面向智慧工厂的卷烟企业实证分析

虞文进 ，黎 勇，徐元根，王 军

YU Wen-jin1 , LI Yong1 , XU Yuan-gen1, WANG Jun2

（1.浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂，宁波 315040；2.北京航空航天大学 经济管理学院，北京 100191）

0 引言

我国制造业在全球的比例约为20%，拥有世界最完整的供应链条，是世界上唯一拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家，形成了“门类齐全、独立完整”的工业体系。其中，水泥、发电设备、手机、计算机、彩电占全球产量的50%以上，有220多种产量居世界第一。我国是名符其实的制造大国，但存在“大而不强”的现象。在本轮以智能制造为核心的工业革命中，我国制造业必须直面差距，迎头赶上，为此我国提出了《中国制造 2025》行动战略。智能制造涵盖以智能互联为特征的智能产品、以智慧工厂（Smart Factory）为载体的智能生产、以信息物理融合系统（CPS，Cyber-Physical System）为关键的智能管理以及以实时在线为特征的智能服务。可见智慧工厂是实现智能制造的基础及关键[1]。

工厂的信息化发展沿着自动化、数字化、网络化、智慧化的方向[2]。研究智慧工厂的模型，分析其与各行业当前发展水平的差距，并给出一条迈向智慧工厂的可实现的路线图，是整个制造业面临的现实问题，也是烟草行业的紧迫课题。

1 智慧工厂的相关研究

CPS系统是智慧工厂的关键技术，也是学术界关注的重点[3,4]。2006年美国国家基金会（NSF）科学家Helen Gill提出了CPS的概念，目的是将控制技术融入互联网。2008年美国加利福利亚大学的Edward A.Lee教授在其技术报告《信息物理系统：设计挑战》中指出：“CPS是计算过程和物理过程的集成系统，利用嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制，并通过反馈环实现计算过程和物理过程的相互影响”。2011年Karl Henrik Johansson指出：从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计算和通信的核，以及物理环境中的结构所监测和控制。

在产业界，2008年国际金融危机后，以SMAC为代表的新一代信息技术的高速发展及与工业融合，引发了国际社会对第四工业革命、工业互联网、数字化制造等一系列发展理念和发展模式的广泛讨论和思考。美国、欧盟、日本、韩国等纷纷制订了一系列规划和行动计划，实施制造业回归战略。2009年，美国罗克韦尔自动化有限公司CEO奇思·诺斯布希最早提出“智慧工厂”的概念，其核心是工业化和信息化的高度融合。2010年德国的专家和教授基于制造立国和制造强国的理念，把CPS运用于生产制造，提出了CPPS，即信息物理生产系统，其核心是智慧工厂。2011年德国汉诺威工业博览会上，德国相关协会提出工业4.0的初步概念。随后不断完善及发展，于2013年正式公开发布，并成为德国的一项国家战略[5]。

我国也将智慧工厂作为精益工厂之后的发展与升级的方向。中科院沈阳自动化所提出了泛在信息化智慧制造体系。中科院北京自动化所开展工业与智能关键技术研究。中科院软件所在实时数据处理与智能化方面长期跟踪国外先进水平。科技自动化联盟在国内率先开展相关研究，提出了智慧工厂1.0的架构模型[6]。我国政府也大力发展制造业，并于2015年5月发布了《中国制造2025》，引发全社会对互联网+、智能制造，以及智慧工厂的讨论与建设热潮。

2 智慧工厂模型构建

2.1 智慧工厂概述

智慧工厂不是单纯的技术命题，而是精益思想、约束理论为基础，面向互联网时代个性化产品的需求特点，以新一代信息技术与传统生产活动相融合，重塑生产经营模式的过程，其目标是在满足人机和谐、环境友好的基础实现卓越化的定制生产。智慧工厂的价值体现在六个智慧价值网络的融合及网络效应，通过五大集成融合，将四项智慧元素有机协同起来，按照三个维度开展业务活动（本文简称“三四五五六体系”）。

2.2 业务视角——智慧工厂的三个维度

美国ARC总结了以制造为中心的数字制造、以设计为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造，并考虑了原材料和能源供应和产品的销售供应，提出用工程技术、生产制造和供应链这三个维度来描述工厂的全部活动。智慧工厂在此基础上得到实时数据的支持，能够实时下达指令指导这些活动，并且为实现全面的优化，能在这三个维度之间进行交互。

图1 智慧工厂的三个维度

2.3 资源视角——智慧工厂的四个智慧元素

制造业的本质是将生产资源，通过有价值的劳动和加工，形成更有价值的产品的过程。构建智慧工厂的首要任务是实现生产资源的智慧化。

智慧的人员：包括客户、外部智力资源和企业员工。可以通过三个层次的智慧改进而实现：即人的智慧装备、人机接口和虚拟现实。

智慧的物料：即生产过程中物料本身、存储环境，以及传送到生产现场的过程实现智慧化。物料要实现与生产设备及人员之间的准确配合与自主通讯。

智慧的产品：产品是智慧制造的中心，它与所有的生产设备和生产资料都相关，通过它来组织生产。产品本身的生产进程信息被收集，与生产设备与生产环境进行交互，传递生产指令，直到生产结束。智慧产品在售后服务中还起关键的中介作用。

智慧的设备：智慧设备是生产过程的基本单元，它应该具备感知、分析、推理、决策、控制功能。

2.4 集成视角——智慧工厂的五个融合

智慧工厂要将单独的生产过程整合起来，形成有机的整体。整合过程是实现价值流动、价值增值的关键环节。

供应链集成：是指将制造过程的不同阶段，包括原料、采购、生产、售后等集成起来。供应链集成也实现了不同阶段和不同生产网络通过工作流及资源协同起来，支持高效率的生产。

纵向管控集成：纵向管控集成是通过技术手段，实现企业的全面控制，即从经营管理到工业现场，实现计划指令的下行，现场实绩到运营统计的上行信息畅通。纵向管控集成是实现面向市场快速响应及个性化生产的关键。

价值链集成：是指从设计、规划、生产、售后技术支持等多环节价值链的集成。价值链集成以产品技术描述为核心，以产品工程为主线，是实现全生产要素按个性化定制进行有序配置的关键。

客户资源集成：将客户与研发、生产、维护集成起来，使其深度参与制造的全过程中，改以往的串行模式为并行模式，支持个性化定制及客户的卓越体验。

智力资源集成：互联网的去中心化和扁平化，使得企业能够实现与全世界范围内的智力资源进行协作。智慧工厂采用技术手段，整合及甄选网络中的优秀智力资源，采用外包、众包、分包等模式，实现智慧创造。

图2 智慧工厂的五个融合

2.5 技术视角——智慧工厂的五个层次

图3 智慧工厂的技术架构

智慧工厂的构建，是新一代信息技术与生产过程的高度融合的产物。从技术角度看，可以分为：智慧元素层、全互联网络层、计算平台层、数据分析与处理层、服务化网络应用层[7]。另外，必须有运维支持及安全保障体系为支撑。

从信息化演进的角度来看，从传统的数字化时代向智慧化迈进的过程中，大数据、物联网技术对智慧工厂的贡献是革命性的。

2.6 智慧视角——智慧工厂的六大智慧网络

智慧工厂将构建六个价值网络，并通过价值网络之间的协作实现各类业务活动及价值倍增。包括：智慧客户网络、智慧智力网络、智慧供应网络、智慧生产网络、智慧物流网络和智慧服务网络。这六大网络是以客户网络为核心的，反映智慧工厂是以客户为中心，而非传统的以产品为中心[8]。

图4 智慧工厂的六大智慧网络

3 卷烟工厂的实证分析

3.1 数字化卷烟工厂体系

在烟草工业的生产体系中，卷烟工厂是一个执行单元，接收省级工业公司“四个中心”对生产提出的要求，建立统一生产指挥平台，建立“按订单组织生产”的管控模式，安全生产，稳定产品质量，降低制造成本，提升“制造力”水平[9]。

烟草企业较早开展信息化建设，并将信息化上升到行业战略高度。十二五期间，行业开展创建优秀卷烟工厂的专题活动。其中工厂信息化专题进行了行业信息水平的全面调研。专题分析得出：卷烟数字工厂的建设可以归纳为基础设施数字化、过程数字化、生产管理数字化和分析数字化四个层次[10]。

图5 数字化卷烟工厂体系

实现基础实施数字化：园区的智能化、数字化建设是卷烟厂的基本要求，包括闭路监控系统、智能化会议系统、安全防范系统、一卡通系统和楼宇自控系统等弱电平台。以及计算机主机平台、网络平台、数据库等所组成的信息平台。

实现生产过程数字化：制丝、动力、卷包、物流车间建立集控系统，基本实现的生产过程数字化控制。通过集控系统，一方面稳定生产过程中各类工艺参数及设备参数，另一方面，为管理系统提供人、机、料、法、环的实时工况。

实现工厂管理数字化：卷烟工厂主要业务管理包括生产、质量、成本、安全及团队建设，通过实施以生产执行系统（MES）为核心的业务管理系统，实现工厂管理业务的流程化、协同化。企业管理将经验型向规范化转变，事后管理向事中、事前管理转变，提升管理效率。

实现决策支持数字化：随着业务管理统的建立，基于业务数据开展数据分析应用，生成的各级指标提供给管理者做经营决策，实现决策支持数字化。

3.2 数字化建设成效分析

烟草行业明确提出了“信息化企业，智能化工厂”的信息化建设目标，相对国内其他制造业来说信息化起步较早，起点较高，目标导向明确。

图6所示的基础数字化部分，网络覆盖率低于85%的工厂只占到总数的1%，有69%的工厂实现了100%的全覆盖。

图6 基础数字化网络覆盖率

图7表示过程数字化层面，制丝、卷包、动力三大车间的自动化水平较高，平均值超过70%，而制丝车间更是达到90%以上。物流自动化相对来说发展较慢，但成品和辅料自动化立库也达到了50%左右。

图7 过程数字化关键应用占比

图8表示管理数字化层各核心应用占比情况。其中办公自动化（OA）覆盖达到90%以上，企业资源计划（ERP）达到了70%以上。MES为作为工厂的核心应用，应用率也超过50%。设备运维也达到40%以上，这与设备密集型行业特性高度相关。

图8 管理数字化关键应用占比

图9表示决策分析数字化的应用情况。可以得出，综合数据分析应用较好，但未能超过40%，而综合型决策支持，领导决策平台等代表全局性的分析优化平台，占比甚至未能超过5%。

图9 决策分析数字化应用占比

在上述决策分析应用深度来看，高级水平的占比为0%，而低级水平占比为58%，可见数据分析大多还停留在数字报表的层面。

图10 决策分析数字化应用深度分析

3.3 智慧化差距分析

可以得出，卷烟工厂基本实现了自动化、数字化，但对照智慧工厂的模型，还存在很多薄弱环节和亟需突破的瓶颈。

1）全面感知系统不完善。生产资源（人、机、料、产品、基础设施）的自动化感知还不完善，无法进行进一步统计和分析应用，无法满足智慧工厂的信息要求。

2）互通互联尚未彻底实现。卷烟厂与中烟公司、设计与生产、管理与控制之间，虽然存在着多个集成接口，但只限于有限的业务信息交互为主，智慧工厂意义上的融合、信息平滑流动还没有实现。

3）智能应用水平较低。数据收集不全面、不统一、不实时，造成企业对数据的智能化分析和处理不够。对于已经有的数据，也存在着数据分析建设滞后、对海量大数据不能充分使用等问题。

4）广泛适用的智能化模式及人机应用尚不完善。目前，部分企业实施的生产仿真、优化调度、3D人机可视化等智慧应用，都是零星的、区域性的，还未达到整体化的智能生产管理水平。

同时，也要看到，卷烟工厂的硬件条件和技术储备、人才培养在我国制造业中处于领先水平，在自动化、数字化系统运用方面也有很多成熟的经验，特别是烟草行业全国一体化的整体架构，顺畅有效的指令和信息传递系统等，都构成了建设智慧工厂的坚实基础。

3.4 向智慧演进的方向

烟草行业信息化会议指出，重点工程是引领信息化建设及抓手。对照当前不足，基于智慧工厂模型明确信息化建设任务，按照价值输出组合形成从数字化迈向智慧化“重点工程”。

图11 从数字化迈向智慧化的重点工程

透明化工程：全面审视工厂物联网建设的情况，在基础及协议层面实现资源状态的信息可采集，信息在全厂无缝流动及可视，实现生产资源的智慧化改造。

大数据化工程：数据在全厂的产生、流动，信息红利产生。基于大数据平台优化“微循环”和决策支持

客户中心化工程：客户、员工、社会资源在智慧工厂的融合程度，建立客户关怀及服务体系。

产品中心化工程：全面审视个性化产品的支持力度，改造系统的集成方式，支持系统的APP化改造及按需调用，支持柔性化生产模式的转变。

4 结束语

我国工业的发展现状是多元化的，从工业2.0的水平、工业3.0的水平，一直到正在迈向工业4.0的水平都存在着。智慧工厂是继数字化、精益化之后工厂的发展模式，是智能制造的基础与关键技术之一。在向智慧工厂迈进的过程中，学习工业发达国家的发展规划、策略和路线，固然是很好的借鉴，但更为重要的应该是我们必须审视国内工业现状全局，找到符合实际情况的突破口。卷烟工厂的信息化水平较高，基本完成了数字化工厂的建设，未来将重点加强一是自底向上的智慧化改造，形成大数据驱动下的企业管理优化机制；二是加强现有业务系统按照智慧工厂的五个集成做好融合。

智慧工厂的学术及理论研究还不深入，特别是能够指导企业建设的应用研究不多见。本文总结提出的智慧工厂“三四五-五六框架体系”，从不同角度给出一个智慧工厂的现实描述，对制造业两化深度融合的推进具有现实的意义。

[1]彭瑜.智能工厂、数字化工厂及中国制造[J].自动化博览,2015(1):28-31.

[2]姜红德.智慧工厂:智能制造路径探索[J].中国信息化,2015(2):42-44.

[3]崔晓文.境外智慧工厂发展研究[J].竞争情报,2014(3):38-49.

[4]黎作鹏,张天驰,张菁.信息物理融合系统(CPS)研究综述[J].计算机科学,2011(9):25-31.

[5]Kagermann H,Wahlster W,Helbig J.Securing the future of German manufacturing industry——Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0[A].Final report of the Industrie 4.0 Working Group[C].2013.

[6]王健.智慧工厂1.0是基于中国制造现实提出的转型理念[J].世界科学,2014(6):17-20.

[7]杨青峰.云计算时代关键技术预测与战略选择[J].中国科学院院刊,2015(2):161-169.

[8]杨青峰.智慧的维度:工业4.0时代的智慧制造[M].北京:电子工业出版社,2015.

[9]郭如军,罗应龙,王军.面向精细化管理的卷烟企业制造执行系统(MES)的应用[J].烟草科技,2008(6):29-32.

[10]虞文进,黎勇,王文娟,徐培富,张成挺.卷烟工厂信息化建设体系设计[J].工业控制计算机,2014(3):159-161.