作者：北京和利時(shí)智能技術(shù)有限公司 謝紅兵

摘要：本文闡述了智能制造能力評價(jià)的關(guān)注點(diǎn)和基本原則。梳理了智能制造的典型特征，并將這些特征按照《國家智能制造標準系統建設指南（2015）版》給出的“智能制造系統體系結構”的各個(gè)維度進(jìn)行分解，對各個(gè)維度的內涵進(jìn)行研討，并從不同的視角對其中的每個(gè)維度及其每個(gè)層級評價(jià)的關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：智能制造；評價(jià)指數；PLM；協(xié)同制造

Abstract: This paper elaborates the focus and basic principles of intelligent manufacturing capability evaluation. The typical characteristics of intelligent manufacturing are sorted out, and these characteristics are decomposed according to the dimensions of " intelligent manufacturing system architecture" given in " national intelligent manufacturing standard system construction guide ( 2015 )", the intension of each dimension is discussed, and the attention points of each dimension and its evaluation at each level are explained from different perspectives.

Key words: Intelligent manufacturing; Evaluation index;  PLM; Collaborative manufacturing

1　引言

《智能制造評價(jià)指數》是《國家智能制造標準體系建設指南（2015版）》[1]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《建設指南》）中所規定的“智能制造標準體系框架”中的A類(lèi)基礎共性標準，用于對各智能制造應用領(lǐng)域、應用企業(yè)和應用項目的智能制造能力開(kāi)展評估，以促進(jìn)企業(yè)不斷提升智能制造水平。本文基于對智能制造相關(guān)標準、技術(shù)和應用方案的研究，提出設置智能制造評價(jià)指數的一些關(guān)注點(diǎn)，并將這些關(guān)注點(diǎn)按照《建設指南》所給出的“智能制造系統架構”進(jìn)行了結構化。

可以從不同的維度審視智能制造，從而將智能制造的內涵和特征分解和結構化，從而得出智能制造能力評價(jià)的著(zhù)眼點(diǎn)?！督ㄔO指南》提供了一種結構化的思路，規定了圖1所示的“智能制造系統架構”，分別從生命周期、系統層級、智能功能等3個(gè)維度建立了智能制造系統的架構，可以考慮作為《智能制造評價(jià)指數》標準的基本骨架。

圖1  智能制造系統架構，來(lái)自^[1]

2　生命周期維度

生命周期這個(gè)維度實(shí)際上應從兩個(gè)不同的視角或子維度來(lái)看，即生命周期和價(jià)值鏈/價(jià)值網(wǎng)絡(luò )。其中生命周期又應按橫縱細分成產(chǎn)品生命周期和生產(chǎn)系統生命周期，以及數字對象的生命周期和實(shí)物對象生命周期。離散制造業(yè)的關(guān)注點(diǎn)應是產(chǎn)品的生命周期，而流程工業(yè)的關(guān)注點(diǎn)則應是生產(chǎn)系統的生命周期。而對于智能制造，則無(wú)論是產(chǎn)品還是生產(chǎn)系統，更應關(guān)注的是數字對象的生命周期，以及數字對象與實(shí)物對象的集成和同步。如圖2所示。

圖2  智能制造能力評價(jià)對生命周期唯獨的關(guān)注點(diǎn)

2.1　生命周期

產(chǎn)品生命周期包括6個(gè)階段：設計、工藝規劃、生產(chǎn)工程、制造、使用和服務(wù)，以及廢棄和回收^[2]。銷(xiāo)售、物流一般不作為產(chǎn)品生命周期的階段，而是價(jià)值鏈中的活動(dòng)。

產(chǎn)品設計包括工藝規劃等，產(chǎn)生的是數字產(chǎn)品。對MTO模式運作的企業(yè)，銷(xiāo)售的實(shí)際也是數字產(chǎn)品。數字產(chǎn)品周期從最初的概念到設計、工程、發(fā)布、（重復）使用、升版等直至作廢，走的是與其實(shí)例，即實(shí)物產(chǎn)品不同的生命周期。對于數字產(chǎn)品，評價(jià)的主要關(guān)注點(diǎn)應該是產(chǎn)品數據（產(chǎn)品定義）的有效管理和沿生命周期在不同企業(yè)或行為體之間的共享，例如產(chǎn)品生命周期工具通過(guò)Web提供給協(xié)同產(chǎn)品設計和售后產(chǎn)品服務(wù)。

制造或生產(chǎn)產(chǎn)生的是實(shí)物產(chǎn)品。實(shí)物產(chǎn)品的生命周期實(shí)際應從供應鏈部分的源頭采購算起。對于實(shí)物產(chǎn)品，智能制造能力評價(jià)應關(guān)注一個(gè)產(chǎn)品是否是所謂的“智能產(chǎn)品”，即通過(guò)附帶某種標簽或數字產(chǎn)品記憶自身攜帶產(chǎn)品的履歷和狀態(tài)信息?；谖锫?lián)網(wǎng)平臺，智能產(chǎn)品與基于PLM/PDM的數字產(chǎn)品相結合，從而提供智能服務(wù)。

生產(chǎn)系統的典型生命周期階段包括設計、建造、調試、運維和停用，其中穩態(tài)運維階段通常是生產(chǎn)系統生命周期中最長(cháng)的階段。與產(chǎn)品類(lèi)似，從事設計、建造和調試的企業(yè)往往跟運營(yíng)/制造企業(yè)不是一家，因此突出生產(chǎn)系統生命周期子維度的意義在于強調這些企業(yè)之間協(xié)同和知識共享，否則無(wú)法進(jìn)行例如工藝優(yōu)化及仿真。此外，裝備的遠程維護等高端能力也依賴(lài)這個(gè)子維度設置評價(jià)指數。

總體而言，在生命周期這個(gè)子維度，智能制造能力應強調全數字化，表現為PLM和所謂的端到端工程，即貫穿一個(gè)產(chǎn)品生命周期的所有階段：從原材料獲取到制造系統、產(chǎn)品使用和產(chǎn)品生命周期結束的智能互聯(lián)和數字化。主要應用表現包括但不限于：全生命周期可見(jiàn)性/透明度、產(chǎn)品設計優(yōu)化和仿真（包括虛擬現實(shí)）、協(xié)同產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和并行制造、個(gè)性化定制、增材制造等。盡管很多企業(yè)可能存在若干現代制造應用系統，例如PDM、SCM、ERP、CRM等，但未必能滿(mǎn)足新的智能制造業(yè)務(wù)需求，因為它們可能原本只是為企業(yè)中的特殊活動(dòng)設計的，不一定能適應在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中對協(xié)同能力的需求。

協(xié)同制造本身并不算是“新業(yè)態(tài)”，而是將PLM作為跨企業(yè)組織的協(xié)同制造工具表現出一種“新業(yè)態(tài)”，因為PLM不僅在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中提供過(guò)程管理，而且使產(chǎn)品價(jià)值鏈中的網(wǎng)絡(luò )參與者之間能夠進(jìn)行有效的協(xié)同。

2.2　價(jià)值鏈/價(jià)值網(wǎng)絡(luò )

價(jià)值鏈主要思想是，產(chǎn)品或服務(wù)（主要適用于實(shí)物）從一個(gè)離散的組織單元傳遞到下一個(gè)組織單元，每一個(gè)單元都增加價(jià)值。隨著(zhù)社會(huì )進(jìn)步、移動(dòng)、信息處理（大數據分析）和云計算等驅動(dòng)因素的影響，企業(yè)數字化程度的不斷提高，價(jià)值鏈更加多元和復雜化，從而形成價(jià)值網(wǎng)絡(luò )。

“制造應用系統集成”（SIMA）參考架構活動(dòng)模型^[3]和供應鏈運營(yíng)參考( SCOR )^[4]相結合似乎可以全面闡釋價(jià)值鏈/價(jià)值網(wǎng)絡(luò )所涉及的過(guò)程、活動(dòng)和信息流，前者從縱向產(chǎn)品角度從發(fā)，涵蓋產(chǎn)品設計、產(chǎn)品工程、生產(chǎn)系統工程和產(chǎn)品生產(chǎn)，以及管理工程的工作流；后者從橫向供應鏈角度出發(fā)，給出了構成一個(gè)供應鏈基本環(huán)節的“計劃、采購、制作、交付、返還”5個(gè)管理過(guò)程以及環(huán)環(huán)相扣所需的機制，所構成的價(jià)值網(wǎng)絡(luò )/生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )涉及“從供應商的供應商到客戶(hù)的客戶(hù)”。

圖3是一個(gè)價(jià)值鏈過(guò)程模型，可以作為理解這個(gè)視角活動(dòng)的良好參照。

圖3  價(jià)值鏈過(guò)程模型， 改編自^[5]

圖3給出價(jià)值鏈中的三個(gè)相互作用的循環(huán)。交付是聯(lián)系客戶(hù)、接受訂單和確保貨物按承諾交付的過(guò)程。貨源是與供應商聯(lián)系、采購物資、確保物資按生產(chǎn)需要到達的過(guò)程。制作是一個(gè)與交付和貨源相互作用的流程。所有制造商都有這些基本流程，但交互程度、時(shí)間依賴(lài)性和信息流都有很大差異，具體取決于企業(yè)規模、制造模式、供應鏈中的位置、全球制造要求、縱向集成程度等因素。

因此對于生命周期維度，從價(jià)值網(wǎng)絡(luò )這個(gè)視角看，應將“物流”這一刻度映射成圖3中所示的“貨源”的功能范圍，涵蓋供應商關(guān)系、采購、物流、倉儲、配送、備品備件管理等，將“銷(xiāo)售”這一刻度映射成圖中所示的“交付”的功能范圍，涵蓋客戶(hù)關(guān)系、訂單、渠道、門(mén)戶(hù)、交付管理等。

需求強調的是，對于智能制造，不僅產(chǎn)品生產(chǎn)要與供應鏈基本環(huán)節的橫向兩端，即所代表的供應商信息（實(shí)物產(chǎn)品級）和交付（訂單履行）所代表客戶(hù)信息（實(shí)物產(chǎn)品級或數字產(chǎn)品級）進(jìn)行信息貫通，產(chǎn)品設計和產(chǎn)品工程也要與供應商信息和客戶(hù)信息在數字產(chǎn)品級橫向貫通，同時(shí)再與產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)行縱向貫通，才能充分滿(mǎn)足產(chǎn)品的可制造性和可交付性，這是能力評價(jià)的一個(gè)很重要的方面。例如物流數據可用于裝配，采購部門(mén)可實(shí)時(shí)查看庫存，隨時(shí)了解供應商提供的零件，客戶(hù)可在生產(chǎn)過(guò)程中查看產(chǎn)品的完工情況等。全數字化生產(chǎn)中的價(jià)值流實(shí)現了采購、訂單計劃、裝配、物流、維修、客戶(hù)和供應商等環(huán)節的聯(lián)系。

3　系統層級維度

《建設指南》給出的這個(gè)維度是實(shí)現企業(yè)業(yè)務(wù)到工廠(chǎng)、車(chē)間、控制系統的運營(yíng)和自動(dòng)化主要的業(yè)務(wù)視角。對于這個(gè)維度，智能制造能力評價(jià)的主要關(guān)注點(diǎn)應是設備接入、工業(yè)軟件的齊全性、人機交互，以及全維度各層的自主能力。

對于設備接入，需要說(shuō)明的是，《建設指南》對于這個(gè)維度的設備層級的解釋 “設備層級包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、機器、機械和裝置等，是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的物質(zhì)技術(shù)基礎”其實(shí)是有問(wèn)題的，其中的“機器、機械和裝置等”與“傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別”不能混為一談，前者屬于制造裝備，屬于智能功能維度的資源要素，后者屬于自動(dòng)化設備。虛擬世界通過(guò)自動(dòng)化設備來(lái)感知制造裝備，或者說(shuō)如果現實(shí)世界中的裝備在數字世界中有一個(gè)“數字孿生”的話(huà)，裝備的特征是由其“數字孿生”（虛擬實(shí)體）的特性來(lái)表現的，而鏈接裝備的特征與“數字孿生”的特性，并保持其狀態(tài)時(shí)刻同步的橋梁是設備。

對于工業(yè)軟件，現代企業(yè)或工廠(chǎng)一般都會(huì )有MES、SCADA或DCS，需要評價(jià)的是其中的智能或自主要素。例如對于控制層的PLC或等價(jià)控制器，如果只是按照固定程序執行固定回路的自動(dòng)控制，則認為是自動(dòng)化而非智能化的，控制器能夠根據輸入事件自主地調整自己的控制行為才是智能化的。

對于車(chē)間層，傳統的MES/SCADA系統往往智力不足，比如工藝報警，大量基礎報警被推送給操作員，決策仍依賴(lài)存在于人腦中的智能，因此，可以考慮將單位時(shí)間平均出現的報警條數作為一個(gè)智能報警的評價(jià)指數，因為智能報警的實(shí)現不僅需要基于邏輯，還要基于模型、條件、位置等情境感知能力的支持。評價(jià)需要注意的是負責生產(chǎn)管理的MES/SCADA本身因行業(yè)的不同體現出的形態(tài)和覆蓋的功能范圍。此外還要考慮裝備的日益智能化和云計算的普及以及實(shí)時(shí)數據分析會(huì )使車(chē)間智能向邊緣設備分散（本地智力）和向云端集中（協(xié)調智力），從而改變傳統的車(chē)間生產(chǎn)系統形態(tài)。

對于企業(yè)層，除了ERP、SCM、CRM和PDM等尋常的信息化系統外，應該實(shí)現數字工廠(chǎng)和智能工廠(chǎng)的信息集成。從智能制造角度，建議評價(jià)企業(yè)向所謂“感知型企業(yè)”或“預測性制造系統”轉變的程度。因為它們涵蓋了企業(yè)的敏捷性、透明度、健康診斷和數據分析及反饋，并需要泛在傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、預后和健康管理（PHM）、機器學(xué)習和數字企業(yè)平臺的綜合支持。

協(xié)同層級的智能制造目標應是數字生態(tài)系統，不僅要關(guān)注企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈上通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)共享信息實(shí)現協(xié)同研發(fā)，智能生產(chǎn)、精準物流和智能服務(wù)等，還要強調這種協(xié)同的動(dòng)態(tài)性，比如動(dòng)態(tài)確定供應商和合作伙伴的能力，以及更廣泛的信息獲取渠道。

4　智能功能維度

智能功能維度也應從兩個(gè)視角來(lái)看待，一個(gè)是從集成和互操作角度，程度、廣度和魯棒性，另一個(gè)是從數據-信息-知識的角度，在原始數據不斷的集成和處理過(guò)程中，在元數據的作用下，數據被變換成有意義的信息，經(jīng)過(guò)歸納，有規律的信息被轉化成知識，運用知識反作用于系統和過(guò)程，達到自我適應、調整和優(yōu)化。

“資源要素”表示現實(shí)世界的實(shí)體和產(chǎn)能，建議采用IEC 62264規定的資源分類(lèi)標準。圖紙、工藝文件的電子文檔屬于虛擬世界的信息，資源通過(guò)系統層級維度的設備與虛擬世界相連。資源要素的評價(jià)關(guān)注點(diǎn)是資源的標識，包括標識的標準化和規范化，這是資源狀態(tài)監視、跟蹤、分析和可視化的基礎。對于不同的資源，標識的程度取決于識別的目的。資源要素必須通過(guò)系統層級維度中設備層次中的“設備”才能被集成到自動(dòng)化或智能化系統中來(lái)。

“系統集成”除了傳統意義上的系統集成外，應強調物理和虛擬世界的融合，評價(jià)關(guān)注點(diǎn)主要應是：泛在網(wǎng)絡(luò )（如有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、定位系統等）的狀況；人、機和系統之間物理通信和數據傳輸能力；以及接口和協(xié)議的標準化程度?；就ㄐ欧绞娇赡馨ㄎ募粨Q、共享數據庫、基于定制接口、基于消息傳遞和工作流。

“互聯(lián)互通”的典型標志應是物聯(lián)網(wǎng)融入制造過(guò)程，制造業(yè)務(wù)和設備實(shí)現了服務(wù)化和可能利用云技術(shù)的服務(wù)虛擬化。普遍采用了互聯(lián)網(wǎng)和Web標準，以及SOA架構和安全及隱私管理。在互操作上，一個(gè)信息系統可以使用另一個(gè)信息系統暴露的服務(wù)，標志是可以對業(yè)務(wù)服務(wù)和設備服務(wù)進(jìn)行混合編排，動(dòng)態(tài)生成新的過(guò)程或應用程序，顯然，這需要對資源所代表的“物”進(jìn)行封裝并暴露成標準的服務(wù)才能做到，例如統一提供RESTful服務(wù)接口。該層的愿景應是物與服務(wù)聯(lián)網(wǎng)。

“信息融合”目的應該是信息集成，關(guān)注點(diǎn)有兩個(gè)。一是語(yǔ)義技術(shù)的采用，如工廠(chǎng)統一的信息空間、本體、語(yǔ)義Web、語(yǔ)義化的機器通信（M2M）和語(yǔ)義化的數字產(chǎn)品記憶，否則無(wú)法實(shí)現所謂“跨界集成”。二是數據分析，如經(jīng)驗預測、模式識別、機器學(xué)習、智能數據分析、數據挖掘、認知計算等。在互操作上，一個(gè)信息系統可以使用另一個(gè)信息系統提供的過(guò)程，即可以實(shí)現可能的異構過(guò)程模型和應用程序的映射、連接、合并和翻譯。由于難以對技術(shù)采用情況進(jìn)行評價(jià)，因此建議評價(jià)采用某種變通做法，比如物流可見(jiàn)性或動(dòng)態(tài)結成合作伙伴（虛擬企業(yè)）的能力，以及生產(chǎn)計劃的自動(dòng)化和優(yōu)化、預見(jiàn)性維修等方面設置評價(jià)指標。

“新興業(yè)態(tài)”一方面體現是一種綜合效果，如《建設指南》所列如個(gè)性化定制、遠程運維等，另一方面智能裝備本身與業(yè)務(wù)結合的應用也應是重要方面，例如無(wú)人機運用于智能倉庫的盤(pán)庫、增材制造（3D）打印運用于備品備件管理等，而且會(huì )層出不窮。這類(lèi)應用創(chuàng )新項建議作為這一層級的加分項。

5　評價(jià)的原則

除了一般指數評價(jià)體系常規的原則外，針對智能制造評價(jià)指數度量，應著(zhù)重強調以下原則：

·    應具有普適性：既適用于大型甚至跨境企業(yè)，也適用于中小企業(yè)，即適用于綜合企業(yè)、龍頭企業(yè)，也適用于OEM廠(chǎng)商和零部件供應商，以及流程、離散或混合生產(chǎn)模式。

·    不應形成對企業(yè)經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)運營(yíng)最佳做法的評價(jià)。因為每種制造情況都是獨特的，取決于行業(yè)、規模、制造技術(shù)、垂直化程度、消費者或行業(yè)客戶(hù)組合、競爭對手等因素，不存在“一刀切”的最佳解決方案。

·    不應割裂“智能制造系統體系架構”魔方的3個(gè)維度，展開(kāi)成3個(gè)平面甚至3個(gè)軸分別設立評價(jià)指標。比如智能裝備，只有在智能功能維度的資源要素與系統層次維度中的設備相結合時(shí)才可能形成，或者說(shuō)一個(gè)裝備只有嵌入或附加了設備（如傳感器、控制器、標簽等）并具有與外界通信能力才有可能稱(chēng)為智能設備，而這樣的智能裝備只有在比如生產(chǎn)中，才能評價(jià)生產(chǎn)的智能化水平。建議將魔方中的“系統層級”維度作為設立指標的主干。

·    可裁剪，評價(jià)標準的使用應對齊企業(yè)的需要，應允許企業(yè)就適用指標的數量和類(lèi)型做出決定。

·    可管理，指標應限于滿(mǎn)足測量目的所需的最小數量。

·    對不同類(lèi)型的制造企業(yè)，應通過(guò)權重對指數的絕對值進(jìn)行適當調整，例如對于流程工業(yè)，由于產(chǎn)品、產(chǎn)線(xiàn)都較為固定，因此對諸如柔性方面的評價(jià)沒(méi)有意義。相反，這類(lèi)企業(yè)往往計劃外停機對生產(chǎn)的影響較大，同時(shí)又通常是資源和能源消耗大戶(hù)，對這方面的權重就應提高。

6　結束語(yǔ)

事實(shí)上，還存在若干相對獨立的應用視角，可以形成若干主題，它們可能屬于智能制造系統架構某個(gè)維度的某個(gè)層級，但可以極度擴展出大量應用，或者自身要描述清楚需要橫跨幾個(gè)維度，或者深度應用才能顯現智能制造的本質(zhì)。例如人機交互、優(yōu)化和仿真、AI的應用等，類(lèi)似的主題，其必要性和有效性難以一個(gè)統一的標準對所有企業(yè)進(jìn)行評價(jià)。因此，企業(yè)的需求在評價(jià)時(shí)還應該是第一位的。

★工業(yè)和信息化部2016年智能制造專(zhuān)項“智能制造評價(jià)指數標準研究與試驗驗證”項目

作者簡(jiǎn)介：

謝紅兵（1962-），男，江蘇南京人，研究員級高級工程師，現任北京和利時(shí)智能技術(shù)有限公司產(chǎn)品技術(shù)部系統設計師，研究方向是工業(yè)軟件、自動(dòng)控制、智能制造。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2018年8月刊