企業(yè)進(jìn)化與智能制造

智能制造涉及面廣，涉及技術(shù)多。僅僅在概念和技術(shù)層面理解智能制造是不夠的。

企業(yè)發(fā)展是一個(gè)不斷進(jìn)化的過(guò)程。市場(chǎng)在不斷發(fā)展，技術(shù)也在不斷進(jìn)步。任何企業(yè)為了應(yīng)對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)自身使命和可持續(xù)發(fā)展，都需要不斷進(jìn)化。正如自然界是物競(jìng)天擇，適者生存，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，只有那些產(chǎn)品不斷進(jìn)化，流程不斷優(yōu)化，能夠構(gòu)建有競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的企業(yè)，才能立于不敗之地。其實(shí)質(zhì)是討論智能制造技術(shù)的應(yīng)用能給制造企業(yè)的進(jìn)化帶來(lái)什么價(jià)值。

企業(yè)的進(jìn)化首先在于產(chǎn)品的不斷進(jìn)化。對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，擁有一個(gè)符合市場(chǎng)需求的好產(chǎn)品是生存和發(fā)展的基本前提。本文分析了柯達(dá)、諾基亞和摩托羅拉市場(chǎng)興衰的經(jīng)典案例，指出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)大大加速了產(chǎn)品的進(jìn)化。給出智能產(chǎn)品的定義:智能產(chǎn)品是通過(guò)數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，呈現(xiàn)出一些智能屬性(計(jì)算、感知、識(shí)別、存儲(chǔ)、記憶、互聯(lián)、呈現(xiàn)、模擬、學(xué)習(xí)、推理……)的產(chǎn)品。一個(gè)智能產(chǎn)品應(yīng)該具備感知外界、記憶計(jì)算、學(xué)習(xí)適應(yīng)、行為決策、控制執(zhí)行等能力。智能產(chǎn)品的計(jì)算智能高于人類，智能機(jī)器對(duì)制造條件的主動(dòng)感知和自動(dòng)控制能力高于人類。智能產(chǎn)品(不是純軟件)往往包括物理組件、智能組件、互聯(lián)組件和軟件。在我看來(lái)，智能產(chǎn)品就是具有計(jì)算、通信和控制能力的CPS。

智能產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)考慮以下原則:產(chǎn)品是提供服務(wù)的載體；注重用戶體驗(yàn)；要建立產(chǎn)品生態(tài)，包括產(chǎn)品集群生態(tài)、產(chǎn)品合作伙伴生態(tài)、開(kāi)放性、數(shù)字世界和物理世界的融合、云應(yīng)用，分析一些智能功能的必要性和實(shí)用性。

目前汽車創(chuàng)新70%來(lái)自汽車電子，汽車電子創(chuàng)新60%屬于軟件創(chuàng)新。

沒(méi)有過(guò)程進(jìn)化，就沒(méi)有企業(yè)進(jìn)化。不同領(lǐng)域、不同業(yè)務(wù)活動(dòng)的流程差異很大，流程演化最重要、最常見(jiàn)的方式就是互聯(lián)重組。

互聯(lián)主要表現(xiàn)在流程內(nèi)部的互聯(lián)和不同流程之間的互聯(lián)。在推進(jìn)智能制造的實(shí)踐中，設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和車間的網(wǎng)絡(luò)化是建設(shè)智能工廠的基礎(chǔ)。在企業(yè)中，兩個(gè)流程往往是自動(dòng)的，但流程之間需要人工處理。企業(yè)中還存在很多信息孤島、自動(dòng)化孤島、IT和OT斷層，甚至是云孤島。這些問(wèn)題亟待解決。

技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致流程再造。例如，材料和制造過(guò)程的變化將導(dǎo)致過(guò)程再造以及效率和質(zhì)量的大幅度提高。列舉了增材制造和無(wú)模鑄造的例子。特斯拉大量使用壓鑄技術(shù)代替車身零部件的焊接，也是技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致流程再造的典型案例。進(jìn)化需要流程再造。業(yè)務(wù)流程的改變會(huì)導(dǎo)致組織的改變，這顯然需要數(shù)字技術(shù)的支持。

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的進(jìn)化，應(yīng)引入并行工程的思想，如PLM系統(tǒng)、虛擬仿真、數(shù)字孿生、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模、基于云的協(xié)同設(shè)計(jì)等。

對(duì)于工藝演化，數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)軟件，特別是基于三維的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)軟件，以及利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行工藝控制，應(yīng)用工藝模擬軟件和ICME(集成計(jì)算材料工程)都是有效的途徑。

對(duì)于車間生產(chǎn)過(guò)程的演變，部署MES/MOM系統(tǒng)，以及流程工業(yè)集成的全過(guò)程優(yōu)化平臺(tái)和環(huán)保實(shí)時(shí)監(jiān)控及應(yīng)急指揮平臺(tái)，是提高工廠運(yùn)行效率和安全運(yùn)行的重要途徑。同時(shí)，還需要實(shí)現(xiàn)AGV、無(wú)人叉車等物流設(shè)備與自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)、生產(chǎn)線的信息交互和無(wú)縫集成應(yīng)用。推動(dòng)智能工廠的建設(shè)需要通過(guò)精益生產(chǎn)與持續(xù)改進(jìn)相結(jié)合。

要實(shí)現(xiàn)服務(wù)流程的演進(jìn)，就要建立基于傳感器和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的智能維護(hù)平臺(tái)，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行，診斷故障，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警甚至預(yù)測(cè)性維護(hù)。同時(shí)，將故障問(wèn)題反饋給產(chǎn)品R&D部門，以改進(jìn)產(chǎn)品。企業(yè)還可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模，通過(guò)digital twin技術(shù)對(duì)設(shè)備的digital twin模型進(jìn)行分析和優(yōu)化，從而優(yōu)化實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行。此外，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)提高設(shè)備運(yùn)行效率也非常重要。比如全球工程機(jī)械巨頭小松公司，通過(guò)無(wú)人機(jī)繪制施工現(xiàn)場(chǎng)地圖，從而計(jì)算出需要挖掘的土方，進(jìn)而計(jì)算出需要的施工設(shè)備和施工方案。設(shè)計(jì)變更還可以通過(guò)數(shù)字化技術(shù)及時(shí)反饋到施工現(xiàn)場(chǎng)，顯著提高施工作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)智能化施工。

給出了企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的定義:企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是為了某一特定目標(biāo)而在一定范圍內(nèi)形成的企業(yè)群體及其社會(huì)技術(shù)環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體。

企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)上是企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之間的競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)的進(jìn)化離不開(kāi)企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化。首先，企業(yè)需要意識(shí)到供應(yīng)鏈生態(tài)的演變，推進(jìn)數(shù)字化供應(yīng)鏈的應(yīng)用，關(guān)注供應(yīng)鏈管理中的客戶生態(tài)。企業(yè)要重視生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新和跨界合作。

企業(yè)的生態(tài)戰(zhàn)略非常重要。企業(yè)生態(tài)再生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證：合作應(yīng)該是基本戰(zhàn)略；生態(tài)進(jìn)化和商業(yè)模式進(jìn)化往往是相輔相成的。數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)是企業(yè)生態(tài)進(jìn)化的關(guān)鍵技術(shù)。

智能制造的技術(shù)要點(diǎn)和前沿趨勢(shì)

數(shù)據(jù)、軟件定義、虛實(shí)融合、整體連接，這16個(gè)字和4個(gè)方面是智能制造的技術(shù)要領(lǐng)。

在企業(yè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，需要對(duì)物流、資金流和信息流進(jìn)行有效控制。智能制造系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)各種異常情況和動(dòng)態(tài)變化。它通過(guò)收集、存儲(chǔ)、顯示、分析和預(yù)測(cè)與企業(yè)運(yùn)營(yíng)相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)相關(guān)軟件進(jìn)行調(diào)度和決策。智能制造的關(guān)鍵之一是重視數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)作用。在傳統(tǒng)模式下，工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是常見(jiàn)的原材料；在智能制造模式下，工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是原材料+石油。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)首先體現(xiàn)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新。具體包括:數(shù)字化技術(shù)在產(chǎn)品中的直接應(yīng)用:使產(chǎn)品產(chǎn)生數(shù)據(jù)(增加傳感器和通信模塊)，以及產(chǎn)品本身的數(shù)字化(如使用電子票，在云端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。);數(shù)字驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新:例如，特斯拉可以通過(guò)收集在役車輛的數(shù)據(jù)，建立車輛和駕駛員的數(shù)據(jù)孿生模型，識(shí)別需要改進(jìn)的問(wèn)題，不斷改善駕駛體驗(yàn)。此外，客戶需求數(shù)據(jù)是產(chǎn)品創(chuàng)新的源泉，與客戶協(xié)同創(chuàng)新是必然趨勢(shì)。

其次，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的演進(jìn)過(guò)程中。包括:數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的協(xié)同設(shè)計(jì)流程、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模定制、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的流程改進(jìn)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能服務(wù)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工作流和新業(yè)務(wù)活動(dòng)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的企業(yè)戰(zhàn)略等。你能不能成為一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的企業(yè)，取決于所有員工的支持，讓每個(gè)人都能根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整自己的思維模式和工作模式。因此，企業(yè)必須培育數(shù)字文化。通過(guò)數(shù)據(jù)洞察，幫助企業(yè)各級(jí)管理者做出正確決策，既見(jiàn)樹(shù)又見(jiàn)林。通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的企業(yè)運(yùn)營(yíng)模式變革，創(chuàng)新商業(yè)模式和制造模式。

要實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，企業(yè)需要盡可能將其業(yè)務(wù)數(shù)字化。同時(shí)，數(shù)據(jù)工作也要有可操作性。企業(yè)應(yīng)該建立專注于數(shù)據(jù)管理的新部門。企業(yè)需要密切關(guān)注數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)治理，避免數(shù)據(jù)失真，定期清理數(shù)據(jù)。

關(guān)于軟件定義

軟件已經(jīng)融入到產(chǎn)品中，業(yè)界已經(jīng)形成軟件定義產(chǎn)品的共識(shí)。產(chǎn)品差異化越來(lái)越多的體現(xiàn)在軟件上，產(chǎn)品的功能和性能可以由軟件來(lái)定義。而智能設(shè)備的智能化更多體現(xiàn)在強(qiáng)大軟件功能的集成上。如華中科技大學(xué)李院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了智能技術(shù)在塑料注射成型工藝和機(jī)床中的應(yīng)用研究?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)學(xué)習(xí)和認(rèn)知，將模具、設(shè)備和工藝有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、高精、節(jié)能成型。

關(guān)于“軟件定義制造”的提法，能夠定義制造的軟件主要是工業(yè)軟件。真正定義制造業(yè)的是軟件中沉淀的人的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和智能，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能。事實(shí)上，軟件在制造過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用?？梢哉f(shuō)，車間生產(chǎn)的控制是由軟件定義的。工廠/車間的運(yùn)營(yíng)需要很多軟件系統(tǒng)，如智能MES系統(tǒng)、智能物流系統(tǒng)、智能生產(chǎn)監(jiān)控中心、設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)、智能運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)、大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)等。

制造企業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化和市場(chǎng)需求的控制能力需要充分利用軟件和數(shù)據(jù)能力，制造企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)力更大程度上取決于其軟件能力。產(chǎn)業(yè)是形成軟實(shí)力的關(guān)鍵。軟能力鼓勵(lì)硬能力，最終體現(xiàn)在企業(yè)的硬能力上。

本文系統(tǒng)介紹了CPS、虛擬仿真、數(shù)字孿生和XR(VR虛擬現(xiàn)實(shí)、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和MR混合現(xiàn)實(shí))。其中，虛擬仿真技術(shù)涵蓋工程仿真、過(guò)程仿真和工廠仿真，仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)已成為行業(yè)共識(shí)。數(shù)字孿生技術(shù)已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)品運(yùn)維(主要是裝備制造企業(yè)的產(chǎn)品)、生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和虛擬調(diào)試等應(yīng)用場(chǎng)景。特別是對(duì)于流程工業(yè)來(lái)說(shuō)，建立數(shù)字化雙工廠，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付到數(shù)字化運(yùn)營(yíng)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。XR技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)備運(yùn)維、員工和客戶培訓(xùn)、產(chǎn)品營(yíng)銷等方面有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

智能制造是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不能孤立地理解和實(shí)施一項(xiàng)智能制造技術(shù)，必須考慮各個(gè)軟硬件系統(tǒng)之間的整體關(guān)系。對(duì)于一個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是在機(jī)器系統(tǒng)中，還是在車間、工廠乃至更大的企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，都需要從整體聯(lián)系的角度來(lái)考慮和分析問(wèn)題，采用系統(tǒng)的思維。在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，需要整體考慮數(shù)字化和智能化的戰(zhàn)略。對(duì)人才的統(tǒng)籌考慮也是數(shù)字化、智能化戰(zhàn)略成功的重要因素。