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作者：北京和利時智能技術(shù)有限公司 謝紅兵

摘要：本文闡述了智能制造能力評價的關(guān)注點和基本原則。梳理了智能制造的典型特征，并將這些特征按照《國家智能制造標準系統(tǒng)建設指南（2015）版》給出的“智能制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)”的各個維度進行分解，對各個維度的內(nèi)涵進行研討，并從不同的視角對其中的每個維度及其每個層級評價的關(guān)注點進行說明。

關(guān)鍵詞：智能制造；評價指數(shù)；PLM；協(xié)同制造

Abstract: This paper elaborates the focus and basic principles of intelligent manufacturing capability evaluation. The typical characteristics of intelligent manufacturing are sorted out, and these characteristics are decomposed according to the dimensions of " intelligent manufacturing system architecture" given in " national intelligent manufacturing standard system construction guide ( 2015 )", the intension of each dimension is discussed, and the attention points of each dimension and its evaluation at each level are explained from different perspectives.

Key words: Intelligent manufacturing; Evaluation index;  PLM; Collaborative manufacturing

1　引言

《智能制造評價指數(shù)》是《國家智能制造標準體系建設指南（2015版）》[1]（以下簡稱《建設指南》）中所規(guī)定的“智能制造標準體系框架”中的A類基礎共性標準，用于對各智能制造應用領(lǐng)域、應用企業(yè)和應用項目的智能制造能力開展評估，以促進企業(yè)不斷提升智能制造水平。本文基于對智能制造相關(guān)標準、技術(shù)和應用方案的研究，提出設置智能制造評價指數(shù)的一些關(guān)注點，并將這些關(guān)注點按照《建設指南》所給出的“智能制造系統(tǒng)架構(gòu)”進行了結(jié)構(gòu)化。

可以從不同的維度審視智能制造，從而將智能制造的內(nèi)涵和特征分解和結(jié)構(gòu)化，從而得出智能制造能力評價的著眼點。《建設指南》提供了一種結(jié)構(gòu)化的思路，規(guī)定了圖1所示的“智能制造系統(tǒng)架構(gòu)”，分別從生命周期、系統(tǒng)層級、智能功能等3個維度建立了智能制造系統(tǒng)的架構(gòu)，可以考慮作為《智能制造評價指數(shù)》標準的基本骨架。

圖1  智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，來自^[1]

2　生命周期維度

生命周期這個維度實際上應從兩個不同的視角或子維度來看，即生命周期和價值鏈/價值網(wǎng)絡。其中生命周期又應按橫縱細分成產(chǎn)品生命周期和生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期，以及數(shù)字對象的生命周期和實物對象生命周期。離散制造業(yè)的關(guān)注點應是產(chǎn)品的生命周期，而流程工業(yè)的關(guān)注點則應是生產(chǎn)系統(tǒng)的生命周期。而對于智能制造，則無論是產(chǎn)品還是生產(chǎn)系統(tǒng)，更應關(guān)注的是數(shù)字對象的生命周期，以及數(shù)字對象與實物對象的集成和同步。如圖2所示。

圖2  智能制造能力評價對生命周期唯獨的關(guān)注點

2.1　生命周期

產(chǎn)品生命周期包括6個階段：設計、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)工程、制造、使用和服務，以及廢棄和回收^[2]。銷售、物流一般不作為產(chǎn)品生命周期的階段，而是價值鏈中的活動。

產(chǎn)品設計包括工藝規(guī)劃等，產(chǎn)生的是數(shù)字產(chǎn)品。對MTO模式運作的企業(yè)，銷售的實際也是數(shù)字產(chǎn)品。數(shù)字產(chǎn)品周期從最初的概念到設計、工程、發(fā)布、（重復）使用、升版等直至作廢，走的是與其實例，即實物產(chǎn)品不同的生命周期。對于數(shù)字產(chǎn)品，評價的主要關(guān)注點應該是產(chǎn)品數(shù)據(jù)（產(chǎn)品定義）的有效管理和沿生命周期在不同企業(yè)或行為體之間的共享，例如產(chǎn)品生命周期工具通過Web提供給協(xié)同產(chǎn)品設計和售后產(chǎn)品服務。

制造或生產(chǎn)產(chǎn)生的是實物產(chǎn)品。實物產(chǎn)品的生命周期實際應從供應鏈部分的源頭采購算起。對于實物產(chǎn)品，智能制造能力評價應關(guān)注一個產(chǎn)品是否是所謂的“智能產(chǎn)品”，即通過附帶某種標簽或數(shù)字產(chǎn)品記憶自身攜帶產(chǎn)品的履歷和狀態(tài)信息。基于物聯(lián)網(wǎng)平臺，智能產(chǎn)品與基于PLM/PDM的數(shù)字產(chǎn)品相結(jié)合，從而提供智能服務。

生產(chǎn)系統(tǒng)的典型生命周期階段包括設計、建造、調(diào)試、運維和停用，其中穩(wěn)態(tài)運維階段通常是生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期中最長的階段。與產(chǎn)品類似，從事設計、建造和調(diào)試的企業(yè)往往跟運營/制造企業(yè)不是一家，因此突出生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期子維度的意義在于強調(diào)這些企業(yè)之間協(xié)同和知識共享，否則無法進行例如工藝優(yōu)化及仿真。此外，裝備的遠程維護等高端能力也依賴這個子維度設置評價指數(shù)。

總體而言，在生命周期這個子維度，智能制造能力應強調(diào)全數(shù)字化，表現(xiàn)為PLM和所謂的端到端工程，即貫穿一個產(chǎn)品生命周期的所有階段：從原材料獲取到制造系統(tǒng)、產(chǎn)品使用和產(chǎn)品生命周期結(jié)束的智能互聯(lián)和數(shù)字化。主要應用表現(xiàn)包括但不限于：全生命周期可見性/透明度、產(chǎn)品設計優(yōu)化和仿真（包括虛擬現(xiàn)實）、協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)和并行制造、個性化定制、增材制造等。盡管很多企業(yè)可能存在若干現(xiàn)代制造應用系統(tǒng)，例如PDM、SCM、ERP、CRM等，但未必能滿足新的智能制造業(yè)務需求，因為它們可能原本只是為企業(yè)中的特殊活動設計的，不一定能適應在整個產(chǎn)品生命周期中對協(xié)同能力的需求。

協(xié)同制造本身并不算是“新業(yè)態(tài)”，而是將PLM作為跨企業(yè)組織的協(xié)同制造工具表現(xiàn)出一種“新業(yè)態(tài)”，因為PLM不僅在產(chǎn)品的整個生命周期中提供過程管理，而且使產(chǎn)品價值鏈中的網(wǎng)絡參與者之間能夠進行有效的協(xié)同。

2.2　價值鏈/價值網(wǎng)絡

價值鏈主要思想是，產(chǎn)品或服務（主要適用于實物）從一個離散的組織單元傳遞到下一個組織單元，每一個單元都增加價值。隨著社會進步、移動、信息處理（大數(shù)據(jù)分析）和云計算等驅(qū)動因素的影響，企業(yè)數(shù)字化程度的不斷提高，價值鏈更加多元和復雜化，從而形成價值網(wǎng)絡。

“制造應用系統(tǒng)集成”（SIMA）參考架構(gòu)活動模型^[3]和供應鏈運營參考( SCOR )^[4]相結(jié)合似乎可以全面闡釋價值鏈/價值網(wǎng)絡所涉及的過程、活動和信息流，前者從縱向產(chǎn)品角度從發(fā)，涵蓋產(chǎn)品設計、產(chǎn)品工程、生產(chǎn)系統(tǒng)工程和產(chǎn)品生產(chǎn)，以及管理工程的工作流；后者從橫向供應鏈角度出發(fā)，給出了構(gòu)成一個供應鏈基本環(huán)節(jié)的“計劃、采購、制作、交付、返還”5個管理過程以及環(huán)環(huán)相扣所需的機制，所構(gòu)成的價值網(wǎng)絡/生產(chǎn)網(wǎng)絡涉及“從供應商的供應商到客戶的客戶”。

圖3是一個價值鏈過程模型，可以作為理解這個視角活動的良好參照。

圖3  價值鏈過程模型， 改編自^[5]

圖3給出價值鏈中的三個相互作用的循環(huán)。交付是聯(lián)系客戶、接受訂單和確保貨物按承諾交付的過程。貨源是與供應商聯(lián)系、采購物資、確保物資按生產(chǎn)需要到達的過程。制作是一個與交付和貨源相互作用的流程。所有制造商都有這些基本流程，但交互程度、時間依賴性和信息流都有很大差異，具體取決于企業(yè)規(guī)模、制造模式、供應鏈中的位置、全球制造要求、縱向集成程度等因素。

因此對于生命周期維度，從價值網(wǎng)絡這個視角看，應將“物流”這一刻度映射成圖3中所示的“貨源”的功能范圍，涵蓋供應商關(guān)系、采購、物流、倉儲、配送、備品備件管理等，將“銷售”這一刻度映射成圖中所示的“交付”的功能范圍，涵蓋客戶關(guān)系、訂單、渠道、門戶、交付管理等。

需求強調(diào)的是，對于智能制造，不僅產(chǎn)品生產(chǎn)要與供應鏈基本環(huán)節(jié)的橫向兩端，即所代表的供應商信息（實物產(chǎn)品級）和交付（訂單履行）所代表客戶信息（實物產(chǎn)品級或數(shù)字產(chǎn)品級）進行信息貫通，產(chǎn)品設計和產(chǎn)品工程也要與供應商信息和客戶信息在數(shù)字產(chǎn)品級橫向貫通，同時再與產(chǎn)品生產(chǎn)進行縱向貫通，才能充分滿足產(chǎn)品的可制造性和可交付性，這是能力評價的一個很重要的方面。例如物流數(shù)據(jù)可用于裝配，采購部門可實時查看庫存，隨時了解供應商提供的零件，客戶可在生產(chǎn)過程中查看產(chǎn)品的完工情況等。全數(shù)字化生產(chǎn)中的價值流實現(xiàn)了采購、訂單計劃、裝配、物流、維修、客戶和供應商等環(huán)節(jié)的聯(lián)系。

3　系統(tǒng)層級維度

《建設指南》給出的這個維度是實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務到工廠、車間、控制系統(tǒng)的運營和自動化主要的業(yè)務視角。對于這個維度，智能制造能力評價的主要關(guān)注點應是設備接入、工業(yè)軟件的齊全性、人機交互，以及全維度各層的自主能力。

對于設備接入，需要說明的是，《建設指南》對于這個維度的設備層級的解釋 “設備層級包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、機器、機械和裝置等，是企業(yè)進行生產(chǎn)活動的物質(zhì)技術(shù)基礎”其實是有問題的，其中的“機器、機械和裝置等”與“傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別”不能混為一談，前者屬于制造裝備，屬于智能功能維度的資源要素，后者屬于自動化設備。虛擬世界通過自動化設備來感知制造裝備，或者說如果現(xiàn)實世界中的裝備在數(shù)字世界中有一個“數(shù)字孿生”的話，裝備的特征是由其“數(shù)字孿生”（虛擬實體）的特性來表現(xiàn)的，而鏈接裝備的特征與“數(shù)字孿生”的特性，并保持其狀態(tài)時刻同步的橋梁是設備。

對于工業(yè)軟件，現(xiàn)代企業(yè)或工廠一般都會有MES、SCADA或DCS，需要評價的是其中的智能或自主要素。例如對于控制層的PLC或等價控制器，如果只是按照固定程序執(zhí)行固定回路的自動控制，則認為是自動化而非智能化的，控制器能夠根據(jù)輸入事件自主地調(diào)整自己的控制行為才是智能化的。

對于車間層，傳統(tǒng)的MES/SCADA系統(tǒng)往往智力不足，比如工藝報警，大量基礎報警被推送給操作員，決策仍依賴存在于人腦中的智能，因此，可以考慮將單位時間平均出現(xiàn)的報警條數(shù)作為一個智能報警的評價指數(shù)，因為智能報警的實現(xiàn)不僅需要基于邏輯，還要基于模型、條件、位置等情境感知能力的支持。評價需要注意的是負責生產(chǎn)管理的MES/SCADA本身因行業(yè)的不同體現(xiàn)出的形態(tài)和覆蓋的功能范圍。此外還要考慮裝備的日益智能化和云計算的普及以及實時數(shù)據(jù)分析會使車間智能向邊緣設備分散（本地智力）和向云端集中（協(xié)調(diào)智力），從而改變傳統(tǒng)的車間生產(chǎn)系統(tǒng)形態(tài)。

對于企業(yè)層，除了ERP、SCM、CRM和PDM等尋常的信息化系統(tǒng)外，應該實現(xiàn)數(shù)字工廠和智能工廠的信息集成。從智能制造角度，建議評價企業(yè)向所謂“感知型企業(yè)”或“預測性制造系統(tǒng)”轉(zhuǎn)變的程度。因為它們涵蓋了企業(yè)的敏捷性、透明度、健康診斷和數(shù)據(jù)分析及反饋，并需要泛在傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、預后和健康管理（PHM）、機器學習和數(shù)字企業(yè)平臺的綜合支持。

協(xié)同層級的智能制造目標應是數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，不僅要關(guān)注企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈上通過互聯(lián)網(wǎng)共享信息實現(xiàn)協(xié)同研發(fā)，智能生產(chǎn)、精準物流和智能服務等，還要強調(diào)這種協(xié)同的動態(tài)性，比如動態(tài)確定供應商和合作伙伴的能力，以及更廣泛的信息獲取渠道。

4　智能功能維度

智能功能維度也應從兩個視角來看待，一個是從集成和互操作角度，程度、廣度和魯棒性，另一個是從數(shù)據(jù)-信息-知識的角度，在原始數(shù)據(jù)不斷的集成和處理過程中，在元數(shù)據(jù)的作用下，數(shù)據(jù)被變換成有意義的信息，經(jīng)過歸納，有規(guī)律的信息被轉(zhuǎn)化成知識，運用知識反作用于系統(tǒng)和過程，達到自我適應、調(diào)整和優(yōu)化。

“資源要素”表示現(xiàn)實世界的實體和產(chǎn)能，建議采用IEC 62264規(guī)定的資源分類標準。圖紙、工藝文件的電子文檔屬于虛擬世界的信息，資源通過系統(tǒng)層級維度的設備與虛擬世界相連。資源要素的評價關(guān)注點是資源的標識，包括標識的標準化和規(guī)范化，這是資源狀態(tài)監(jiān)視、跟蹤、分析和可視化的基礎。對于不同的資源，標識的程度取決于識別的目的。資源要素必須通過系統(tǒng)層級維度中設備層次中的“設備”才能被集成到自動化或智能化系統(tǒng)中來。

“系統(tǒng)集成”除了傳統(tǒng)意義上的系統(tǒng)集成外，應強調(diào)物理和虛擬世界的融合，評價關(guān)注點主要應是：泛在網(wǎng)絡（如有線/無線傳感器網(wǎng)絡、定位系統(tǒng)等）的狀況；人、機和系統(tǒng)之間物理通信和數(shù)據(jù)傳輸能力；以及接口和協(xié)議的標準化程度。基本通信方式可能包括文件交換、共享數(shù)據(jù)庫、基于定制接口、基于消息傳遞和工作流。

“互聯(lián)互通”的典型標志應是物聯(lián)網(wǎng)融入制造過程，制造業(yè)務和設備實現(xiàn)了服務化和可能利用云技術(shù)的服務虛擬化。普遍采用了互聯(lián)網(wǎng)和Web標準，以及SOA架構(gòu)和安全及隱私管理。在互操作上，一個信息系統(tǒng)可以使用另一個信息系統(tǒng)暴露的服務，標志是可以對業(yè)務服務和設備服務進行混合編排，動態(tài)生成新的過程或應用程序，顯然，這需要對資源所代表的“物”進行封裝并暴露成標準的服務才能做到，例如統(tǒng)一提供RESTful服務接口。該層的愿景應是物與服務聯(lián)網(wǎng)。

“信息融合”目的應該是信息集成，關(guān)注點有兩個。一是語義技術(shù)的采用，如工廠統(tǒng)一的信息空間、本體、語義Web、語義化的機器通信（M2M）和語義化的數(shù)字產(chǎn)品記憶，否則無法實現(xiàn)所謂“跨界集成”。二是數(shù)據(jù)分析，如經(jīng)驗預測、模式識別、機器學習、智能數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、認知計算等。在互操作上，一個信息系統(tǒng)可以使用另一個信息系統(tǒng)提供的過程，即可以實現(xiàn)可能的異構(gòu)過程模型和應用程序的映射、連接、合并和翻譯。由于難以對技術(shù)采用情況進行評價，因此建議評價采用某種變通做法，比如物流可見性或動態(tài)結(jié)成合作伙伴（虛擬企業(yè)）的能力，以及生產(chǎn)計劃的自動化和優(yōu)化、預見性維修等方面設置評價指標。

“新興業(yè)態(tài)”一方面體現(xiàn)是一種綜合效果，如《建設指南》所列如個性化定制、遠程運維等，另一方面智能裝備本身與業(yè)務結(jié)合的應用也應是重要方面，例如無人機運用于智能倉庫的盤庫、增材制造（3D）打印運用于備品備件管理等，而且會層出不窮。這類應用創(chuàng)新項建議作為這一層級的加分項。

5　評價的原則

除了一般指數(shù)評價體系常規(guī)的原則外，針對智能制造評價指數(shù)度量，應著重強調(diào)以下原則：

·    應具有普適性：既適用于大型甚至跨境企業(yè)，也適用于中小企業(yè)，即適用于綜合企業(yè)、龍頭企業(yè)，也適用于OEM廠商和零部件供應商，以及流程、離散或混合生產(chǎn)模式。

·    不應形成對企業(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)運營最佳做法的評價。因為每種制造情況都是獨特的，取決于行業(yè)、規(guī)模、制造技術(shù)、垂直化程度、消費者或行業(yè)客戶組合、競爭對手等因素，不存在“一刀切”的最佳解決方案。

·    不應割裂“智能制造系統(tǒng)體系架構(gòu)”魔方的3個維度，展開成3個平面甚至3個軸分別設立評價指標。比如智能裝備，只有在智能功能維度的資源要素與系統(tǒng)層次維度中的設備相結(jié)合時才可能形成，或者說一個裝備只有嵌入或附加了設備（如傳感器、控制器、標簽等）并具有與外界通信能力才有可能稱為智能設備，而這樣的智能裝備只有在比如生產(chǎn)中，才能評價生產(chǎn)的智能化水平。建議將魔方中的“系統(tǒng)層級”維度作為設立指標的主干。

·    可裁剪，評價標準的使用應對齊企業(yè)的需要，應允許企業(yè)就適用指標的數(shù)量和類型做出決定。

·    可管理，指標應限于滿足測量目的所需的最小數(shù)量。

·    對不同類型的制造企業(yè)，應通過權(quán)重對指數(shù)的絕對值進行適當調(diào)整，例如對于流程工業(yè)，由于產(chǎn)品、產(chǎn)線都較為固定，因此對諸如柔性方面的評價沒有意義。相反，這類企業(yè)往往計劃外停機對生產(chǎn)的影響較大，同時又通常是資源和能源消耗大戶，對這方面的權(quán)重就應提高。

6　結(jié)束語

事實上，還存在若干相對獨立的應用視角，可以形成若干主題，它們可能屬于智能制造系統(tǒng)架構(gòu)某個維度的某個層級，但可以極度擴展出大量應用，或者自身要描述清楚需要橫跨幾個維度，或者深度應用才能顯現(xiàn)智能制造的本質(zhì)。例如人機交互、優(yōu)化和仿真、AI的應用等，類似的主題，其必要性和有效性難以一個統(tǒng)一的標準對所有企業(yè)進行評價。因此，企業(yè)的需求在評價時還應該是第一位的。

★工業(yè)和信息化部2016年智能制造專項“智能制造評價指數(shù)標準研究與試驗驗證”項目

作者簡介：

謝紅兵（1962-），男，江蘇南京人，研究員級高級工程師，現(xiàn)任北京和利時智能技術(shù)有限公司產(chǎn)品技術(shù)部系統(tǒng)設計師，研究方向是工業(yè)軟件、自動控制、智能制造。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2018年8月刊