数字技术驱动制造企业生产制造模式转型
2021-05-19 来源： 三思派
近年来，以物联网、大数据、云计算、人工智能、区块链、工业互联网为代表的数字技术加速渗透到制造业的各个环节，成为制造业转型升级的主要路径。无论从产业、企业、产品全生命周期哪个层面看，数字化改造过程都是由一系列相互关联的价值创造活动组成的链式集合，即数字技术应用场景始终跳不出研发设计、生产制造、营销服务、运营管理、规划决策等环节，并伴随应用的深化对这些环节产生深远影响，推动产业、企业及产品朝数字化、网络化、智能化方向发展。本文聚焦生产制造环节的数字化转型。
01
数字技术给制造企业
生产制造环节带来四大变革
随着先进制造技术与新一代信息技术的不断深度融合，制造业生产制造环节历经长期实践演化过程，涌现出精益制造、柔性制造、并行制造、敏捷制造、网络化制造、云制造等不同类型，但无论哪种类型的制造，都具备数字化、网络化和智能化三个最基本的特征。实践证明：数字技术与制造业融合带来的是一场制造范式的迁移，一代生产工具的革命，一种生产模式的变革，一次制造体系的重建，它引发了生产制造环节如下四大变革：
1、制造范式的迁移：从基于传统“试错法”的实体制造到基于CPS技术的虚拟制造
制造范式是在一定时期、特定技术条件下，对制造业价值观、方法论、发展模式和运行规律的认识框架。在工业时代，人们认识世界的传统方法是观察、试验、归纳、理论化，“试错法”是对这一方法论最好的阐释。而面对快速变化的市场环境，传统方法已无法满足竞争的需要，CPS（Cyber-Physical System），即“信息物理系统”，作为数字化转型的核心支撑技术，为制造业建立了一套虚拟制造空间和实物制造空间互动的闭环赋能体系，实现了物质生产运行规律的模型化、代码化、软件化，使制造过程在虚拟空间实现快速迭代和持续优化，推动制造范式从实体制造向虚拟制造迁移。
数字技术给制造业带来的重大变革是创造了一个新世界——虚拟制造空间。在生产制造环节，企业的工艺路线、设备布局和制造流程等都可以一一映射到虚拟生产环境中，基于三维设计和仿真工具，在虚拟制造空间构建起虚拟生产线、虚拟车间和虚拟工厂。伴随工厂生产设备数字孪生、生产工艺数字孪生的推广普及，无论在离散型制造行业还是流程型制造行业，都将实现实物生产过程与虚拟生产过程实时交互。虚拟制造的高效优化、零边际成本、灵活构架等优势，从根本上变革了制造资源的配置方式和效率。
2、生产工具的革命：传统能量转换工具向智能工具演变，传统装备升级为智能装备
数字化转型带来了制造业生产工具的革命，而生产工具的革命性演进又是实现智能制造的重要条件。伴随新一代信息技术的创新和应用，常规的机器人、机床、专业设备等传统装备正在升级为增材制造装备、智能机器人、智能机床、智能机械设备（自动吊装设备、自动分检设备等）等智能装备，传统能量转换工具通过加载了传感、通信、控制、计算处理等智能模块正在向智能工具演变。RFID、AGV、PLC等智能硬件工具大幅提高了体力劳动的工作效率；CAE、CAM、MES等智能软件工具则大大提高了脑力劳动的工作效率。
增材制造装备又称快速成型设备（3D打印机），是基于材料堆积原理设计的高新制造装备，是以三维模型数据为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，运用挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积而制造产品的生产设备。智能机器人是机械结构和软件高度耦合的集成化产品，具有感知、判断、行动能力，能够根据预设程序适应环境变化，进行自动学习、自我管理和自主决策。传统机床的数控系统也正在从专用走向通用，从封闭走向开放，使机床的使用方式、商业模式发生深刻变革。
3、生产模式的转变：从以人工为主的劳动密集型生产到基于设备互联的智能化生产
智能制造时代，工厂变得越来越少人化、无人化、自动化和智能化，生产设备均物物相连、自动运行，工厂的生产组织调度，原材料供应都可通过智能物流、智能生产来控制。人逐渐被互联互通的智能装备和智能生产系统所代替，机器换人和无人工厂成为制造业发展的典型趋势，生产模式也从以人工为主的劳动密集型生产转变为基于设备互联的智能化生产。
基于设备互联的智能化生产模式属于“工业4.0”的纵向集成，主要解决信息系统与物理设备之间的联通问题，目的是提升效率。纵向集成是针对制造企业内部IT和OT领域集成与融合来讲的，形成一个贯穿整个制造企业的技术架构，打通各层级的系统（如企业层的PLM、ERP、车间层的MES、控制层的SCADA、设备层的控制器、传感器等数字化设备或系统等），实现系统间的数据共享，从而提升企业的生产效率和灵活性。如果结合到企业生命周期和产品生命周期来理解，前者是从企业管理的角度来看的，后者是从生产的角度来理解的。
然而，目前大部分制造企业的管理系统都没有与制造系统集成，即职能管理与生产现场管理互相脱钩。当制造企业借助互联网实现设备和产品信息与管理层的经营系统相连接，即IT与OT的集成与融合（这是支撑智能制造的核心），对企业和产品的管控就会达到一个很高的效率，这也就是纵向集成所要达到的最佳状态。
4、制造系统的重建：从孤岛式集中式封闭制造体系走向网络化协同的开放制造体系
当今，制造业垂直分离和业务外包日益明显，传统的、垂直一体化的企业内部集成价值链已经开始转型，被分散于全球各地的专业化公司之间的协作价值网络所取代，制造系统的组织边界不断突破地域、组织、机制的界限，从单一制造工厂扩展到网络化制造联盟，生产也由集中式控制向分散式增强型控制转变。实践中，通过搭建企业间基于互联网的协同制造与供应链协作平台，集成各类业务系统，推动创新资源、生产能力、市场需求的跨企业集聚对接，实现生产过程中计划、选料、采购、工艺、制造和集成等环节的并行组织和协同优化。
基于企业互联的网络化协同制造模式属于“工业4.0”的横向集成，主要解决企业间的联通问题，目的是重构制造生态体系。横向集成代表的是企业间全产业链的集成，以供应链上下游合作为主线，通过价值链及信息网络的互联，推动企业间研产供销、经营管理与生产控制、业务与财务全流程的无缝衔接，实现不同企业间的信息共享和业务协同，推动制造业从孤岛式、集中式封闭制造体系向基于企业互联的网络化协同开放制造体系转变。
1、制造范式的迁移：从基于传统“试错法”的实体制造到基于CPS技术的虚拟制造
制造范式是在一定时期、特定技术条件下，对制造业价值观、方法论、发展模式和运行规律的认识框架。在工业时代，人们认识世界的传统方法是观察、试验、归纳、理论化，“试错法”是对这一方法论最好的阐释。而面对快速变化的市场环境，传统方法已无法满足竞争的需要，CPS（Cyber-Physical System），即“信息物理系统”，作为数字化转型的核心支撑技术，为制造业建立了一套虚拟制造空间和实物制造空间互动的闭环赋能体系，实现了物质生产运行规律的模型化、代码化、软件化，使制造过程在虚拟空间实现快速迭代和持续优化，推动制造范式从实体制造向虚拟制造迁移。
数字技术给制造业带来的重大变革是创造了一个新世界——虚拟制造空间。在生产制造环节，企业的工艺路线、设备布局和制造流程等都可以一一映射到虚拟生产环境中，基于三维设计和仿真工具，在虚拟制造空间构建起虚拟生产线、虚拟车间和虚拟工厂。伴随工厂生产设备数字孪生、生产工艺数字孪生的推广普及，无论在离散型制造行业还是流程型制造行业，都将实现实物生产过程与虚拟生产过程实时交互。虚拟制造的高效优化、零边际成本、灵活构架等优势，从根本上变革了制造资源的配置方式和效率。
2、生产工具的革命：传统能量转换工具向智能工具演变，传统装备升级为智能装备
数字化转型带来了制造业生产工具的革命，而生产工具的革命性演进又是实现智能制造的重要条件。伴随新一代信息技术的创新和应用，常规的机器人、机床、专业设备等传统装备正在升级为增材制造装备、智能机器人、智能机床、智能机械设备（自动吊装设备、自动分检设备等）等智能装备，传统能量转换工具通过加载了传感、通信、控制、计算处理等智能模块正在向智能工具演变。RFID、AGV、PLC等智能硬件工具大幅提高了体力劳动的工作效率；CAE、CAM、MES等智能软件工具则大大提高了脑力劳动的工作效率。
增材制造装备又称快速成型设备（3D打印机），是基于材料堆积原理设计的高新制造装备，是以三维模型数据为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，运用挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积而制造产品的生产设备。智能机器人是机械结构和软件高度耦合的集成化产品，具有感知、判断、行动能力，能够根据预设程序适应环境变化，进行自动学习、自我管理和自主决策。传统机床的数控系统也正在从专用走向通用，从封闭走向开放，使机床的使用方式、商业模式发生深刻变革。
3、生产模式的转变：从以人工为主的劳动密集型生产到基于设备互联的智能化生产
智能制造时代，工厂变得越来越少人化、无人化、自动化和智能化，生产设备均物物相连、自动运行，工厂的生产组织调度，原材料供应都可通过智能物流、智能生产来控制。人逐渐被互联互通的智能装备和智能生产系统所代替，机器换人和无人工厂成为制造业发展的典型趋势，生产模式也从以人工为主的劳动密集型生产转变为基于设备互联的智能化生产。
基于设备互联的智能化生产模式属于“工业4.0”的纵向集成，主要解决信息系统与物理设备之间的联通问题，目的是提升效率。纵向集成是针对制造企业内部IT和OT领域集成与融合来讲的，形成一个贯穿整个制造企业的技术架构，打通各层级的系统（如企业层的PLM、ERP、车间层的MES、控制层的SCADA、设备层的控制器、传感器等数字化设备或系统等），实现系统间的数据共享，从而提升企业的生产效率和灵活性。如果结合到企业生命周期和产品生命周期来理解，前者是从企业管理的角度来看的，后者是从生产的角度来理解的。
然而，目前大部分制造企业的管理系统都没有与制造系统集成，即职能管理与生产现场管理互相脱钩。当制造企业借助互联网实现设备和产品信息与管理层的经营系统相连接，即IT与OT的集成与融合（这是支撑智能制造的核心），对企业和产品的管控就会达到一个很高的效率，这也就是纵向集成所要达到的最佳状态。
4、制造系统的重建：从孤岛式集中式封闭制造体系走向网络化协同的开放制造体系
当今，制造业垂直分离和业务外包日益明显，传统的、垂直一体化的企业内部集成价值链已经开始转型，被分散于全球各地的专业化公司之间的协作价值网络所取代，制造系统的组织边界不断突破地域、组织、机制的界限，从单一制造工厂扩展到网络化制造联盟，生产也由集中式控制向分散式增强型控制转变。实践中，通过搭建企业间基于互联网的协同制造与供应链协作平台，集成各类业务系统，推动创新资源、生产能力、市场需求的跨企业集聚对接，实现生产过程中计划、选料、采购、工艺、制造和集成等环节的并行组织和协同优化。
基于企业互联的网络化协同制造模式属于“工业4.0”的横向集成，主要解决企业间的联通问题，目的是重构制造生态体系。横向集成代表的是企业间全产业链的集成，以供应链上下游合作为主线，通过价值链及信息网络的互联，推动企业间研产供销、经营管理与生产控制、业务与财务全流程的无缝衔接，实现不同企业间的信息共享和业务协同，推动制造业从孤岛式、集中式封闭制造体系向基于企业互联的网络化协同开放制造体系转变。
02
生产制造环节数字化转型典型案例
案例1：上海烟机5G智慧工厂——离散型制造案例
上海烟草机械有限责任公司（以下简称“上海烟机”）是全球仅有的三家制造超高速烟草包装机组的生产厂家之一。作为上海传统的机械制造企业，近年来在智能制造领域不断探索，致力于打造适合烟机的多品种、小批量生产模式的5G智慧工厂，实现从运输、上下料到加工、清洗、烘干、检测等各工艺环节的数字化生产。
上海烟机5G智慧工厂的建设方案主要由基于自然导航的人机协作移动机器人应用、基于5G的智能产线排产、支撑设备间协作的5G柔性产线控制系统，以及基于5G的实时调度与路径规划系统等构成。该方案利用5G网络抗干扰、低时延、大带宽的优势，打通了MES系统与车间AGV机器人的实时通讯，实现了对现场物料的智能调度，完成了对生产线的远程精准管控。借助数字孪生系统，将远程设备的运行状态、参数、传感器数据及现场监控视频等实时传输至监控中心可视化呈现，实现对智慧工厂生产线的集中管控，故障定位、报警和预测性维护。
上海烟草机械有限责任公司（以下简称“上海烟机”）是全球仅有的三家制造超高速烟草包装机组的生产厂家之一。作为上海传统的机械制造企业，近年来在智能制造领域不断探索，致力于打造适合烟机的多品种、小批量生产模式的5G智慧工厂，实现从运输、上下料到加工、清洗、烘干、检测等各工艺环节的数字化生产。
上海烟机5G智慧工厂的建设方案主要由基于自然导航的人机协作移动机器人应用、基于5G的智能产线排产、支撑设备间协作的5G柔性产线控制系统，以及基于5G的实时调度与路径规划系统等构成。该方案利用5G网络抗干扰、低时延、大带宽的优势，打通了MES系统与车间AGV机器人的实时通讯，实现了对现场物料的智能调度，完成了对生产线的远程精准管控。借助数字孪生系统，将远程设备的运行状态、参数、传感器数据及现场监控视频等实时传输至监控中心可视化呈现，实现对智慧工厂生产线的集中管控，故障定位、报警和预测性维护。
上海烟机智慧工厂总体架构图
案例小结：上海烟机5G智慧工厂将5G通讯、大数据、云计算、边缘计算、数字孪生、增强现实等数字技术融入传统制造业生产环节，推动企业降本增效。通过将所有生产步骤程序化，提高了操作的规范性，现场生产的安全性，并逐步形成可复制、可扩展、可推广的离散型智能制造解决方案。由本案例可见：离散制造型企业的产能主要取决于生产要素配置的合理性，因此，这类企业通过数字化转型来提升竞争力更具潜力。
案例2：中国宝武热轧智能工厂——流程型制造案例
中国宝武钢铁集团有限公司（以下简称“中国宝武”）作为中国钢铁工业的引领者，产能规模位居中国第一，在长期的数字化实践中形成了对钢铁智造过程的深刻理解与深化应用，并选择钢铁制造核心环节——热轧工厂（1580mm热轧车间）,建设智能工厂示范，攻克了一批智能制造关键技术。
中国宝武热轧智能工厂的建设目标在作业无人化、全面在线检测、过程控制系统、设备状态监控与诊断、产线能效优化、质量一贯管控、一体化协同计划、可视化虚拟工厂八个核心领域展开，围绕智能感知探测、预测预警前瞻应变、管控智能化、知识自动化、业务协同化、多目标优化等方面建立涵盖制造全过程的智能化应用，提高生产线制造稳定性和灵活性，降低制造成本，提升生产效率，建设高度自动化、数字透明、全局优化、预知预测的国际领先的轧钢智能制造工厂。
中国宝武热轧智能工厂的解决方案整体上由物联感知、远程监控、智能优化及虚拟制造四个层次构成。系统底层为物联感知层，主要负责数据采集、存储，同时搭建大数据平台，汇集应用软件和工具集。远程监控层是可视化核心层，依托已建成的数字化车间，搭建智能可视化系统。智能优化层能够提供各类生产模型和算法。虚拟制造层涉及数字化车间3D建模、车间工程数字化、可预测性制造、工艺模型优化、智能运营与辅助决策以及移动应用和远程运维等软件系统的使用。
中国宝武热轧智能工厂解决方案
案例小结：中国宝武利用物联网、云计算、大数据等数字技术，打造实时互联、柔性制造、高效协同、价值共享的钢铁轧制智能工厂，重点在机器人应用、多工序的关联优化模型、产线绿色运行、智能供应链、生产全程集中可视、关键设备状态监控及预测性维护等多个制造环节展开智造实践，为流程型生产的数字化、智能化升级提供了可借鉴的路径。由本案例可见：流程制造型企业以提质增效为目标，重点聚焦生产过程优化，关注智能设备群、产线、车间等工业现场，通过对生产数据的实时分析与反馈来对整个生产过程进行优化。
案例3：中国商飞网络化协同制造模式
中国商用飞机有限责任公司（以下简称“中国商飞”）是我国实施国家大型飞机重大专项中大型客机项目的主体，也是统筹干线飞机和支线飞机发展，实现我国民用飞机产业化的主要载体。中国商飞的C919大型客机网络化协同制造示范项目，通过打造产品数据源体系，持续开展各研制成员单位间的协同产品定义与工艺设计，打通车间现场管控的信息壁垒，建成以自动化、数字化、智能化制造及管理为特征的智能制造工厂。
大型客机研制是一个多领域迭代耦合过程，由于具有研制信息量大、结构设计复杂、安全性能要求高、制造工艺难度大等特点，其研制需要众多设计制造企业紧密合作、共同完成。中国商飞研制C919大型客机，通过搭建基于企业互联的网络化协同制造平台，实现了10家机体结构主制造商、16家材料供应商、54家标准件供应商、24家机载设备与系统供应商，以及其他200多家国内企业、20多所高校的跨领域多主体全球化协同创新。该平台基于CPS系统打造全机电子样机虚拟现实环境，形成数字化预装配，减少了生产制造阶段出现的问题，实现设计和制造并行。另外，平台以工业互联网作为支撑，构建包含总体气动、结构强度、航电、飞控、液压环控、电气、动力燃油、飞行试验等各专业的协同制造体系，形成总装制造与部件系统供应商的设计制造一体化，实现大飞机制造高度复杂的全球化协作生产。
C919供应商分布
案例小结：中国商飞借助C919大型客机智能制造项目在虚拟仿真、大数据分析、物联网、敏捷制造、智能云服务等方面展开了深入研究与运用，实现了制造过程的网络化、数字化、智能化。同时，形成了一套“主制造商-供应商”模式下的并行协同制造技术与管理方法，推动我国航空制造业向创新驱动转型。由本案例可见：除了研发阶段的协同设计之外，网络化协同制造的核心还包括生产环节的并行制造，其对应于横向集成，是企业进入综合集成阶段的重要标志。随着数字技术的发展，网络化协同制造演变为借助工业互联网平台，发展企业间协同研制、众包、供应链协作等新模式，以此有效降低主制造商风险，大幅延伸资源利用范围，加速从单打独斗向产业协同转变，促进产业整体竞争力的提升。
作者：齐莹菲，博士，工作单位为上海产业技术研究院。本文为2020年上海市科委软科学课题《数字技术驱动传统产业转型的关键问题与对策研究—聚焦制造业》的部分成果。
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