制造企業工業物聯網的發展與智能制造轉型分析
——基于三一重工的案例研究*

和 征 李彥妮 楊小紅

（西安工程大學管理學院，陜西 西安 710048）

“為什么需要智能制造？”這是目前制造企業提出最多的問題。近年來，各國制定了一系列先進制造業的發展戰略和計劃，以提高產品質量、降低成本、縮短經營周期、調整產業結構和促進產業轉型等。可見，通過智能制造轉型來提高生產能力和生產效率已是迫在眉睫。智能制造（intelligent manufacturing，IM）是先進生產過程、模式和系統的總稱，依靠新興信息技術、新原料、工藝、設計、生產、管理和服務等各個方面，深入信息感知、智慧化決策和精準控制執行等，其本質是虛擬網絡與實體制造的互通[1]。

智能制造是中國制造業轉變制造方式、提高產品質量、提升生產力的必經之路。近年來，我國經濟發展從注重發展速度到注重發展質量過渡，在此背景下，政府更加重視經濟結構的優化以及新動能的轉變。在供給側結構性改革的過程中，制造業改革是其中最主要的部分。然而，原材料、土地和人力資源等生產要素成本的上升，使得制造業利潤率的增長變得十分困難。所以，為了提高質量和盈利能力，轉變生產方式是中國制造業實現高質量發展必須解決的問題，智能制造就是解決此問題過程中最重要的一環，也是中國走向制造強國的關鍵一步。

在大數據和第四次工業革命背景下，制造業企業的數字化、網絡化和智能化已經成為其未來發展趨向的潮流，制造業面臨著實現現代化和穩定轉型升級的壓力。如何建立一個制造業與互聯網集成的物聯網平臺，建立新的生產體系，是制造企業生產中亟待解決的問題。為了解決這個問題，國務院提出了《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，指出了未來30年工業互聯網的發展目標，明確了實現互聯網時代智能制造業轉型與現代化，是我國制造業能夠獲得國際競爭力的重要戰略之一。當前，許多中國企業已經向智能制造轉型，但是制造企業如何通過建立物聯網產業平臺進行智能制造轉型，仍然是一個迫切需要解決的現實問題[2]。

本文以裝備制造業領先企業?三一重工的智能制造發展為基礎，分析其智能制造轉型過程和物聯網平臺的構建過程，以此為基礎探討了中國制造企業的智能制造和工業物聯網平臺的建設，為中國制造企業構建工業物聯網平臺，實施智能制造提供參考。

1 文獻回顧

1.1 工業物聯網

有關工業物聯網的研究，Wollschlaeger M等[3]提出工業物聯網（IIoT）本質上是物聯網在制造業中的應用。Latif S等[4]認為工業物聯網是指使用智能傳感器、執行器、快速通信協議和高效的網絡安全機制來改善工業過程和應用。Cao Y等[5]認為工業物聯網與智能工業的融合，使工業運營轉向了一個新的層次，IIoT平臺為現代產業提供多項服務，包括云計算、大數據分析和應用開發等。可見，工業物聯網帶來了革命性的變化，以前所未有的速度、更大的數據訪問量以及更高的效率徹底改變了制造業。

綜上所述，物聯網在制造業發展過程中有十分廣泛的應用，工業物聯網的發展關乎企業未來發展的前途和命運。其中，智能制造是它的核心，也是工業制造企業未來發展的重點。

1.2 智能制造的相關研究

有關智能制造的研究，主要從智能制造的內涵和模式兩方面來進行。

1.2.1 智能制造的內涵

智能制造的概念最早是在1988年由Wright P K等[6]在《Manufacturing intelligence》書中首次提出的，它的含義是利用各種新興技術對專業知識和特定技能進行建模，完成無人干預狀態下智能機器的小批量生產。在中國最早對智能制造相關方面進行研究的是楊叔子院士，楊叔子等[7]基于智能制造的背景和發展現狀，認為在智能制造研究中非常重要的兩大領域是技術和系統，其特征是雙I（integration &intelligence）。2015年國務院發布了強國戰略，更加強調了智能制造的重要性。呂鐵和韓娜[1]指出智能制造對制造業生產方式的變革具有重要作用，認為我國智能制造發展的瓶頸是技術和市場。李廉水等[8]認為智能制造的表現是將人工智能在生產運作過程中進行運用，核心是“智能”。Ji Z等[9]認為新一代智能制造作為第四次工業革命的核心驅動力，仍是未來幾十年先進制造業實現現代化和轉型升級的主要路徑。Frank A G等[10]認為當前背景下的智能制造是以新興信息技術為基礎，包括物聯網、大數據和建模仿真等，泛指在感知條件下的信息化制造。鐘志華等[11]認為智能制造是制造企業實現創新升級的主要途徑，“并行推進、融合發展”是我國智能制造發展的技術路線。

1.2.2 智能制造發展模式

譚建榮等[12]研究了我國從數字制造到智能制造的發展模式，主要有智能工廠、智能制造技術和單元制造智能化3種途徑。周佳軍等[13]對云制造、IoMT、信息物理生產系統、社會化企業、泛在制造和預測制造六種新型智能制造模式進行了研究評述。Zhou Y等[14]認為智能制造有3種基本模式：數字化制造、數字化網絡化制造和數字化、網絡化、智能化制造。呂文晶等[2]認為智能制造模式包括3方面：智能產品、智能生產和智能服務。Zhang L等[15]研究了以物聯網、云計算、大數據和計算機仿真等多種新興技術的融合而形成的智能制造系統的模式。姚錫凡等[16]認為新一代智能制造的發展趨勢是從百花齊放的各種新興智能制造模式演化為融合統一的智慧制造或社會信息物理生產系統。

綜上所述，智能制造是在制造過程中利用智能機器，通過人與機器合作的智能系統來實現生產過程中的分析、判斷和決策等的制造方式，可以部分取代人工，從而實現提高生產效率和降低成本的目標。國內外很多學者對智能制造轉型的發展模式進行了相關研究，但較少結合具體的企業分析智能制造模式，本文從產品智能化、制造智能化和服務智能化的角度，分析三一重工的智能制造發展過程，結合企業實際情況，研究當前制造企業進行智能制造轉型的發展模式。

2 方法選擇

采用案例研究法和文獻研究法，分析我國制造企業的智能制造發展模式。案例研究法一直是學者創建和改進管理理論的重要研究方法，主要是仔細研究各個案例，收集大量個案數據，全面了解個別案例的當前情況和發展過程，并進行研究和分析。其中，研究者基于現有的理論框架，對選定企業的實踐活動進行描述性分析時，采用的是描述性案例研究法，主要是以講故事的方式描述事例。文獻研究法主要是指對文獻進行收集、鑒定、整理等，并通過對文獻的研究，對相關事實形成科學認識的過程。通過文獻研究，可啟發創新的思考和分析研究的實質。以三一重工企業的智能制造轉型為案例，研究制造企業工業物聯網的發展和智能化轉型的路徑。

3 案例研究與發現

3.1 智能制造發展過程

分析三一重工智能制造的發展，得出以下3個階段：產品智能化、制造智能化和服務智能化。其中，產品智能化處于初級階段，制造智能化處于中級階段，服務智能化處于高級階段，它們的智能化程度由低到高逐漸升高，如圖1所示。

圖1 企業智能制造轉型過程

3.1.1 產品智能化

為了實現智能制造轉型，三一重工集團積極進行智能產品的研發。隨著物聯網的發展，三一重工敏銳地洞察到物聯網對裝備制造業將會有十分重要的作用。在2005年，三一重工率先開始研究基于物聯網的裝備制造核心部件和技術，并開始著手將GPS應用到裝備制造行業，實現了使用GPS技術對設備進行定位、跟蹤、監控、識別、診斷和生產管理等，這是國內第一家可實現此功能的企業。2009年，三一重工成立了智能設備公司，在各類工業裝備的傳感制造、控制、備用、防護和遠程診斷等布局上，實施智能產品研發，成為了中國工業制造領域第一家開發智能技術和產品機械的公司，也是智能制造領域的領先者。2011年，三一重工在上海成立了華興數字科技有限公司，主要研究開發裝備器械的軟硬件產品、儀器設備和智能管理系統，形成一套完備的智能終端器件，使企業對設備的實時遠程監控和維護更加便捷。三一重工進行產品智能化研發的過程如圖2所示。

圖2 產品智能化研發過程

三一重工通過大數據分析，對設備運行數據進行更加精準的監控，提高產品的動力效率，減少油耗。其次，大數據應用還可以幫助研發人員分析產品結構，使用基于數據的開發模型，可以找出哪個模型更受歡迎，哪個模型更面向市場，對產品設計有較高的參考價值。

綜上所述，三一重工的產品智能化過程經歷了初步使用GPS、建立智能設備公司和建立數字科技公司3個階段，同時積極應用大數據分析，逐步實現產品智能化。產品智能化是企業智能制造轉型的初級階段，在這一階段，企業側重于產品研發過程中的智能技術和大數據等的應用，致力于研發生產智能化產品。

3.1.2 制造智能化

在進行產品智能化研發的同時，三一重工也積極進行制造過程的智能化轉型。2007年，三一重工開始探索研發M2M（machine to machine）平臺，與中國移動長沙分公司合作開發了“三一工程機械設備智能服務系統”項目，建立了“M2M遠程數據采集與監控平臺”。這個平臺共包括3個子系統，分別是：數據收集和反向控制系統、智慧通道系統和M2M應用系統。在2010年以后，三一重工加強了M2M系統在收集和運輸信息以及開發解決方案中的應用，細分了“M2M遠程數據采集與監控平臺”，將其劃分為3個子平臺：第一個是設備遠程監控平臺，其中包括了監控技術支撐平臺和設備數據統計平臺，它們可以提供提高設備質量、設備售后跟蹤及服務等其他參數信息；第二個是泵車監控和維護系統，用裝備制造業機械智能化的先進理論，研發具有自主知識產權的智能化產品，提高監控水平及維護能力，使企業的工作效率得到了優化；第三個是智能服務系統，通過實時共享有關現場、混凝土配送消耗信息、車輛使用情況以及泵和混合設施的實際操作信息，實現現場機器之間的協同效應和工作。經過多年的發展，到2011年，三一重工集團成功建立了全國可使用最大的M2M系統，在具有50萬終端的基礎上還可進行動態擴展。M2M遠程數據采集與監控平臺的子系統如圖3。

圖3 M2M遠程數據采集與監控平臺的子系統

隨著三一重工制造智能化的不斷發展和物聯網平臺的應用，2012年，三一重工建成了位于長沙產業園的18號廠房，成為了中國智能制造示范車間。在廠房建設前，就利用信息化模擬設計工廠模型，通過物流仿真、生產過程的推理等提前規劃整個廠房的設計，防止建造過程可能出現的問題，節省成本。在整個廠房實行柔性生產，機器和生產線可進行不同零件和產品的生產組裝，還可以根據需求隨時改裝。在員工工作的工位安裝智能終端，可幫助員工查詢標準作業流程及安裝方法等。2019年，三一重工決定將18號廠房打造成制造機械行業燈塔工廠的標桿。經過一年的發展，18號廠房實現了更加高度的智能化，技術工人可以通過一臺設備對所有工位的物料需求作出反應，智能機器人的利用更加純熟，使人均效率、人均產值及資源利用率都得到了提高。

由以上分析可知，三一重工通過構建物聯網平臺?M2M遠程數據采集與監控平臺，進行生產過程的智能化轉型，積極應用大數據分析，最終建立智能工廠，實現了制造智能化。制造智能化是企業智能制造轉型的中級階段，在這一階段企業由側重單一產品的智能化轉向于在整個制造過程中應用智能技術，構建物聯網平臺和應用大數據，實現全過程的智能制造。

3.1.3 服務智能化

隨著三一重工智能產品的制造，為了更好地解決設備售后問題和產品維修問題，三一重工在2008年率先研發了ECC系統（企業控制中心），避免設備停工給顧客帶來的損失。這個系統可以準確實時定位服務人員和車輛，當設備有問題發生，客戶可以撥打24 h服務電話，ECC可以用最快的速度進行合理、有效地調度，指導客戶排除故障或安排維修人員上門服務。除此之外，該系統還可以為客戶提供其他增值服務，例如設備離開設定的工作區會自動觸發警報。

2014年，“工業大數據”時代的到來促進三一重工意識到早期建立的客戶售后服務設備監測和控制系統具有更大的價值，三一重工優化改進了早期的ECC系統，研發建立了新的ECC平臺?客戶服務平臺，對大數據進行存儲與分析。通過“ECC平臺”，三一重工主動開展大數據應用，對生產、制造和服務的全過程進行數字化、信息化的改造，并通過計算機存儲分析和共享溝通。ECC平臺可以對所有設備控制的硬件和軟件進行雙向控制和遠程監控，將20多萬臺客戶設備實時運行的數據信息發往后臺系統進行優化分析。ECC平臺主要面向的用戶為代理商、操作者、客戶和研發人員。ECC平臺的功能如圖4所示。

圖4 ECC平臺的功能圖

通過ECC平臺，三一重工使客戶服務更加智能化，客戶通過使用ECC平臺，實時監控操作自己的設備，接收來自系統傳達的關于設備的信息，使客戶使用更加方便。當設備出現故障，ECC平臺會根據實時檢測的結果實現更快的排除狀態，改變以往“被動”服務的情況，更好地提升客戶的服務水準以及進行資金的風險控制。甚至在故障發生前，三一重工通過設備運行情況的數據診斷，進行故障預測，將設備可能出現的故障告知客戶，使客戶可以在故障未發生時就實施排除，增加設備的使用壽命和健康程度，減少客戶的損失，并且通過大數據對客戶服務需求進行挖掘，設計更加符合客戶需求的產品，以及在服務流程中進行大數據分析，優化服務過程。

綜上可知，三一重工通過建立ECC客戶服務平臺監測客戶設備的運行狀況，更快地幫助客戶解決設備運行中的問題，并且通過應用大數據技術挖掘客戶需求，更好地為客戶服務。服務智能化是企業智能制造轉型的高級階段，在這一階段企業對產品全生命周期進行管理，深度融合了產品、制造和服務，實現智能化的產品服務系統。

3.2 3個階段比較

三一重工的智能制造轉型是從產品智能化、制造智能化和服務智能化3個方面進行的，其比較如表1所示。

表1 智能制造發展階段比較

三一重工同時開始著手進行產品智能化和制造智能化轉型過程，在智能產品研發初具規模后，進行了服務智能化轉型，在上述3個過程中，都融入了大數據的分析與應用。通過3個方面的協同發展，三一重工實現了智能制造轉型。產品智能化著重研究如何使三一重工的產品與智能技術融合，使產品的功能更加全面；制造智能化從生產的角度出發，通過物聯網平臺使整個生產過程智能化，通過對大量設備運行數據的挖掘和分析，對設備實現更精準的控制，最終建立了智能工廠；服務智能化從解決售后服務的問題出發建造ECC平臺，實現設備全過程的管理，增加設備的使用壽命和健康程度，減少客戶的損失，提供圍繞客戶價值的制造型服務。

總之，三一重工通過3個階段的協同發展，共同促進企業智能化轉型，提升產品研發能力，實現設備全生命周期的價值，更好地為客戶服務。

3.3 管理啟示

根據三一重工的案例分析可知，制造企業借助工業物聯網進行智能化轉型，一般會經歷3個階段：產品智能化、制造智能化和服務智能化，通過3個階段的協同發展、共同作用，逐步實現智能制造。

3.3.1 產品智能化

制造企業在進行智能化轉型的過程中，需要進行產品智能化改造，為客戶提供智能產品。智能產品是智能制造的基礎。企業應該聚焦于將數字技術等新興技術應用于工業設備的產品布局上，研發機械儀器設備和智能管理控制系統等智能終端器件，與智能化軟件公司進行合作，并結合供應鏈下游客戶的智能化需求采集和分析，進行智能研發，使企業對產品的管控和生產過程更加便捷，從而提高企業的效率，為客戶生產更高品質的產品，同時企業要注重智能化人才的引進，對智能產品的精細過程進行管理，建立產品知識庫。

3.3.2 制造智能化

在智能產品的基礎上，制造企業可以通過構建工業物聯網平臺對生產過程進行及時控制和數據收集，使制造流程更加精確，可以更加有效地管理制造現場，實時掌握進度。企業可與智能技術公司合作，在積極進行智能產品研發的同時引進智能設備，注重制造過程的制造資源共享，應用MES系統等生產信息化管理系統，還要注重生產過程中智能化人才的培養。因此，制造企業應該加強制造智能化轉型，建造智能工廠，重視柔性制造，從而有效地利用資源以及提高生產成效。

3.3.3 服務智能化

制造企業從微笑曲線兩端出發，既要注重產品設計端，又要注重客戶服務端。制造企業通過挖掘客戶需求信息，設計更加符合客戶需求的產品；同時通過對設備運行數據、關鍵部件磨損等的數據實時監控，在出現問題前提供預警，實現主動維護，精確成本控制，使客戶的服務質量得到了較大程度的提升。制造業企業通過進行服務智能化轉型，改變了傳統的制造模式，逐步完成對產品全生命周期的控制，提升客戶價值。還要考慮引入高級服務人才、智能化服務設施，開發智能化服務軟件，對服務流程進行智能化的優化。從供應鏈的角度出發，激勵上下游企業進行信息共享，研究面向客戶的服務運營平臺。服務智能化貫穿于產品智能化和制造智能化的整個過程中，是產品、生產過程和服務的深度融合，在融合過程中協同實現產品智能化和服務智能化，最終形成智能化的產品服務系統。

4 結語

在“工業4.0”革命和大數據時代背景下，如何成功進行智能化轉型是制造企業迫切需要解決的問題。本文采用描述性單案例研究方法，以三一重工作為案例研究對象，探討其構建物聯網平臺和智能制造轉型過程。三一重工從產品智能化、制造智能化和服務智能化3個方面進行智能制造轉型，為中國制造業企業實施智能制造、發展工業物聯網提供了可供借鑒的寶貴經驗。從長期來看，智能化產品和設備全周期的價值會越來越高，工業物聯網和智能制造對傳統制造模式帶來了巨大的沖擊。為了應對智能制造模式帶來的挑戰和沖擊，制造企業應與供應鏈上下游企業建立良好的合作伙伴關系，共同建立全行業基礎的大數據平臺，發揮平臺價值，實現智能化轉型和合作共贏。

本文對制造企業智能化轉型的研究以案例分析為主，沒有進行一手數據的調研，在以后的研究中可以基于一手調研數據對企業智能化轉型過程進行深入研究。