關于整車企業數字化轉型系統架構的研究

付巖 李洪茹

（1. 國際汽車工程科技創新戰略研究院，北京 100176；2. 北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101400）

主題詞：整車企業 數字化轉型 系統架構 智能制造

SOP Start of Production

BOM Bill of Material

EBOM Engineering BOM

PBOM Process BOM

MBOM Manufacturing BOM

SBOM Sales BOM

C2B Consumer to Business

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

ERP Enterprise Resource Planning

PLM Product Lifecycle Management

MES Manufacturing Execution System

IOT Internet of Things

MPM Manufacturing Process Management

CAX CAD、CAPP、CAE、CAM

MOM Manufacturing Operations Management

1 前言

為應對新形勢、新挑戰，把握數字化發展新機遇，國家紛紛出臺政策促進數字化新經濟形態發展。2021 年 12 月 12 日國務院印發了《“十四五”數字經濟發展規劃》，其中“大力推進產業數字化轉型，加快企業數字化轉型升級”是8個重點任務之一。汽車產業作為國民經濟的重要支柱產業，數字化轉型成為了汽車產業發展的必選題。但是，整車企業在推進數字化轉型過程中，存在轉型路徑不明晰、轉型方向不明確、頂層規劃不具體一系列問題，需要一套行之有效的數字化轉型系統架構和方法機制來系統性、全局性的推動轉型變革，穩定獲取預期成效。

本文針對汽車行業中的整車企業，對其在產品生命周期轉型過程中的系統架構進行探索研究，以期助力整車企業數字化轉型工作的有效推進。

2 整車企業數字化轉型系統架構

整車企業數字化系統架構由生命周期、數字化能力、協同能力3 個維度組成（圖1）。生命周期維度分為5個階段：研發、制造、物流、銷售和服務，這也是整車生命周期的5個階段。數字化能力和協同能力是能力維度，每個能力維度分別有5個能力要素。數字化能力維度主要包括：初始積累、淺層應用、規范發展、融合互通、新興業態；協同能力維度主要包括：單元協同、系統協同、部門協同、企業協同、供應鏈協同。其每個維度上，各個能力要素是逐級提升的。

圖1 整車企業數字化轉型系統架構模型

2.1 生命周期

某商品車從項目啟動到產品銷售到客戶手中，以及對客戶使用過程進行服務的各個階段，生命周期維度包含研發、制造、物流、銷售、服務一系列相互關聯的活動。

研發：指整車企業某款新車型的研發過程，從項目立項到SOP的全過程。

制造：指某車型量產后，采購原材料或外購件、通過符合設計要求的工藝方法和生產裝備、按照生產計劃制造出滿足質量目標、符合法規要求的商品車的全過程。

物流：指物品從供應地向接收地的實體流動過程；包括整車生產過程所需的原材料、外購件的下單采購、廠外運輸、廠內運輸、倉儲、分揀、配送等流程；以及成品車銷售過程的運輸。

銷售：指整車企業生產下線的商品車從工廠到達使用客戶手中的一系列經營活動。

服務：整車生產企業與客戶接觸過程中所產生的一系列活動的過程及結果，包括售前服務、售中服務、售后服務等。

2.2 數字化能力

整車企業基于新一代數字化技術使商品全生命周期各階段具有數字化水平的過程，數字化能力維度包含初始積累、淺層應用、規范發展、融合互通和新興業態等5個級別。

初始積累：指企業在研發、制造、物流、銷售、服務等過程中，對生命周期各階段產生的數據有所收集，并進行基本的數據利用與分析。

淺層應用：使用信息化軟件實現關鍵環節數據采集，結合人工經驗進行數據分析，并且分析結果可以在部門內共享。

規范發展：利用數字化軟件對生命周期中關鍵環節的數據進行自動采集和分析，并將分析結果在部門間共享。

融合互通：利用數字化集成技術對生命周期各階段數據進行自動采集和分析，分析結果可以對企業的業務活動提供優化建議和決策支持。

新興業態：數據在企業之間發揮作用，實現數據的閉環賦能，具有自優化可實現精準執行的能力。

2.3 協同能力

整車企業內與業務活動有關的硬件裝備或組織的協同能力，在各要素的配合和支持下保證數字化能力的實現。協同能力維度包含5個級別：單元協同、系統協同、部門協同、企業協同、供應鏈協同。

單元協同：指具備支持數據收集的設備和網絡，具有基本數據分析能力的組織和人員。

系統協同：指具有支持信息化軟件運行的設備和網絡；具有支持數據在部門內共享的組織和人員；能支撐數據在部門內流動起來。

部門協同：指具有支持數據跨部門協同的條件，數據產生價值能夠支持業務活動的跨部門協同。

企業協同：具有支持數字化集成技術應用的組織、人員、設備、網絡，數據在企業間流動形成企業協同。

供應鏈協同：在企業協同的基礎上進行升級，能夠實現數據在企業間形成閉環、實現精準執行、具有自適應和自執行的能力。

3 汽車行業數字化轉型系統架構的特點

數字化轉型要做到生命周期中每個階段之間的數據流是貫通的，形成數據閉環，即橫向貫通（圖2）。以生命周期中的“階段”為主線，每個階段的數據流有2 個發展方向：協同能力和數字化能力，即縱向集成。橫向貫通與縱向集成是數字化轉型的重要手段。

圖2 整車企業數字化轉型的縱向集成和橫向集成

同時，對于制造業來講，數字化轉型是智能制造的發展之路，數字化轉型的目標是要實現智能制造。因此，在整車企業數字化系統架構模型中能力維度最高的深色位置代表智能制造的狀態。智能制造狀態是指生命周期中每個階段的數據流是能貫穿和覆蓋每個能力要素，貫穿覆蓋到整個企業，使整個企業具備智能制造的能力。在這個模型中，重點是數據流的貫通，即數據流能覆蓋的范圍，以數據流覆蓋范圍來衡量“數字化能力”和“協同能力”的級別，來確定企業的數字化水平。

企業作為整體有數字化水平分級，生命周期的每個階段也可以作為獨立模塊進行水平分級（圖3）。研發、制造、物流、銷售、服務每個階段在“數字化能力”和“協同能力”2 個維度進行數字化水平分級（S1 至S5）。從S1 至S5 的每個級別與每個能力維度的能力要素相互對應。

圖3 系統能力維度水平分級

完成數字化轉型、具備智能制造能力最理想狀態是企業做好生命周期的每個單元的和橫向貫通與縱向集成，讓數據流貫通立方體模型的每個角落。但整車企業的數字化轉型不是一蹴而就的，是循序漸進的過程，企業可以根據自身特點，分模塊來進行轉型（圖4），無論哪個階段做好都可以形成一個獨立的數字化模塊。分別是數字化研發、數字化制造、數字化物流、數字化銷售、數字化服務。

圖4 整車企業的數字化模塊

在整車企業數字化轉型系統架構的模型中，包含了汽車行業的特點，體現了汽車企業的特色如圖5所示。正立面，由“數字化能力”和“生命周期”組成了“數字化生命周期”。側立面，“數字化能力”和“協同能力”組成“數字化工廠”。底面，“生命周期”和“協同能力”構成“傳統制造”，這里“傳統制造”只具備企業協同能力，還未達到供應鏈協同。傳統的制造逐漸具備數字化能力的過程就是數字化轉型過程。

圖5 數字化轉型系統架構的內涵

整體而言，側立面的數字化工廠作為車企制造過程的載體，在數字化生命周期的支撐下就構成了數字化企業。

4 整車企業數字化水平分級

按照“整車企業數字化轉型系統架構”模型的定義，汽車行業數字化水平分級原則是：生命周期的某個階段，具備某個協同能力，同時達到某個數字化能力。級別的劃分在概念上結合了“數字化能力”和“協同能力”中的能力要素概念。

如圖6所示，整車企業數字化水平分為儲備級、萌芽級、發展級、晉階級、生態級，即從S1至S5共5個級別。如圖6為企業的分級標準，其中的每個數字化模塊均有對應的分級標準，具體內容如下。

圖6 整車企業數字化水平分級

4.1 研發

4.1.1 研發-S1級

（1）應使用基礎CAD∕CAE 等研發軟件進行產品研發。

（2）應對整車和零部件的關鍵參數進行基本的性能分析和試驗數據分析。

（3）研發過程應該有相應的整車開發流程或者項目管理制度進行支持。

4.1.2 研發-S2級

（1）基于3 維模型實現整車和關鍵零部件的性能仿真、評價和預測分析。

（2）建立統一的EBOM、PBOM、MBOM、SBOM 產品數據管理體系，實現產品研發、工藝設計、生產制造和市場銷售系統協同。

（3）提供產品數據的統一管控和在線共享，打通多專業在線設計流程，實現跨部門、跨地域的產品在線協同開發，全面提升研發效率。

4.1.3 研發-S3級

（1）3維模型集成產品信息；能夠支持業務活動的跨部門協同，建立貫穿產品全生命周期的業務流程，實現跨學科、跨專業的高效并行研發，在整個過程中保證設計數據源的唯一性。

（2）建立虛擬樣機、虛擬裝配等數字化仿真能力，實現汽車產品性能仿真分析及優化。

（3）關鍵零部件的臺架實驗平臺實現實驗數據采集、實現驗證與迭代優化。

4.1.4 研發-S4級

（1）實現模塊化設計和平臺化設計，縮短開發周期，滿足電動化智能化網聯化的產品研發。

（2）建立車聯網平臺，采集和分析車輛數據，建立虛擬世界的數字孿生，指導和改善汽車產品研發。

（3）建立汽車軟件研發管理體系、逐步建立完整的汽車安全管理體系。

（4）集聚產業鏈上下游企業、客戶、社會潛在設計者等創新資源，驅動聯合創造、創新。

4.1.5 研發-S5級

（1）實現 C2B 個性化定制，C2B 平臺應打通產品生全周期。

（2）持續優化和迭代智能駕駛核心算法、建立端云一體化的汽車電子電氣架構，實現產品全生命周期的軟件更新。

（3）應將人員知識、技能和經驗進行數字化與軟件化。

（4）應對數據分析模型實時優化，實現基于模型的精準執行。

4.2 制造

4.2.1 制造-S1級

（1）應有工藝設計管理規范，并有效執行；包含：工藝文件體系管理、工藝數據∕文檔存檔管理、變更管理等。

（2）應基于生產計劃進行排產，形成詳細生產作業計劃并開展生產調度。

（3）建立標準化控制平臺和標準化數據接口及協議。

4.2.2 制造-S2級

（1）小型SCADA 系統應用，實現某工藝或設備的自動化閉環管控，構建產品的節拍、品質以及柔性化生產能力。

（2）在PLM 系統的支持下，對工藝以及生產數據進行結構化管理，實現工藝設計關鍵環節的仿真以及工藝設計的內部協同與集成。

（3）通過ERP∕MES等系統集成，能夠對工廠∕產線的數據進行實時采集與分析，形成制造運營透明可視能力。

（4）通過MES∕IOT 設備的集成，能夠構建設備的數字孿生，具備可視∕監控∕預警的能力。

4.2.3 制造-S3級

（1）實現計算機輔助3維工藝設計及仿真優化，建立單元級工藝優化模型，以及工藝設計與產品設計間的信息交互、并行協同。

（2）通過統一工廠數據模型，集成MES∕安燈∕設備∕能源∕質量∕排產等系統，形成工廠數字化執行能力，實現產品質量的快速與精準檢測。

（3）通過MPM∕CAX系統與ERP∕MOM等系統的集成，實現制造開發和制造運營系統的工程數據集成，具備數字模型驅動生產的能力。

（4）基于排產、加工、物流、質量等多種智能化應用的整合和打通，實現人、加工裝備、檢測裝備和物流倉儲系統的高效協作，構建智能產線∕車間，打破智能孤島和釋放協同效能，從而帶動整體效能提升。

4.2.4 制造-S4級

（1）應進行結構化工藝設計、同步工程分析、工藝仿真及優化，實現工藝設計與制造間的協同。

（2）應根據生產作業計劃，自動將生產指令、生產程序、運行參數下發到數字化設備；將工藝文件自動將下發到各制造單元。

（3）對制造過程產生的數據進行采集和動態監測、實時管控，實現生產作業數據的在線分析、產品質量的精準追溯。

（4）實現產線、物流、檢測、運維、決策等全場景有效整合，打造全流程集成的智能工廠，實現整個生產制造體系的智能化升級，全面提升制造系統的應變能力和柔性化水平，支撐大規模個性化定制等新模式應用。

4.2.5 制造-S5級

（1）建立完整的3維工藝數字化仿真模型，實現公司設計動態優化，完成生產全過程的數字化模擬，能夠基于知識庫實現工藝的實時在線優化。

（2）基于訂單的全柔性即時生產，訂單、生產、物流實時協同，支持訂單在線修改，訂單全流程透明化，用戶全過程參與產品制造。

（3）實現生產資源自組織、自優化,滿足柔性化、個性化生產的需求。

4.3 物流

4.3.1 物流-S1級

（1）應根據訂單計劃、物料需求和庫存等信息制定采購計劃，實現對采購訂單、采購合同和供應商等信息的管理。

（2）應基于生產計劃制定配送計劃,實現原材料、半成品等定時、定量配送。

（3）通過信息化手段管理物流過程，部分重點業務形成數據交互雛形，建立完整的數據流動網絡并且在日常業務中進行全鏈條內的關鍵業務數據記錄。

4.3.2 物流-S2級

（1）應通過信息系統制定物料需求計劃，生成采購計劃，并管理和追蹤采購執行全過程，管理原材料、半成品件、成品的出入庫管理。

（2）應建立倉儲管理系統,實現貨物庫位分配、出入庫和移庫等管理。

（3）應通過運輸管理系統實現訂單、運輸計劃、運力資源、調度等的管理。

4.3.3 物流-S3級

（1）基于中央物流調度系統，連接現場智能物流裝備，配備智能調度算法，聯動車間生產計劃，通過規劃最優物流路徑、最佳配送訂單計劃和動態任務調度，實現需求拉動的精準物料配送。

（2）應實現運輸配送關鍵節點信息跟蹤,并通過信息系統將信息反饋給客戶。實時掌握客戶需求變化，捕捉市場波動，預測營銷重點，將客戶需求自動轉化為內部需求，以便提供精準滿足客戶需求的產品或者服務。

（3）建立物流運營管理系統，板塊內主體業務間流程化運行，實現業務系統化、規范化。

4.3.4 物流-S4級

（1）公司級整體業務貫通，全部業務運營進行系統化線上操作，并具備完整的數據報表平臺進行關鍵業務數據的實時展示。

（2）依據實際生產狀態實時拉動物料配送、調整目標庫存水平。監控采購風險并及時預警,自動提供優化方案;實現庫存和路徑的優化，能夠進行趨勢預測，結合知識庫自動給出糾正和預防措施。

（3）基于業務現狀數據及過往歷史數據，建立模擬決策模型，實現基于模型的趨勢分析，給管理層提供決策依據。

4.3.5 物流-S5級

（1）打通產品全生命周期，實現供應鏈中合作伙伴之間的高效協同；并實現企業與供應鏈的集成優化,實現最優庫存或即時供貨；實現物、車、路、用戶的最佳方案自主匹配。

（2）實現無人機運輸、物聯網跟蹤。

（3）實現企業供應鏈間業務數據聯動，實時進行業務數據交互，實現C2B模式的供應鏈運營。

4.4 銷售

4.4.1 銷售-S1級

（1）應基于市場信息和銷售歷史數據,通過人工方式進行市場預測,制定銷售計劃。

（2）應對銷售訂單、銷售合同、分銷商、客戶等信息進行統計和管理。

4.4.2 銷售-S2級

（1）應通過信息系統編制銷售計劃，實現銷售計劃、訂單、銷售歷史數據的管理。

（2）應通過信息技術手段實現分銷商、客戶靜態信息和動態信息的管理。

4.4.3 銷售-S3級

（1）應根據數據模型進行市場預測，生成銷售計劃。

（2）應與采購、生產、物流等業務集成，實現客戶實際需求拉動采購、生產和物流計劃。

（3）將客戶需求自動轉化為內部需求，以便提供精準滿足客戶需求的產品或者服務。挖掘自媒體網絡價值，實現自動用戶積累。

4.4.4 銷售-S4級

（1）應通過對客戶信息的挖掘、分析，制定精準的銷售計劃。

（2）應綜合運用各種渠道，實現線上、線下協同，統一管理所有銷售方式。

（3）應根據客戶需求變化情況,動態調整設計、采購、生產、物流等方案。

4.4.5 銷售-S5

（1）實現滿足客戶需求的精準營銷,并挖掘客戶新的需求，促進產品創新。

（2）滿足銷售過程中客戶對產品使用場景及使用方式的虛擬體驗。

（3）應實現產品從接單、答復交期、生產、發貨到回款全過程自動管理的銷售模式。

4.5 服務

4.5.1 服務-S1級

（1）應制定產品∕客戶服務規范,并有效開展現場運維及遠程運維指導服務。

（2）應對產品故障信息及客戶服務信息進行統計，并反饋給設計、生產、銷售部門。

4.5.2 服務-S2級

（1）應建立包含客戶反饋渠道和服務滿意度評價制度的規范化服務體系,實現客戶服務閉環管理。

（2）應具有產品故障知識庫和維護方法知識庫,為服務人員提供現場運維和遠程運維操作指導。

（3）應通過信息技術手段對產品使用信息客戶服務信息進行統計,并反饋給相關部門。

4.5.3 服務-S3級

（1）保證整車產品應具有數據采集、存儲、網絡通信等功能。

（2）產品服務系統應具有產品運行信息管理、維修計劃和執行管理、維修物料及壽命管理等功能,并實現與設計、生產、銷售等系統的集成。

（3）應具有客戶服務信息數據庫及客戶服務知識庫,實現與客戶關系管理系統的集成。

（4）深度挖掘潛在需求，圍繞產品衍生出一系列增值服務項目，為客戶創造產品本身之外的價值。

4.5.4 服務-S4級

（1）保證整車產品應具有數據傳輸、故障預警、預測性維護等功能，實現智能化、網聯化。

（2）應提供遠程監測、故障預警、預測性維護等服務。

（3）應實現面向客戶的精細化管理，提供主動式客戶服務，滿足客戶需求的精準服務。

（4）實時采集和傳輸運行數據和報警等狀態信息，實現對產品狀態實時監控，并基于大數據建立故障診斷分析模型，對潛在故障進行遠程分析與排除。

4.5.5 服務-S5級

（1）應實現自然語言交互、智能客戶管理，并通過多維度的數據挖掘,進行自學習、自優化。

（2）遠程運維平臺應對裝備∕產品上傳的運行參數、維保、用戶使用等數據進行挖掘分析，并與產品全生命周期管理系統、產品研發管理系統集成，實現產品性能優化與創新。

（3）應實現整合跨區域、跨界服務資源,構建服務生態。

5 結束語

整車企業的數字化轉型系統架構還需要各企業在實踐中不斷的探索和研究，需要在此架構基礎上探索出一條適合整車企業發展數字化轉型、實現智能制造的技術路徑。制造業發展數字化轉型的最終目標是實現智能制造，下一研究目標是在《智能制造能力成熟度評估方法》的基礎上，制定符合汽車行業特點的評估方法。