成熟度模型在梁厂智能制造能力评估中的应用研究

2024-08-22叶磐李川曳蒋宇

科技创新与应用 2024年24期

摘要：为客观评估预制梁厂制造能力，引导预制梁厂科学规划智能化发展，该文基于成熟度模型构建预制梁厂智能制造能力评估指标体系和评分体系，并依托实体项目展开评估应用。研究表明，预制梁厂智能制造能力评估模型可以帮助梁厂管理人员和技术服务人员找出梁厂智能化改造出现的问题，从而针对性地提出建议措施。该研究对提升公路工程数字化建设化水平具有重要意义。

关键词：成熟度模型；预制梁厂；智能制造；能力评估；公路工程数字化建设

中图分类号：U445.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0177-04

Abstract： In order to objectively evaluate the manufacturing capacity of the precast beam factory and guide the scientific planning and intelligent development of the precast beam factory， this paper constructs the evaluation index system and scoring system of the intelligent manufacturing capacity of the precast beam factory based on the maturity model， and relies on the entity project to carry out the evaluation and application. The research shows that the intelligent manufacturing capability evaluation model of the precast beam factory can help the beam factory managers and technical service personnel to find out the problems in the intelligent transformation of the beam factory， and thus put forward some suggestions and measures. This study is of great significance to improve the level of digital construction of highway engineering.

Keywords： maturity model; precast beam factory; intelligent manufacturing; capacity assessment; digital construction of highway engineering

预制梁厂是生产装配式桥梁构件的工厂型基地，其任务是为项目施工提供优质的桥梁预制构件。随着数字化交通建设理念的全面推进，预制梁厂也经历了数字化转型，通过融合BIM、物联网、数字孪生等技术实现机械化、自动化。在此过程中，进行预制梁厂制造能力评估对梁厂未来发展规划意义重大。一方面，通过对梁厂制造能力的自评，可以全面了解梁厂在技术应用、设备设施、生产流程等方面的优势和短板，对短板及时填补，对优势不断精进，促进梁厂健康发展；另一方面，通过梁厂间制造能力的互评，相互学习，促进行业共同进步。

近年来，多行业采用成熟度模型进行制造能力的评估工作。2015年，德国工业发展已进入工业4.0时代，为了解企业生产能力的情况，评价工业4.0所实现的生产能力，构建了一个评价企业生产能力的指标体系，并将该体系定义为4.0就绪度模型[1]。国内发展紧随其后，在2020年我国发布了GB/T 39116—2020《智能制造能力成熟度模型》标准，为企业提供智能制造评估指导方案[2]。

目前已有学者应用智能制造能力成熟度模型对不同行业的制造能力进行评估研究。任嵬等[3]将成熟度模型与石化行业的具体业务相结合，并结合智能制造参考架构和智能工厂建设实践经验，提出我国石化行业首个智能制造能力成熟度模型。苏青福等[4]结合汽车行业的特点和已有的成熟度模型，在PTRM产能四要素的基础上，加入了文化、供应链、物流3个指标要素，形成新的模型用于评估汽车行业生产能力的成熟度。许志坚等[5]基于沉香大桥项目，采用数据管理能力成熟度评估模型（DCMM）开展了桥梁建造数字管理能力成熟度评价研究。

综上，部分行业已经开展了基于成熟度模型的智能制造能力评估研究，并取得良好成效，但缺乏对预制梁厂智能制造能力的评估研究，成熟度模型在公路工程领域的应用范围甚微。因此，为客观评估预制梁厂制造能力提供有力抓手，引导预制梁厂科学规划数字化转型，本文通过构建成熟度模型，并开展预制梁厂智能制造能力评估研究。本研究对提升公路工程数字化建设化水平具有重要意义。

1 智能制造能力成熟度模型构建研究

1.1 成熟度模型基本构成

基于研究文献[6]和预制梁厂生产要素，本文采用的成熟度模型由评估指标体系、成熟度要求、成熟度等级构成。评估指标体系分为目标层（O）、准则层（A）、指标层（B）；成熟度要求评估指标达到成熟度等级需满足的要求。根据评估指标满足要求情况，将成熟度等级分为规划级、规范级、集成级和优化级4个等级，如图1所示。

规划级（一级）要求梁厂开始对实施智能制造的基础和条件进行规划，能够对预制构件关键生产环节和技术形成具体实施方案。规范级（二级）要求梁厂采用自动化技术手段对设备和预制构件关键生产环节等进行改造和规范，实现单个生产环节的数据共享或监控。集成级（三级）要求梁厂在对预制构件关键生产环节改造的基础上，对设备、信息、平台等要素开展系统集成，实现跨业务活动间的数据平台共享与监控。优化级（四级）要求梁厂对人员、设备、流程等环节进行数据挖取和深度学习，形成预测模型，实现关键环节精准预测和辅助决策优化。

1.2 评估指标体系构建

本文采用层次分析法及专家调查法进行评估指标体系的构建。在参考相关标准指南[7-9]，同时基于对预制梁厂的实地调研结果进行评估指标的选取。在评估指标选取完成后，需要确定各级评估指标的权重值。选定参与梁厂建设的管理人员和技术服务人员30位，采用专家调查法确定评估指标权重值[10-11]。预制梁厂智能制造能力评估指标体系见表1。

1.3 成熟度等级评分体系构建

1.3.1 评估指标成熟度要求

基于梁厂实际生产管理特征，参考相关文献[12-13]，确定了如下评估指标成熟度要求（表2—表4）。

1.3.2 打分准则与方法

在评分过程中，评估人员应将评估对象的各项评估指标与成熟度要求进行对照，按照满足程度进行打分，打分准则见表5。例如，当某项评估指标全部满足一级成熟度要求时，得1分；若大部分满足得0.8分，以此类推。然后对照该评估指标的二级成熟度要求进行打分，直至完成所有等级的打分才算该项评估指标结束打分。

1.3.3 成熟度等级评分计算

二级指标得分按式（1）计算，一级指标得分按式（2）计算，预制梁厂成熟度得分按式（3）计算。

SB=Xi，（1）

SA=∑（SB×），（2）

S=∑（SA×），（3）

式中：SB为二级指标得分；n为打分计数；Xi为二级指标成熟度要求得分；SA为一级评估指标得分；？茁为二级指标权重值；S为成熟度得分；？琢为一级指标权重值。

1.3.4 成熟度等级判定方法

当评估对象在某一等级下的成熟度得分超过评分区间的最低分时视为满足该等级要求，反之，则视为不满足。成熟度总分为各等级评分结果的累计求和，评分结果与能力成熟度对应关系见表6。

2 预制梁厂智能制造能力评估实例分析

2.1 预制梁厂概况

本文基于苏州605省道同里至黎里段改扩建工程项目（以下简称“605项目”）建造的预制梁厂进行智能制造能力评估研究。605项目预制梁厂以“一个平台、一个中心、N个应用”为原则进行规划建设。其中“一个平台”指梁厂综合管理平台；“一个中心”指以物联网技术搭载智能传感技术作为平台支撑建立的数据监控中心；“N个应用”指梁厂涉及的核心业务模块，如图2所示。

2.2 智能制造能力成熟度评估

依据预制梁厂智能制造能力评估指标体系，参照各指标的成熟度要求，选取预制梁厂管理人员和技术服务人员共30位对梁厂智能制造能力进行打分计算，结果见表7。

由表7可知，605项目预制梁厂智能制造能力成熟度评分为2.98分，超过集成级最低要求0.48分，距离达成优化级还需要0.52分。这说明按照集成级预制梁厂的要求，605项目梁厂的智能制造能力在中等水平。

2.3 结果分析及建议

为了便于分析预制梁厂各层级指标的智能制造能力评分结果，梳理梁厂智能化升级工作重点，绘制智能制造能力分析雷达图，如图3所示。图3（a）是准则层评估指标的成熟度评分雷达图，图3（b）、（c）和（d）是指标层的成熟度评分雷达图。

观察图3（a）可以发现，生产与管理、人力与资源、技术与网络3个一级指标均达到了集成级，但生产与管理、技术与网络得分较低。这说明梁厂智能化升级的工作重点应放在生产与管理、技术与网络2方面。观察图3（b）可以发现除订单排产外，其余2个指标均接近优化级，说明生产与管理智能化改造升级的工作重点应放在订单排产方面；观察图3（c）可以发现，数据分析刚刚满足集成级要求，网络互联的成熟度等级未达到集成级要求，仍为规范级。这说明技术与网络智能化升级的工作重点应放在网络互联和数据分析2个方面。

基于上述梳理出来的梁厂智能化改造工作重点，提出对应的建议措施。

订单排产智能化升级：目前605项目梁厂订单排产已经实现通过系统平台，线上进行任务订单手动排产，同时具备任务下发消息通知功能。建议在梁厂订单排产可根据任务订单中构件数量、类型、交付日期、物料需求及生产线产能等约束条件，采用算法模型实现自动排产，同时支持人工调整。

数据分析智能化升级：目前605项目梁厂生产过程中部分流程数据尚未实现自动采集，并且对采集到的数据只能进行简单的统计展示，分析不够深入，结果不够直观。建议梁厂继续优化流程工序自动流转和关键数据自动采集；建立生产工序数据库，利用算法模型对数据库进行学习，实现基于数据库的生产状态和进度预测。

网络互联智能化升级：目前605项目在网络安全方面尚未形成工业级控制网络，也没有实现网络远程配置功能。建议梁厂全面建立工业化控制网络，实现梁厂网络的远程配置和安全防护。

3 结束语

本文基于成熟度模型构建了预制梁厂智能制造能力评估指标体系，并基于苏州605省道同里至黎里段改扩建工程项目预制梁厂展开评估应用研究。通过评估过程和评估结果分析发现，预制梁厂智能制造能力评估模型可以帮助梁厂管理人员和技术服务人员找出梁厂智能化改造出现的问题，从而有针对性地提出优化方案。本文成果可为客观科学地评估梁厂智能制造能力提供借鉴与参考价值。

参考文献：

[1] 黄少华.工业机器人企业智能制造能力成熟度评价及提升策略研究[D].北京：北京建筑大学，2023.

[2] 高亮，吉敏，杨敬辉.智能制造能力成熟度模型研究[J].上海第二工业大学学报，2022，39（1）：71-78.

[3] 任嵬，索寒生，招庚，等.石化行业智能工厂能力成熟度模型研究[J].计算机与应用化学，2019，36（3）：247-254.

[4] 苏青福，刘双虎，董方岐，等.汽车行业智能制造能力成熟度评估指标研究[J].信息技术与标准化，2021（Z1）：37-43.

[5] 许志坚，杨波，邓玉辉.桥梁精益建造的数字管理能力成熟度评价研究[J].土木建筑工程信息技术，2023，15（5）：106-111.

[6] 工业和信息化部，中国电子技术标准化研究院.智能制造能力成熟度模型：GB/T 39116—2020[S].2020.

[7] 江苏省交通运输厅，江苏省交通运输厅公路事业发展中心.普通国省干线公路智慧工地建设技术要求：DB 32/T 3972—2021[S].2021.

[8] 江西省交通运输厅，江西省高速公路投资集团有限责任公司. 高速公路工程施工质量监管信息化技术规范：DB 36/T 1159—2019[S].2019.

[9] 工业和信息化部，中国信息通信研究院.信息安全技术物联网感知终端应用安全技术要求：GB/T 36951—2018[S].2018.

[10] 陈璐，史秀志，陈沅江.基于成熟度模型的金属非金属矿山安全标准化体系评估研究[J].安全与环境学报，2013，13（1）：224-228.

[11] 王华亮.工程造价管理成熟度模型构建及评价分析[J].居业，2021（7）：138-139.