单元制造流程模型——融合可持续制造和智能制造

编者按

制造业与迅速发展的通信、人工智能、其他工具无缝集成，成就了所谓的智能制造。本文介绍了单元制造流程模型（UMP）及三个相关标准，以及该模型如何支持制造系统的流程持续改进。本文原载于2020年10月的美国国家标准与技术研究院（NIST）博客。作者莫里斯（KC Morris）是NIST工程实验室系统集成部信息建模和测试小组负责人，其研究专注于智能和可持续制造、系统和标准的设计，以及测试和评估技术。

新冠肺炎大流行突出了制造业在社会中发挥的作用。制造业不仅对提高我们的生活质量至关重要，而且提供了我们的生活必需品：从食物到卫生纸，从交通运输工具到安全可靠的住房等。随着社会的发展，我们掌握了更好的生产方式，并能够制造出种类繁多的产品。但是，提供这些商品对环境并非没有副作用，我们需要谨慎地管理生产系统对环境的影响。

根据经济合作与发展组织（OECD）的说法，可持续制造是指以“对环境和社会负责任的方式”管理制造业务的能力。围绕这个理念形成了各种各样的标准和项目，但许多只是触及表面。如果我们有更好的测量工具，真正评估制造商每天必须选用的折中方案，才有可能实现可持续。

数据显示，美国76.6%的排放来自制造业及其供应链。其中，17%直接来自制造部门，其余部分则来自矿业、公用事业、建筑和农业等支持部门。美国能源管理局预测，到2050年，包括制造流程在内的工业部门的排放量将增加26%，而其他生产部门的排放量将保持稳定或下降。

图1 美国制造业及其供应商对环境影响的贡献

毫无疑问，如果不注意环境保护，制造业将变得一团糟。这个问题的应对策略往往是制定法规，强制性要求制造商更多地考虑环境问题。这就是实现可持续制造的“大棒”方法。

事实证明，除了“大棒”，“胡萝卜”也是存在的——可持续性制造可以提升资源效率，从而节省制造成本。此外，在客户需求和投资者兴趣方面，对于良好管理要求的社会压力也在增加。长期以来，制造商一直难以采用有意义的、数据驱动的方式应对这些压力，尤其是那些对自己生产的产品几乎没有控制权的中小型制造商，因为他们往往不参与产品的设计。

推行可持续性制造没有一刀切的解决方案。每个制造企业都是独一无二的。即使是拥有多个工厂、生产相同产品的大型制造商，也很难在自己的工厂之间分享经验。制造商需要根据自己的企业知识对每种情况进行独特的处理。

早期的一些标准工作侧重于管理角度，帮助解决如何更好地管理制造设施和其他资源，但这些工作不足以解决制造的核心功能——将原材料转化为新产品。

制造商需要一种系统的方法深入挖掘他们的业务，找到保护环境的机会。回顾已发表的文献，有一点是明晰的：这个领域几乎不存在相关标准。作为美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员，我们的目标是发展测量科学，帮助制造商改进制造流程，进而改进核心功能。

术语“制造流程”是一个抽象概念，指的是许多不同类型的流程，每个流程都是独一无二的。我们面临的挑战是创建一个标准方法，使之能有效应用于所有流程。我们希望标准能够与新兴技术兼容，模型与通信、人工智能、其他新兴工具无缝集成。这些新兴工具是制造业的未来——所谓的智能制造。

我们采取的方法是：在定义标准时，把信息技术的应用纳入制造流程的描述或将其特征化。通过提供描述制造流程的标准方法，使这些描述可以被自动使用，从而应用于各种目的。其中的构建模块是我们称之为单元制造流程模型（UMP）的一种标准格式。

超越蓝图

对于制造流程而言，单元制造流程模型就像产品或建筑设计的蓝图一样。蓝图之所以被称为蓝图，是因为每一页纸最初使用了蓝墨水。在19世纪40年代，蓝图首次被引入，目的是准确复制一幅技术图纸，以便信息能够更广泛地共享。多年来，越来越多的标准被开发出来，以精确地表示工程产品的各种技术图纸。

进入数字时代，我们可以收集比标准蓝图更多的设计数据。在产品设计领域，计算机辅助设计（CAD）系统以三维模型制作这些图纸。描述这些模型的标准提供了一个信息丰富的支柱，3D模型被“附加”到这个支柱上。

例如，产品模型数据标准ISO 10303（又名STEP）定义了一个复杂的信息数组，该数组可以将数字3D描述与企业其他系统的各种产品信息（如生命周期）关联起来，从而集成整个组织的数据。

对于制造流程而言，如图2所示，基于ASTM E3012标准，物质世界的制造流程通过模型得以在虚拟世界中展示。这些模型可用于流程交流、流程性能优化、流程流模拟和生命周期影响评估。

图2 物质世界的制造流程通过模型得以在虚拟世界中表示

但是，到目前为止，还没有描述制造流程的这种格式。从2013年开始，我们与标准开发组织ASTM的E60可持续发展委员会合作，成立了可持续制造小组委员会E60.13。可持续制造小组委员会E60.1引入了一套制造流程建模标准的想法——UMP模型。2020年，第一个系列标准《制造流程环境方面描述标准指南》（E3012）发布，描述了UMP的格式。

UMP模型基于最先进的信息技术构建，从一开始就被设计为能集成于一个智能制造企业中。UMP模型可用于捕获关于流程的系统知识，从而使其更容易共享。新的制造流程蓝图不仅作为一种沟通手段，而且是流程的数字模型。它们可以用于流程性能的自动化评估，或与其他流程模型一起评估潜在的制造工作流。

UMP模型提供了一种统一而精确的方法让制造商描述其流程。在它的基础上，可以实现：

·关于流程的可靠和可存档的通信；

·建立绩效基准；

·开发制造流程流模拟；

·评估制造流程环境影响；

·在分析竞争目标并权衡时做出明智的决定，如制造速度以及能源、材料等资源的使用。

可持续发展：平衡之举

虽然现在还不能实现所有上述目标，但标准是这些工作强有力的一个起点。有了上述基本测量工具，制造商和研究人员可以更好控制生产流程，做出更明智的权衡选择。随着ASTM的努力，这些标准有望得到扩展，在定义中提供更多的功能和精度。

UMP 模型的初始构建模块《制造流程环境方面描述标准指南》并非存在于空中楼阁，模型中的知识获取必须有多个来源，由主题专家发起，并与工程设计原理和分析应用程序集成。UMP模型通过计算描述体现了制造流程的复杂性。类似的，它可能包括数据驱动的发现，即流程的实证研究。

在ASTM 标准中，一个成熟的UMP描述包括至关重要的两个方面：流程改进计划和关键绩效指标。

·建立流程改进项目：ASTM标准 2986 《制造流程可持续性环境方面评价标准指南》引导制造商完成绩效改进，包括设定目标、流程识别, 并使用最先进的“计划-执行-检查-行动”方法制定改进计划。

·选择关键绩效指标：可持续制造是平衡目标的行为，减少对环境的影响必须同时考虑企业的运营能力、经济和绩效目标。ASTM标准E3096《制造流程环境方面关键绩效指标定义、选择和组织标准指南》为如何汇集组织的集体智慧、决定需要衡量和改进的流程提供了指导。该标准指导制造商研究不同观点以开发独特的度量指标，辨识给定流程改进项目所需的现实措施。这些指标与流程的UMP模型相关联。

这三个标准结合起来，可以支持制造系统的流程持续改进，并为制造商提供存储知识的标准格式。