如何構(gòu)建數(shù)字化工廠之智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系

從德國的“工業(yè)4.0”、美國的“先進(jìn)制造伙伴戰(zhàn)略”到英國的“高價(jià)值戰(zhàn)略”，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為主要工業(yè)國家搶占國際制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。作為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)和戰(zhàn)略焦點(diǎn)，智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有著緊密的聯(lián)系。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0從表面論述看各有側(cè)重，一個(gè)側(cè)重工業(yè)制造，一個(gè)側(cè)重工業(yè)服務(wù)，但究其本質(zhì)都是實(shí)現(xiàn)智能制造與智能服務(wù)，具體就是個(gè)性化定制，服務(wù)延伸化。

制造企業(yè)要在這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中可持續(xù)地盈利，就必須采用各種新思維、新技術(shù)、新模式。轉(zhuǎn)型大規(guī)模定制與個(gè)性化生產(chǎn)方式，引入工業(yè)物聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及人工智能等以迎接新時(shí)代的到來。

智能制造背景與解決方案

工業(yè)4.0是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，旨在通過充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)，信息物理系統(tǒng)(CPS)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型?；谛畔⑽锢硐到y(tǒng)CPS、物聯(lián)網(wǎng)IoT和互聯(lián)服務(wù)IoTs產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)流(即工業(yè)大數(shù)據(jù))的采集與分析，云計(jì)算形成個(gè)性化或私人訂制的智能生產(chǎn)。主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：1、智能工廠。2、智能制造。3、智能供應(yīng)鏈。4、智能服務(wù)。

當(dāng)前全球工業(yè)市場(chǎng)正面臨著巨大的變革：更新周期縮短、差異不斷變大、產(chǎn)品個(gè)性化突出、向服務(wù)化延伸，構(gòu)建的兼具個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)生產(chǎn)模式，突破了傳統(tǒng)的行業(yè)界限，催生出新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式，創(chuàng)造新的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)，重組產(chǎn)業(yè)鏈分工。

透明化工廠

用縱向垂直管理車間設(shè)備集成、產(chǎn)品壽命周期PLM的價(jià)值鏈端到端的集成、橫向跨產(chǎn)業(yè)鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)三個(gè)方面的高度集成，打破企業(yè)存在的信息化孤島、管理孤島、操作孤島。通過與制造現(xiàn)場(chǎng)的邊緣設(shè)備的可視化，從而打造一個(gè)透明、靈活的工廠。

企業(yè)深度連接各類經(jīng)銷商資源、客戶資源、創(chuàng)客資源。了解客戶的需求并多方設(shè)計(jì)協(xié)作滿足，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與物流廠商的在線協(xié)作跟蹤，實(shí)現(xiàn)需求的透明。在制造環(huán)節(jié)通過智能終端可視化等應(yīng)用實(shí)現(xiàn)制造過程的透明，其次移動(dòng)的應(yīng)用使上述的透明更加深化。

柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線

自動(dòng)化線是剛性的，精益Cell線是柔性的，模塊化線是智能的。因?yàn)樽詣?dòng)化線要么局限幾種產(chǎn)品，要么換線時(shí)間太長(zhǎng)。精益線包括手工與半自化加上設(shè)備小型化，能應(yīng)對(duì)多個(gè)品種。模塊化設(shè)備布局可以靈活地根據(jù)個(gè)性化訂單靈活組合或重構(gòu)工藝形成虛擬生產(chǎn)線。而模塊化設(shè)備布局源于模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一旦接受定制化或個(gè)性化訂單，模塊化設(shè)備布局就可以柔性的、低成本的組合重構(gòu)新的虛擬單元線(APS的工藝規(guī)劃排產(chǎn)優(yōu)化)，高可靠性的滿足大規(guī)模定制或個(gè)性化生產(chǎn)。這才是智能制造所追求的。

基于柔性的云架構(gòu)背后的“中樞”，其核心是創(chuàng)新開放的APS高級(jí)計(jì)劃優(yōu)化算法模型或機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)化，其支持多種、多變的計(jì)劃與生產(chǎn)模式，支持工序?qū)崟r(shí)傳感數(shù)據(jù)，模塊化精益單元設(shè)備布局，保證各細(xì)胞單元根據(jù)生產(chǎn)訂單的需要自由拆分和重構(gòu)，是柔性自動(dòng)化背后的“智慧擔(dān)當(dāng)”。

基于預(yù)留、優(yōu)先級(jí)等JIT/JIS核心創(chuàng)新的物料體系，是保障物料柔性的基礎(chǔ)，使自動(dòng)化設(shè)備類似神經(jīng)傳感單元控制下行使功能，實(shí)現(xiàn)多品小批生產(chǎn)模式。

多品小批生產(chǎn)模式使得企業(yè)高度柔性應(yīng)對(duì)，而柔性自動(dòng)化產(chǎn)線可促使企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)智能化企業(yè)。

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化

物聯(lián)網(wǎng)讓智能自由地流淌，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)讓智能無處不在，大數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏?zé)o限的智能，云計(jì)算使智能快速反應(yīng)，人和機(jī)器人智能的協(xié)同……。那"智"從何來?智能是建立在一個(gè)持續(xù)不斷連接，強(qiáng)大的優(yōu)化算法引擎和活數(shù)據(jù)的閉環(huán)之上的。

智能主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:1、在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境的感知與理解。2、在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下的自主決策與優(yōu)化能力。3、基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)適應(yīng)能力。尤其是學(xué)習(xí)能力是典型的智能行為。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工廠，算法控制智造。智能制造也需從"計(jì)算智能"、"感知智能"逐步實(shí)現(xiàn)"認(rèn)知智能"。新一代智能制造是在基于AI的CPS系統(tǒng)架構(gòu)下的智能制造。

通過工業(yè)大數(shù)據(jù)，它不僅僅是設(shè)備維修和產(chǎn)品服務(wù)，其技術(shù)不僅涉及IT還涉及OT工業(yè)技術(shù)。工業(yè)應(yīng)用大數(shù)據(jù)對(duì)于人才的復(fù)合型要求更為突出。行業(yè)的數(shù)據(jù)分析，不僅需要計(jì)算機(jī)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)等知識(shí)，還要擁有豐富的行業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過這些知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建模，才能開發(fā)出合適的分析方法，找到數(shù)據(jù)價(jià)值。

通過行業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，建立合適智能工廠、車間、計(jì)劃調(diào)度控制執(zhí)行、倉儲(chǔ)模型，對(duì)所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)智能決策，這應(yīng)該是工業(yè)大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵應(yīng)用。智能制造也正朝著分布式?jīng)Q策和自主感知(機(jī)器學(xué)習(xí)等)進(jìn)化。

在智能動(dòng)態(tài)計(jì)劃排產(chǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)倉儲(chǔ)物料進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算，隨時(shí)對(duì)物料進(jìn)行FMR(使用頻率分析)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)分析，通過自動(dòng)化機(jī)器臂自主循環(huán)的把多頻率的物料智能的移到貨架最低層，紅綠黃燈提醒優(yōu)先分揀及AGV小車取貨順序，精確的滿足多品小批量物料的采購、JIT/JIS配送及工位喂料。

在智能層面，革新運(yùn)營管控的高度，例如多種運(yùn)營管控模型，激活組織，創(chuàng)新轉(zhuǎn)型數(shù)字化，全面幫助中國的制造業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

如何架構(gòu)數(shù)字化工廠

數(shù)字化制造不等于全自動(dòng)化，未來十到二十年，主流的制造方式將是人機(jī)結(jié)合。數(shù)字化制造的價(jià)值是客戶導(dǎo)向的多品種小批量的柔性生產(chǎn)，是人機(jī)高效的融合，偏面追求全自動(dòng)化與無人化是不明智的。

自動(dòng)化改造、設(shè)備的傳感連接、精益生產(chǎn)改善、供應(yīng)鏈優(yōu)化、業(yè)務(wù)流程的重組、數(shù)字化工廠、機(jī)器人和機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、高級(jí)算法與人工智能等，讓我們企業(yè)目不暇接。這是因?yàn)槊總€(gè)專家、供應(yīng)商或個(gè)別企業(yè)站在自身的角度來詮釋這場(chǎng)新工業(yè)革命。每個(gè)企業(yè)切忌盲目沖動(dòng)，應(yīng)保持清醒的頭腦，根據(jù)自身的情況，科學(xué)的、系統(tǒng)地規(guī)劃實(shí)現(xiàn)新工業(yè)革命的升級(jí)。精益化、數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，逐步實(shí)現(xiàn)中國制造2025的戰(zhàn)略目標(biāo)。

實(shí)際上，智能制造屬于復(fù)雜系統(tǒng)，是人工智能與大系統(tǒng)理論的結(jié)合，屬于第三代控制論，不過還在進(jìn)化。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的技術(shù)出現(xiàn)，CPS嵌入式人機(jī)物協(xié)同控制是智能制造的基礎(chǔ)。所以，實(shí)現(xiàn)智能制造必須做好頂層設(shè)計(jì)。

頂層設(shè)計(jì)的“頂層”是決策者、系統(tǒng)化、系統(tǒng)工程?！霸O(shè)計(jì)”是策略、謀劃、規(guī)劃。我們?cè)贗T建設(shè)、數(shù)字化工廠、智慧企業(yè)的過程中，需做好頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程、企業(yè)架構(gòu)-數(shù)據(jù)、流程、系統(tǒng)、平臺(tái)架構(gòu)規(guī)劃。但復(fù)雜系統(tǒng)又很難設(shè)計(jì)。所以在頂層設(shè)計(jì)時(shí)候留有空間，允許自然選擇迭代進(jìn)化。

數(shù)字化工廠的規(guī)劃設(shè)計(jì)與落地，需要通過三個(gè)維度來頂層設(shè)計(jì)，首先是從供應(yīng)鏈優(yōu)化的維度，其次是研發(fā)制造服務(wù)一體化維度，即研發(fā)的產(chǎn)品要智能化。最后是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)精益生產(chǎn)集成自動(dòng)化維度。生產(chǎn)運(yùn)作從四個(gè)維度即生產(chǎn)運(yùn)行、質(zhì)量運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)行、庫存運(yùn)行。工業(yè)控制實(shí)現(xiàn)SCADA/HMI/DCS數(shù)字網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)IT與OT的深度融合。

對(duì)于未來新模式、新技術(shù)下的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，要注意以下幾點(diǎn)：一是商業(yè)模式，即拉平價(jià)值微笑曲線底部并延伸價(jià)值鏈到服務(wù);二是管理模式，即打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)生態(tài)、構(gòu)建C2B、C2M模式、多品種、小批量按單定制生產(chǎn);三是技術(shù)創(chuàng)新，智能研發(fā)創(chuàng)新平臺(tái);四是品牌，互聯(lián)網(wǎng)全渠道營銷;五是成本，通過精益管理來降低成本;六是資金，即互聯(lián)網(wǎng)金融、眾籌資金;七是質(zhì)量，可以通過工業(yè)大數(shù)據(jù)提升監(jiān)控質(zhì)量;八是工藝，即數(shù)字化聯(lián)網(wǎng)、知識(shí)庫、模擬仿真工藝、機(jī)器人等;九是人才，即對(duì)新型符合型高級(jí)人才的培養(yǎng)。