智能工廠參考架構(gòu)淺析

張星星+于秀明++劉琴

摘 要：當前，智能制造熱潮席卷了整個制造業(yè)，航空航天、船舶、機械、石化、化工、輕工、紡織等行業(yè)紛紛探索建設(shè)智能工廠，國內(nèi)學者也對其進行了廣泛的研究，并基于多種角度和維度分析了智能工廠的特征，提出了相關(guān)的參考模型和層級架構(gòu)，但均偏技術(shù)層面。本文從應(yīng)用層面出發(fā)，結(jié)合工業(yè)4.0智能工廠的內(nèi)涵和技術(shù)特征，圍繞智能工廠基本框架構(gòu)建了智能工廠參考架構(gòu)，以期為不同細分領(lǐng)域細分行業(yè)的智能工廠建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：智能制造；智能工廠；參考架構(gòu)

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0015-03

1 引言

當前，智能制造熱潮席卷了整個制造業(yè)，航空航天、船舶、機械、石化、化工、輕工、紡織等行業(yè)紛紛探尋制造的智能轉(zhuǎn)型之路，開展智能制造新模式應(yīng)用，通過智能裝備、智能產(chǎn)線、智能車間，探索建設(shè)基于工業(yè)大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)+的智能工廠。德國工業(yè)4.0著眼于高端裝備，以構(gòu)建智能工廠為核心，積極推進智能生產(chǎn)。2015年5月8日，國務(wù)院在《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃中，明確提出將智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，在十大重點領(lǐng)域試點建設(shè)智能工廠、數(shù)字化車間。工業(yè)和信息化部頒布了《信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃（2013-2018年）》，在“智能制造生產(chǎn)模式培育行動”中提出行動目標是要培育數(shù)字化車間、智能工廠，推廣智能制造生產(chǎn)模式?！吨圃鞆妵穂1]一書中指出建立數(shù)字化/智能工廠是發(fā)展智能制造的九項優(yōu)先行動之一。由此可見，建設(shè)智能工廠順應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，政府各項政策文件的出臺也為智能工廠建設(shè)提供了強有力的支持和保障，必將加速智能工廠在各工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

杜寶瑞等（2015）[2]分析了智能工廠的基本特征和框架體系，認為智能工廠與傳統(tǒng)數(shù)字化工廠、自動化工廠相比，具有制造系統(tǒng)集成化、決策過程智能化、加工過程自動化、服務(wù)過程主動化的特點，其框架體系由智能決策與管理系統(tǒng)、企業(yè)數(shù)字化制造平臺以及智能制造車間構(gòu)成，并闡述了這三個關(guān)鍵組成部分的基本構(gòu)成。張益等（2016）[3]提出了基于資源域、服務(wù)域和組織域的智慧工廠概念參考模型，搭建了智慧工廠參考層級架構(gòu)。李利民等（2016）[4]結(jié)合汾西重工“十二五”兩化融合建設(shè)，提出了高端裝備制造業(yè)智能工廠架構(gòu)、建設(shè)目標和思路。張祖國（2016）[5]基于從研發(fā)創(chuàng)新到產(chǎn)品運維的全制造服務(wù)生命周期迭代過程，構(gòu)造了智能工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參考模型。楊春立（2016）[6]介紹了智能工廠內(nèi)涵和建設(shè)重點、智能工廠主要建設(shè)模式、智能工廠發(fā)展重點環(huán)節(jié)等。智能工廠建設(shè)成為現(xiàn)今的熱點，且國內(nèi)學者也對其進行了廣泛的研究，并從不同角度提出了智能工廠模型，但均偏技術(shù)層面。同時，目前對于智能工廠的建設(shè)還存在概念不清、架構(gòu)模糊等現(xiàn)狀，很多企業(yè)也只是盲目跟風，絕大多數(shù)企業(yè)還處在部分使用應(yīng)用軟件的階段，少數(shù)企業(yè)實現(xiàn)信息集成，極少數(shù)企業(yè)能夠達到智能工廠的水平。因而，本文從應(yīng)用層面出發(fā)，構(gòu)建智能工廠參考架構(gòu)，以期為不同細分領(lǐng)域細分行業(yè)的智能工廠建設(shè)和實施提供參考。

2 智能工廠建設(shè)

基于《中國制造2025》的戰(zhàn)略目標，企業(yè)智能工廠建設(shè)的總體目標為：在生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)應(yīng)用智能制造技術(shù)，完美融合智能裝備，建立企業(yè)智能化管理平臺，基于全價值鏈實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化應(yīng)用，以相關(guān)車間為試點進行智能車間建設(shè)，創(chuàng)新驅(qū)動，兩化深度融合，建成以降低成本、縮短研發(fā)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率為核心的全價值鏈的智能工廠。

2.1 智能工廠內(nèi)涵及基本框架

智能工廠是踐行智能制造模式的重要載體和集中體現(xiàn)，交叉深度融合數(shù)字技術(shù)、新一代信息技術(shù)、智能技術(shù)與制造技術(shù)，是以客戶的產(chǎn)品數(shù)據(jù)、優(yōu)化的工藝流程、協(xié)調(diào)的生產(chǎn)裝備為核心，實時獲取工廠相關(guān)信息；以制造工藝流程和參數(shù)指令、智能裝備和生產(chǎn)線、自動化物料配送系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)面向產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計、制造、檢測和服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期各個環(huán)節(jié)的動態(tài)整合與優(yōu)化的一種先進的綜合制造模式，旨在提高工廠的運行效率，快速響應(yīng)市場、滿足客戶的個性化需求，高效、優(yōu)質(zhì)、柔性、清潔、安全、敏捷地制造產(chǎn)品，推動企業(yè)各系統(tǒng)的無縫集成，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化。

智能工廠的技術(shù)特征主要包括：（1）采用智能化設(shè)計手段和先進的信息化研發(fā)設(shè)計平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品性能與工藝的三維模擬與仿真優(yōu)化，形成工藝數(shù)據(jù)庫和知識庫，實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的數(shù)字化智能化。（2）具有能自動完成產(chǎn)品制造過程，且能與互聯(lián)網(wǎng)進行集成實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造的智能生產(chǎn)線。（3）具有即插即用的軟件集成平臺，可對各種規(guī)模的生產(chǎn)線或整個工廠的運行進行模擬仿真以及優(yōu)化。（4）設(shè)備聯(lián)網(wǎng)進行實時數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)智能調(diào)度、制造信息全過程跟蹤以及產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤追溯。（5）實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計劃（ERP）的集成應(yīng)用和綜合管控，建立統(tǒng)一的信息管理平臺。

根據(jù)智能工廠內(nèi)涵及技術(shù)特征表述，描繪了智能工廠的基本框架，如圖1所示。

智能工廠基本框架具備智能工廠的四個特性：生產(chǎn)智能、過程智能、設(shè)計智能和管理智能，集成先進制造技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)。在實際生產(chǎn)中，工廠擁有眾多加工裝備、生產(chǎn)線、車間等，這些加工裝備是具有感知、分析、推理、決策、控制功能的智能制造裝備，如數(shù)控加工中心、高檔數(shù)控機床、智能儀器儀表與試驗設(shè)備、工業(yè)機器人等智能專用裝備等；工廠部署的生產(chǎn)線屬于自動化或智能化生產(chǎn)線，主要通過系統(tǒng)來操作運行，無需人工操作。智能化裝備和生產(chǎn)線以及建設(shè)的智能車間能為制造過程提供生產(chǎn)所需的基礎(chǔ)設(shè)施和制造資源。在實際生產(chǎn)之前，基于歷史加工數(shù)據(jù)和制造信息對整個生產(chǎn)制造流程進行全面的仿真、模擬，然后通過生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)向?qū)嶓w工廠輸出工藝、參數(shù)以及加工指令，通過工廠中部署的智能裝備、自動化生產(chǎn)線和智能車間進行智能化生產(chǎn)。進行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，用于工況感知和實時獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和人機交互等功能。與此同時，生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)通過生產(chǎn)資源管控、質(zhì)量控制等對制造過程進行實時監(jiān)控、調(diào)整、優(yōu)化，以使制造流程達到最優(yōu)水平。

2.2 智能工廠參考架構(gòu)

面對制造模式的智能化轉(zhuǎn)型升級，智能制造的本質(zhì)仍是關(guān)注智能機器與人在生產(chǎn)過程中的深度融合，旨在使機器具備自動識別、計算分析、構(gòu)思推理、主動服務(wù)以及決策判斷等能力，建設(shè)機器與人完美契合的智能工廠。智能工廠建設(shè)需要進行頂層設(shè)計，而頂層設(shè)計的方法論就是設(shè)計參考架構(gòu)。以智能工廠的內(nèi)涵、技術(shù)特征、基本框架為基礎(chǔ)，本文定義的參考架構(gòu)是從工業(yè)軟件層面出發(fā)，并將其應(yīng)用在工廠實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，兩者相結(jié)合以完成生產(chǎn)任務(wù)的架構(gòu)。這一參考架構(gòu)使應(yīng)用軟件和工廠生產(chǎn)之間的協(xié)作得到實現(xiàn)，并可以指導以智能工廠建設(shè)為需求的應(yīng)用項目，支持制造型企業(yè)業(yè)務(wù)運營和業(yè)務(wù)創(chuàng)新，構(gòu)建核心競爭力。智能工廠參考架構(gòu)如圖2所示。

2.2.1 參考架構(gòu)體系

智能工廠架構(gòu)體系分為五層，每層分工不同，各有側(cè)重，而又緊密集成，形成上下交互的整體架構(gòu)。

（1）企業(yè)層：基于管理理念、生產(chǎn)模型、標準規(guī)范、優(yōu)化的業(yè)務(wù)流程，結(jié)合行業(yè)相關(guān)應(yīng)用，進行智能工廠整體規(guī)劃，建立企業(yè)管理信息系統(tǒng)。

（2）運營層：整合企業(yè)信息管理系統(tǒng)，包括供應(yīng)鏈管理（SCM）、企業(yè)資源計劃（ERP）以及客戶關(guān)系管理（CRM），三者有效結(jié)合，相互支持相關(guān)依賴，形成一個完整的閉環(huán)發(fā)揮整體效用，幫助企業(yè)改善運營效率，提升管理水平。

（3）執(zhí)行層：智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程是涵蓋智能工廠的核心，就是對生產(chǎn)過程的智能管控，即制造執(zhí)行系統(tǒng)MES。以MES作為生產(chǎn)執(zhí)行層，處于中間橋梁作用，連接上下層級，使整體架構(gòu)互融互通，起到了支撐整個架構(gòu)的枝干作用。智能工廠建設(shè)必須從全局出發(fā)，以MES系統(tǒng)為核心，考慮生產(chǎn)的各個方面，隨時獲取實時數(shù)據(jù)，最大限度地提升企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平。

（4）過程層：實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理，貫穿產(chǎn)品的產(chǎn)能規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、制造運行、檢測及服務(wù)過程，實現(xiàn)價值鏈端到端的數(shù)字化流程優(yōu)化和集成。

（5）支撐層：利用智能制造技術(shù)如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算等，配備智能裝備和生產(chǎn)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和人機交互等功能，加之嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)和遠程服務(wù)，為企業(yè)層、運營層、執(zhí)行層和過程層的部署和管理提供基礎(chǔ)能力。

企業(yè)層、運營層、執(zhí)行層、過程層以工業(yè)軟件應(yīng)用為組成，依托于IT支撐，集云計算、大數(shù)據(jù)、智能裝備、信息安全于一體，全局考慮，有效地對整個智能工廠建設(shè)進行規(guī)劃。搭建一個軟硬件結(jié)合，多系統(tǒng)相互集成、協(xié)調(diào)的完整的智能工廠架構(gòu)體系。

2.2.2 參考架構(gòu)特點

（1）高度集成的智能工廠管控平臺。建立高度集成的智能工廠管控平臺，通過梳理、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，利用新一代信息技術(shù)，建立信息集成平臺，支持制造資源的優(yōu)化配置、供需雙方的快速匹配，提高制造效率，全面實現(xiàn)信息化管理，建成快捷、高效的信息化綜合管理系統(tǒng)。管控平臺以數(shù)據(jù)中心進行展示，是智能工廠最高的指揮控制中心，可以將工廠的機器設(shè)備、工裝模具、產(chǎn)品物料、人員狀態(tài)、物流輸送、生產(chǎn)運營等信息直觀地在大屏幕上顯示。具體包括工廠及車間的整體規(guī)劃布局；設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控及進度；產(chǎn)品的三維模型、動態(tài)仿真和工藝展示；生產(chǎn)計劃跟蹤和展示；產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計分析；庫存信息統(tǒng)計等。

（2）以數(shù)據(jù)為核心，實現(xiàn)互聯(lián)感知。基于硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)云（新四基：一軟、一硬、一網(wǎng)絡(luò)、一平臺）等一系列工業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)構(gòu)建起的智能系統(tǒng)其最終目的是實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵要以數(shù)據(jù)為核心，并實現(xiàn)它的自動流動。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動流動具體來說需要經(jīng)過四個環(huán)節(jié)，分別是：感知、分析、決策、執(zhí)行。大量蘊含在工廠物理設(shè)備中的隱性數(shù)據(jù)經(jīng)過感知被轉(zhuǎn)化為顯性數(shù)據(jù)，進而能夠通過信息技術(shù)手段進行分析，將顯性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價值的信息。各層級系統(tǒng)的信息經(jīng)過集中處理形成對外部變化的科學決策，并將信息進一步轉(zhuǎn)化為知識。最后以更為優(yōu)化的數(shù)據(jù)作用到工廠物理層，構(gòu)成一次數(shù)據(jù)的閉環(huán)流動如圖3所示。

感知。是各類數(shù)據(jù)獲取。工廠的在生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)。包括了物理尺寸、運行原理、環(huán)境溫濕度、機子轉(zhuǎn)速、液體流速等。感知是指通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各類數(shù)據(jù)通過傳感器的手段采集到信息系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)可視化，將來數(shù)據(jù)從隱性數(shù)據(jù)變?yōu)轱@性數(shù)據(jù)。這個環(huán)節(jié)是對數(shù)據(jù)的初始化加工，是形成數(shù)據(jù)自動流動的起點。

分析。是對顯性數(shù)據(jù)的加工。將“感知”階段的數(shù)據(jù)通過清洗、建模、算法等手段賦予數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的過程。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、機器學習技術(shù)等數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)將感知得來的信息進行進一步分析，給予數(shù)據(jù)不斷地賦值，將顯性數(shù)據(jù)通過一系列技術(shù)手段變?yōu)榭杀恢苯邮褂眯畔ⅰ?/p>

決策。是對信息的判斷和深加工。將“分析”階段的信息通過不斷地積累和深加工形成最優(yōu)知識庫的過程。通過上一階段對各個層次數(shù)據(jù)不斷的開發(fā)利用，將形成不同層次、不同系統(tǒng)、不同領(lǐng)域的各類信息，通過對各類信息的綜合決策（歷史積累、現(xiàn)實評估和未來預測），形成最優(yōu)方案，不斷迭代和反復優(yōu)化智能工廠所需的知識庫。

執(zhí)行。是對決策的實現(xiàn)。將“決策”形成的知識庫通過數(shù)據(jù)的形式作用與智能工廠的物理設(shè)備的過程。通過信息技術(shù)手段知識庫形成的最優(yōu)決策轉(zhuǎn)換成可被物理設(shè)備接受的數(shù)據(jù)命令，實現(xiàn)智能工廠的精準執(zhí)行。使得智能工廠的設(shè)備運行更加可靠，資源調(diào)度更加合理，最終實現(xiàn)工廠效率的提升。

因此，基于數(shù)據(jù)自動流動的感知、分析、決策和執(zhí)行，解決智能工廠生產(chǎn)制造過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化。

3 結(jié)語

近年來制造業(yè)面臨著諸多的挑戰(zhàn)和壓力，競爭力不斷加劇，如加快投入市場的速度，越來越短的產(chǎn)品生命周期，復雜的產(chǎn)品和生產(chǎn)流程，個性化、多樣化的生產(chǎn)模式，價值鏈協(xié)同和可持續(xù)發(fā)展等，智能制造的出現(xiàn)，將為各制造企業(yè)解決現(xiàn)有問題、實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)型提供了一條全新的發(fā)展思路和技術(shù)途徑。智能工廠建設(shè)作為智能制造發(fā)展的載體，是當前制造業(yè)的發(fā)展愿景，也是正在積極努力的重點方向。但對于智能工廠，既沒有統(tǒng)一的定義、統(tǒng)一的衡量標準、統(tǒng)一的框架，也沒有固化的參考架構(gòu)，因此，如何建設(shè)與企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃一致且符合企業(yè)自身實際應(yīng)用需求的智能工廠是亟需在實踐中思索和探討的?？傊髦圃炱髽I(yè)應(yīng)遵循智能制造的基本思路，統(tǒng)籌布局智能制造規(guī)劃，確定智能制造模式業(yè)態(tài)以及智能工廠實施路徑和實施計劃，全面提升制造業(yè)整體水平。

參考文獻

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