我們這個(gè)時(shí)代，比以往更多的概念，精益生產(chǎn)、智能制造、工業(yè)4.0、數(shù)字化工廠、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能……總是有那么多的概念在制造業(yè)里流行，然而，這么多的概念卻讓人們陷入迷茫之中，每個(gè)人似乎都懂得制造，而又愈發(fā)讓聽者困惑。我們?cè)撊绾卫迩暹@些概念之間的關(guān)系，扮演的角色，本文試圖為讀者進(jìn)行一個(gè)梳理，希冀有所裨益。

智能制造必須服務(wù)于企業(yè)經(jīng)營(yíng)

    無(wú)論我們對(duì)于智能制造何種定義與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行探討，我們都必須以企業(yè)的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略為目標(biāo)，企業(yè)的經(jīng)營(yíng)在于①為消費(fèi)者/客戶提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的產(chǎn)品②為股東投資確?；貓?bào)③為員工的福利，這是企業(yè)經(jīng)營(yíng)者必須考慮的，也是企業(yè)作為整體的價(jià)值所在。

    當(dāng)下對(duì)于智能制造的討論多數(shù)聚焦于技術(shù)之實(shí)現(xiàn)，標(biāo)榜智能制造產(chǎn)線，多是以局部看全局，而另一方面，為了智能制造而上系統(tǒng)也是偏離了企業(yè)經(jīng)營(yíng)之本質(zhì)，如何厘清經(jīng)營(yíng)與智能制造間的關(guān)系，建立有效的路徑分析與判斷，并逐次有效的實(shí)施整體戰(zhàn)略，對(duì)于企業(yè)而言，尤為重要，因?yàn)?，這關(guān)乎企業(yè)長(zhǎng)久的存亡，而非短期之政策紅利。

每個(gè)概念所扮演的角色如何？

    盡管我們不能把已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的稱之為概念，但是這里我們以其所對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域來(lái)進(jìn)行闡述。

1、精益是數(shù)字化的根基

    精益是一種不斷改善經(jīng)營(yíng)效率，發(fā)揮資源，包括核心的人的能動(dòng)性力量，持續(xù)學(xué)習(xí)不斷改善，讓企業(yè)不斷提升競(jìng)爭(zhēng)能力，消除浪費(fèi)就是一種對(duì)資源的最大化利用，發(fā)揮成本效率的途徑，最終去實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)的利潤(rùn)率最大化。

    精益對(duì)生產(chǎn)中的過(guò)度生產(chǎn)、等待、運(yùn)輸、過(guò)度加工、庫(kù)存、缺陷返工、走動(dòng)、人才浪費(fèi)進(jìn)行了聚焦，并提出了諸多的方法予以消除。這些與生產(chǎn)制造單元的經(jīng)營(yíng)目標(biāo)緊密相關(guān)。

    我們總把計(jì)算機(jī)、MES/ERP這些理解為數(shù)字化系統(tǒng)，但是，數(shù)字化的根基是“數(shù)字”—是基于“量化管理”的管理科學(xué)思想，因此，所謂的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)的本質(zhì)在運(yùn)營(yíng)，而非數(shù)字，數(shù)字只是實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)的手段。

    之所以說(shuō)精益是數(shù)字化的根基在于精益為生產(chǎn)提供了各種量化方法、工具，例如KPI、OEE、TPM、RCA、5S、目視化管理、看板等，這些使得工廠成為了一個(gè)可以被量化、可視化、透明化的工廠，一切都服務(wù)于經(jīng)營(yíng)目標(biāo)：質(zhì)量、成本與交付能力。

    表1是對(duì)智能工廠的性能指標(biāo)定義，它事實(shí)上是基于精益的可量化而定義的，這些是數(shù)字化運(yùn)營(yíng)、智能制造、工業(yè)4.0等所有概念必須去實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

表1-智能工廠的性能指標(biāo)要求

2、自動(dòng)化的角色

    傳統(tǒng)上，我們僅站在自動(dòng)化行業(yè)的角度理解自動(dòng)化，就是傳感器檢測(cè)、控制循環(huán)、顯示、趨勢(shì)報(bào)警，然而，當(dāng)我們把自動(dòng)化放在智能制造大環(huán)境下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它扮演的角色是服務(wù)于運(yùn)營(yíng)本質(zhì)的。

（1）.它確保效率

    為什么要自動(dòng)化？從傳統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)而言，采用人工搬運(yùn)、加工的過(guò)程顯然與機(jī)器的速度無(wú)法相比，尤其是談到智能制造的集成生產(chǎn)，將繼續(xù)削減中間不必要的環(huán)節(jié)—精益中所定義的不增值環(huán)節(jié)。而今天我們討論離散的制造業(yè)數(shù)字化，事實(shí)上，在自動(dòng)化程度上，連續(xù)型生產(chǎn)的自動(dòng)化程度要更高。

（2）.確保生產(chǎn)質(zhì)量

    高精度的伺服定位與同步、機(jī)器人集成制造使得產(chǎn)品質(zhì)量及其一致性不斷提高，這些都是機(jī)器相較于人而言更為重要的作用。

（3）.提供生產(chǎn)靈活性

    運(yùn)動(dòng)控制不僅提供了高精度的加工質(zhì)量，而且還確保了生產(chǎn)的柔性，就像在各種機(jī)器上，運(yùn)動(dòng)控制扮演讓生產(chǎn)更為靈活的角色，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，伺服系統(tǒng)自己規(guī)劃加工曲線，確保平滑的工藝切換。

（4）.提供上行數(shù)據(jù)采集與下行指令執(zhí)行

    當(dāng)然了，自動(dòng)化系統(tǒng)還扮演了精益的可視化管理角色，包括趨勢(shì)、報(bào)警，當(dāng)然也包括生產(chǎn)中的能源、維護(hù)、品質(zhì)數(shù)據(jù)向管理系統(tǒng)的輸送，當(dāng)然，也接受來(lái)自管理系統(tǒng)的指令，如新的訂單加工參數(shù)、工序等。

3、數(shù)字化/信息化的角色

    自動(dòng)化已經(jīng)讓標(biāo)準(zhǔn)化的大規(guī)模生產(chǎn)達(dá)到了極高的水平，但是，當(dāng)生產(chǎn)的個(gè)性化需求變得越來(lái)越多的時(shí)候就產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)，從精益角度，質(zhì)量、成本與交付都成了困難，幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明：

    （1）.不良品率：當(dāng)印刷批次變小時(shí)，開機(jī)浪費(fèi)將提高不良品率，使得質(zhì)量實(shí)際上下降；

    （2）.成本：當(dāng)不良品率提高，成本顯然提高，而個(gè)性化生產(chǎn)帶來(lái)的工藝切換時(shí)間也會(huì)造成成本上升、當(dāng)機(jī)也會(huì)造成成本的損耗，而從個(gè)性化產(chǎn)品成本計(jì)量角度，必須將成本分配在每個(gè)批次的產(chǎn)品上，那么這個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃中的能耗、機(jī)器效率就變得更為重要-顯著提高了成本。

    （3）.交付能力顯著下降：工藝切換的時(shí)間消耗、當(dāng)機(jī)、返工這種在大批量生產(chǎn)已經(jīng)非常成熟的解決方案在個(gè)性化時(shí)代就會(huì)放大，使得交付下降。

    從這個(gè)角度來(lái)觀察生產(chǎn)制造的要求就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在更大的全局來(lái)優(yōu)化產(chǎn)線成為了必然，例如：

    如何讓生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程最大的協(xié)同來(lái)消除中間的時(shí)間、能耗等浪費(fèi)？

    當(dāng)有設(shè)備停機(jī)產(chǎn)線如何自動(dòng)分配負(fù)載？

    在批次降低質(zhì)量迭代周期變小時(shí)如何削減開機(jī)浪費(fèi)？

    工藝切換的時(shí)間耗費(fèi)如何降低以達(dá)成快速交付？

    再回到運(yùn)營(yíng)角度來(lái)思考，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，智能制造必須借助于信息的透明來(lái)分析問(wèn)題，數(shù)據(jù)連接起來(lái)，才能全景的觀察產(chǎn)線，才能尋找運(yùn)營(yíng)的優(yōu)化。

    而制造級(jí)的數(shù)據(jù)采集由于垂直行業(yè)的差異性一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，而事實(shí)上在最近幾年運(yùn)營(yíng)智能制造的項(xiàng)目中這一問(wèn)題也比較突出，造成了很大的障礙，這也是為什么OPCUA成為了熱點(diǎn)的原因，因?yàn)镺PCUA解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：

    （1）.共享數(shù)據(jù)模型使得數(shù)據(jù)對(duì)象變得簡(jiǎn)單，可以較為便利的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；

    （2）.語(yǔ)義互操作使得跨平臺(tái)的系統(tǒng)之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)基于標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范進(jìn)行交互；

    （3）.垂直行業(yè)信息模型的集成更為垂直方向提供了數(shù)據(jù)便利。

圖1-基于OPCUA/MQTT的制造信息集成

    OPCUA提供了通信與設(shè)備層的規(guī)范，而數(shù)據(jù)字典則提供了在管理級(jí)的信息建模規(guī)范，在RAMI4.0的參考模型中包括管理殼（AdministrationShell）、數(shù)據(jù)字典都解決全局的業(yè)務(wù)層面的信息標(biāo)準(zhǔn)與模型。這是一種在水平角度的信息集成。

圖2-關(guān)于智能制造的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)參考

    不僅要梳理數(shù)據(jù)的傳輸，也要明白數(shù)據(jù)的流向—即，用途，也是要服務(wù)于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的。圖2是來(lái)自NIST的陸燕教授整理的關(guān)于與智能制造相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，包括從底層的現(xiàn)場(chǎng)總線、信息模型、數(shù)據(jù)模型、設(shè)計(jì)、制造各個(gè)環(huán)節(jié)，以全景形式給了我們以參考。

4、智能化——全局優(yōu)化與決策支持

    自動(dòng)化建立在對(duì)單個(gè)控制任務(wù)的調(diào)節(jié)，即使多變量系統(tǒng)通常也是在一臺(tái)機(jī)器、一個(gè)子系統(tǒng)（如煉化、制藥過(guò)程）中，而生產(chǎn)的全局優(yōu)化要在更高維度，而這個(gè)時(shí)候，計(jì)算能力、模型能力已經(jīng)超出了目前的機(jī)理模型。

圖3-從精益到智能運(yùn)營(yíng)的幾個(gè)層級(jí)（來(lái)自優(yōu)也工業(yè)大數(shù)據(jù)傅源-前Mckinsey全球副董事）

    圖3是作者與優(yōu)也工業(yè)大數(shù)據(jù)的傅源女士交流中，她所提供用于闡明從精益運(yùn)營(yíng)到智能化的全過(guò)程，該圖全景的描繪了從精益到智能的全局過(guò)程，數(shù)據(jù)采集、信息處理、全局利用直到最終的自主學(xué)習(xí)能力。

    因此，總結(jié)而言，智能化是必須建立在精益運(yùn)營(yíng)、自動(dòng)化、信息化之上的全局的優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)更為全局的模型，對(duì)市場(chǎng)端的需求拉動(dòng)、工藝設(shè)計(jì)與輔助制造、供應(yīng)鏈（除了傳統(tǒng)意義的供應(yīng)鏈還包括智能電網(wǎng)、物流）、生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)整個(gè)的協(xié)同，就形成了整體的基于設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)訂單、能源消耗、財(cái)務(wù)成本等共同構(gòu)成的“尋優(yōu)”，并給予運(yùn)營(yíng)“決策支持”。

知識(shí)化人才培養(yǎng)-并非題外話

    第2小節(jié)我們探討的是智能制造從精益基礎(chǔ)到智能的過(guò)程，我們也必須考慮知識(shí)與人才培養(yǎng)的關(guān)系，這對(duì)于智能制造同樣至關(guān)重要。

1、知識(shí)化-智慧資源的重用

    人是最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在整個(gè)制造過(guò)程中，從精益的持續(xù)改善、到自動(dòng)化控制的機(jī)器設(shè)計(jì)、信息化乃至智能化的學(xué)習(xí)等，這些都將依賴于人的智慧傳輸成為“標(biāo)準(zhǔn)”、“規(guī)范”，可重用的，能夠讓知識(shí)成為一種可被系統(tǒng)重復(fù)利用，并能自己不斷學(xué)習(xí)升級(jí)，用于最終的優(yōu)化決策。

    不僅軟件復(fù)用，人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)也必須復(fù)用，實(shí)物的材料和非實(shí)物的時(shí)間都是資源，而人的智慧、經(jīng)驗(yàn)更是資源，從性價(jià)比的角度來(lái)說(shuō)，人的經(jīng)驗(yàn)具有巨大的潛力，這是更為重要的資源。

圖4-mapp為機(jī)器開發(fā)提供高效的實(shí)現(xiàn)途徑

    圖4顯示了貝加萊的mapp架構(gòu)，mapp技術(shù)即是基于知識(shí)自動(dòng)化的軟件復(fù)用、組件技術(shù)而開發(fā)，mapp將貝加萊過(guò)去數(shù)十年在制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域如塑料、印刷、紡織、包裝、光伏等各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行了封裝，讓這些軟件可以被重用，以獲得最大的資源效用，讓自身以及用戶可以分享到過(guò)去數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)積累，而無(wú)需將大量的聰明才智耗費(fèi)在那些重復(fù)工作中，將人解放出來(lái)用于實(shí)現(xiàn)價(jià)值含量更高的工作。

2、人才培養(yǎng)與教育是智能制造的根基

    人才培養(yǎng)是智能制造的關(guān)鍵，今天我們所看到的對(duì)于智能制造的各種缺乏全局的認(rèn)知都來(lái)自于在教育中缺乏全局與系統(tǒng)思維的訓(xùn)練，從具體的角度看，如圖5，智能制造包含了更為全局的技術(shù)學(xué)習(xí)，包括自動(dòng)化專業(yè)向IT、機(jī)械的延伸，機(jī)器人、通信、PLCopen的軟件開發(fā)思想。

圖5-智能制造人才知識(shí)結(jié)構(gòu)分析與規(guī)劃

    例如運(yùn)動(dòng)控制：作為智能制造中執(zhí)行層面確保質(zhì)量、效率、柔性的重要一環(huán)，在大學(xué)的教育與實(shí)驗(yàn)卻是缺乏的，PLCopenMotion第四部分的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制本身就是針對(duì)智能制造的協(xié)同，更是缺乏基礎(chǔ)的訓(xùn)練。

    圖5是貝加萊的學(xué)界聯(lián)盟對(duì)于人才培養(yǎng)的能力分析與規(guī)劃，包括如何全局的推動(dòng)智能制造的人才培養(yǎng)，與眾多大學(xué)、自動(dòng)化教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、教育部持續(xù)的開展著人才計(jì)劃，培養(yǎng)智能制造工程人才。