基于“工业4.0”的大规模个性化生产模式研究

何玉安，夏明火

（上海第二工业大学 智能制造与控制工程学院，上海 200041）

0 引言

第一次工业革命以后，制造业成为了一个国家发展的根基。在全球化虚拟市场和体验型经济的推动下，消费者对产品的选择更加多样化，他们不再满足于企业提供的单一化产品，而更加希望得到能够在功能和外观上满足自身需求的产品。为了占据市场主导地位，很多企业都在积极探索解决方案，将竞争核心转变为对产品的个性化生产和“一站式”服务上。

下一个生产模式将会是什么？根据文献和市场调查显示，对于这一个问题并没有一个准确的定义。但是越来越多的企业案例的成功表明下一个生产模式将会是大规模个性化生产（mass personalization production,MPP）。大规模个性化生产是严格按照客户的需求，在产品或服务生命周期内向客户提供达到自身需求的独一无二的产品，实现真正意义上的产品定制[1]。由于大规模个性化生产在运作机理和所需条件和大规模定制生产有显著的差异，因此大规模定制的制造系统和管理系统所具备的生产能力并不能满足大规模个性化生产的条件需求。本文提出了基于“工业4.0”的大规模个性化生产框架，并通过一个自行车大规模个性化生产实验室案例进行详细说明。

1 大规模个性化生产模式

每一次工业革命都给制造业带来巨大的改变，生产模式从机器投入使用的手工生产到自动化流水线投入使用的大规模生产，到可重构制造系统下的大规模定制生产，再到按需制造的大规模个性化生产[2]，同时经济和社会资源也发生了巨大的改变。

图1 生产模式变迁演化历程[3]

在单台机器投入制造的手工生产模式下，产品呈现品种少、低产量、高成本和耗时长等特点。手工生产模式的特征是以熟练工匠为主的小批量生产或单件生产。

第二次工业革命自动化流水生产线在工厂的投入使用，使制造业发生了颠覆性的变化，产品的大规模生产使得产品的成本大大降低和生产效率显著提高，推动了社会的迅速发展。但是这种一个工人对应一个工序按级生产模式下，产品种类变得单一，生产重复性程度较高，产品在生产过程中造成极大浪费。丰田公司在以大规模生产模式为基础下以及时制造思想为核心打造的精益生产模式，有效的解决了大规模生产模式的库存和浪费等问题。

随着计算机与信息技术和生产制造技术的不断发展，计算机与信息技术不断地融入到工业生产中。生产组织与管理技术和先进设计与制造技术的结合，实现了产品的模块化设计和零部件的标准化。客户通过自由选择定制平台中的产品零件变体组合形成最适合自己的产品类型，制造商根据客户的选择，安排已经完成生产的产品零件变体进行装配，生产客户定制的产品。该种生产模式被称作大规模定制，其特征是：以客户需求为导向；以现代信息技术和柔性制造技术为支持；以模块化设计和零部件标准化为基础；以敏捷为标志；以竞争合作的供应链管理为手段[4]。大规模定制本质是通过细分化市场生产大量的模块化零件进行选择搭配形成个性化程度较高的定制产品，零件采用大量生产的方式，生产成本较低，较好的满足顾客的定制需求。

在大规模定制生产下，虽然制造商提供了很多可自由组合的零件模块供客户选择，但客户仍然无法完全按照自身的意愿来获得只属于自己的特有产品，并且高多样性的重组模块给装配系统的稳定带来了很大的挑战，很大程度的影响了系统的性能。

Ashok Kumar[5]认为随着信息技术和生产制造技术的不断发展，大规模定制生产会向大规模个性化生产进行转变。2010年TSENG[6]等提出大规模个性化生产概念，大规模个性化是指通过与客户进行一对一交互为基础激发客户对产品的潜在需求，由专业人员进行辅助设计向客户提供“个人化产品”和积极的服务体验来满足客户对产品的个性化需求。2014年4月，第24届CIRP（The International Academy for Production Engineering）产品设计国际会议主题为“大规模定制与个性化”将大规模个性化生产在生产制造领域的研究提上了日程[7]。

3D打印是大规模个性化生产应用的一个很好的例子，按需定制3D打印平台可以在用户参与的情况下完全按照用户的意愿对产品进行个性化设计生产[8]。但是由于3D打印受到产品材料、产品性能和成本等因素的限制，3D打印现在主要应用于外观产品和工业产品零部件的生产。

图2描述了各种生产模式的特性指标，如成本、生产周期和个性化程度等。

图2 生产模式特性指标

面对大规模个性化生产，企业通常从产品变化、共同创造和用户体验三个方面出发，实现完全满足用户个性化需求产品的生产[9]。

1）产品变化：在宏观方面与大规模定制方案类似，通过模块化设计实现。在微观方面通过参数优化设计，对产品进行优化改善。

2）共同创造：是通过嵌入式工具包和专家辅助设计系统构成，用户参与产品设计、认证、制造、装配、供应等过程，能够满足用户的个性化要求。

3）用户体验：是从情感需求、认知需求和功能需求等潜在需求方面，加强用户和产品之间交互式体验，实现产品的服务个性化。

大规模个性化生产和大规模定制生产的制造系统有着很大差异，在灵敏性、稳定性和可重性上有着更高的要求。这就使得企业在组织大规模个性化生产时比组织大规模定制生产更为复杂和困难，主要表现为：

1）在客户参与设计过程中，客户设计水平参差不齐使得产品的个性化设计变得更加困难。

2）大规模个性化生产失去了大规模生产和大规模定制在时间和成本方面的优势，产品在完成个性化设计之后，才能组织生产。

3）因为企业接收订单具有随机性，如何安排随机插入订单生产计划，生产时的生产调度和生产平衡问题是否能够有效解决是准时完成订单的关键。在“互联网+制造”的工业4.0概念与相关技术下，给大规模个性化生产的实现带来一个很好的契机。

表1 各生产模式的区别[3,8,10,11]

2 工业4.0

2013年4月在汉诺威工业博览会德国正式推出以信息物理系统（Cyber-physical system，CPS）为核心，以智能工厂为支撑，生产智能化、个性化、低成本和高质量产品的工业4.0战略，以确保德国制造业在全球的竞争力和地位。剖析德国“工业4.0”的战略规划，可以将“工业4.0”简单的划分为“1个核心”、“2个主题”和“5项关键技术”[12]。

“工业4.0”的核心是CPS，CPS是通过将计算分析、互联通信和精准控制等技术进行一体化深度融合。对采集的数据进行分析、优化调整和执行，将虚拟世界和物理世界实现动态连接，形成了“物，数据和服务联网”一体化形式，结合生产、物流和服务，实时监测、协调和控制产品的最新动态。

“工业4.0”的两个主题[13]分别为：

1）智能工厂：以CPS为载体，运用大数据、信息通讯和物联网等关键技术，实现虚拟信息系统与物理系统的动态结合，建立一个能够实现生产个性化和智能化产品与服务的生产新平台。

2）智能制造：即“智能+制造”，是预测感知、计算分析、推理优化、决策控制功能的各类制造装备的统称，使制造系统能够稳定、精简、优质、高效地生产出理想的产品。

“工业4.0”的5项关键技术分别为：

1）工智能技术：机器在人工智能技术渗透下有着“自我获取”、“自我调整”、“自我决策”和“自我控制”等能力，机器与机器之间能够达到“相互协作”、“互联互通”和“相互共享”等状态，是实现智能制造的突破口。

2）物联网技术：21世纪一个重要的新兴技术，通过将射频识别（RFID）、条码识别和智能传感器等信息传感设备按照事先约定的通讯协议和准则，将所采集的数据和信息传入互联网，进行交换和通信，实现人与物之间的智能化识别管理和物与物之间的智能化决策控制。

3）大数据技术：在互联网和物联网的不断使用下，所得到的数据成指数增长。大数据技术主要通过数据采集、数据传输、数据分析、数据处理和数据存储5个步骤，将所采集的海量的复杂数据进行整合、分析和优化得到只对我们有用的数据和知识[14]。大数据技术的产生对大规模个性化生产挖掘客户潜在需求有着至关重要的作用，对实现个性化产品有着不可替代的作用。

4）云计算：在大数据时代，随着信息数据的指数增长，基于互联网技术、分布式计算和信息资源共享管理技术提出了一种新的网格计算模式[15]。它为用户提供了一个可扩展、可配置、按需服务和资源共享的计算模型，为用户提供了便捷快速、稳定可靠，经济实用和可交互配置的个性化服务，用户在运营商提供的云平台下能够实时的访问、监控和获取个人需要的资源。

5）虚拟仿真技术：在工业中虚拟仿真技术通常体现为虚拟设计和虚拟制造，在计算机虚拟制造系统中进行产品的设计和制造。在该技术的作用下，制造商能够对市场需求的变化迅速做出反应，按照客户需求对产品做出相应的设计，在虚拟环境下进行产品验证，并做出相应的优化后设计出满足客户需求的个性化产品。

3 大规模个性化生产架构

根据大规模个性化生产的特点，结合工业4.0的概念及相关技术和制造业三层结构。提出一种关于大规模个性化生产架构，如图3所示，该架构从设计、计划、执行和控制四个层面实现对产品的个性化生产。

图3 大规模个性化生产架构

3.1 个性化服务平台

该平台是基于互联网集定制企业、协作企业、供应商和消费者为一体，根据消费者的需求和喜好定制个性化产品。平台核心是通过人工智能技术和算法设计挖掘客户的个性化需求，利用CAD/CAM/CAE/VMT等技术进行个性化产品的设计。

平台主要由以下模块组成：

1）定制模块：主要由可供客户自由选择搭配产品定制窗口和允许客户创建与设计的个性化窗口组成，能够根据客户的需求实现个性化产品的生成。

2）服务模块：通过专业人员为消费者提供个性化服务，了解挖掘满足客户对产品潜在的功能和情感需求。

3）订单管理模块：主要由订单生成、订单可视化查询、订单交付和售后服务等窗口组成，订单管理是客户关系的有效延伸，实现对客户的一对一管理，从而更好的为客户提供多样化和个性化的服务。

3.2 制造业三层结构

制造业三层结构是由计划-执行-控制组成的闭环系统，大规模个性化生产架构采用的三层结构为ERP-MES-CPS，实现了生产作业计划和任务的下达，任务执行状态信息的反馈，根据反馈做出精准决策，并进行智能调控。ERP-MESCPS的一体化集成，覆盖了企业从上层计划到生产执行的整个过程，使整个过程高效、敏捷和智能，从而提高企业的竞争力。

企业资源计划（ERP，Enterprise resource planning）管理系统通过供应链管理、仓储管理、资源管理、运输管理、财务管理和看板管理等模块作用于企业内部和企业与企业之间。实现对企业资源（如人力、财力、物力）进行整体有计划的高效管理，企业的运作效率提高、生产成本降低，并能够及时应对生产车间的动态变化，调整整个生产计划来改善瓶颈工序[16]。当订单形成时，ERP就对订单进行分析，以最高效的生产计划对产品的生产做出合理的安排。

制造执行系统（MES，Manufacturing execution system）通过生产计划、生产调度、资源配置、作业管理、设备管理等模块作用于企业制造车间的整个生产过程。

作为中间执行层，MES的功能主要分为两个方面：

1）将ERP规划的企业生产计划细化分解，下达到生产现场各个岗位，监督和控制生产现场完成相关的作业任务。

2）收集分析生产现场数据，跟踪生产现场所有资源的当前状态，对生产现场发生的动态变化做出精准决策和调控。MES的成功实施，为企业提供了准确的实时生产信息、快速响应客户的需求、提高生产效率、优化生产工艺生产高质量的产品。

信息物理系统（CPS，Cyber-physical system）通过在传统的嵌入式控制系统中融入网络通信、智能控制、智能感知等技术，实现虚拟世界和物理世界的互联互通[17]。该系统通过智能感知单元（如RFID、条形码、传感器等）对制造生产过程中的数据进行感知捕获和处理分析，并根据高层指令的指导做出相应的状态调整。实现了设备的智能化，让设备在生产需求发生动态变化时能够及时做出反应，进行自我调控以满足用户的需求。

ERP-MES-CPS三层结构让企业整个生产系统具有动态重构能力，生产设备和原料可根据生产需求的动态变化随时做出调整，并且生产系统能够对现有的资源进行精准分析和整合调度实现自组织和自优化的功能，从而实现产品的大规模个性化生产[18]。

图4 个性化自行车工厂总架构

4 实验室案例分析

上海某高校为适应智能制造创新人才培养建设了一个“基于工业4.0”概念的自行车智能制造工厂实验室，该实验平台展示了产品从智能设计、制造到运维的生命周期全过程，实现传统制造业向智能制造业转型升级。通过跨学科合作制造个性化自行车，将该智能制造工厂实验平台作为实现自行车大规模个性化生产的有效载体。重点研究了工业4.0驱动的相关技术，如工业机器人技术、物联网技术、大数据技术、人工智能技术和客户个性化定制等。基于工业4.0的相关概念及技术，自行车智能制造实验室总体架构主要由计划层、执行层、工业控制层、基础设备层、数据交换管理层、采集任务监控层和通信层组成，如图4所示。

个性化自行车的智能生产步骤总共分为以下四个步骤。

1）客户通过个性化服务平台设计决定自己的车型和颜色，客户可以根据个人需求对车把、车座、车轮和车架等在标准接口下对外形进行个性化设计，以满足他们独一无二的个性化需求。个性化服务平台将订单分解，并和合作企业在约定期限内完成所有个性化零部件的加工，送达智能工厂进行个性化自行车的装配。

2）从数据库中将所有的订单信息传递到智能共产ERP，ERP根据工厂所有资源对所有订单进行计划安排。MES从ERP获取所有订单计划安排，并以最高效的方式执行，并通过CPS精准控制所有订单的装配完成。

3）个性化自行车的具体装配过程，通过在CPS系统控制下，由10辆AGV小车和10个工序配合完成。

装配步骤如下：

1）上料工序：ERP下达生产指令，MES执行生产指令，扫描托盘条码与车型总成号绑定，视觉相机拍照读取零件精追码，机器人抓取零件放置托盘，小车装载自行车零件到达指定工序地点。

2）前叉装配工序：小车到位，扫描条码个性化信息，通过轴腕压机安装上下轴腕、通过前叉腕压机安装前叉腕、安装前后叉线，放行小车。

3）传动轴及后轮安装工序：小车到位，扫描条码个性化信息，安装传动轴组件和后轮，放行小车。

4）前轮自动装配工序：小车到位，扫描条码个性化信息，机器人视觉系统定位前轮位置，机器人抓取前轮安装，拧紧前轮螺母，反转车身后放行小车。

5）曲柄及脚蹬安装工序：小车到位，扫描条码个性化信息，安装曲柄和脚蹬，拧紧螺栓，放行小车。

6）车龙头自动装配工序：小车到位，读取RFID个性化信息，小车托盘定位，机器人视觉系统进行插管口定位，机器人抓取龙头插入拧紧，放行小车。

7）车把和车座及刹车调试工序：小车到位，读取RFID个性化信息，依次安装车把、车座，停车架，连接刹车线、刹车和刹把，放行小车。

8）整车检测工序：小车到位，扫描条码，进行个性化自行车综合性能测试，测试完毕放行小车。

9）整车装箱预调正工序：小车到位，扫描条码个性化信息，调整自行车姿态，放行小车。

10）整车装箱工序：小车到位，扫描条码个性化信息，使用吊具将自行车放入包装盒内，打包自行车及附件，放行小车至存储区固定位置。

第四，通过合作的物流供应商，在约定时间内将生产完成的个性化自行车送到客户手中。

实验室案例表明，大规模个性化生产是通过客户积极参与产品的设计、制造到运维的全生命周期来实现的。基于所提出的大规模个性化生产框架，个性化自行车智能工厂通过融合工业4.0关键技术，如CPS、物联网技术、人工智能技术、工业机器人技术、机器人视觉技术、大数据技术等，最终实现绿色环保自行车的智能生产和大规模个性化生产。

5 结语

大规模个性化生产是由欧美等国提出的一项新兴的生产模式，本文通过提出一种基于“工业4.0”概念及技术的大规模个性化生产框架，通过从设计、计划、执行和控制四个层面实现产品的大规模个性化生产。它使企业能够快速的响应客户和市场定制需求，为企业实现低成本和高质量的个性化产品提供了一条有效的途径。同时，为我国从“制造大国”向“制造强国”的转型提供了新的机遇和方向。