單元制造流程模型
——融合可持續制造和智能制造

編者按

制造業與迅速發展的通信、人工智能、其他工具無縫集成，成就了所謂的智能制造。本文介紹了單元制造流程模型（UMP）及三個相關標準，以及該模型如何支持制造系統的流程持續改進。本文原載于2020年10月的美國國家標準與技術研究院（NIST）博客。作者莫里斯（KC Morris）是NIST工程實驗室系統集成部信息建模和測試小組負責人，其研究專注于智能和可持續制造、系統和標準的設計，以及測試和評估技術。

新冠肺炎大流行突出了制造業在社會中發揮的作用。制造業不僅對提高我們的生活質量至關重要，而且提供了我們的生活必需品：從食物到衛生紙，從交通運輸工具到安全可靠的住房等。隨著社會的發展，我們掌握了更好的生產方式，并能夠制造出種類繁多的產品。但是，提供這些商品對環境并非沒有副作用，我們需要謹慎地管理生產系統對環境的影響。

根據經濟合作與發展組織（OECD）的說法，可持續制造是指以“對環境和社會負責任的方式”管理制造業務的能力。圍繞這個理念形成了各種各樣的標準和項目，但許多只是觸及表面。如果我們有更好的測量工具，真正評估制造商每天必須選用的折中方案，才有可能實現可持續。

數據顯示，美國76.6%的排放來自制造業及其供應鏈。其中，17%直接來自制造部門，其余部分則來自礦業、公用事業、建筑和農業等支持部門。美國能源管理局預測，到2050年，包括制造流程在內的工業部門的排放量將增加26%，而其他生產部門的排放量將保持穩定或下降。

圖1 美國制造業及其供應商對環境影響的貢獻

毫無疑問，如果不注意環境保護，制造業將變得一團糟。這個問題的應對策略往往是制定法規，強制性要求制造商更多地考慮環境問題。這就是實現可持續制造的“大棒”方法。

事實證明，除了“大棒”，“胡蘿卜”也是存在的——可持續性制造可以提升資源效率，從而節省制造成本。此外，在客戶需求和投資者興趣方面，對于良好管理要求的社會壓力也在增加。長期以來，制造商一直難以采用有意義的、數據驅動的方式應對這些壓力，尤其是那些對自己生產的產品幾乎沒有控制權的中小型制造商，因為他們往往不參與產品的設計。

推行可持續性制造沒有一刀切的解決方案。每個制造企業都是獨一無二的。即使是擁有多個工廠、生產相同產品的大型制造商，也很難在自己的工廠之間分享經驗。制造商需要根據自己的企業知識對每種情況進行獨特的處理。

早期的一些標準工作側重于管理角度，幫助解決如何更好地管理制造設施和其他資源，但這些工作不足以解決制造的核心功能——將原材料轉化為新產品。

制造商需要一種系統的方法深入挖掘他們的業務，找到保護環境的機會。回顧已發表的文獻，有一點是明晰的：這個領域幾乎不存在相關標準。作為美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員，我們的目標是發展測量科學，幫助制造商改進制造流程，進而改進核心功能。

術語“制造流程”是一個抽象概念，指的是許多不同類型的流程，每個流程都是獨一無二的。我們面臨的挑戰是創建一個標準方法，使之能有效應用于所有流程。我們希望標準能夠與新興技術兼容，模型與通信、人工智能、其他新興工具無縫集成。這些新興工具是制造業的未來——所謂的智能制造。

我們采取的方法是：在定義標準時，把信息技術的應用納入制造流程的描述或將其特征化。通過提供描述制造流程的標準方法，使這些描述可以被自動使用，從而應用于各種目的。其中的構建模塊是我們稱之為單元制造流程模型（UMP）的一種標準格式。

超越藍圖

對于制造流程而言，單元制造流程模型就像產品或建筑設計的藍圖一樣。藍圖之所以被稱為藍圖，是因為每一頁紙最初使用了藍墨水。在19世紀40年代，藍圖首次被引入，目的是準確復制一幅技術圖紙，以便信息能夠更廣泛地共享。多年來，越來越多的標準被開發出來，以精確地表示工程產品的各種技術圖紙。

進入數字時代，我們可以收集比標準藍圖更多的設計數據。在產品設計領域，計算機輔助設計（CAD）系統以三維模型制作這些圖紙。描述這些模型的標準提供了一個信息豐富的支柱，3D模型被“附加”到這個支柱上。

例如，產品模型數據標準ISO 10303（又名STEP）定義了一個復雜的信息數組，該數組可以將數字3D描述與企業其他系統的各種產品信息（如生命周期）關聯起來，從而集成整個組織的數據。

對于制造流程而言，如圖2所示，基于ASTM E3012標準，物質世界的制造流程通過模型得以在虛擬世界中展示。這些模型可用于流程交流、流程性能優化、流程流模擬和生命周期影響評估。

圖2 物質世界的制造流程通過模型得以在虛擬世界中表示

但是，到目前為止，還沒有描述制造流程的這種格式。從2013年開始，我們與標準開發組織ASTM的E60可持續發展委員會合作，成立了可持續制造小組委員會E60.13。可持續制造小組委員會E60.1引入了一套制造流程建模標準的想法——UMP模型。2020年，第一個系列標準《制造流程環境方面描述標準指南》（E3012）發布，描述了UMP的格式。

UMP模型基于最先進的信息技術構建，從一開始就被設計為能集成于一個智能制造企業中。UMP模型可用于捕獲關于流程的系統知識，從而使其更容易共享。新的制造流程藍圖不僅作為一種溝通手段，而且是流程的數字模型。它們可以用于流程性能的自動化評估，或與其他流程模型一起評估潛在的制造工作流。

UMP模型提供了一種統一而精確的方法讓制造商描述其流程。在它的基礎上，可以實現：

·關于流程的可靠和可存檔的通信；

·建立績效基準；

·開發制造流程流模擬；

·評估制造流程環境影響；

·在分析競爭目標并權衡時做出明智的決定，如制造速度以及能源、材料等資源的使用。

可持續發展：平衡之舉

雖然現在還不能實現所有上述目標，但標準是這些工作強有力的一個起點。有了上述基本測量工具，制造商和研究人員可以更好控制生產流程，做出更明智的權衡選擇。隨著ASTM的努力，這些標準有望得到擴展，在定義中提供更多的功能和精度。

UMP 模型的初始構建模塊《制造流程環境方面描述標準指南》并非存在于空中樓閣，模型中的知識獲取必須有多個來源，由主題專家發起，并與工程設計原理和分析應用程序集成。UMP模型通過計算描述體現了制造流程的復雜性。類似的，它可能包括數據驅動的發現，即流程的實證研究。

在ASTM 標準中，一個成熟的UMP描述包括至關重要的兩個方面：流程改進計劃和關鍵績效指標。

·建立流程改進項目：ASTM標準 2986 《制造流程可持續性環境方面評價標準指南》引導制造商完成績效改進，包括設定目標、流程識別, 并使用最先進的“計劃-執行-檢查-行動”方法制定改進計劃。

·選擇關鍵績效指標：可持續制造是平衡目標的行為，減少對環境的影響必須同時考慮企業的運營能力、經濟和績效目標。ASTM標準E3096《制造流程環境方面關鍵績效指標定義、選擇和組織標準指南》為如何匯集組織的集體智慧、決定需要衡量和改進的流程提供了指導。該標準指導制造商研究不同觀點以開發獨特的度量指標，辨識給定流程改進項目所需的現實措施。這些指標與流程的UMP模型相關聯。

這三個標準結合起來，可以支持制造系統的流程持續改進，并為制造商提供存儲知識的標準格式。