(jù)治理與數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理模式，并在此基礎(chǔ)上圍繞業(yè)務(wù)需求對(duì)原有信息系統(tǒng)和線下流程構(gòu)建基于微服務(wù)的應(yīng)用矩陣，最終達(dá)到支撐生產(chǎn)制造過程的精益化管理，達(dá)到提高整個(gè)生產(chǎn)全流程效率的目標(biāo)。

整個(gè)數(shù)字化改造流程如下：利用制造業(yè)精益管理的方法論為牽引，對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)制造過程、生產(chǎn)制造流程和生產(chǎn)制造產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與相關(guān)考核指標(biāo)開展全面梳理。在此過程中以項(xiàng)目或訂單的生產(chǎn)過程為主線，對(duì)于涉及的所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行逐一梳理，并確定各環(huán)節(jié)的線上和線下流程內(nèi)容和產(chǎn)生數(shù)據(jù)，找尋出整個(gè)生產(chǎn)過程的堵點(diǎn)、斷點(diǎn)、盲點(diǎn)和重復(fù)點(diǎn)。

針對(duì)以上問題進(jìn)行分析，確定造成問題原因。基于這些問題原因結(jié)合相應(yīng)的生產(chǎn)流程需求，開展流程優(yōu)化或再造的解決方案設(shè)計(jì)，確定生產(chǎn)管理的新模式與新路徑。

圍繞生產(chǎn)流程管理的新路徑結(jié)合原有的信息系統(tǒng)構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)用架構(gòu)。先期在保留已有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過微服務(wù)的方式補(bǔ)充缺失流程，形成一系列的微服務(wù)應(yīng)用，并針對(duì)不同的微應(yīng)用形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)需求。

圍繞生產(chǎn)管理的新模式，基于產(chǎn)業(yè)組織學(xué)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)的相關(guān)原理，進(jìn)行管理指標(biāo)設(shè)計(jì)工作。在新模式和新路徑下開展業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求梳理，并結(jié)合已有線上和線下數(shù)據(jù)項(xiàng)目開展數(shù)據(jù)供需關(guān)系構(gòu)建，對(duì)未能采集到數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)的智能填報(bào)工具，為數(shù)據(jù)資產(chǎn)構(gòu)建提供支撐。

圍繞整體的數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行一整套的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建工作，并指導(dǎo)數(shù)據(jù)中臺(tái)的構(gòu)建。根據(jù)數(shù)據(jù)采集圍繞已有的信息系統(tǒng)、線下數(shù)據(jù)表格及智能填報(bào)工具構(gòu)建貼源層數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)進(jìn)行清洗、比對(duì)等數(shù)據(jù)加工工作。數(shù)據(jù)治理圍繞已有的信息系統(tǒng)和擬建的應(yīng)用構(gòu)建數(shù)據(jù)主題倉庫；圍繞數(shù)據(jù)指標(biāo)結(jié)合相應(yīng)的指標(biāo)算法模型構(gòu)建數(shù)據(jù)專題倉庫。數(shù)據(jù)算法模型將基于已梳理的指標(biāo)結(jié)合相應(yīng)的知識(shí)圖譜工具、人工智能算法工具等相關(guān)算法模型工具進(jìn)行算法模型庫的構(gòu)建。數(shù)據(jù)服務(wù)則是構(gòu)建面向應(yīng)用層的統(tǒng)一接口服務(wù)。數(shù)據(jù)可視化基于業(yè)務(wù)需求在不同的層面構(gòu)建可視化看板。數(shù)據(jù)質(zhì)量管理則全面根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合數(shù)據(jù)中臺(tái)不同階段的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量報(bào)告的生成。

根據(jù)業(yè)務(wù)需求和企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，不斷調(diào)整應(yīng)用層和數(shù)據(jù)中臺(tái)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)于業(yè)務(wù)流程持續(xù)優(yōu)化過程的支撐。最終達(dá)到數(shù)字化技術(shù)和數(shù)據(jù)資產(chǎn)支撐生產(chǎn)流程的變革與優(yōu)化。

面向生產(chǎn)工藝數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑分析

面向生產(chǎn)工藝的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與前兩者不同，其核心在于對(duì)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，并在這種優(yōu)化過程中通過數(shù)字孿生的技術(shù)構(gòu)建起一整套的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并對(duì)于優(yōu)化的工藝與傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行對(duì)比，預(yù)先判斷出生產(chǎn)工藝改變對(duì)于生產(chǎn)流程與生產(chǎn)過程造成的正向和反向影響，從而減少因?yàn)楣に嚫淖冊(cè)斐煞聪蛴绊懙娘L(fēng)險(xiǎn)，支撐企業(yè)構(gòu)建技術(shù)改造體系和工藝優(yōu)化體系。

整個(gè)數(shù)字化改造過程包括如下：結(jié)合業(yè)務(wù)需求對(duì)于現(xiàn)有工藝、未來需要改進(jìn)的工藝進(jìn)行指標(biāo)化，形成相應(yīng)的指標(biāo)庫，用于技術(shù)改造的評(píng)判。

圍繞生產(chǎn)制造工藝構(gòu)建一系列的模型，并形成工藝流程管理體系和試驗(yàn)體系。從而達(dá)到工藝內(nèi)容的數(shù)字化的目的。

基于生產(chǎn)工具數(shù)字化和生產(chǎn)流程數(shù)字化，結(jié)合目前現(xiàn)有工藝內(nèi)容數(shù)字化模型構(gòu)建出現(xiàn)有工藝數(shù)字化模式。

基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建工藝仿真平臺(tái)，結(jié)合生產(chǎn)工藝模型、生產(chǎn)工具數(shù)據(jù)倉庫、生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)倉庫構(gòu)建起數(shù)字孿生的仿真環(huán)境，為工藝仿真推演提供支撐環(huán)境。

將工藝仿真模型體系與現(xiàn)有工藝的數(shù)字化模型帶入到數(shù)字孿生仿真環(huán)境中進(jìn)行推演。推演后對(duì)于仿真結(jié)果結(jié)合工藝指標(biāo)庫進(jìn)行比對(duì)，量化出生產(chǎn)工藝改變后的正向和反向的指標(biāo)。之后對(duì)正反向指標(biāo)進(jìn)行分析，確定工藝改變對(duì)于生產(chǎn)制造產(chǎn)生的正面和負(fù)面影響程度。形成相應(yīng)的工藝改變影響結(jié)果報(bào)告。在此過程中可以對(duì)不同的工藝改變模型進(jìn)行組合，形成多層次的影響結(jié)果報(bào)告。

對(duì)于所有報(bào)告進(jìn)行綜合分析，幫助企業(yè)尋找到工藝優(yōu)化或技術(shù)改造的最優(yōu)解，并在此基礎(chǔ)上形成細(xì)化的工藝改造解決方案。后期可根據(jù)解決方案在生產(chǎn)線中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證，并對(duì)驗(yàn)證中存在的問題返回到仿真環(huán)境中進(jìn)行再次推演和相應(yīng)的評(píng)價(jià)。

最終將處于能夠滿足生產(chǎn)需求的工藝改造方案進(jìn)行實(shí)踐，并對(duì)于最終的生產(chǎn)工具、生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝信息在數(shù)字孿生平臺(tái)中進(jìn)行更新，成為后期工藝優(yōu)化與仿真的對(duì)比模型。

制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型展望

生產(chǎn)工具、生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝是支撐生產(chǎn)制造可持續(xù)運(yùn)行的重要條件，也是制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的三個(gè)重要切入點(diǎn)。通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化改造是未來企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型必經(jīng)之路。而基于以上改造所構(gòu)成的邊緣云—物聯(lián)網(wǎng)—數(shù)據(jù)中臺(tái)—微服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)—數(shù)字孿生仿真平臺(tái)的五層體系則是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心架構(gòu)體系。該體系在未來將不僅用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，同樣可以擴(kuò)展到研發(fā)、設(shè)計(jì)、采購、企業(yè)管理、供應(yīng)鏈協(xié)同、戰(zhàn)略決策等眾多領(lǐng)域，從而支撐制造企業(yè)的整體數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

未來越來越多的供應(yīng)鏈鏈主制造型企業(yè)將參與到基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，并逐漸在這個(gè)轉(zhuǎn)型中實(shí)現(xiàn)向供應(yīng)鏈及其他企業(yè)的拓展，最終打造成為基于數(shù)字化的產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行模式。