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智能制造体系：从牛津预言到中国制造2025
2013 年PTC 公司和牛津经济研究院曾经对制造业发展趋势做过一个全球调查,调查的初衷是分析整个制造业面临的新问题、新形势和新格局,由此来判断制造业发展的走向,进一步探究在全球化竞争的新市场环境下,制造业将采取的一些转型措施,尤其是新技术和科技发展带来的新机遇.当时调研了全球超过300 位CIO 和高管,涉及航空航天和国防、汽车行业、消费品零售业和服装业、电子设备和高科技行业、工业设备以及医疗设备行业等行业,遍布美国、中国、日本和德国等11 个国家.对市场领导者开展的调查和一系列相关访谈表明,竞争能力取决于应对市场变化和技术趋势时采取的转型措施.目标不仅仅是“生产更好的产品”,即打造满足客户需求的产品和服务,使产品和服务真正具有创新性且独树一帜,而且还要“用更好的方式生产产品”,即大力推动工程、服务规划与执行、管理和生产流程,并借此让创新从概念设计阶段一直发展到产品生命周期的结束,并打造闭合的反馈环,确保整个企业实现持续改进和调整.
根据这份调查的总结报告（以下简称“牛津报告”）,全球制造业转型的驱动力被总结为七种力量：个性化、全球化、数字化、智能化、合规性、服务化和互连性.在这七种力量的驱动下,超过68% 的制造业企业,预计会在未来3 年中经历重大的业务流程转型.这可以看作2013 年的那个冬天,牛津经济研究院和PTC 给出的一个“预言”.
到三年后的今天,上面这个预言似乎被印证了.在这三年中,制造业战略确实又被置于国力竞争的制高点,世界各国重新认识了制造业在国民经济中的重要性,纷纷制订和出台了相关的制造业发展目标和战略,比如美国提出“美国先进制造业国家战略计划”、德国提出“工业4.0”战略、法国提出了“新工业法国”、英国提出了“英国制造2050”,中国也在2015 年5 月正式推出了“中国制造2025”战略.
解读中国制造2025 之智能制造中国工程院“制造强国战略研究”课题组根据2012 年各国的制造业综合指数划分了三个国家方阵：美国处于第一方阵；德国、日本处于第二方阵；中国、英国、法国和韩国处于第三方阵.为了实现从制造业大国向制造业强国的转变,“中国制造2025”进一步强调了制造业对于中国的重要意义,并指出制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基.“中国制造2025”迅速成为引领中国制造业的重要纲领.“中国制造2025”强调以两化融合为主线,以智能制造为主攻方向,因此,正确理解“中国制造2025”所提出的智能制造对于制造业本身具有非常重要的意义.首先,智能制造不仅仅是制造本身,智能制造也不等于智能工厂,“中国制造2025”所要打造的是智能制造体系（Smart Manufacturing System of Systems）, 通过这个体系研制出智能化的产品,过程中使用的装备和工具（软件和硬件）是智能化的,从研发、制造到服务的过程是智能化的.在智能制造体系建立的过程中,产品形态、产品未来的制造方式和经营方式将发生巨大变化,并带动一系列企业内外部的转型.
产品形态的转型：未来通过智能制造体系将产出个性化和智能化的创新产品无论制造方式如何变化,产品本身及其创新能力永远是企业的核心竞争力.试想,如果企业没有好的产品,生产速度越快,自动化水平越高,可能失败的速度也会越快.因此,智能制造体系的首要目的是帮助企业更好地进行产品的创新.但从产品的角度,产品的个性化和需求碎片化的趋势越来越明显,因此,智能制造体系需要优先处理如何满足个性化的问题.
根据牛津报告,在通用平台上开发各种可的产品系列的比例将增长49%.这只是满足个性化的一种方式,更为重要的是如何直接和最终用户或消费者建立联系,让用户参与到产品的开放式创新过程中,对其需求进行更好地捕捉和响应,同时通过智能制造体系和用户建立更为紧密的联系.
在个性化满足的过程中,软件将扮演重要的角色.因为通过硬件的变化来满足无穷的个性化需求是不可能的.例如,在手机行业中,硬件的标准化和同质化程度越来越高,用户的个性化需求完全通过软件或APP 的方式来表达,从而实现完全碎片化需求的满足.而软件在产品中的比例提高后,产品就变得智能了.产品智能化后,除了软件以外,越来越多的传感器被嵌入到产品中.硬件、传感器、数据储存装置、微处理器和软件,它们以多种多样的方式组成新产品.借助计算能力和装置迷你化技术的重大突破,这些“智能互联产品”将开启一个企业竞争的新时代.这也是智能制造体系的终极目标之一.装备水平的转型：运用智能化的软件和硬件装备智能制造体系除了强调产出的结果是智能化的,同时还强调过程中使用的装备是智能化的.个性化、智能化的产品在研制过程中,需要柔性化、自动化和智能化的装备辅助,以保证产品研制的柔性、高效和可控.这些装备包括传统意义的硬件装备,例如机器人、高端数控机床等.根据IDC 的预测：到2025 年,至少50% 的工人将使用自动化辅助技术.和智能化产品类似,工具和装备也变得越来越智能,例如,Bosch 提供的智能互联工具可以为工人提供操作方案的快速建议,在工作中实时采集工具数据并进行分析,以提高装配质量.
除了硬件装备,更需要关注智能化软件装备的应用,例如CAD 工具、仿真工具和控制系统等.在“中国制造2025”中,也特别设定了软件装备的应用指标,例如数字化研发设计工具普及率、关键工序数控化率等.
运营模式的转型：构建智能化的运营体系产品和装备智能化的同时,智能制造体系还将带来一系列企业运营模式的转型.迭代式创新：智能互联的产品将使得产品制造商能及时、准确和直观地了解产品特性和运行使用情况,并进行产品的迭代式创新,从而改变了企业研发产品的方式,并增加与用户的黏性.
智能工厂：根据IDC 的估计,到2020 年,采用智能互联技术的工厂将依托于全面整合的IT 和OT 系统,从而实现个性化、柔性化的生产.
服务型制造业：产品的智能互联特性将改变企业提供服务的方式,从被动式的响应转变为远程服务和主动式、预测式服务,这将进一步影响企业的盈利模式,产品即服务的模式将成为企业的重要利润来源.
智能制造体系关键使能技术
智能制造体系并不是一个愿景,而是马上就可以开始,而且马上就需要建设的体系,这是由新一轮制造业变革的浪潮所决定的.因为智能互联产品和智能装备已经开始不断涌现,并推动着企业运营体系的变革.要“落地”智能制造体系,需要进行相应的技术准备.
物联网、设备云和数据湖：无论是智能互联的产品、智能工厂的建设或是远程服务体系的建立,都首先需要解决各种异构异质设备、产品的连接问题.这包括处理各种连接协议、处理实时分时协议、改造各种陈旧设备等.没有统一、柔性且开放的连接技术尤其是物联网,智能制造体系的构建就无从谈起.连接了产品、设备、产线后,紧接着需要解决数据存储的问题,这往往需要借助设备云来实现.通过设备云收集连接上来的数据包括实时的流数据、结构化和非结构化数据.这些数据的格式五花八门,包括传感器数据、地理位置、温度、交易以及保修记录等.传统的数据汇总和分析工具,例如数据库工具都无力管理格式如此繁杂的数据,因此企业需要考虑采用“数据湖”（Data Lake）的解决方案.边缘计算：虽然设备云能处理连接的问题,但企业必须评估判断究竟该如何界定才能既让设备功能最大化,又使延迟达到最小化,因为很多智能工厂、智能产品的事务处理具有非常高的实时性要求.这时候,企业需要的其实只是一个多级连接和处理架构,这个架构将承载各层级的边缘计算——从智能设备到靠近设备部署的小型服务器,再到中间计算设备,直至云端.
工业大数据分析：智能产品、装备和工厂的数据实现连接并完成收集后,这些数据将是海量的.如果不经过工业大数据分析,这些数据本身是没有意义的.通过工业大数据分析,企业才能洞察产品性能、设备状态、工厂效率等,从而不断优化智能制造体系.工业“安卓”平台：对于智能制造体系来说,仅仅有设备连接和数据分析是远远不够的,还需要有相应的应用来帮助企业使用整个智能制造体系,例如远程服务、制造执行等.类似于手机行业,制造业需要采纳工业“安卓”平台（如ThingWorx 平台）来快速创建各种应用,并能根据市场情况调整和优化企业级智能制造应用,而且这些应用贯穿了研发、制造、服务的各个环节.
“数字化映射”（digital twin）技术：在智能制造体系中,无论是智能互联产品、智能工厂还是智能化的服务,强调对各种产品、设备和产线的连接,同时还需要用数字化的手段来模拟物理环境的状态.数字化映射技术实际上是物理产品在三维虚拟环境中的数字化复制.物理产品持续运行,其状态和运行环境不断变化,而产品的数字化映射也伴随着数据的流入而不断反映实际产品的变化.作为实际产品的数字化身,公司可以通过它掌握千里之外的产品状态和环境条件.数字化映射还能提供新的产品洞察力,帮助企业更好地设计、制造、运行和维护产品.
精准执行辅助技术：智能制造体系最终是靠人来执行的,因此制造体系的智能化还反映在如何帮助人来更精准地使用智能制造体系或者说如何更精准地进行工作.对于智能制造体系来说,需要借助AR（增强现实）/VR（虚拟现实）等技术来帮助工作人员来更好地工作.例如,施耐德电气公司基于PTC 的ThingWorx 构建了一对多的智能互联服务平台,基于PTC 的Vuforia 实现了基于AR 的维修指导.现场工程师获取服务信息将变得更便捷,且可以实时获得服务方案的决策支持,使得现场操作更加高效.
安全技术：当智能制造体系中的产品、装备和工厂等都智能化并具备互联性后,安全性就变得重要起来.每一台智能互联设备都是网络的接入点,因此都可能成为的目标或网络攻击的发起点.智能互联产品的分布非常广,且暴露在网络攻击之下,常规的物理保护手段难以奏效.此外,由于这些产品自身的计算能力通常十分有限,因此也无法部署常规的安全硬件和软件.不但可能夺取产品的控制权,更能窃取制造商与用户之间传输的敏感数据.除了对敏感数据采用加密技术外,还可以考虑结合区块链技术.冗长的数据序列被分割为多个部分或区块,用32 位“哈希”码加密,存储在不同的计算机上.这一序列的各个部分称为区块,组合成为区块链.数据一旦输入,只有在所有区块持有者同意的情况下,才能更改.对于数据篡改或偷窃,这是目前来看相对比较安全的保护机制.
智能制造转型路线图
制造企业正处在变革的最前线,它们面临的产品和组织转型之旅将充满荆棘和不确定性.在技术成果转化过程中,最大的风险和障碍不是技术本身,而是何时采用何种技术,企业需要考虑如何以最稳妥的方式循序渐进地导入新技术.PTC 公司提出的企业转型路线图（TranormationJourney Map）的目的就是解决这个问题,通过分析技术成熟度和企业准备情况,来分步骤、有计划地建设智能制造体系.
从牛津报告的预言开始,智能制造体系正在变为现实,智能制造体系本身的内涵和外延都在不断发生着变化,但随着“中国制造2025”计划的逐步细化,智能制造体系的方向越来越清晰,智能制造体系建设的关键技术也越来越成熟,现在到了考验企业管理人员建设智能制造体系的决心和信心的时刻.
智能制造论文范文结:
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