新一代智能制造的架構設計與實施研究

王朝峰 林江海

（山東省機械設計研究院，濟南 250031）

面對科技發展新趨勢，在新一輪科技革命和產業變革的浪潮中，世界主要國家和先進地區紛紛將數字化、網絡化以及智能化作為制造業變革的核心，加速推進生產要素、資源要素、技術要素與制造業的融合。我國是制造大國，應把發展智能制造確定為建設制造強國的主攻方向。發展智能制造不僅是我國產業轉型升級的突破口，也是重塑制造業競爭優勢的新引擎，確定了先進制造業的發展方向[1]。

文獻資料證明[2]，以信息物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）為支撐的全球新商業模型已經面世。新商業模型是以信息物理系統為核心基礎，將現代企業的智能設備、倉儲系統、制造設備等要素通過工業互聯網融合成為智能工廠。第四次工業革命基于智能工廠實現信息的自動交換、活動發起和控制的獨立執行[3-4]，開辟了生產制造領域新的商業模式，如圖1所示。

圖1 智能工廠概念圖

1 智能制造的愿景

智能制造以新一代信息技術為基礎，深度融合新能源、新材料、新工藝，貫穿于產品、制造、服務全生命周期的各個環節[5]，以及相應系統的優化集成，實現制造的數字化、網絡化、智能化，不斷提升企業的產品質量、效益、服務水平，推動制造業創新、綠色、協調、開放、共享發展。智能制造聚焦創造智能產品、智能工藝、智能程序，核心愿景是物聯網服務互聯網絡，并將人、物、設備普遍互聯，實現產品、物流設備、工具共享協作，以創造更加柔性的生產工藝。智能制造模式的本質是數字化虛擬模型和實體生產的相互滲透，實現了物理世界和虛擬世界的互聯。

智能制造的主要特征是水平、垂直和數字化的完全集成，如圖2所示。新的制造方法催生了新的商業模式，關鍵領域實施標準化可方便不同企業之間互聯互通。例如，開發和應用新的模型和方法實現復雜系統的管理，規劃實施綜合的基礎設施（高質量的信息網絡，網絡連接）、工作組織和設計（轉變員工角色，更多參與其中，進步更快，樹立終身學習理念）、法律體系（法律體系協調）以及資源的有效利用（盡可能節約能源和原材料）。企業決策者正確理解新一代智能制造及其在現實中如何實施非常重要。通過探尋一個能夠支持企業發展的合理模型，建立適合企業個性化的智能制造愿景和實施路徑。智能制造的概念需要結合特定領域的特定工廠，探明生產活動所屬領域，并做好智能制造整體實施規劃。

圖2 新型智能制造模式

水平集成指的是用于產品的不同信息系統集成生產計劃和業務流程，如圖3所示。這些系統包括原材料交換系統、企業內部系統（如內部物流、生產、分銷等）以及不同企業之間的系統。集成的主要目的是在整個網絡中傳遞產品生命周期信息，從供應商到銷售客戶[6]。信息輸出集成對供應商來說非常有意義，可使供應商及時了解庫存狀態，以便更好地計劃和組織原材料的準備和交付。目前，客戶需要與生產商密切聯系，以便及時確定其產品的生產狀態。水平系統集成確保了客戶可以監控其訂購的產品（計算機可以顯示已經完成的內容，前提是智能產品可以感知一切）。如果出現意外，客戶可以及時介入，確定解決問題的措施。

圖3 水平集成示意圖

垂直集成是指不同層次信息系統的集成，以實現從控制金字塔底部到頂部的信息交互，反之亦然。通過在生產的每一個工位使用傳感器并連接所有的生產工序，生產者檢查質量并減少浪費。通過金字塔管控模型不斷交換信息，使合格的員工能夠發現潛在的問題。在整個過程中，連接到通信網絡的機器能夠獲取信息，并通知操作員機器的狀態和運行過程。全面數字化工程使產品開發全過程的數據收集和交換成為可能，從而減少了大量產品生命周期中計算數據的轉換時間。這種方式已經儲備了相應的生產信息，能夠減少未來產品生產的時間。早期被應用的數據如產品開發文檔、生產計劃和模擬等，可以被用來更快速地創建文檔。綜上所述，智能管理算法變得尤為重要。智能管理依賴于物聯網、信息服務和智能產品，如圖4所示。通過采用新型信息物理系統和通信技術，智能生產過程管理將變得更加透明。

圖4 企業內部管理的垂直集成

2 智能制造實施研究

智能制造是多學科和多要素深度融合的復雜系統工程，既有科學理論層次上的問題，又有技術方法層次上的問題，同時要把這些科學理論和技術方法應用于工程實踐。因此，必須在系統工程思想的指導下，通過科學合理的工程管理，把科學技術創新、組織管理創新和體制機制創新有機融合起來，實現綜合集成創新，以達到預設的目標。

智能制造系統是解決產品研發、制造、物流、企業管理等全生命周期的各種控制、優化和管理系統，以及基于智能裝備（工業機器人等）的系統集成。借助互聯網產品和移動應用產品的技術架構和開發模式，重點解決制造業現場管理中有關進度采集與監控、品質管理、現場物流驅動以及生產過程防錯等業務需求，實現車間現場人員、設備、物料、任務等各個方面的有機整合，從而實現制造業的智能化。

針對制造行業智能制造項目的實施，研究一套基于智能制造應用標準和互聯網+應用場景下的先進實施方法體系，融合傳統實施方法論中保障項目成功實施的所有基本要素，填充互聯網應用的新興技術、方法和手段，更加適合智能工廠項目的實施管理。結合項目實施經驗，研究開發智能工廠實施策略、方法、工具和模板，優化在實施過程中對時間、質量和資源的有效使用等，形成了智能制造項目的實施方法論。

2.1 實施總體規劃

智能制造系統工程是一項長期、艱巨以及復雜的系統工程，必須按照“總體規劃、分步實施、重點突破以及滾動推進”的原則進行規劃[3]。智能制造是“一把手”工程，將其納入企業的長期發展戰略，是5～10年的企業發展愿景。實施總體規劃路線圖如圖5所示。

圖5 總體路線規劃圖

2.2 實施路線

目前，大部分企業實現了基于軟件功能的信息化，少數企業只實現了跨業務信息集成，即僅達到數字化工廠的水平。少數企業能夠實現有效的人機交互，具備智能化的特征和功能，即達到了智能工廠的初級水平?？梢?，智能工廠并非一蹴而就，需要從企業的核心需求出發，從生產環節的痛點入手，實現企業的提質增效。實施路線如圖6所示。

2.2.1 調研與評估

調研與評估階段主要完成團隊組建，明確項目組織及崗位職責，完成客戶需求匹配度分析和項目實施的主計劃及預算，同時需明確實施智能工廠的背景、目的與意義。

2.2.2 方案設計

制定智能工廠項目調研計劃，發放調研問卷，生產調研報告，形成詳細需求清單，并在此基礎上形成智能工廠項目系統環境的部署方案，進而形成設計方案及原型，經評審評審、確認后，進行基礎測試工作，對關鍵用戶開展培訓指導，作為下一步系統上線應用的主要依據。

2.2.3 系統構建

先界定系統的主體功能和需求，對各個功能需求進行一個籠統的描述和定義，為系統建設提供業務依據和方向，開展實施對象環境規劃與部署。實施后，采用真實業務數據，通過全面模擬客戶真實的業務環境，對系統進行全面驗證。系統模擬演練是系統順利上線的關鍵環節，保證模擬演練效果的關鍵是完善模擬演練方案。

2.2.4 上線運行

通過上線前的知識轉移活動，使客戶的上線運行支持體系具備足夠的能力。在上線準備階段和正式上線運行后，依據上線運行支持體系處理各項突然事件和上線后出現的問題，保障系統正常運轉。

2.2.5 項目總結

針對離散型制造企業企業多品種和小批量的制造方式，在充分調研與評估的基礎上，設計離散型智能制造總體方案并分步實施。

3 結語

智能制造代表了先進制造業的發展方向，是我國制造業轉型升級的必由之路，主要特征是實現水平、垂直和數字化的全集成。智能制造是多學科和多要素深度融合的復雜系統工程。針對制造行業智能制造項目的實施，研究提出了一套基于智能制造應用標準和互聯網+應用場景下的先進實施方法體系，既融合了傳統實施方法論中保障項目成功實施的所有基本要素，又填充了互聯網應用的新興技術、方法和手段，更加適合智能工廠項目的實施管理。制造工廠成功實施新制造模式后，生產成本將變得可控，并能夠提高經濟效益。