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    流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度模型及應(yīng)用實(shí)踐

    2023-03-01 07:39:46趙路軍祁雨奇邵嘉銘褚健王智化馮毅萍
    化工進(jìn)展 2023年1期
    關(guān)鍵詞:成熟度流程工業(yè)

    趙路軍,祁雨奇,邵嘉銘,,褚健,王智化,馮毅萍

    (1 浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與控制研究所,浙江 杭州 310027;2 浙江中控技術(shù)股份有限公司,浙江 杭州 310053;3 浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

    21世紀(jì)以來,“云、大、物、智、移”等新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展正在悄然改變?nèi)祟惿鐣?huì)的生產(chǎn)和生活方式,“工業(yè)4.0”也逐漸站在了制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的風(fēng)口之上[1]。在新一輪的工業(yè)革命中,傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方式的生產(chǎn)效率低、人工成本高、安全隱患大等一系列問題逐漸凸顯,傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)正面臨著挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的時(shí)代考驗(yàn)。各國政府和經(jīng)濟(jì)組織為了抓住產(chǎn)業(yè)鏈重組和調(diào)整的機(jī)遇,提升制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),相繼發(fā)布了相關(guān)政策文件,如美國的《重振美國制造業(yè)框架》,推進(jìn)美國制造業(yè)進(jìn)行“再工業(yè)化”;德國《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》,全面部署工業(yè)4.0 戰(zhàn)略實(shí)施,并將其上升至國家戰(zhàn)略;韓國《新增長動(dòng)力規(guī)劃級(jí)發(fā)展戰(zhàn)略》確定了17 個(gè)新興產(chǎn)業(yè)為新增長動(dòng)力[2?3]。同樣地,2015 年我國發(fā)布了《中國制造2025》[4],宣示了我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的決心。因此,制造業(yè)企業(yè)開展智能制造建設(shè)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必經(jīng)之路[5]。

    在企業(yè)進(jìn)行智能制造建設(shè)的初期,關(guān)于智慧工廠、智能工廠、數(shù)字化工廠等概念層出不窮[2,6?7],大型制造企業(yè)希望通過智能化裝備和信息化系統(tǒng)的大量引入來打造標(biāo)新立異的新型工廠,進(jìn)一步鞏固行業(yè)影響力。世界經(jīng)濟(jì)論壇和麥肯錫在全球范圍內(nèi)遴選的“燈塔工廠”也成為大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)對(duì)標(biāo)和追逐的對(duì)象。然而,在享受了智能制造帶來的紅利之后,企業(yè)也開始思考和評(píng)估價(jià)值兌現(xiàn)效果,智能制造建設(shè)也進(jìn)入了“冷靜期”。大量的研究和實(shí)踐表明,當(dāng)前智能制造已經(jīng)從高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的階段,企業(yè)從盲目跟風(fēng)引入新興技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇韵M(fèi)注重投入產(chǎn)出比的階段[8]。這一階段,制造業(yè)企業(yè)尤其是中小型企業(yè)對(duì)評(píng)估智能制造建設(shè)能力水平和指導(dǎo)智能制造建設(shè)方向的工具方法的需求尤為迫切[9?10]。

    智能制造能力成熟度是用來度量智能制造發(fā)展程度,評(píng)估企業(yè)智能制造發(fā)展階段的工具[11],基于此概念,許多學(xué)者投身于智能制造能力成熟度模型的研究當(dāng)中。德國ACATECH 發(fā)布了工業(yè)4.0 成熟度模型[12],描述了工業(yè)4.0 發(fā)展的六個(gè)特征,從資源、信息系統(tǒng)、組織結(jié)構(gòu)和文化四個(gè)維度評(píng)估企業(yè)在工業(yè)4.0 方面的成熟度,輔助企業(yè)制訂具體提升計(jì)劃,以期達(dá)到更高的成熟度;Mittal等[13]和Hamidi等[14]分別針對(duì)中小型企業(yè)開發(fā)了敏捷制造和工業(yè)4.0 數(shù)字化轉(zhuǎn)型成熟度模型,規(guī)定了不同成熟度等級(jí)的要求和評(píng)估維度,Mittal 還基于評(píng)估結(jié)果開發(fā)了提升企業(yè)智能制造能力的工具箱;2020年10月,我國發(fā)布了智能制造成熟度模型及評(píng)估方法國家標(biāo)準(zhǔn)[15?16],模型除了成熟度等級(jí)要求和能力要素外,還詳細(xì)描述了各能力子域不同等級(jí)的成熟度要求。此外,很多研究則偏重于智能制造成熟度模型的評(píng)估方法[17?18],諸如BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[19]、離散型Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20]、隨機(jī)森林回歸[21]等。

    然而,企業(yè)在完成智能制造能力成熟度等級(jí)評(píng)估認(rèn)定后,往往很難確定應(yīng)該如何達(dá)到更高層次智能制造的等級(jí)要求,普遍面臨智能制造建設(shè)工作如何開展、智能制造實(shí)施效果如何評(píng)價(jià)等諸多困惑。吉峰等[22]通過5個(gè)典型的智能制造能力成熟度/準(zhǔn)備度模型的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前成熟度模型和準(zhǔn)備度工具之間存在脫節(jié),準(zhǔn)備度評(píng)估應(yīng)該在成熟度評(píng)估之前,而準(zhǔn)備度評(píng)估工具在提高易用性、實(shí)現(xiàn)企業(yè)的自我評(píng)估方面還存在很大的研究缺口。準(zhǔn)備度和成熟度是兩個(gè)不同的概念,成熟度強(qiáng)調(diào)的是企業(yè)當(dāng)前已經(jīng)達(dá)到的一種狀態(tài),是對(duì)現(xiàn)有能力水平的認(rèn)定,而準(zhǔn)備度則用于衡量企業(yè)要達(dá)到某一個(gè)成熟度水平需要具備的能力條件??偟膩碚f,成熟度偏重于對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià),而準(zhǔn)備度評(píng)估是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,描述的是達(dá)到成熟度規(guī)定的結(jié)果所需要的要素條件。目前,對(duì)智能制造準(zhǔn)備度評(píng)估工具的研究較少,Pacchini等[23]根據(jù)《牛津詞典》和《劍橋詞典》中準(zhǔn)備度的解釋給出了準(zhǔn)備度的定義,即一個(gè)組織準(zhǔn)備完成一件事情所處的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,本文提出的智能制造準(zhǔn)備度的定義為企業(yè)準(zhǔn)備開展智能制造建設(shè)的意愿和條件,主要用于識(shí)別企業(yè)達(dá)到智能制造成熟度等級(jí)要求所需要具備的能力要素。智能制造準(zhǔn)備度模型的開發(fā)和應(yīng)用,是幫助制造企業(yè)達(dá)到更高智能制造成熟度要求的關(guān)鍵。

    流程工業(yè)在制造業(yè)中占有重要地位,是我國國民經(jīng)濟(jì)中的支柱產(chǎn)業(yè)[24],提高流程工業(yè)的智能制造水平是實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”戰(zhàn)略的主要推動(dòng)力。因此,本文聚焦于流程工業(yè),結(jié)合流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營特點(diǎn),提出了流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度模型,旨在幫助企業(yè)摸清自身現(xiàn)狀,科學(xué)診斷當(dāng)前企業(yè)智能制造所處階段,確定智能制造建設(shè)方向和重點(diǎn),有針對(duì)性地提升企業(yè)智能制造水平。希望通過本模型的廣泛應(yīng)用,為中國流程工業(yè)企業(yè)實(shí)施智能制造提供指導(dǎo),捕捉價(jià)值創(chuàng)造的機(jī)會(huì)。

    1 流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度模型

    1.1 準(zhǔn)備度模型構(gòu)成

    流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度模型由準(zhǔn)備度等級(jí)、準(zhǔn)備度模型、能力要求三個(gè)部分構(gòu)成。其中,準(zhǔn)備度等級(jí)劃分了流程工業(yè)企業(yè)智能制造水平所處的不同發(fā)展階段,并描述了各階段應(yīng)該具備的等級(jí)要求;準(zhǔn)備度模型從不同評(píng)估角度出發(fā),逐步將企業(yè)日常生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)細(xì)化和具象到25 個(gè)評(píng)估域,規(guī)定了準(zhǔn)備度評(píng)估的范圍;能力要求是在準(zhǔn)備度等級(jí)中每個(gè)等級(jí)能力水平要求下依次針對(duì)25個(gè)評(píng)估域,規(guī)定各評(píng)估域在L1級(jí)到L5級(jí)的特征項(xiàng)要求。

    圖1展示了準(zhǔn)備度等級(jí)的劃分,本模型最終評(píng)估判定的企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度等級(jí)參考《智能制造能力成熟度模型》(GB/T 39116—2020)的等級(jí)劃分[15],將評(píng)分高于0.8分的企業(yè)從高到低依次分為引領(lǐng)級(jí)、優(yōu)化級(jí)、集成級(jí)、規(guī)范級(jí)和規(guī)劃級(jí),未達(dá)到0.8 分的企業(yè)歸為啟動(dòng)級(jí)。表1展示了各等級(jí)的等級(jí)能力要求,規(guī)劃級(jí)要求企業(yè)對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行流程化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì);規(guī)范級(jí)要求企業(yè)開始使用信息化手段對(duì)核心業(yè)務(wù)進(jìn)行管理;集成級(jí)要求企業(yè)對(duì)系統(tǒng)和裝備等開展集成,并且實(shí)現(xiàn)核心業(yè)務(wù)間的數(shù)據(jù)共享;優(yōu)化級(jí)要求企業(yè)通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析將數(shù)據(jù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成模型和知識(shí),并且可以在核心業(yè)務(wù)活動(dòng)中進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化;引領(lǐng)級(jí)作為智能制造等級(jí)的最高級(jí)別,更多程度上強(qiáng)調(diào)持續(xù)的優(yōu)化和創(chuàng)新,創(chuàng)造新的生產(chǎn)經(jīng)營模式。表1中規(guī)定的智能制造準(zhǔn)備度等級(jí)能力要求是逐級(jí)評(píng)估的,企業(yè)只有滿足了低等級(jí)的準(zhǔn)備度能力要求,才可以進(jìn)行更高等級(jí)的評(píng)定,也就是說企業(yè)的智能制造準(zhǔn)備度評(píng)定為某一等級(jí)時(shí),該等級(jí)以下的準(zhǔn)備度等級(jí)能力要求也需要同時(shí)滿足。

    表1 智能制造準(zhǔn)備度等級(jí)要求

    圖1 流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度等級(jí)劃分

    2015 年,德國機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)提出了工業(yè)4.0 準(zhǔn)備度模型[25],模型從策略及組織、智能工廠、智能運(yùn)行、智能產(chǎn)品、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)服務(wù)和員工六個(gè)維度評(píng)估企業(yè)在面對(duì)工業(yè)4.0 時(shí)的準(zhǔn)備度情況;新加坡經(jīng)濟(jì)發(fā)展委員會(huì)在2017 年發(fā)布了智能工業(yè)準(zhǔn)備度指數(shù)白皮書[26],模型分為層結(jié)構(gòu),從過程、技術(shù)、組織三個(gè)維度進(jìn)行準(zhǔn)備度指數(shù)的評(píng)估,隨后在2019年發(fā)布了該模型使用的LEAD優(yōu)先級(jí)模型[27],幫助企業(yè)在開展智能制造建設(shè)工作中評(píng)估項(xiàng)目建設(shè)的優(yōu)先級(jí);Angreani等[28]通過對(duì)2011—2019年所有與“工業(yè)4.0”相關(guān)模型的研究論文進(jìn)行綜述,總結(jié)成熟度模型的評(píng)估內(nèi)容可以歸結(jié)為九個(gè)內(nèi)容,分別為戰(zhàn)略、領(lǐng)導(dǎo)力、客戶、產(chǎn)品、操作、文化、人員、管理和技術(shù);Hizam?Hanafiah等[29]綜述了30個(gè)與“工業(yè)4.0”相關(guān)的準(zhǔn)備度模型,并對(duì)其中158個(gè)評(píng)估維度進(jìn)行分析,得出技術(shù)、人員、戰(zhàn)略、領(lǐng)導(dǎo)力、過程和創(chuàng)新為準(zhǔn)備度模型的六個(gè)最重要的評(píng)估維度。結(jié)合前人的研究成果,本文提出了流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度模型,如圖2 所示。模型為族、類、域三層架構(gòu),包括4 個(gè)族、9 個(gè)類和25 個(gè)域,評(píng)估內(nèi)容在涵蓋了之前文獻(xiàn)綜述中所總結(jié)的主要內(nèi)容項(xiàng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國流程工業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營特點(diǎn)及智能工廠、智能制造相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)驗(yàn)[2,30,15],進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和組織。本模型首先將業(yè)務(wù)、組織和技術(shù)三個(gè)族列為主要的評(píng)估維度,業(yè)務(wù)族聚焦于企業(yè)供應(yīng)鏈和產(chǎn)品生產(chǎn)的全生命周期,涉及產(chǎn)、供、銷等具體業(yè)務(wù)活動(dòng),包括供應(yīng)鏈、生產(chǎn)管理和技術(shù)管理三個(gè)類;組織族偏重于企業(yè)的組織體系和人才隊(duì)伍建設(shè),衡量企業(yè)的組織體系、組織結(jié)構(gòu)、人力資源管理等方面是否滿足企業(yè)智能制造的建設(shè)需要;技術(shù)族則更多用于識(shí)別企業(yè)在應(yīng)用自動(dòng)化和信息化技術(shù)所具備的基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)集成和信息安全方面的條件。除此之外,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)、組織和技術(shù)三個(gè)族內(nèi)的評(píng)估內(nèi)容項(xiàng)不能很全面、具體地體現(xiàn)企業(yè)在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面的準(zhǔn)備度情況,而全面的數(shù)字化改造又是智能制造建設(shè)不可或缺的部分[31?32]。因此,本模型增加第四個(gè)族“智能族”用于評(píng)估企業(yè)數(shù)據(jù)體系和支撐平臺(tái)建設(shè)情況,主要圍繞數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和平臺(tái)賦能兩個(gè)類進(jìn)行評(píng)估。

    針對(duì)圖2中的每一個(gè)評(píng)估域,在如何判定企業(yè)在該評(píng)估域所處的準(zhǔn)備度等級(jí)方面,還缺乏明確的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。因此,本研究按照表1中所規(guī)定的五個(gè)準(zhǔn)備度等級(jí)的要求,對(duì)每個(gè)評(píng)估域在每個(gè)等級(jí)應(yīng)該具備的能力要求進(jìn)一步細(xì)化,共建立了249個(gè)特征項(xiàng)要求。其中,以質(zhì)量管理為例,總結(jié)設(shè)計(jì)了質(zhì)量管理域從L1到L5的11個(gè)特征項(xiàng)要求,如表2所示。

    圖2 流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度模型

    表2 質(zhì)量管理域各等級(jí)特征項(xiàng)要求

    1.2 準(zhǔn)備度指數(shù)計(jì)算方法

    為了量化企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度水平,本研究提出了智能制造準(zhǔn)備度指數(shù),并規(guī)定了其計(jì)算方法。對(duì)某一特征項(xiàng)要求的評(píng)估分級(jí)參考GB/T 39117—2020《智能制造能力成熟度評(píng)估方法》的劃分要求分為4個(gè)級(jí)別:完全符合特征項(xiàng)(FI,記1分)、大部分符合特征項(xiàng)(LI,記0.8分)、部分符合特征項(xiàng)(PI,記0.5分)和完全不符合特征項(xiàng)(NI,記0分)。按照級(jí)別劃分要求首先得出特征項(xiàng)準(zhǔn)備度得分,然后根據(jù)不同特征項(xiàng)、域、類、族的權(quán)重,逐級(jí)計(jì)算得出相應(yīng)等級(jí)的綜合準(zhǔn)備度指數(shù),如式(1)~(4)所示。最終企業(yè)的準(zhǔn)備度指數(shù)結(jié)果由各等級(jí)的綜合準(zhǔn)備度指數(shù)計(jì)算得出,從規(guī)劃級(jí)開始,每一級(jí)的綜合準(zhǔn)備度指數(shù)若≥0.8,則說明企業(yè)滿足該等級(jí)的能力要求,記為1分,繼續(xù)評(píng)估下一等級(jí)的綜合準(zhǔn)備度指數(shù),直至某一等級(jí)的綜合準(zhǔn)備度指數(shù)<0.8。企業(yè)最終的智能制造準(zhǔn)備度指數(shù)為該等級(jí)綜合準(zhǔn)備度指數(shù)與前幾級(jí)別(每個(gè)級(jí)別記1分)的分段累加,如式(5)所示。最后,根據(jù)表1中準(zhǔn)備度指數(shù)與定級(jí)劃定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,判定企業(yè)所處的智能制造準(zhǔn)備度等級(jí)。

    評(píng)估等級(jí)的域準(zhǔn)備度指數(shù)(Rd,l)計(jì)算如式(1)。

    式中,Rd,l為所評(píng)估等級(jí)的域準(zhǔn)備度指數(shù);Rc為所評(píng)估等級(jí)的域中的特征項(xiàng)準(zhǔn)備度指數(shù);nc為所評(píng)估等級(jí)中該評(píng)估域中特征項(xiàng)的個(gè)數(shù)。

    評(píng)估等級(jí)的類準(zhǔn)備度指數(shù)(Rs,l)計(jì)算如式(2)。

    式中,Rs,l為所評(píng)估等級(jí)的類準(zhǔn)備度指數(shù);Wd,l為所評(píng)估等級(jí)的類中的評(píng)估域的權(quán)重;nd為所評(píng)估等級(jí)中該評(píng)估類中評(píng)估域的個(gè)數(shù)。

    評(píng)估等級(jí)的族準(zhǔn)備度指數(shù)(Rr,l)計(jì)算如式(3)。

    式中,Rr,l為所評(píng)估等級(jí)的族準(zhǔn)備度指數(shù);Ws,l為所評(píng)估等級(jí)的族中的評(píng)估類的權(quán)重;ns為所評(píng)估等級(jí)中該評(píng)估族中評(píng)估類的個(gè)數(shù)。

    評(píng)估等級(jí)的綜合準(zhǔn)備度指數(shù)(Ro,l)計(jì)算如式(4)。

    式中,Ro,l為所評(píng)估等級(jí)的綜合準(zhǔn)備度指數(shù);Wr,l為所評(píng)估等級(jí)的類中的評(píng)估類的權(quán)重。

    企業(yè)綜合準(zhǔn)備度指數(shù)(Ro)計(jì)算如式(5)。

    式中,l′為從L1 到L5 第一個(gè)綜合準(zhǔn)備度指數(shù)≤0.8時(shí)所處的等級(jí)。

    綜上所述,不同等級(jí)的域準(zhǔn)備度指數(shù)采用算術(shù)平均的方法計(jì)算得出,不同等級(jí)的類、族和綜合準(zhǔn)備度指數(shù)采用加權(quán)平均的方法計(jì)算得出。

    此外,本研究還將特征項(xiàng)要求轉(zhuǎn)化為流程工業(yè)企業(yè)對(duì)具體業(yè)務(wù)、信息系統(tǒng)、設(shè)備等的要求,設(shè)計(jì)出了智能制造準(zhǔn)備度調(diào)研問卷,方便企業(yè)進(jìn)行自評(píng)估,提升評(píng)估模型的易用性。該評(píng)估問卷也在本文第二部分案例中得以應(yīng)用驗(yàn)證,真正將模型工具化。

    2 流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度指數(shù)實(shí)踐應(yīng)用

    本文提出的流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度模型主要服務(wù)于四個(gè)主體:第一是制造企業(yè),用于自身智能制造現(xiàn)狀的評(píng)估,確定改進(jìn)目標(biāo)和實(shí)施方案;第二是政府等相關(guān)產(chǎn)業(yè)主管部門,用于評(píng)估管理范圍內(nèi)企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度現(xiàn)狀,撰寫產(chǎn)業(yè)報(bào)告,推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的制訂;第三是解決方案供應(yīng)商,用于解決方案研發(fā)的需求輸入,企業(yè)需求與解決方案的匹配;第四是第三方行業(yè)研究機(jī)構(gòu),用于企業(yè)和行業(yè)數(shù)據(jù)的分析,出具相關(guān)分析報(bào)告。本次35 家流程工業(yè)企業(yè)的評(píng)估應(yīng)用案例主要偏重于政府等相關(guān)產(chǎn)業(yè)主管部門和第三方行業(yè)研究機(jī)構(gòu)方面的部分應(yīng)用展示。

    2.1 評(píng)估企業(yè)介紹及評(píng)估流程

    圖3(a)為本次評(píng)估的35 家企業(yè)的行業(yè)分布情況,可以發(fā)現(xiàn)被評(píng)估企業(yè)的行業(yè)分布以精細(xì)化工企業(yè)為主,有27家,石油化工企業(yè)5家,煤化工和造紙行業(yè)各1家。評(píng)估過程充分考慮了企業(yè)所屬行業(yè)的產(chǎn)品業(yè)務(wù)特點(diǎn)和相似智能制造建設(shè)案例。根據(jù)國統(tǒng)字〔2017〕213號(hào)《統(tǒng)計(jì)上大中小微型企業(yè)劃分辦法(2017)》的規(guī)定,對(duì)35 家企業(yè)的規(guī)模進(jìn)行劃分,結(jié)果如圖3(b)所示,可以發(fā)現(xiàn)被評(píng)估的企業(yè)以中小型企業(yè)為主,占比88.6%。此外,分析發(fā)現(xiàn)被評(píng)估的企業(yè)中有21 家為集團(tuán)化公司,該部分企業(yè)大多數(shù)與主體公司共用經(jīng)營管理職能和經(jīng)營管理信息系統(tǒng),部分企業(yè)僅作為生產(chǎn)單元不具有市場(chǎng)銷售和財(cái)務(wù)管理職能。本次評(píng)估工作將這類屬于同一集團(tuán)化公司的主體及其子公司智能制造現(xiàn)狀和建設(shè)需求進(jìn)行統(tǒng)一考慮。

    圖3 35家被評(píng)估企業(yè)行業(yè)分布情況和企業(yè)規(guī)模

    本次智能制造準(zhǔn)備度評(píng)估工作采用問卷調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)診斷結(jié)合的方式,保障評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確和真實(shí)地反映企業(yè)現(xiàn)狀。評(píng)估工作分為企業(yè)提資、調(diào)研準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)診斷、分析診斷和確認(rèn)完成五個(gè)階段,如圖4所示,這也是使用本模型開展智能制造評(píng)估的通用流程。企業(yè)提資階段,向被評(píng)估企業(yè)發(fā)放調(diào)研問卷,并且進(jìn)行工藝、運(yùn)營情況等資料收集工作;調(diào)研準(zhǔn)備階段,根據(jù)企業(yè)問卷情況進(jìn)行初步準(zhǔn)備度指數(shù)計(jì)算,并制訂現(xiàn)場(chǎng)診斷的計(jì)劃;現(xiàn)場(chǎng)診斷階段通過對(duì)各評(píng)估域相關(guān)負(fù)責(zé)人的訪談和對(duì)企業(yè)各部門的現(xiàn)場(chǎng)取證,逐步確認(rèn)各特征項(xiàng)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性,并對(duì)相關(guān)評(píng)估域的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行修正;分析診斷階段主要進(jìn)行診斷報(bào)告的編寫;確認(rèn)完成階段與企業(yè)負(fù)責(zé)人完成最終確認(rèn)。具體評(píng)估流程見圖4。

    圖4 智能制造準(zhǔn)備度指數(shù)評(píng)估流程

    2.2 評(píng)估結(jié)果及分析

    根據(jù)企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度指數(shù)得分情況,本次評(píng)估企業(yè)有23 家處于啟動(dòng)級(jí),12 家處于規(guī)劃級(jí)。整體來說,評(píng)估企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度水平較低,企業(yè)普遍重視裝備自動(dòng)化建設(shè),信息化管控技術(shù)應(yīng)用較為欠缺,智能制造應(yīng)用場(chǎng)景少,傳統(tǒng)管理手段和工作方式尚未被高效智能制造模式替代,業(yè)務(wù)活動(dòng)信息化系統(tǒng)功能覆蓋不足,企業(yè)經(jīng)營數(shù)據(jù)仍大量采用人工紙質(zhì)記錄,管理中缺少數(shù)據(jù)分析應(yīng)用和優(yōu)化場(chǎng)景。

    2.2.1 企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度指數(shù)

    圖5為35家企業(yè)的族、類、域準(zhǔn)備度指數(shù)評(píng)估結(jié)果。從圖中可以看出,本次評(píng)估的企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度差距較大,不同評(píng)估域建設(shè)水平不均衡。從圖5(a)的族準(zhǔn)備度指數(shù)結(jié)果來看,業(yè)務(wù)族的整體發(fā)展情況相對(duì)較接近,前25%的企業(yè)并沒有和之后的企業(yè)拉開很大的差距,這是由于業(yè)務(wù)族的評(píng)估范圍是工廠的主要生產(chǎn)過程活動(dòng),也是企業(yè)重點(diǎn)建設(shè)的工作。技術(shù)族雖然頭部企業(yè)的得分相較于其他三個(gè)族較高,但是其前25%的企業(yè)水平差距很大,并且有超過75%的企業(yè)技術(shù)族的得分等級(jí)都小于0.8 分,處于啟動(dòng)級(jí),整體建設(shè)水平較為薄弱,評(píng)估企業(yè)在智能制造基礎(chǔ)設(shè)施和集成互聯(lián)的技術(shù)應(yīng)用方面有較大提升空間。圖5(b)中的類準(zhǔn)備度指數(shù)更加體現(xiàn)了不同業(yè)務(wù)域工作建設(shè)不均衡的特點(diǎn),9個(gè)評(píng)估類的中位水平的準(zhǔn)備度指數(shù)在1.0 分,而供應(yīng)鏈、生產(chǎn)管理、人力資源、技術(shù)設(shè)施和集成互聯(lián)類的最佳水平可以達(dá)到或接近集成級(jí)的水平。另外,所有評(píng)估企業(yè)都沒有搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),在平臺(tái)賦能和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方面有較大的提升空間。在圖5(c)域準(zhǔn)備度指數(shù)中可以發(fā)現(xiàn)前25%的企業(yè)在采購供應(yīng)、安全環(huán)保和數(shù)據(jù)應(yīng)用域的建設(shè)水平非常接近,說明企業(yè)在進(jìn)行智能制造能力提升改造過程中更傾向于優(yōu)先發(fā)展這些業(yè)務(wù)域。另外,前25%~50%的企業(yè)在計(jì)劃調(diào)度、操作管理、質(zhì)量管理、能源管理、網(wǎng)絡(luò)支撐和控制系統(tǒng)域的建設(shè)情況很接近,說明這些業(yè)務(wù)域在企業(yè)日常生產(chǎn)運(yùn)營中有較強(qiáng)的支撐作用。本次評(píng)估過程中通過現(xiàn)場(chǎng)診斷35 家企業(yè)各個(gè)業(yè)務(wù)域的實(shí)際情況進(jìn)行舉證,逐級(jí)確認(rèn)域、類、族的準(zhǔn)備度打分,最終的打分結(jié)果和表1中的能力要求及企業(yè)實(shí)際現(xiàn)狀進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,并得到了被評(píng)估企業(yè)的確認(rèn),驗(yàn)證了模型的可用性。

    圖5 35家企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度評(píng)估結(jié)果

    2.2.2 企業(yè)自動(dòng)化和信息化建設(shè)情況

    調(diào)研中發(fā)現(xiàn)本次評(píng)估的企業(yè)整體自動(dòng)化水平較高,對(duì)企業(yè)關(guān)鍵工序DCS 控制系統(tǒng)覆蓋率和安全聯(lián)鎖SIS 系統(tǒng)的覆蓋率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖6 所示。結(jié)果顯示有24 家企業(yè)DCS 控制系統(tǒng)覆蓋率達(dá)到了100%,這部分企業(yè)以連續(xù)性生產(chǎn)為主,原料及產(chǎn)品基本在原油分餾產(chǎn)品的深加工出精細(xì)化工產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈上。5 家企業(yè)沒有進(jìn)行DCS 控制系統(tǒng)的建設(shè),這些企業(yè)中有些是由于工藝的原因無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,有些企業(yè)已經(jīng)申請(qǐng)了技改技措項(xiàng)目,進(jìn)行生產(chǎn)線自動(dòng)化水平的提升。SIS 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的覆蓋率相比于DCS 控制系統(tǒng)較低,其中14 家企業(yè)達(dá)到了100%的覆蓋率,這部分企業(yè)大都生產(chǎn)過程中帶有一定的危險(xiǎn)性,原料和產(chǎn)品涉及危險(xiǎn)化學(xué)品。

    圖6 35家企業(yè)DCS控制系統(tǒng)覆蓋率和SIS安全聯(lián)鎖系統(tǒng)覆蓋率

    評(píng)估企業(yè)信息化建設(shè)情況統(tǒng)計(jì)如圖7所示,可以發(fā)現(xiàn)診斷企業(yè)中建有財(cái)務(wù)系統(tǒng)的企業(yè)數(shù)量最多,有33 家,占比94%;建有MES 系統(tǒng)的企業(yè)數(shù)量最少,有2家,占比6%,另有4家企業(yè)正在進(jìn)行MES系統(tǒng)的實(shí)施;建有SCM系統(tǒng)的有16家,占比46%;建有ERP、CRM、SCM 和OA 系統(tǒng)的企業(yè)數(shù)量相接近。結(jié)合圖3(b)評(píng)估企業(yè)的企業(yè)規(guī)模進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)集團(tuán)管控型企業(yè)和大中工業(yè)企業(yè)出于資產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、業(yè)務(wù)協(xié)同的需要,對(duì)ERP、SCM、CRM、OA、MES、WMS 建設(shè)需求較為強(qiáng)烈;小微工業(yè)企業(yè)由于規(guī)模小、裝置少、組織管理簡(jiǎn)單,導(dǎo)致上述系統(tǒng)的建設(shè)投入產(chǎn)出效果不明顯,建設(shè)意愿相應(yīng)較低。小微工業(yè)企業(yè)更愿意在基礎(chǔ)自動(dòng)化、安全環(huán)保設(shè)備等方面進(jìn)行投資。整體來說,本次評(píng)估企業(yè)對(duì)生產(chǎn)管控類的信息化系統(tǒng),如MES、WMS 等,建設(shè)相對(duì)薄弱,對(duì)經(jīng)營管理類信息化系統(tǒng),如ERP、OA、SCM、CRM等,建設(shè)相對(duì)較完善。

    圖7 35家企業(yè)信息系統(tǒng)建設(shè)情況

    2.2.3 企業(yè)需求分析

    針對(duì)評(píng)估企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度指數(shù)得分較低的評(píng)估域所反映出的短板問題,在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研過程中有目的性地進(jìn)行現(xiàn)狀剖析,挖掘企業(yè)需求,尋找提升改進(jìn)空間,匯總35 家企業(yè)在關(guān)于智能制造的主要需求,如表3所示。綜合來看,企業(yè)提出的需求基本上圍繞降本、提質(zhì)、增效的根本問題,這也是企業(yè)開展智能制造改造建設(shè)的預(yù)期目標(biāo)??梢园l(fā)現(xiàn),企業(yè)對(duì)生產(chǎn)管理類的需求較為迫切,主要集中在生產(chǎn)自動(dòng)化控制水平的提升、設(shè)備和產(chǎn)品的全生命周期管理和生產(chǎn)過程中的安全與節(jié)能降耗等方面。其他評(píng)估類中對(duì)引入信息化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、查找、共享來簡(jiǎn)化線下流程、提高效率、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同的需求較為普遍。通過需求分析,可以幫助企業(yè)厘清目前存在的短板問題,并通過與過程控制和系統(tǒng)集成供應(yīng)商的合作,找到相對(duì)應(yīng)的技術(shù)手段和解決方案,有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)提升,提高投資的有效性,降低投資風(fēng)險(xiǎn),這也是智能制造準(zhǔn)備度模型的一個(gè)應(yīng)用點(diǎn)。

    表3 35家被評(píng)估企業(yè)智能制造建設(shè)主要需求

    2.4 評(píng)估反思

    本次應(yīng)用案例評(píng)估結(jié)果分析是從組織單位工信局的角度進(jìn)行論述,幫助政府部門了解轄內(nèi)企業(yè)基礎(chǔ)自動(dòng)化、信息化系統(tǒng)建設(shè)情況及需求,有助于制訂相關(guān)的智能制造改進(jìn)政策。但是,本次準(zhǔn)備度評(píng)估結(jié)果對(duì)被評(píng)估的個(gè)體企業(yè)的應(yīng)用價(jià)值并沒有詳細(xì)說明,這主要是由于模型的樣本企業(yè)數(shù)量較少。未來,隨著被評(píng)估樣本企業(yè)的數(shù)量不斷增多,逐步建立起石油化工、煤化工等各流程工業(yè)行業(yè)智能制造準(zhǔn)備度數(shù)據(jù)庫,被評(píng)估企業(yè)可以找到本企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度情況在本行業(yè)中的定位,明確各評(píng)估族、類、域在同行業(yè)內(nèi)所處的位置,確定行業(yè)內(nèi)合理的對(duì)標(biāo)企業(yè),指導(dǎo)智能制造建設(shè)策略的制訂。通過本次35 家流程工業(yè)企業(yè)準(zhǔn)備度評(píng)估工作中對(duì)本模型的實(shí)際應(yīng)用效果的驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)評(píng)估模型還有以下問題待改進(jìn)。

    (1)模型評(píng)估對(duì)象的聚焦度和行業(yè)細(xì)分度有待提高。雖然本模型聚焦于流程工業(yè),綜合考慮流程工業(yè)生產(chǎn)機(jī)理復(fù)雜、生產(chǎn)流程連續(xù)、生產(chǎn)過程危險(xiǎn)等特點(diǎn),但是流程工業(yè)企業(yè)依然包括諸多細(xì)分行業(yè),不同細(xì)分行業(yè)對(duì)智能制造的建設(shè)需求及側(cè)重點(diǎn)也會(huì)略有區(qū)別。例如,在過程控制方面,石油化工企業(yè)更加重視全過程的自動(dòng)化控制和APC、RTO等優(yōu)化控制,而精細(xì)化工行業(yè)則偏重于Batch 批控制和配方管理。因此,準(zhǔn)備度評(píng)估模型需進(jìn)一步進(jìn)行行業(yè)細(xì)分,針對(duì)有明顯不同的行業(yè)調(diào)整評(píng)估特征項(xiàng)要求及所占權(quán)重,提高模型的精準(zhǔn)度。

    (2)需要建立評(píng)估結(jié)果與下一步指導(dǎo)策略的關(guān)聯(lián)關(guān)系。準(zhǔn)備度評(píng)估是企業(yè)開展智能制造建設(shè)的第一步,可以幫助企業(yè)梳理自身所具備的現(xiàn)狀條件,找到短板和提升空間,目前模型的應(yīng)用效果也僅停留在這一步。未來評(píng)估模型可以與相關(guān)解決方案建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,配合企業(yè)制訂相關(guān)改造提升策略。此外,也可以幫助企業(yè)明確需求,有針對(duì)性地與智能制造咨詢規(guī)劃服務(wù)商合作,開展下一步的咨詢規(guī)劃工作,繪制建設(shè)藍(lán)圖,明確建設(shè)路徑,發(fā)揮模型的“潛熱”。

    3 結(jié)論

    本文基于流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營特點(diǎn),結(jié)合我國智能工廠、智能制造建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求,提出了流程工業(yè)智能制造準(zhǔn)備度模型,是首個(gè)針對(duì)流程工業(yè)企業(yè)的智能制造的準(zhǔn)備度評(píng)估模型。該模型從業(yè)務(wù)、組織、技術(shù)和智能四個(gè)維度評(píng)估企業(yè)進(jìn)行智能制造改造所具備的現(xiàn)狀條件,深度挖掘企業(yè)需求,尋找改進(jìn)條件和提升機(jī)會(huì)。并且,針對(duì)模型的4個(gè)族、9 個(gè)類、25 個(gè)域和249 個(gè)特征項(xiàng),本文提出了量化的準(zhǔn)備度指數(shù),并詳細(xì)描述了準(zhǔn)備度指數(shù)的計(jì)算方法,將特征項(xiàng)的符合度情況轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)得分,逐層計(jì)算得出企業(yè)的綜合智能制造準(zhǔn)備度指數(shù),判斷企業(yè)當(dāng)前所處的智能制造準(zhǔn)備度等級(jí)。另外,本文基于提出的準(zhǔn)備度模型,設(shè)計(jì)出了智能制造準(zhǔn)備度評(píng)估問卷和線上評(píng)估系統(tǒng),提高了模型的易用性,實(shí)現(xiàn)了流程工業(yè)企業(yè)的自評(píng)估。

    本文將模型用于山東省35 家企業(yè)的智能制造準(zhǔn)備度評(píng)估工作,以一個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例,展示了模型的使用方法、評(píng)估結(jié)果輸出及展示形式和模型的應(yīng)用價(jià)值。通過35 家企業(yè)智能制造準(zhǔn)備度評(píng)估案例,也對(duì)模型的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容進(jìn)行了初步的驗(yàn)證,表明了該模型是透明的且易于使用的,為模型在流程工業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用提供了借鑒意義。將來,隨著智能制造準(zhǔn)備度評(píng)估工作的逐步推廣,被評(píng)估樣本企業(yè)數(shù)量的逐步增加,本模型對(duì)評(píng)估企業(yè)在行業(yè)中的定位將更加準(zhǔn)確,改進(jìn)提升策略也將更加符合企業(yè)發(fā)展實(shí)際。最后,希望在本模型的不斷的優(yōu)化改進(jìn)后,可以在流程工業(yè)智能制造評(píng)估中廣泛應(yīng)用,推動(dòng)我國企業(yè)智能制造普及建設(shè)工作,加快企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型步伐,助力中國制造2025的戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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