單元制造流程模型
——融合可持續(xù)制造和智能制造

編者按

制造業(yè)與迅速發(fā)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及該模型如何支持制造系統(tǒng)的流程持續(xù)改進(jìn)。本文原載于2020年10月的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）博客。作者莫里斯（KC Morris）是NIST工程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)集成部信息建模和測試小組負(fù)責(zé)人，其研究專注于智能和可持續(xù)制造、系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，以及測試和評估技術(shù)。

新冠肺炎大流行突出了制造業(yè)在社會中發(fā)揮的作用。制造業(yè)不僅對提高我們的生活質(zhì)量至關(guān)重要，而且提供了我們的生活必需品：從食物到衛(wèi)生紙，從交通運(yùn)輸工具到安全可靠的住房等。隨著社會的發(fā)展，我們掌握了更好的生產(chǎn)方式，并能夠制造出種類繁多的產(chǎn)品。但是，提供這些商品對環(huán)境并非沒有副作用，我們需要謹(jǐn)慎地管理生產(chǎn)系統(tǒng)對環(huán)境的影響。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的說法，可持續(xù)制造是指以“對環(huán)境和社會負(fù)責(zé)任的方式”管理制造業(yè)務(wù)的能力。圍繞這個理念形成了各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)。

數(shù)據(jù)顯示，美國76.6%的排放來自制造業(yè)及其供應(yīng)鏈。其中，17%直接來自制造部門，其余部分則來自礦業(yè)、公用事業(yè)、建筑和農(nóng)業(yè)等支持部門。美國能源管理局預(yù)測，到2050年，包括制造流程在內(nèi)的工業(yè)部門的排放量將增加26%，而其他生產(chǎn)部門的排放量將保持穩(wěn)定或下降。

圖1 美國制造業(yè)及其供應(yīng)商對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)

毫無疑問，如果不注意環(huán)境保護(hù)，制造業(yè)將變得一團(tuán)糟。這個問題的應(yīng)對策略往往是制定法規(guī)，強(qiáng)制性要求制造商更多地考慮環(huán)境問題。這就是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造的“大棒”方法。

事實(shí)證明，除了“大棒”，“胡蘿卜”也是存在的——可持續(xù)性制造可以提升資源效率，從而節(jié)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(shù)據(jù)驅(qū)動的方式應(yīng)對這些壓力，尤其是那些對自己生產(chǎn)的產(chǎn)品幾乎沒有控制權(quán)的中小型制造商，因?yàn)樗麄兺粎⑴c產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

推行可持續(xù)性制造沒有一刀切的解決方案。每個制造企業(yè)都是獨(dú)一無二的。即使是擁有多個工廠、生產(chǎn)相同產(chǎn)品的大型制造商，也很難在自己的工廠之間分享經(jīng)驗(yàn)。制造商需要根據(jù)自己的企業(yè)知識對每種情況進(jìn)行獨(dú)特的處理。

早期的一些標(biāo)準(zhǔn)工作側(cè)重于管理角度，幫助解決如何更好地管理制造設(shè)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(zhuǎn)化為新產(chǎn)品。

制造商需要一種系統(tǒng)的方法深入挖掘他們的業(yè)務(wù)，找到保護(hù)環(huán)境的機(jī)會?；仡櫼寻l(fā)表的文獻(xiàn)，有一點(diǎn)是明晰的：這個領(lǐng)域幾乎不存在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員，我們的目標(biāo)是發(fā)展測量科學(xué)，幫助制造商改進(jìn)制造流程，進(jìn)而改進(jìn)核心功能。

術(shù)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(dú)一無二的。我們面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一個標(biāo)準(zhǔn)方法，使之能有效應(yīng)用于所有流程。我們希望標(biāo)準(zhǔn)能夠與新興技術(shù)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(yè)的未來——所謂的智能制造。

我們采取的方法是：在定義標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，把信息技術(shù)的應(yīng)用納入制造流程的描述或?qū)⑵涮卣骰?。通過提供描述制造流程的標(biāo)準(zhǔn)方法，使這些描述可以被自動使用，從而應(yīng)用于各種目的。其中的構(gòu)建模塊是我們稱之為單元制造流程模型（UMP）的一種標(biāo)準(zhǔn)格式。

超越藍(lán)圖

對于制造流程而言，單元制造流程模型就像產(chǎn)品或建筑設(shè)計(jì)的藍(lán)圖一樣。藍(lán)圖之所以被稱為藍(lán)圖，是因?yàn)槊恳豁摷堊畛跏褂昧怂{(lán)墨水。在19世紀(jì)40年代，藍(lán)圖首次被引入，目的是準(zhǔn)確復(fù)制一幅技術(shù)圖紙，以便信息能夠更廣泛地共享。多年來，越來越多的標(biāo)準(zhǔn)被開發(fā)出來，以精確地表示工程產(chǎn)品的各種技術(shù)圖紙。

進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，我們可以收集比標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)圖更多的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)以三維模型制作這些圖紙。描述這些模型的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)品模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 10303（又名STEP）定義了一個復(fù)雜的信息數(shù)組，該數(shù)組可以將數(shù)字3D描述與企業(yè)其他系統(tǒng)的各種產(chǎn)品信息（如生命周期）關(guān)聯(lián)起來，從而集成整個組織的數(shù)據(jù)。

對于制造流程而言，如圖2所示，基于ASTM E3012標(biāo)準(zhǔn)，物質(zhì)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(yōu)化、流程流模擬和生命周期影響評估。

圖2 物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織ASTM的E60可持續(xù)發(fā)展委員會合作，成立了可持續(xù)制造小組委員會E60.13。可持續(xù)制造小組委員會E60.1引入了一套制造流程建模標(biāo)準(zhǔn)的想法——UMP模型。2020年，第一個系列標(biāo)準(zhǔn)《制造流程環(huán)境方面描述標(biāo)準(zhǔn)指南》（E3012）發(fā)布，描述了UMP的格式。

UMP模型基于最先進(jìn)的信息技術(shù)構(gòu)建，從一開始就被設(shè)計(jì)為能集成于一個智能制造企業(yè)中。UMP模型可用于捕獲關(guān)于流程的系統(tǒng)知識，從而使其更容易共享。新的制造流程藍(lán)圖不僅作為一種溝通手段，而且是流程的數(shù)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(tǒng)一而精確的方法讓制造商描述其流程。在它的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)：

·關(guān)于流程的可靠和可存檔的通信；

·建立績效基準(zhǔn)；

·開發(fā)制造流程流模擬；

·評估制造流程環(huán)境影響；

·在分析競爭目標(biāo)并權(quán)衡時(shí)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(xù)發(fā)展：平衡之舉

雖然現(xiàn)在還不能實(shí)現(xiàn)所有上述目標(biāo)，但標(biāo)準(zhǔn)是這些工作強(qiáng)有力的一個起點(diǎn)。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(chǎn)流程，做出更明智的權(quán)衡選擇。隨著ASTM的努力，這些標(biāo)準(zhǔn)有望得到擴(kuò)展，在定義中提供更多的功能和精度。

UMP 模型的初始構(gòu)建模塊《制造流程環(huán)境方面描述標(biāo)準(zhǔn)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(fā)起，并與工程設(shè)計(jì)原理和分析應(yīng)用程序集成。UMP模型通過計(jì)算描述體現(xiàn)了制造流程的復(fù)雜性。類似的，它可能包括數(shù)據(jù)驅(qū)動的發(fā)現(xiàn)，即流程的實(shí)證研究。

在ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中，一個成熟的UMP描述包括至關(guān)重要的兩個方面：流程改進(jìn)計(jì)劃和關(guān)鍵績效指標(biāo)。

·建立流程改進(jìn)項(xiàng)目：ASTM標(biāo)準(zhǔn) 2986 《制造流程可持續(xù)性環(huán)境方面評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指南》引導(dǎo)制造商完成績效改進(jìn)，包括設(shè)定目標(biāo)、流程識別, 并使用最先進(jìn)的“計(jì)劃-執(zhí)行-檢查-行動”方法制定改進(jìn)計(jì)劃。

·選擇關(guān)鍵績效指標(biāo)：可持續(xù)制造是平衡目標(biāo)的行為，減少對環(huán)境的影響必須同時(shí)考慮企業(yè)的運(yùn)營能力、經(jīng)濟(jì)和績效目標(biāo)。ASTM標(biāo)準(zhǔn)E3096《制造流程環(huán)境方面關(guān)鍵績效指標(biāo)定義、選擇和組織標(biāo)準(zhǔn)指南》為如何匯集組織的集體智慧、決定需要衡量和改進(jìn)的流程提供了指導(dǎo)。該標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)制造商研究不同觀點(diǎn)以開發(fā)獨(dú)特的度量指標(biāo)，辨識給定流程改進(jìn)項(xiàng)目所需的現(xiàn)實(shí)措施。這些指標(biāo)與流程的UMP模型相關(guān)聯(lián)。

這三個標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來，可以支持制造系統(tǒng)的流程持續(xù)改進(jìn)，并為制造商提供存儲知識的標(biāo)準(zhǔn)格式。