物聯(lián)網(wǎng)時代電子行業(yè)在工業(yè)4.0中的路徑選擇

黃逸華　龍宇　賴秋燕

摘要：通過研究物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)4.0的實踐案例，文章總結(jié)出電子制造企業(yè)智能制造的途徑主要在于工業(yè)機器人的應(yīng)用，未來應(yīng)改將重點放到大數(shù)據(jù)管理樞紐、信息物理系統(tǒng)等方面，并結(jié)合最新的人工智能技術(shù)，打造全智能電子制造工廠。

關(guān)鍵詞：電子制造；工業(yè)4.0；物聯(lián)網(wǎng)；信息物理系統(tǒng)

全球信息產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了計算機、互聯(lián)網(wǎng)浪潮后，迎來了第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)深遠(yuǎn)地影響著各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，已經(jīng)上升到許多地區(qū)的國家戰(zhàn)略。未來物聯(lián)網(wǎng)將像現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)一樣無處不在，美國權(quán)威咨詢機構(gòu)Forrester預(yù)測到2020年，世界上物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)，跟人與人通信的業(yè)務(wù)相比，將達(dá)到30：1。工業(yè)領(lǐng)域如果考慮管理者在不同情境下的管理需求，還需要和其他形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，三網(wǎng)融合就是其中一個例子。

1.關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)

1.1物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)概念最早是在1999年美國移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議上被首次提出，并提出了結(jié)合物品編碼、射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案，以計算機互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個實現(xiàn)世界物品信息實時共享的物體互聯(lián)網(wǎng)，又稱物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和拓展，其核心是實現(xiàn)包括人在內(nèi)的物體之間的互相連接，物體信息通過高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)信息處理中心，并開展信息服務(wù)和應(yīng)用。

1.2物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)包含感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3層。感知層的主要作用是識別物體并采集信息，由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭等感知終端。網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人的大腦神經(jīng)中樞，擔(dān)負(fù)著處理和傳遞感知層獲取的信息，由互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、私有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等組成。應(yīng)用層是用戶和物聯(lián)網(wǎng)的接口，它與行業(yè)需求相結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能服務(wù)應(yīng)用。

2.以電子行業(yè)為例。前進工業(yè)4.0的路徑分析

隨著工業(yè)4.0時代的到來，汽車行業(yè)、電子制造行業(yè)等科技性強大規(guī)模生產(chǎn)型行業(yè)已經(jīng)率先走上智能制造之路。電子制造業(yè)具有工藝要求高、產(chǎn)品周期短、復(fù)雜性強等特點，必須導(dǎo)入更完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)以及更高效的管理工具，因此被認(rèn)為最有潛力通過工業(yè)4.0技術(shù)，提高生產(chǎn)效率和縮短生產(chǎn)周期的行業(yè)。

2.1現(xiàn)況分析

現(xiàn)階段電子制造企業(yè)通過大量的引進機器人，降低人力需求，并希望導(dǎo)入更多的數(shù)據(jù)應(yīng)用，一方面該生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，另一方面強化管理能力。

（1）大量工業(yè)機器人的應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，電子行業(yè)需求在全球工業(yè)機器人銷量中占比約30%，為汽車及零部件之后的第二大應(yīng)用行業(yè)。在電子制造企業(yè)中，大量的機械手臂開始進入實際的應(yīng)用中，并產(chǎn)生顯著的成本效應(yīng)和管理效應(yīng)。

（2）數(shù)據(jù)應(yīng)用分析。工廠通過嵌入式、射頻識別等技術(shù)，采集數(shù)據(jù)做倉庫的智能化管理，設(shè)備運行和產(chǎn)品生產(chǎn)的數(shù)據(jù)被實時記錄上傳到工廠數(shù)據(jù)中心。通過對這些數(shù)據(jù)進行初步的分析，就能優(yōu)化生產(chǎn)過程，并降低工廠能耗。

2.2智能工廠理解的誤區(qū)

（1）機器人的應(yīng)用不代表著智能工廠。工廠引進了機器人設(shè)備替代人工勞動只是在智能工廠路上邁出了一小步，最重要的還是需要企業(yè)信息化、智能化，將信息化技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)開放的應(yīng)用服務(wù)軟件，加快制造流程管理和生命周期管理，才是智能工廠的重心。

（2）智能工廠的特征。智能工廠在信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，cps）的支持下，呈現(xiàn)7個方面的特征：生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)車間“物聯(lián)網(wǎng)”；生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化，利用大數(shù)據(jù)分析進行生產(chǎn)決策；生產(chǎn)文檔無紙化，實現(xiàn)高效、綠色制造；生產(chǎn)過程透明化，智能工廠的“神經(jīng)”系統(tǒng)；生產(chǎn)現(xiàn)場無人化，真正做到“無人”工廠；生產(chǎn)管理人本化，作為生產(chǎn)過程中心的人具有更好的體驗；“人料機法環(huán)流銷財”協(xié)同管理，整合既有數(shù)據(jù)、前后稽核。

2.3問題與需求分析

目前，電子制造行業(yè)的前端還是一個勞動密集型行業(yè)，并面臨人工成本上升，部分地區(qū)招人不易，大規(guī)模制造品質(zhì)管控等要求。在生產(chǎn)上，電子行業(yè)還面臨著客戶越來越多樣化、精細(xì)化的需求。電子制造企業(yè)具有更迫切的內(nèi)在動力去對接工業(yè)4.0。

然而，前進工業(yè)4.0也意味著更大投資，在經(jīng)營者觀點，可能也意味著更大風(fēng)險，在電子行業(yè)普遍微利的市場狀況下，難免猶豫不前。具體而言，電子制造業(yè)面臨的問題是人力成本上升、產(chǎn)能及品質(zhì)要求趨于巨量化、復(fù)雜化、精細(xì)化、管理工作更加復(fù)雜，也因此導(dǎo)出了電子制造行業(yè)的需求：

（1）如何導(dǎo)入新勞動力，并能有效學(xué)習(xí)，同時避免人力成本增加。

（2）在實現(xiàn)巨量產(chǎn)能的同時，產(chǎn)品品質(zhì)、管理品質(zhì)可以繼續(xù)維持，甚至持續(xù)提高。

（3）投入工業(yè)4.0的巨大投資如何控制風(fēng)險。

2.4智能工廠場景及實現(xiàn)路徑分析

電子廠高效率生產(chǎn)設(shè)備的導(dǎo)入帶來了整體管理形態(tài)與本質(zhì)上的改變，與此對應(yīng)需要生產(chǎn)流程、工廠系統(tǒng)、人員結(jié)構(gòu)等方面需要配合。針對電子制造企業(yè)，本文提出以下智能工廠應(yīng)用場景及實施路徑。

2.4.1智能工廠場景

（1）基于工業(yè)機器人的黑燈工廠。據(jù)顯示，電子行業(yè)需求在全球工業(yè)機器人銷量中占比約30%，為汽車及零部件之后的第二大應(yīng)用行業(yè)。在電子制造企業(yè)中，大量的機械手臂，送料機器人等開始進入實際的應(yīng)用中，并產(chǎn)生顯著的成本效應(yīng)和管理效應(yīng)，并使黑燈工廠成為可能，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時自動采集、分析而實現(xiàn)工廠車間不需要開燈和人來看管。

涉及主題：①料產(chǎn)檢銷全線數(shù)據(jù)的深度融合；②管理指標(biāo)與看板系統(tǒng)；③在時間壓力下的問題發(fā)現(xiàn)與解決。

（2）智能立體倉庫。對于電子部件、元器件數(shù)量龐大又精細(xì)的電子制造廠來說，倉儲的安排和技術(shù)應(yīng)用尤為重要。現(xiàn)在包括海爾智能工廠、西門子成都工廠都建立了立體倉庫，通過為材料編碼，實現(xiàn)倉儲管理智能化。同時，倉庫的進出料與生產(chǎn)排程結(jié)合及市場需求結(jié)合起來，可以加快貨物周轉(zhuǎn)，降低庫存成本。

涉及主題。①料產(chǎn)檢銷全線數(shù)據(jù)的深度融合；②料產(chǎn)相關(guān)問題的要因關(guān)聯(lián)分析。

（3）大數(shù)據(jù)智能管理樞紐、將MES制造執(zhí)行系統(tǒng)、CRM管理、供應(yīng)鏈管理等組成一個有機整體，工廠內(nèi)外海量的信息實時上傳到大數(shù)據(jù)管理樞紐。它相當(dāng)于工廠信息智能化控制系統(tǒng)的大腦，提供即時統(tǒng)計分析工具（Instant Statistics Analysis Tool，ISAT），進行分析和響應(yīng)，包括原材料的使用情況，產(chǎn)品的品質(zhì)和進度，每臺設(shè)備的運行狀況，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)組織的智能化管理。同時針對外部市場的變化，控制成產(chǎn)運行處于最優(yōu)狀態(tài)。

涉及主題：①跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)如何傳遞、理解與應(yīng)用；②決策信息、指揮系統(tǒng)與管理指標(biāo)的完整性；③管理指標(biāo)與看板系統(tǒng)；④算法的導(dǎo)入與改善。

（4）設(shè)備點檢及故障預(yù)測系統(tǒng)。智能工廠對生產(chǎn)車間設(shè)備管理和維護工作要求不斷提高，任何故障的出現(xiàn)都會帶來巨大虧損。設(shè)備故障預(yù)測是國內(nèi)外大型企業(yè)正在探索的一個前沿領(lǐng)域。電子制造廠擁有眾多高端智能化設(shè)備，高負(fù)荷設(shè)備需要保持長期的穩(wěn)定運行，設(shè)備故障預(yù)測系統(tǒng)顯得尤為重要。系統(tǒng)通過手機設(shè)備運行的指標(biāo)數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)分析找到設(shè)備運行的特征值，當(dāng)特征值達(dá)到一定警戒線，通知工廠設(shè)備故障發(fā)生的概率及原因，同時通知設(shè)備原廠提供維修保養(yǎng)。

涉及主題：①設(shè)備的水平關(guān)系與縱向結(jié)構(gòu)；②智能維修保養(yǎng)與故障排除；③效率分析與故障預(yù)測并重；④管理指標(biāo)與看板系統(tǒng)；⑤算法的導(dǎo)入與改善。

（5）市場需求預(yù)測系統(tǒng)。工廠的大數(shù)據(jù)智能樞紐實時采集產(chǎn)業(yè)下游企業(yè)的運行數(shù)據(jù)和行業(yè)宏觀運行數(shù)據(jù)，通過大數(shù)模型進行分析、判斷，并預(yù)測電子產(chǎn)品的未來需求，從而合理安排未來一段時間內(nèi)的物料采購、庫存，優(yōu)化生產(chǎn)排程。工廠能滿足市場大規(guī)模個性訂制需求，進行柔性化生產(chǎn)。

涉及主題：①從數(shù)據(jù)開始就要實現(xiàn)產(chǎn)銷一體；②對市場數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行交互分析；③決策信息、指揮系統(tǒng)與管理指標(biāo)的完整性。

（6）生產(chǎn)環(huán)境管理系統(tǒng)。生產(chǎn)環(huán)境管理的目標(biāo)在于使設(shè)備和人員處于最佳的運行狀態(tài)。因此，工廠內(nèi)所有的環(huán)境數(shù)據(jù)都處于動態(tài)監(jiān)測中，包括車間通風(fēng)環(huán)境、溫度等指標(biāo)，數(shù)據(jù)實時上傳到大數(shù)據(jù)管理樞紐，進行實時的分析、判斷，并控制相關(guān)設(shè)備進行實時調(diào)整。

涉及主題：①智能維修保養(yǎng)與故障排除；②效率分析與故障預(yù)測并重；③管理指標(biāo)與看板系統(tǒng)。

（7）智能化柔性資源管理（三網(wǎng)融合、人員動態(tài)派遣）。工廠內(nèi)的資源都處于柔性狀態(tài)，產(chǎn)品制造過程中工器具、原輔材料等都記錄在虛擬信息系統(tǒng)中，實現(xiàn)智能控制。隨著三網(wǎng)融合時代的來臨，系統(tǒng)實時記錄這物體、人員和場所的運行狀態(tài)，便捷地調(diào)動工廠閑置資源和人員動態(tài)派遣。同時，人可以不同時待在工廠內(nèi)，通過電視、手機、筆記本等終端關(guān)注工廠運行，實現(xiàn)移動辦公、智能辦公。

涉及主題：①三網(wǎng)融合的可行性及安全性；②決策信息、指揮系統(tǒng)與管理指標(biāo)的完整性；③管理指標(biāo)與看板系統(tǒng)；④算法的導(dǎo)入與改善；⑤人員管理流程與數(shù)據(jù)管理工具的結(jié)合。

2.4.2實現(xiàn)路徑

（1）設(shè)備交互端口從差異到統(tǒng)一、從封閉到聯(lián)結(jié)。工廠設(shè)備都通過統(tǒng)一開放的接口引入到信息化集成管理系統(tǒng)，并通過大數(shù)據(jù)分析進行深度優(yōu)化。然而物聯(lián)網(wǎng)到信息物理系統(tǒng)之間，有大量的數(shù)據(jù)要跨越種種設(shè)備的物理限制，才能進入運算過程，因此，在數(shù)據(jù)架構(gòu)規(guī)劃之初就必須考慮信息的完整性、安全性及冗余性，讓各種本質(zhì)差異的數(shù)據(jù)，最終得以在大數(shù)據(jù)智能樞紐之下整合，而過去僅關(guān)注點對點連線，盡可能采取封閉標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，也必須對各系統(tǒng)開放，才能進行整合。

（2）網(wǎng)絡(luò)化智能設(shè)備應(yīng)用。生產(chǎn)設(shè)備的智能化程度在物聯(lián)網(wǎng)條件下得到快速提升，通過接入互聯(lián)網(wǎng)將自身運行的數(shù)據(jù)上傳，同時根據(jù)上面的反饋進行調(diào)整，實現(xiàn)智能校正、智能診斷、智能控制、自我學(xué)習(xí)等功能，并與其他生產(chǎn)設(shè)備實現(xiàn)只智能信息交換，提高設(shè)備協(xié)同性和開放性。

（3）信息物理系統(tǒng)應(yīng)用。電子工廠通過信息物理系統(tǒng)將設(shè)備通信、控制深度融合到物理系統(tǒng)中，大數(shù)據(jù)管理樞紐通過智能分析對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行控制和感知，實現(xiàn)工廠信息空間與整個產(chǎn)品生命周期無縫結(jié)合。電子產(chǎn)品從設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃到生產(chǎn)都先在虛擬空間中進行模擬，這樣可以大幅度縮短產(chǎn)品投產(chǎn)時間和降低成本，推動產(chǎn)品制造向智能制造轉(zhuǎn)變。

（4）生產(chǎn)物流全透明化看板管理。將二維碼激光標(biāo)顆技術(shù)應(yīng)用到電子產(chǎn)品上，智能條碼技術(shù)、RFID技術(shù)應(yīng)用到工具和材料管理上，以監(jiān)控整個生產(chǎn)制造流程中的產(chǎn)品流動、材料使用、工具應(yīng)用、制程參數(shù)，實時的采集、熟悉數(shù)據(jù)，是使整個生產(chǎn)持續(xù)高效運行，并降低能耗和物料周轉(zhuǎn)。管理者只需要通過終端顯示設(shè)備關(guān)注重點指標(biāo)數(shù)據(jù)，并作出相關(guān)決策。

綜上所述，從物與物聯(lián)通，再到人與人、物與人聯(lián)通，進行數(shù)據(jù)的實時采集、大數(shù)據(jù)云計算分析，到最高層人工智能的應(yīng)用，甚至是AR，VR等技術(shù)的應(yīng)用，形成一張工廠萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，并向工廠外延伸，形成全智能制造工廠。工廠運行得將更加智能、更有效率；管理者能夠更全面且及時地掌握由人工智能系統(tǒng)發(fā)送出來的決策參考信息，并在完整信息參照架構(gòu)下，做出最均衡妥當(dāng)?shù)臎Q定；工作人員將更多的精力投入到新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)工藝改進、新機器設(shè)備發(fā)明創(chuàng)新等高質(zhì)量復(fù)雜勞動；客戶能夠在短時間內(nèi)享受到個性化產(chǎn)品，并具有更好的品質(zhì)和服務(wù)。

3.結(jié)語

對于電子制造企業(yè)來說，今天的全球市場提出了更高的要求，必須提供更加多元化、定制化的產(chǎn)品，同時產(chǎn)品從設(shè)計到交給客戶的周期在不斷縮小。企業(yè)需要適應(yīng)更加頻繁的產(chǎn)品迭代以及更小的生產(chǎn)批次。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用讓機器與機器對話、更靈活的軟件架構(gòu)成為普遍。智能工廠就像人一樣需要不斷地學(xué)習(xí)，不斷地提升。同時，作為工廠的員工可以更多地關(guān)注產(chǎn)品的創(chuàng)新，創(chuàng)造更多的附加值。當(dāng)電子行業(yè)進入工業(yè)4.0的時候，也將引領(lǐng)整個制造業(yè)進入智能制造時代。