淺論智能制造三鏈模型對現(xiàn)代制造業(yè)的影響

【亞洲流體網(wǎng)】我們談物理世界和數(shù)字世界的融合，就是要把通訊和計算技術(shù)深入地與物理實體融合，例如將馬達、閥門這樣一些基本的零件單元，與物理感應(yīng)和效應(yīng)有機地結(jié)合在一起，構(gòu)成信息物理系統(tǒng)(CPS， Cyber-Physical System)，為這些系統(tǒng)提供柔性化的能力，通過智能制造軟件的迭代發(fā)展，不斷地改善和增強功能和性能，從而打造現(xiàn)代化的智能工廠。

圖1 工業(yè)4.0管理殼與物理信息系統(tǒng)(CPS)

德國工業(yè)4.0在這方面作了深入的工作 ，非常值得關(guān)注。工業(yè)4.0為這樣一個信息物理系統(tǒng)單元，也就是工業(yè)4.0組件，制定了通用的架構(gòu)和界面，也就是RAMI4.0所定義的管理殼(Administration Shell)。

每個組件都有全球唯一的身份， 通過這個標(biāo)準(zhǔn)界面，可以唯一性地被辨認和訪問。每個組件的屬性不管是其功能和性能的規(guī)格，配置、控制和狀態(tài)參數(shù)等都用一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型(manifest)表達。對每個組件的交互也通過一個統(tǒng)一的服務(wù)界面(component manager)進行。不管是一個CPS單元組件，還是一個裝備、一條生產(chǎn)線，甚至一個工廠，都可以通過這樣一個統(tǒng)一的界面來定義和交互。

顯然，一臺大的設(shè)備可以由一系列CPS單元組件構(gòu)成，這些組件通過物理和數(shù)字界面雙面交互，協(xié)同完成整機的功能。

還可以想象，不僅在一臺裝備里，而且在一條流水線上，在一個車間中，這些大大小小的信息物理系統(tǒng)連接交互，形成了一個小型的互聯(lián)網(wǎng)，其功效之強大，現(xiàn)在難以估量。如果成為一個開放性的標(biāo)準(zhǔn)界面，這樣一個通用界面也將打破不同的私有界面的壁壘，大幅度地提高系統(tǒng)融合的效率，也為在制造環(huán)境里的創(chuàng)新建立了一個良好的框架。

CPS是數(shù)字化制造的一個非常重要的里程碑。

數(shù)字化制造也可以看作為建立在信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把設(shè)備實體、生產(chǎn)資源、流程、系統(tǒng)和人員連接起來，通過全面信息化轉(zhuǎn)型，以數(shù)據(jù)分析生成可執(zhí)行(actionable)的信息，優(yōu)化制造過程，實現(xiàn)智能工廠和新的制造生態(tài)系統(tǒng)。

智能制造的三鏈模型：制造流程信息化

作為對制造流程信息化討論的背景，本文給出了智能制造的三鏈模型，也是對制造業(yè)管理流程的數(shù)字化提出的三鏈模型。

盡管不同的制造細分行業(yè)，同一細分行業(yè)不同的企業(yè)，這些流程會有差異，作為一個概括，可以把重要的流程分為三大鏈：第一鏈，垂直的，是以ERP為首的價值鏈;第二鏈，水平的，是以PLM為主的知識產(chǎn)權(quán)鏈;第三鏈，也是垂直的，是資產(chǎn)鏈。

圖2 智能制造的三鏈模型

智能制造的第一鏈，價值鏈

價值鏈，是回答生產(chǎn)什么、在什么時候生產(chǎn)、生產(chǎn)多少的問題，包括了從產(chǎn)品訂單，到生產(chǎn)計劃、材料與供應(yīng)、制造、交付與分銷、及最后的客戶支持的整個業(yè)務(wù)管理流程，關(guān)注如何優(yōu)化這些環(huán)節(jié)，為企業(yè)創(chuàng)造價值。

管理流程要解決的問題，除了保證成本、效率、質(zhì)量這些傳統(tǒng)生產(chǎn)要素能達到預(yù)期的目標(biāo)之外，還必須縮短交付周期、提高資源效率、和保障可持續(xù)性，實現(xiàn)多品種、小批量柔性制造，快速響應(yīng)市場需求的變化。

對大型或高價值裝備的制造商，在這個價值鏈的下游，有這樣的一個機會，即如何利用企業(yè)對產(chǎn)品內(nèi)部技術(shù)的深度把握，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，在預(yù)測性維護和資產(chǎn)績效管理方面，為客戶提供增值服務(wù)，不僅為企業(yè)創(chuàng)造新的營收來源，也為企業(yè)的業(yè)務(wù)模式提升轉(zhuǎn)型，從單一的產(chǎn)品銷售模式向服務(wù)型模式、甚至成效型模式過渡提供了一個良好的機遇。

這個流程中，我們不僅需要繼續(xù)將依賴于報表式的手工管理方式提升為完全數(shù)字化的過程(至少對部分企業(yè)而言)，而且還要關(guān)注如何把所有的環(huán)節(jié)無縫整合，自動交互，動態(tài)地響應(yīng)客戶和市場的需求。

第二鏈，是以PLM為主的知識產(chǎn)權(quán)鏈

第二鏈，是回答怎樣生產(chǎn)的問題，關(guān)注如何優(yōu)化從產(chǎn)品設(shè)計，到流程規(guī)劃、生產(chǎn)工程、和制造的創(chuàng)新管理流程，如何在越來越短的周期里推出更多樣的、更為高新和尖端的產(chǎn)品。

位于價值鏈與知識產(chǎn)權(quán)鏈交叉點的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，是將知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)為業(yè)務(wù)價值的樞紐，它管理的對象是作為制造業(yè)企業(yè)資產(chǎn)的核心的生產(chǎn)能力和資源，對實現(xiàn)企業(yè)價值起著舉足輕重的作用。MES在生產(chǎn)現(xiàn)場統(tǒng)籌管理生產(chǎn)計劃的執(zhí)行、設(shè)備使用的績效、產(chǎn)品質(zhì)量的保證、生產(chǎn)過程的追溯、工人的排班和激勵等多個方面。它所關(guān)注的是在車間的場景里如何對生產(chǎn)人員、設(shè)備、物料、能源的生產(chǎn)要素，實現(xiàn)動態(tài)的、精準(zhǔn)的、優(yōu)化的配置和調(diào)度，高績效、高質(zhì)量、低成本地完成生產(chǎn)任務(wù)。由于其管理對象包括實體生產(chǎn)資源，MES與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在多個應(yīng)用方面相關(guān)性最直接，將與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實施相互配合，相互增強。

智能制造第三鏈，是資產(chǎn)鏈

主要關(guān)注在裝備部署和投產(chǎn)后，如何優(yōu)化其運營和維護，以最低的成本，產(chǎn)生最佳的成效。

這也是在制造業(yè)外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要場景，如上文提到的風(fēng)力發(fā)電機、采油設(shè)備等等。(當(dāng)然，對于設(shè)備組件制造商，交付的下游是其它的制造商，而不是裝備運營商。)

數(shù)字主線與數(shù)字孿生

正如價值鏈一樣，知識產(chǎn)權(quán)鏈各環(huán)節(jié)之間也需要無縫整合，讓數(shù)據(jù)按需要在產(chǎn)品生命周期的過程中暢通地流動，從設(shè)計，到制造，到運維，甚至一直到退役報廢回收。簡單地說，數(shù)字主線(digital thread)就是這樣一個使能數(shù)據(jù)流動的連接和融合框架。如在離散制造的MBE過程中，實現(xiàn)完全基于三維的設(shè)計、仿真驗證、工藝設(shè)計、制造和運維的產(chǎn)品全生命周期管理，避免傳統(tǒng)過程中把三維的設(shè)計轉(zhuǎn)換成二維的工藝，然后再去制造三維的產(chǎn)品這種在中間環(huán)節(jié)之間繁瑣和不可靠的轉(zhuǎn)換。

在數(shù)字主線各個環(huán)節(jié)中所收集有關(guān)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，如設(shè)計規(guī)格、描述其幾何形狀、材料、組件和行為的工程模型、仿真驗證結(jié)果、工藝規(guī)程、每一個產(chǎn)品實體在制造過程中獨有的人、機、料、法，質(zhì)量檢驗等數(shù)據(jù)、還有部署調(diào)試、使用和維護的數(shù)據(jù)等，構(gòu)成了產(chǎn)品實體的在數(shù)字模型，也就是通常所說的數(shù)字孿生，或數(shù)字化雙胞胎。

這個產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，不僅僅是一個靜態(tài)的模型，它反映了每個產(chǎn)品，或裝備的設(shè)計、生產(chǎn)，使用和維護的完整歷史。利用每一個產(chǎn)品數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)模型，可以在其生命周期內(nèi)通過仿真，更有效地評估其當(dāng)前和未來的性能。這不僅對預(yù)測性維護和優(yōu)化運營績效，而且對根據(jù)產(chǎn)品使用的數(shù)據(jù)來改進產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝都具有十分重要的價值。

圖3 數(shù)字主線

另外，數(shù)字孿生能夠提供對產(chǎn)品質(zhì)量有效的追溯，特別是當(dāng)產(chǎn)品因質(zhì)量問題需要召回時，能追溯到影響每一個產(chǎn)品的質(zhì)量具體因素，因而可以精確的決定召回的范圍，減小召回的成本。

主要的制造業(yè)管理流程，也就是智能制造的三鏈，不僅在每一流程內(nèi)部的各個環(huán)節(jié)需要無縫連接融合，不同流程之間也將更緊密地交叉連通融合。

如MES作為交叉樞紐，把作為價值鏈業(yè)務(wù)管理流程和作為知識產(chǎn)權(quán)鏈的創(chuàng)新管理流程融合在一起。而數(shù)字主線則不僅把知識產(chǎn)權(quán)鏈各個環(huán)節(jié)打通，而且連貫價值鏈和資產(chǎn)鏈的環(huán)節(jié)，全面收集產(chǎn)品的設(shè)計、制造和運維數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品的數(shù)據(jù)孿生模型。要實現(xiàn)這些全面性的互聯(lián)互通，信息互流互用，僅僅依賴于目前現(xiàn)有的工業(yè)軟件的架構(gòu)，通過多個環(huán)節(jié)點到點的相互連接整合，不僅工作量大，而且會相當(dāng)脆弱，難以滿足各流程的全面化的互聯(lián)互通。因而，一個新的系統(tǒng)化的、在架構(gòu)的層次上的解決方案可以說是勢在必行。