新一代智能制造的架构设计与实施研究

王朝峰 林江海

（山东省机械设计研究院，济南 250031）

面对科技发展新趋势，在新一轮科技革命和产业变革的浪潮中，世界主要国家和先进地区纷纷将数字化、网络化以及智能化作为制造业变革的核心，加速推进生产要素、资源要素、技术要素与制造业的融合。我国是制造大国，应把发展智能制造确定为建设制造强国的主攻方向。发展智能制造不仅是我国产业转型升级的突破口，也是重塑制造业竞争优势的新引擎，确定了先进制造业的发展方向[1]。

文献资料证明[2]，以信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）为支撑的全球新商业模型已经面世。新商业模型是以信息物理系统为核心基础，将现代企业的智能设备、仓储系统、制造设备等要素通过工业互联网融合成为智能工厂。第四次工业革命基于智能工厂实现信息的自动交换、活动发起和控制的独立执行[3-4]，开辟了生产制造领域新的商业模式，如图1所示。

图1 智能工厂概念图

1 智能制造的愿景

智能制造以新一代信息技术为基础，深度融合新能源、新材料、新工艺，贯穿于产品、制造、服务全生命周期的各个环节[5]，以及相应系统的优化集成，实现制造的数字化、网络化、智能化，不断提升企业的产品质量、效益、服务水平，推动制造业创新、绿色、协调、开放、共享发展。智能制造聚焦创造智能产品、智能工艺、智能程序，核心愿景是物联网服务互联网络，并将人、物、设备普遍互联，实现产品、物流设备、工具共享协作，以创造更加柔性的生产工艺。智能制造模式的本质是数字化虚拟模型和实体生产的相互渗透，实现了物理世界和虚拟世界的互联。

智能制造的主要特征是水平、垂直和数字化的完全集成，如图2所示。新的制造方法催生了新的商业模式，关键领域实施标准化可方便不同企业之间互联互通。例如，开发和应用新的模型和方法实现复杂系统的管理，规划实施综合的基础设施（高质量的信息网络，网络连接）、工作组织和设计（转变员工角色，更多参与其中，进步更快，树立终身学习理念）、法律体系（法律体系协调）以及资源的有效利用（尽可能节约能源和原材料）。企业决策者正确理解新一代智能制造及其在现实中如何实施非常重要。通过探寻一个能够支持企业发展的合理模型，建立适合企业个性化的智能制造愿景和实施路径。智能制造的概念需要结合特定领域的特定工厂，探明生产活动所属领域，并做好智能制造整体实施规划。

图2 新型智能制造模式

水平集成指的是用于产品的不同信息系统集成生产计划和业务流程，如图3所示。这些系统包括原材料交换系统、企业内部系统（如内部物流、生产、分销等）以及不同企业之间的系统。集成的主要目的是在整个网络中传递产品生命周期信息，从供应商到销售客户[6]。信息输出集成对供应商来说非常有意义，可使供应商及时了解库存状态，以便更好地计划和组织原材料的准备和交付。目前，客户需要与生产商密切联系，以便及时确定其产品的生产状态。水平系统集成确保了客户可以监控其订购的产品（计算机可以显示已经完成的内容，前提是智能产品可以感知一切）。如果出现意外，客户可以及时介入，确定解决问题的措施。

图3 水平集成示意图

垂直集成是指不同层次信息系统的集成，以实现从控制金字塔底部到顶部的信息交互，反之亦然。通过在生产的每一个工位使用传感器并连接所有的生产工序，生产者检查质量并减少浪费。通过金字塔管控模型不断交换信息，使合格的员工能够发现潜在的问题。在整个过程中，连接到通信网络的机器能够获取信息，并通知操作员机器的状态和运行过程。全面数字化工程使产品开发全过程的数据收集和交换成为可能，从而减少了大量产品生命周期中计算数据的转换时间。这种方式已经储备了相应的生产信息，能够减少未来产品生产的时间。早期被应用的数据如产品开发文档、生产计划和模拟等，可以被用来更快速地创建文档。综上所述，智能管理算法变得尤为重要。智能管理依赖于物联网、信息服务和智能产品，如图4所示。通过采用新型信息物理系统和通信技术，智能生产过程管理将变得更加透明。

图4 企业内部管理的垂直集成

2 智能制造实施研究

智能制造是多学科和多要素深度融合的复杂系统工程，既有科学理论层次上的问题，又有技术方法层次上的问题，同时要把这些科学理论和技术方法应用于工程实践。因此，必须在系统工程思想的指导下，通过科学合理的工程管理，把科学技术创新、组织管理创新和体制机制创新有机融合起来，实现综合集成创新，以达到预设的目标。

智能制造系统是解决产品研发、制造、物流、企业管理等全生命周期的各种控制、优化和管理系统，以及基于智能装备（工业机器人等）的系统集成。借助互联网产品和移动应用产品的技术架构和开发模式，重点解决制造业现场管理中有关进度采集与监控、品质管理、现场物流驱动以及生产过程防错等业务需求，实现车间现场人员、设备、物料、任务等各个方面的有机整合，从而实现制造业的智能化。

针对制造行业智能制造项目的实施，研究一套基于智能制造应用标准和互联网+应用场景下的先进实施方法体系，融合传统实施方法论中保障项目成功实施的所有基本要素，填充互联网应用的新兴技术、方法和手段，更加适合智能工厂项目的实施管理。结合项目实施经验，研究开发智能工厂实施策略、方法、工具和模板，优化在实施过程中对时间、质量和资源的有效使用等，形成了智能制造项目的实施方法论。

2.1 实施总体规划

智能制造系统工程是一项长期、艰巨以及复杂的系统工程，必须按照“总体规划、分步实施、重点突破以及滚动推进”的原则进行规划[3]。智能制造是“一把手”工程，将其纳入企业的长期发展战略，是5～10年的企业发展愿景。实施总体规划路线图如图5所示。

图5 总体路线规划图

2.2 实施路线

目前，大部分企业实现了基于软件功能的信息化，少数企业只实现了跨业务信息集成，即仅达到数字化工厂的水平。少数企业能够实现有效的人机交互，具备智能化的特征和功能，即达到了智能工厂的初级水平。可见，智能工厂并非一蹴而就，需要从企业的核心需求出发，从生产环节的痛点入手，实现企业的提质增效。实施路线如图6所示。

2.2.1 调研与评估

调研与评估阶段主要完成团队组建，明确项目组织及岗位职责，完成客户需求匹配度分析和项目实施的主计划及预算，同时需明确实施智能工厂的背景、目的与意义。

2.2.2 方案设计

制定智能工厂项目调研计划，发放调研问卷，生产调研报告，形成详细需求清单，并在此基础上形成智能工厂项目系统环境的部署方案，进而形成设计方案及原型，经评审评审、确认后，进行基础测试工作，对关键用户开展培训指导，作为下一步系统上线应用的主要依据。

2.2.3 系统构建

先界定系统的主体功能和需求，对各个功能需求进行一个笼统的描述和定义，为系统建设提供业务依据和方向，开展实施对象环境规划与部署。实施后，采用真实业务数据，通过全面模拟客户真实的业务环境，对系统进行全面验证。系统模拟演练是系统顺利上线的关键环节，保证模拟演练效果的关键是完善模拟演练方案。

2.2.4 上线运行

通过上线前的知识转移活动，使客户的上线运行支持体系具备足够的能力。在上线准备阶段和正式上线运行后，依据上线运行支持体系处理各项突然事件和上线后出现的问题，保障系统正常运转。

2.2.5 项目总结

针对离散型制造企业企业多品种和小批量的制造方式，在充分调研与评估的基础上，设计离散型智能制造总体方案并分步实施。

3 结语

智能制造代表了先进制造业的发展方向，是我国制造业转型升级的必由之路，主要特征是实现水平、垂直和数字化的全集成。智能制造是多学科和多要素深度融合的复杂系统工程。针对制造行业智能制造项目的实施，研究提出了一套基于智能制造应用标准和互联网+应用场景下的先进实施方法体系，既融合了传统实施方法论中保障项目成功实施的所有基本要素，又填充了互联网应用的新兴技术、方法和手段，更加适合智能工厂项目的实施管理。制造工厂成功实施新制造模式后，生产成本将变得可控，并能够提高经济效益。