时间驱动的制造企业数字化指数建模与应用
2023-11-09许茂增谢昌旭潘平国李顺勇
许茂增 谢昌旭 潘平国 李顺勇
关键词：制造企业；时间驱动；数字化指数；定量评估
中图分类号：F27文献标识码：A文章编号：2096-7934（2023）10-0023-10
一、引言
数据资源正成为国家基础性战略资源，合理利用数据资源的前提是管理好数据，然而，数据规模的增加、数据格式的复杂化等都给企业数据管理提出了挑战。在全球化经济波动和不确定发展的挑战下，数字化转型已然成为企业发展和生存的必经之路。然而，即使在掌握数字化转型方法的前提下，企业通过数字化获得了显著的增加收入的机会［1］，但转型成功的案例仍然不尽如人意，在《2020中国企业数字转型指数研究报告》［2］的报告中指出：能实际利用实时数据调整和优化生产的企业仅为22%。数据管理能力成熟度评估模型［3］（DataManagementCapabilityMaturityAssessmentModel，DCMM）是我国首次发布的数据管理国家标准，文件以数据为核心，建立以组织、制度、流程和技术为核心评价的维度，充分发挥数据在促进企业向信息化、数字化、智能化发展方面的价值，评估企业所处的数字化水平阶段，便于企业根据实际数字化水平制定数字化转型方案，只有清楚的认识到企业所处的数字化水平，才能制定合理有效的转型方案。因此，企业进行数字化转型前，应该正确掌握企业数字化水平，确定转型方向，这样才有利于增加企业转型成功的可能性。
目前，数字化评价的对象主要以地区性的集中企业为主，主要表现为：针对某一行业进行区域性的数字化水平评估。姚震宇［4］通过对全国省份市场化的分析认为，数字化的发展与市场化的程度有关，并在此基础上采用自相关函数验证了各地区数字经济与市场化的关系；张爱琴［5］以制造业数字化转型为背景构建制造业高质量发展水平测度指标体系，对我国30个省市的制造业高质量发展水平进行测度分析，认为从分地区看，制造业数字化水平呈现“东强西弱”的区域异质性；张林刚［6］在对中国各地区制造业数字化转型程度评价中发现，中国制造业数字化转型区域总体仍遵循东、中、西梯度空间分布格局；范合君［7］等人通过生产数字化、消费数字化、流通数字化和政府數字化4个维度和23个二级指标评价中国数字化水平，认为各个区域和各分项指标存在发展不平衡的现象。这种以城市为研究对象，对全国数字化发展进行数字化水平评估的方法［8-9］虽然在宏观上反映了全国各区域的数字化水平，但是无法直接为企业提供转型方向。在企业的数字化转型过程中，仅仅依靠整体数字化水平的知识无法为企业实际的转型导向决策提供意见［10］，因此，针对企业的数字化转型制定数字化评估体系尤为重要。周剑［11］等人从业务、治理、发展和系统等方面建立数字化评价指标体系，对我国国有企业进行数字化水平评价，并提供数字化转型意见；Paulauskas［12］etal.提出了一个允许模拟的数学模型用于评价港口数字化水平并以波罗的海、北海和地中海区域的30个港口为例进行了研究。陈梦根［13］等人从人工成本的角度出发，认为数字化的发展降低了人工成本，生产效率应急互补机制、技术替代性和技能偏向性是数字化影响人工成本的内在机制，其中技术替代性机制起主导作用。杨洋［14］发现企业数字化制造技术和信息技术的应用程度对于敏捷制造战略的决策起到了调节作用。荆树伟［15］等人在智能制造背景下，对传统制造企业构建包含数字化的人员素质培养、基础设施建设、制度建设、信息利用、物流—供应链智能一体化、生产改进、产品和生产绿色化等八个子系统的企业精益数字化水平评估指标体系并确定指标评估标准，并应用直觉模糊熵和模糊集对分析法构建评估模型对企业的数字化水平进行评估。
上述评价方法中，建立的评估指标数值主要依赖于专家打分法，基于定量的数据构建评估指数的方法较少，企业在进行数字化转型时往往难以客观判断其所属的数字化水平，而正确了解企业所属的数字化水平是企业顺利进行数字化转型的前提，同时企业往往需要快速响应市场变化，针对性的调整转型策略。基于此，本文提出一种客观数字化水平评价方法，用于评价企业当前阶段所处的数字化水平。该方法从企业的基础设施布局出发，以时间驱动为条件，从管理、生产制造和信息系统等角度建立数字化评价指数，再根据企业实际对每个部分的重视程度通过加权平均法得到企业综合数字化指数，从而得到企业在当前阶段的数字化水平，为企业找到数字化转型的薄弱板块，针对性的进行数字化转型，提高转型成功率。
二、企业数字化评价基础
企业在转向数字化经营的第一阶段，重点是提升业务的“数字化率”，即每条业务处理过程中，系统的支撑比率。企业数字化的水平一般从三个方面进行评价：
①所有业务流程透明化程度；
②所有生产过程产生的数据流动自动化程度；
③生产数据效益再生化程度。业务流程透明化即要求在公司生产运作过程中，所有包括组织、制度、生产和技术等信息的透明化；数据流动自动化即在所有能产生生产效益的过程中，产生的数据能自动流动到下一阶段实现业务协同进行；生产数据效益再生化是应用系统能将生产活动中产生的数据用于分析和预测，从而为客户提供更好的服务，同时实现数据赋能。一般来说，针对业务流程透明化和生产过程数据流动自动化的评价可以通过基础设备的布局进行评价，而对于生产数据效益再
生化这一评价考虑到每个企业的类型不同、业务范围不同以及产生附加价值的评价标准不同等，且在数字化转型初期无法体现其功能和价值。因此，无法通过具体的量化指标进行评价。综上，本文以企业的基础设备和设施布局为研究对象，从数字化评价的角度，将基础设备和设施的布局分为仓储设备及设施数字化布局、生产设备及设施数字化布局和管理信息系统数字化布局。文章分别从这三个角度建立企业数字化指数，评价企业数字化水平，从而为企业数字化转型提供转型重点和转型方向。
（一）企业生产运作结构模型
为了提高企业应变市场变化的效率和改善客户响应速度，文章从供应链运作参考模型的角度，分析企业生产运作结构，构造时间驱动的制造企业数字化指数，用于评价企业数字化水平。根据制造企业的生产流程可将制造企业生产运作结构分为仓储、生产和管理三大板块，如图1所示。
图1 制造企业生产运作管理结构
其中仓储板块负责原材料和产成品的进出管理；生产板块是企业最核心的部分，关系到企业与其他同行业企业比较时是否占据市场优势；管理板块贯穿了仓储和生产的整个环节，是保证仓储和生产正常高效运作的关键，同时也是为企业提供市场应变动力的决策依据。在这三大板块的作用下，企业能够快速地响应和反馈市场变化情况。因此，实施数字化转型，首先应该分析这三大板块分别所处的数字化水平，针对性地进行数字化转型，消除短板效应，实现企业数字化转型。基于此，本文从仓储、生产和管理系统三个角度出发，分别建立满足每个角度数字化评估的评价指数，通过企业行业性质建立企业综合数字化评价指数，用于评价企业在其行业内所处的数字化水平，从而针对性地制定数字化转型方案，提高转型成功率。
（二）仓储数字化指数
在经济学中，常用指数代表任意两个数值之间对比形成的相对数，即可以将指数认为是两个不同的对象在同一个环境中变化的相对值：
本文将基于仓储设备及设施数字化布局的评价水平定义为仓储数字化指数，其基本内涵表述为：在仓储管理中（包括原材料仓储管理和产成品、残次品仓储管理等），当发生信息变动时（如物料出入库等），对信息变动的反应时间（即从信息发出到完成信息内容的过程）。
仓储管理在企业日常生产活动中占据了重要地位，随着仓储管理信息化需求的增加，仓储货架逐渐开始从普通货架向自动化立体货架转换。其中，在自动化立体货架中，一些货架能通过货架上部署的传感器等设备自动记录和上传货物出入库信息，这类的立体货架称之为数字化立体货架；而另一类货架虽然能自动记录和储存货物出入库信息，但却无法通过互联网将货物信息上传到后台，本文将这类货架称为自动化立体仓库货架。不论是大型龙头生产企业还是中小型生产企业，仓储货架都基本由普通货架、自动化立体货架和数字化立体货架组成，详细的货架组成结构如图2所示。
图2 原材料（产成品）仓储仓库组成结构
对任意由数字化立体仓库、自动化立体仓库和普通仓库构成的仓储系统来说，若数字化立体仓库对一个订单的反应时间为tdauto，自动化立體仓库对一个订单的反应时间为tpauto，普通仓库对一个订单的反应时间为tpgena，其仓储数字化指数可以表示为：
对同一个订单来说，若订单的完成需要上述三个仓库货架同时完成时，tdauto越小，订单的反应时间越快，数字化水平越高；也可以认为，当数字化立体仓库的反应时间越快，对客户需求的响应越快，数字化程度越高。
（三）生产数字化指数
基于在生产过程中，对数据流动情况的评价，称为生产数字化指数。假定企业有l道生产工序，第j道生产工序中有nj台生产设备，其中：有nAj台设备是全自动化生产设备，手工工作几乎为0；有nSj台设备需要手工人员参与生产，即第j道生产工序的生产设备组成为：
若在全自动化生产设备中，能自动记录一个产品的生产时长和生产数量，并能通过网络上传到后台数据库用于产品生产分析的设备，称之为数字化设备；而无法自动记录生产产品的详细信息，只能依靠产线员工定时统计生产时间和生产数量的设备，称为自动化设备。此时可将每道工序内的设备组成结构安排，如图3所示。
图3 任意一道生产工序内生产设备的组成结构
图3中给出任意一道生产工序的设备组成结构，对具有l道生产工序的任意生产产品来说，若完成一件产品的生产时间为torder，一台数字化设备完成一件产品的时间为tAj，一台自动化生产设备完成一件产品的时间为tS0j，一台手工生产设备完成一件产品的时间为tS1j，则完成一件产品所需的总生产时间torder为：
从生产时间的角度来看，第j道工序中的生产数字化指数为：
企业的生产数字化指数为：
（四）管理系统数字化指数
除了评价生产、仓储等环节的数字化水平外，还有一个重要的评价依据为管理系统。即使在仓储、生产等环节实现了产品流动的数字化，但是两者之间没有实现数据信息共享，数据与数据之间形成信息“壁垒”，企业整体也不会实现数字化，这是因为数字化强调的是数字技术对整个组织的重塑，数字技术能力不只是单纯的解决降本增效问题，更是反映了企业的生产运作能力和对市场需求的预测和反应能力。而管理信息系统则可以将每个部分收集起来，实现不同业务数据之间的沟通和流动。常见的管理信息系统包括仓储管理系统、生产管理系统、销售和财务管理系统以及人员管理系统等（如图4所示）。如果企业拥有上述基本的管理系统，则可以说明企业基本拥有数字化转型的能力。
图4 数字化网络系统组成结构
但要评价企业的管理系统数字化水平，还需要分析各个管理系统之间信息共享的能力，以及数据在每个系统之间是否能够正常流通。定义第i个管理系统之间的数据能正常流通的系统个数为mi，而实际能正常流通数据的系统个数为si，则企业的管理系统数字化指数为：
三、企业数字化评价指数
综上所述，企业数字化评价指数包括仓储数字化指数、生产数字化指数和管理系统数字化指数，为了综合表述企业数字化水平，本文将上述三个数字化指数通过加权求和的方式进行企业数字化指数计算。计算表达如下：
其中：ωws為仓储数字化指数的权重；ωor为生产数字化指数的权重；ωmg为管理系统数字化指数的权重。且ωws+ωor+ωmg=1。权重的大小决定了指数指标对综合数字化水平的影响程度，根据不同企业的运行性质，企业在仓储数字化、生产数字化和管理数字化方面的侧重点也不一样。因此在不同的权重比例下，企业的综合数字化水平也不一样。为了讨论不同权重比例对综合数字化水平的影响情况，本文以上述各指数的权重作为自变量，综合数字化水平为因变量，建立三元一次目标方程，在矩阵工厂中进行模拟仿真实验，得到不同权重下，综合数字化水平的值如表1所示。
表1 各项指标数字化指数权重变化对综合数字化指数的影响
仿真结果分析发现，当指数权重倾向于管理信息系统数字化指数时，综合数字化指数的值更接近于管理信息系统数字化指数，随着各指数的权重系数趋于均值后，综合数字化指数的值也逐渐向所有指数均值靠拢。因此，当企业的数字化侧重点不一样时，其综合数字化水平也不一样。为了客观地衡量企业现阶段的数字化水平，需要考虑企业所属行业中完全数字化的评价依据，即企业所属行业中对仓储数字化、生产数字化和管理系统数字化的评价标准和侧重方向。以Q作为企业所属行业中对仓储数字化、生产数字化和管理数字化的综合评价指数：
则企业的综合数字化指数在该行业中所处水平可表示为：
LI值越大，即认为该企业的数字化水平较高，反之，则认为该企业的数字化水平相对该行业来说，处于较低水平。通过对LI值的大小分析，可以找出影响企业数字化水平的“瓶颈”位置，从而针对性的进行数字化转型，若该行业中目前尚未出现标杆类企业，则可以通过企业的综合数字化指数判断企业数字化转型方向。
四、制造企业数字化指数应用与转型讨论
F企业是一家典型的电子制造企业，随着数字化、自动化工厂的提出，企业紧跟政策脚步，逐渐开始改造工厂生产环境。先是淘汰已完成折旧的老旧设备，随后企业自主研发了符合企业实际生产情况的生产配套系统企业资源计划系统（ERP）和网元管理系统（MES）等，紧接着又逐渐引进先进自动化生产设备来提高生产效率和产品质量。企业目前拥有生产设备累积达700台以上，其中自动化生产制造设备占70%，数字化设备占10%，其他设备占20%。F企业的仓储管理沿用了传统普通货架的管理方式，货物进出仓库记录主要以人工记录为主。同时采用ERP系统实时记录物料信息。在生产车间中，企业同时配套有MES系统对生产进度进行实时监控。
总体而言，F企业在仓储、生产和管理等方面的组成结构，如图5所示。
圖5 F企业的生产组成结构
通过对F公司的仓储和生产等环节进行信息统计得到结果，如表2所示。
表2F公司仓储和生产的相对时间
在管理系统方面，F公司拥有ERP、MES、PLC、WMS和OA等管理控制系统，但除了MES和WMS系统之间能实现数据共享之外，其他系统内的数据无法在同一个端口同时出现，然而，各系统之间理论上可以实现相互的数据共享，即数据共享系统数量为A34，因此可认为管理系统的数字化水平为：
假设电子制造行业对生产数字化、仓储数字化和管理系统数字化的决定权重分别为0.4，0.2和0.4。则F企业的综合数字化水平为：
对电子制造企业来说，企业的数字化水平越高，对客户需求的响应时间越快，越能提高企业的竞争优势。而目前企业的数字化水平仍处于一个较低的水平，但从综合数字化指数中可以发现，企业在仓储方面的数字化水平和在管理系统方面的数字化水平仍然较低，使企业的综合数字化指数偏低。因此，企业可以通过对仓储和管理系统方面的数字化转型，提高企业数字化水平。
五、结论
数字化转型已成为企业长远发展中必不可少的一部分。企业数字化水平是评价企业当前数字化程度的关键指标，也为企业进行数字化转型提供重要的参考依据。文章从企业的业务流程出发，从考虑企业响应市场快慢的时间角度出发，分析仓储、生产、管理系统等影响企业数字化发展的数字化水平，建立数字化评价指数，得到评价企业数字化水平的综合数字化指数，从而为企业分析和评估当前所处的数字化水平提供理论依据。通过对F企业数字化的分析和讨论，得出F企业当前所处的数字化水平，并为企业数字化转型提供了思路和方向。综上所述，文章所提的方法为企业评估自身的数字化水平提供了具体的量化方法，有利于企业在进行数字化转型时，找到转型重点和转型方向。
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EstablishmentandApplicationofDigitalIndexfor
ManufacturingEnterprises
XUMao-zeng1，XIEChang-xu1，2，PANPing-guo1，LIShun-yong1
（1.SchoolofEconomicsandManagement，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074;
2.ChongqingBranch，ChinaPostGroupCorporationLimitedCompany，Chongqing400015）
Absrtact：Thedigitalizationlevelofmanufacturingenterprisesdeterminesthedirectionandcontentofthedigitalizationtransformationofenterprises.Itscorecompetitivenessistoquicklyrespondtomarketchangesandmeetcustomerneeds.Inthiscase，thetimedrivendigitalevaluationofmanufacturingenterprisesnotonlymeetstherequirementsofobjectivelyevaluatingthecurrentdigitallevelofenterprises，butalsoreflectsthespeedofenterprisesresponsetomarketchanges.Therefore，thispaperfirstsetsoutfromthetimedimensionofrespondingtocustomerneeds，andestablishesthedigitalindicatorsbyconsideringwarehousing，productionandinformationsystemsastheenterpriseinfrastructure;Then，theenterprisedigitalizationlevelevaluationindexisestablishedbasedonthedigitalizationofenterprisewarehousing，productionandmanagementsystems.Finally，takingthedigitalbenchmarkoftheindustrywheretheenterprisebelongsasareference，thecurrentdigitalleveloftheenterpriseiscalculated.Theapplicationpracticeprovesthatthemethodproposedinthispapercanhelpenterprisescorrectlymasterthelevelofenterprisedigitalizationbeforedigitaltransformation，findthegapofenterprisedigitalizationtransformation，andprovidedecision-makingbasisanddirectionfortheimplementationofdigitaltransformation.
Keywords：manufacturingenterprises;timedriven;digitalindex;quantitativeevaluation
基金项目：重庆市统计科学研究项目“重庆市提升产业链供应链现代化水平路径研究”（2021KY19）
