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)紛紛探索建設智能工廠，國內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，提出了相關的參考模型和層級架構，但均偏技術層面。本文從應用層面出發(fā)，結合工業(yè)4.0智能工廠的內涵和技術特征，圍繞智能工廠基本框架構建了智能工廠參考架構，以期為不同細分領域細分行業(yè)的智能工廠建設提供參考。

關鍵詞：智能制造；智能工廠；參考架構

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型之路，開展智能制造新模式應用，通過智能裝備、智能產線、智能車間，探索建設基于工業(yè)大數據和互聯(lián)網+的智能工廠。德國工業(yè)4.0著眼于高端裝備，以構建智能工廠為核心，積極推進智能生產。2015年5月8日，國務院在《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，在十大重點領域試點建設智能工廠、數字化車間。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“智能制造生產模式培育行動”中提出行動目標是要培育數字化車間、智能工廠，推廣智能制造生產模式。《制造強國》[1]一書中指出建立數字化/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，建設智能工廠順應產業(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)領域的推廣應用。

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)數字化制造平臺以及智能制造車間構成，并闡述了這三個關鍵組成部分的基本構成。張益等（2016）[3]提出了基于資源域、服務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。李利民等（2016）[4]結合汾西重工“十二五”兩化融合建設，提出了高端裝備制造業(yè)智能工廠架構、建設目標和思路。張祖國（2016）[5]基于從研發(fā)創(chuàng)新到產品運維的全制造服務生命周期迭代過程，構造了智能工廠系統(tǒng)結構參考模型。楊春立（2016）[6]介紹了智能工廠內涵和建設重點、智能工廠主要建設模式、智能工廠發(fā)展重點環(huán)節(jié)等。智能工廠建設成為現(xiàn)今的熱點，且國內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，但均偏技術層面。同時，目前對于智能工廠的建設還存在概念不清、架構模糊等現(xiàn)狀，很多企業(yè)也只是盲目跟風，絕大多數企業(yè)還處在部分使用應用軟件的階段，少數企業(yè)實現(xiàn)信息集成，極少數企業(yè)能夠達到智能工廠的水平。因而，本文從應用層面出發(fā)，構建智能工廠參考架構，以期為不同細分領域細分行業(yè)的智能工廠建設和實施提供參考。

2 智能工廠建設

基于《中國制造2025》的戰(zhàn)略目標，企業(yè)智能工廠建設的總體目標為：在生產制造的各個環(huán)節(jié)應用智能制造技術，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)產品全生命周期的數字化應用，以相關車間為試點進行智能車間建設，創(chuàng)新驅動，兩化深度融合，建成以降低成本、縮短研發(fā)周期、提升產品質量和生產效率為核心的全價值鏈的智能工廠。

2.1 智能工廠內涵及基本框架

智能工廠是踐行智能制造模式的重要載體和集中體現(xiàn)，交叉深度融合數字技術、新一代信息技術、智能技術與制造技術，是以客戶的產品數據、優(yōu)化的工藝流程、協(xié)調的生產裝備為核心，實時獲取工廠相關信息；以制造工藝流程和參數指令、智能裝備和生產線、自動化物料配送系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)面向產品規(guī)劃、設計、制造、檢測和服務等產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，快速響應市場、滿足客戶的個性化需求，高效、優(yōu)質、柔性、清潔、安全、敏捷地制造產品，推動企業(yè)各系統(tǒng)的無縫集成，實現(xiàn)產業(yè)結構調整和優(yōu)化。

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

根據智能工廠內涵及技術特征表述，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：生產智能、過程智能、設計智能和管理智能，集成先進制造技術、數字技術、信息技術和智能技術。在實際生產中，工廠擁有眾多加工裝備、生產線、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，如數控加工中心、高檔數控機床、智能儀器儀表與試驗設備、工業(yè)機器人等智能專用裝備等；工廠部署的生產線屬于自動化或智能化生產線，主要通過系統(tǒng)來操作運行，無需人工操作。智能化裝備和生產線以及建設的智能車間能為制造過程提供生產所需的基礎設施和制造資源。在實際生產之前，基于歷史加工數據和制造信息對整個生產制造流程進行全面的仿真、模擬，然后通過生產線智能管控系統(tǒng)向實體工廠輸出工藝、參數以及加工指令，通過工廠中部署的智能裝備、自動化生產線和智能車間進行智能化生產。進行設備聯(lián)網，用于工況感知和實時獲取生產數據，實現(xiàn)數據的自動采集和人機交互等功能。與此同時，生產線智能管控系統(tǒng)通過生產資源管控、質量控制等對制造過程進行實時監(jiān)控、調整、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

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

2.2.1 參考架構體系

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

（1）企業(yè)層：基于管理理念、生產模型、標準規(guī)范、優(yōu)化的業(yè)務流程，結合行業(yè)相關應用，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)，包括供應鏈管理（SCM）、企業(yè)資源計劃（ERP）以及客戶關系管理（CRM），三者有效結合，相互支持相關依賴，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：智能化生產系統(tǒng)及過程是涵蓋智能工廠的核心，就是對生產過程的智能管控，即制造執(zhí)行系統(tǒng)MES。以MES作為生產執(zhí)行層，處于中間橋梁作用，連接上下層級，使整體架構互融互通，起到了支撐整個架構的枝干作用。智能工廠建設必須從全局出發(fā)，以MES系統(tǒng)為核心，考慮生產的各個方面，隨時獲取實時數據，最大限度地提升企業(yè)的生產效率和管理水平。

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

（5）支撐層：利用智能制造技術如工業(yè)物聯(lián)網、工業(yè)大數據、云計算等，配備智能裝備和生產線實現(xiàn)數據采集和人機交互等功能，加之嵌入式應用系統(tǒng)和遠程服務，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能力。

企業(yè)層、運營層、執(zhí)行層、過程層以工業(yè)軟件應用為組成，依托于IT支撐，集云計算、大數據、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進行規(guī)劃。搭建一個軟硬件結合，多系統(tǒng)相互集成、協(xié)調的完整的智能工廠架構體系。

2.2.2 參考架構特點

（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)務流程，利用新一代信息技術，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)。管控平臺以數據中心進行展示，是智能工廠最高的指揮控制中心，可以將工廠的機器設備、工裝模具、產品物料、人員狀態(tài)、物流輸送、生產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；設備運行狀態(tài)監(jiān)控及進度；產品的三維模型、動態(tài)仿真和工藝展示；生產計劃跟蹤和展示；產品質量統(tǒng)計分析；庫存信息統(tǒng)計等。

（2）以數據為核心，實現(xiàn)互聯(lián)感知?；谟布?、軟件、網絡和工業(yè)云（新四基：一軟、一硬、一網絡、一平臺）等一系列工業(yè)技術和信息技術構建起的智能系統(tǒng)其最終目的是實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。實現(xiàn)這一目標的關鍵要以數據為核心，并實現(xiàn)它的自動流動。實現(xiàn)數據的自動流動具體來說需要經過四個環(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備中的隱性數據經過感知被轉化為顯性數據，進而能夠通過信息技術手段進行分析，將顯性數據轉化為有價值的信息。各層級系統(tǒng)的信息經過集中處理形成對外部變化的科學決策，并將信息進一步轉化為知識。最后以更為優(yōu)化的數據作用到工廠物理層，構成一次數據的閉環(huán)流動如圖3所示。

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

分析。是對顯性數據的加工。將“感知”階段的數據通過清洗、建模、算法等手段賦予數據之間的關聯(lián)關系的過程。通過數據挖掘技術、機器學習技術等數據分析處理技術將感知得來的信息進行進一步分析，給予數據不斷地賦值，將顯性數據通過一系列技術手段變?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據不斷的開發(fā)利用，將形成不同層次、不同系統(tǒng)、不同領域的各類信息，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據的形式作用與智能工廠的物理設備的過程。通過信息技術手段知識庫形成的最優(yōu)決策轉換成可被物理設備接受的數據命令，實現(xiàn)智能工廠的精準執(zhí)行。使得智能工廠的設備運行更加可靠，資源調度更加合理，最終實現(xiàn)工廠效率的提升。

因此，基于數據自動流動的感知、分析、決策和執(zhí)行，解決智能工廠生產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，越來越短的產品生命周期，復雜的產品和生產流程，個性化、多樣化的生產模式，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)新驅動轉型提供了一條全新的發(fā)展思路和技術途徑。智能工廠建設作為智能制造發(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，因此，如何建設與企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃一致且符合企業(yè)自身實際應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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