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“智能制造屋”的框架概述

智能制造也可以用“智能制造屋”的方式來表達智能制造的IT基礎建設、物聯網等邏輯關系。

在之前的文章中,筆者分別用“魚”形模型、成熟度模型和戰略執行框架,等等,談了本人對智能制造的理解。在本文中,筆者嘗試借鑒精益管理中的“精益制造屋”,對智能制造的內涵做進一步,系統性的闡述,并將之命名為:“智能制造屋”。

1:“智能制造屋”

1。屋頂:價值和目標

“智能制造屋”的屋頂是智能制造的價值和目標。

從業務價值來講,相比較當前中國制造業的“兩高三低”(高消耗、高成本、低質量、低效率和低效益),智能制造的業務價值是幫助制造企業實現“二低三高”的先進制造,即低消耗、低成本、高質量、高效率和高效益。為了達成這些價值,其中的實現路徑是通過物聯網、人工智能等數字化技術的應用,來優化生產系統的生產方式、生產關系,并提升其轉化效率。

從系統形態來講,智能制造的核心內涵和目標是實現“協同、精益、柔性和自主”的制造系統。

1)協同制造

智能制造應該是協同制造,即企業內部人與人、人與設備、人與環境、設備與設備,設備與工件、工件與工件,等等之間;以及產業鏈中,上下游的不同企業之間的網絡化、實時協同,這也包括了所謂的“眾包制造”或“云制造”,從而將社會化協作式生產推進到更廣范圍和更深層面。比如,產業鏈中的協同產品設計和開發、協同供應鏈、協同服務,企業內部的人----環一體化生態系統(CollaborativeandHarmonyProductionEcosystem),等等。

2)精益制造

智能制造應該是精益制造,即通過生產系統的互聯化、可視化、實時仿真和模擬,在實現“一個流”生產的同時,讓各種浪費顯露出來,再持續地優化生產資源的組織和轉化,以消除各種浪費,杜絕各種過程差異和安全風險,在業務數字化的“加法”基礎上做運營精益化的“減法”。

3)柔性制造

智能制造應該是柔性制造,即制造系統中的原料、能源、人、技術、流程和工具等資源和能力,可以根據市場和客戶需求進行動態調整和適配;最終,在實現“批量為1”的個體化制造的同時,還能確保生產系統的高質量和高效率。

4)自主制造

智能制造應該是自主制造,即通過物聯網、人工智能等數字化技術的應用,實現生產系統在常規性、程序式、場景化的情形下的自主決策和自組織、自執行、自監督、自調整,把人從重復式、繁瑣型、低價值、高強度的生產作業中解放出來,從而將更多精力放在例外決策和系統優化等創新性工作中去,更高程度地發揮人的主觀能動性、價值和潛能。

在具體表現和企業實踐中,不同的行業和企業,對智能制造的目標定義會有差異,比如快速消費品行業會著重于精益制造和柔性制造,航空和汽車行業對協同制造的要求會更看重,鋼鐵和化工行業則可能把自主制造的訴求會放在優先位置。無論何種形式,大體上對智能制造的目標要求不會脫離協同制造、精益制造、柔性制造和自主制造這幾種形態的組合。

2.棟梁:二經和六緯

“智能制造屋”的棟梁是“二經六緯”,即縱向的兩個技術支撐:數字主線和數字孿生,和橫向的六個進化階段:互聯化、可視化、透明化、可配置、可預測和自適應。

1)數字主線(DigitalThread

在智能制造的體系中,數字主線是流程和數據集成的主要手段。近幾年,因為互聯網企業的推動,“中臺”成了一個熱門的話題。尤其對制造企業而言,“中臺”的建設似乎成了一個非常迫切的任務。在筆者看來,現在比較成熟的所謂“中臺”有業務中臺、數據中臺和AI中臺,而“中臺”的本質內涵是可復用的邏輯、能力或數據。對制造企業而言,數字主線類似于以產品為中心的數據中臺,起到系統與流程的連接和數據的集成的作用,即在合適的時間,把合適的數據,傳遞給合適的人。另外,數字主線的建設還可以幫助企業對現有的ERPMESPLMIT系統進行服務化或業務中臺式改造。

2)數字孿生(DigitalTwin

ERPMESIT系統是基于記錄(Record-Based)的架構設計,PLMIT系統是基于對象(Object-Based)的架構設計,工業互聯網是基于物(Thing-Based)的架構設計,而物(Thing)的數字化展現就是數字孿生。換句話說,以工業互聯網技術做支撐的智能制造應該是由數字孿生驅動(DigitalTwins-Driven)的業務場景的集合,數字孿生是智能制造中的萬有存在和“小宇宙”,是智能制造系統的主要人機交互界面(HumanMachineInterfaceHMI)。

舉例來說,企業可以為設備、生產線或車間來制作數字孿生,然后通過它來做運行的仿真和模擬,以發現其中的瓶頸或浪費,進而對上述物理現場進行持續優化。

又比如,企業中的設備、人、料、流程、系統等資源或能力都是某類“物”,為了支持柔性生產,這些資源或能力,及其之間的組合關系,等等,必須是可配置的;而上述可配置的實現要以數字孿生作為媒介來完成。

3)六個進化階段

智能制造的“六緯”,指的是橫向上的六個階段或進化路徑:互聯化、可視化、透明化、可配置、可預測和自適應,其詳細介紹可參見筆者的前一遍文章:智能制造成熟度模型與實施路徑

互聯化是智能制造的最基本階段,是“機聯網”的高級階段,包括了人、機器、物料、流程、環境、系統等之間的互聯互通,是實現協同制造的基礎。

可視化和透明化是對數據的深入應用,在此基礎上可以做生產系統的模擬、仿真、優化和因果分析,以消除瓶頸,消除浪費,杜絕風險,從而實現精益制造。

可配置是實現柔性制造的基礎。要想實現柔性制造,就要將客戶的需求變化(Changeable)進行解耦和系統化,轉化為對企業中資源和能力,及其組合關系的可配置(Configurable),進而再轉變化對基本要素的(人、機、料等)的標準化(Standard),從變易(Changeà簡易(Configurationà不易(Construct)的不斷解耦,從而在實現個體化生產的同時實現生產的高質量和高效率。

可預測和自適應是智能制造的高級發展階段。

可預測是對生產系統中的過程變異和安全風險進行預測,并提前做好防范。以設備管理為例,有修復性設備維護、計劃性設備維護和預測性設備維護;其中,預測性設備維護中的設備使用壽命最長,維護成本最低。制造企業中,與設備管理非常類似的業務場景還有質量、風險和安全管理,其最優形式是預測性質量保證、風險管理和安全保證。

到了自適應階段,制造系統才算是真正意義上的智能系統。通過實時監測、算法優化和數物互聯,自適應階段的制造系統可以實現日常運行中重復式作業的自計劃、自組織、自監測和自適應等完整的PDCA循環。

“智能制造屋”的“六緯”,一方面,從互聯化à可視化à透明化à可配置à可預測à自適應,是企業在實現智能制造愿景和目標過程中,制造系統的進化路徑;另一方面,從自適應à可預測à可配置à透明化à可視化à互聯化,是智能制造要求的層層分解,上一層的要求可以指導下一層的建設。

3.屋基:CPPS和基礎IT

“智能制造屋”的屋基有兩個,一個是包括物聯網、人工智能等技術構件在內的信息物理生產系統(Cyber-PhysicalProductionSystemCPPS),一個是以ERPPLMMESIT系統為主體的基礎IT系統或應用。

在智能制造體系中,信息物理生產系統是數字化技術盞。與傳統IT架構相比,信息物理生產系統(CPPS)的優點是全面、實時互聯和數據的自學習。借助物聯網技術,制造企業中的人、機、料、系統、環境等資源和能力可以實時互聯,再加上人工智能(語音識別、圖像識別等)技術的應用,可以將業務全面地數字化,并大大提高了數據的準確性和及時性。借助高級分析和機器學習,CPPS系統可以對業務數據進行自學習基礎上的自主決策。

處于“智能制造屋”最底層的ERPPLMMESIT系統則是智能制造的工具包。它們不是多余,而是基礎支撐;只不過,這些系統或應用要做微服務、去中心化或業務中臺化改造,以適應多變的企業環境。傳統式、大而全、中央式的IT系統,因為架構僵化、開放性和可配置性差,必須借鑒業務中臺的思路對其進行重構,而確保重構(注:不是推倒重來)工作能夠以風險最小、成本最低、速度最快的方式下完成的技術支撐是信息物理系統。

作為一個模型框架,“智能制造屋”從價值、愿景、目標、階段、方法、原則和工具等層面描述了智能制造的全景,為制造企業理解智能制造的解決方案提供了一個系統參照,為制造企業實現智能制造的愿景和目標提供了路徑參考。


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