何玉安，夏明火

（上海第二工業(yè)大學(xué) 智能制造與控制工程學(xué)院，上海 200041）

0 引言

第一次工業(yè)革命以后，制造業(yè)成為了一個(gè)國家發(fā)展的根基。在全球化虛擬市場和體驗(yàn)型經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的選擇更加多樣化，他們不再滿足于企業(yè)提供的單一化產(chǎn)品，而更加希望得到能夠在功能和外觀上滿足自身需求的產(chǎn)品。為了占據(jù)市場主導(dǎo)地位，很多企業(yè)都在積極探索解決方案，將競爭核心轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)產(chǎn)品的個(gè)性化生產(chǎn)和“一站式”服務(wù)上。

下一個(gè)生產(chǎn)模式將會(huì)是什么？根據(jù)文獻(xiàn)和市場調(diào)查顯示，對(duì)于這一個(gè)問題并沒有一個(gè)準(zhǔn)確的定義。但是越來越多的企業(yè)案例的成功表明下一個(gè)生產(chǎn)模式將會(huì)是大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)（mass personalization production,MPP）。大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)是嚴(yán)格按照客戶的需求，在產(chǎn)品或服務(wù)生命周期內(nèi)向客戶提供達(dá)到自身需求的獨(dú)一無二的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)真正意義上的產(chǎn)品定制[1]。由于大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)在運(yùn)作機(jī)理和所需條件和大規(guī)模定制生產(chǎn)有顯著的差異，因此大規(guī)模定制的制造系統(tǒng)和管理系統(tǒng)所具備的生產(chǎn)能力并不能滿足大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)的條件需求。本文提出了基于“工業(yè)4.0”的大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)框架，并通過一個(gè)自行車大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室案例進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)模式

每一次工業(yè)革命都給制造業(yè)帶來巨大的改變，生產(chǎn)模式從機(jī)器投入使用的手工生產(chǎn)到自動(dòng)化流水線投入使用的大規(guī)模生產(chǎn)，到可重構(gòu)制造系統(tǒng)下的大規(guī)模定制生產(chǎn)，再到按需制造的大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)[2]，同時(shí)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)資源也發(fā)生了巨大的改變。

圖1 生產(chǎn)模式變遷演化歷程[3]

在單臺(tái)機(jī)器投入制造的手工生產(chǎn)模式下，產(chǎn)品呈現(xiàn)品種少、低產(chǎn)量、高成本和耗時(shí)長等特點(diǎn)。手工生產(chǎn)模式的特征是以熟練工匠為主的小批量生產(chǎn)或單件生產(chǎn)。

第二次工業(yè)革命自動(dòng)化流水生產(chǎn)線在工廠的投入使用，使制造業(yè)發(fā)生了顛覆性的變化，產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)使得產(chǎn)品的成本大大降低和生產(chǎn)效率顯著提高，推動(dòng)了社會(huì)的迅速發(fā)展。但是這種一個(gè)工人對(duì)應(yīng)一個(gè)工序按級(jí)生產(chǎn)模式下，產(chǎn)品種類變得單一，生產(chǎn)重復(fù)性程度較高，產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中造成極大浪費(fèi)。豐田公司在以大規(guī)模生產(chǎn)模式為基礎(chǔ)下以及時(shí)制造思想為核心打造的精益生產(chǎn)模式，有效的解決了大規(guī)模生產(chǎn)模式的庫存和浪費(fèi)等問題。

隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)和生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)不斷地融入到工業(yè)生產(chǎn)中。生產(chǎn)組織與管理技術(shù)和先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)和零部件的標(biāo)準(zhǔn)化?？蛻敉ㄟ^自由選擇定制平臺(tái)中的產(chǎn)品零件變體組合形成最適合自己的產(chǎn)品類型，制造商根據(jù)客戶的選擇，安排已經(jīng)完成生產(chǎn)的產(chǎn)品零件變體進(jìn)行裝配，生產(chǎn)客戶定制的產(chǎn)品。該種生產(chǎn)模式被稱作大規(guī)模定制，其特征是：以客戶需求為導(dǎo)向；以現(xiàn)代信息技術(shù)和柔性制造技術(shù)為支持；以模塊化設(shè)計(jì)和零部件標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)；以敏捷為標(biāo)志；以競爭合作的供應(yīng)鏈管理為手段[4]。大規(guī)模定制本質(zhì)是通過細(xì)分化市場生產(chǎn)大量的模塊化零件進(jìn)行選擇搭配形成個(gè)性化程度較高的定制產(chǎn)品，零件采用大量生產(chǎn)的方式，生產(chǎn)成本較低，較好的滿足顧客的定制需求。

在大規(guī)模定制生產(chǎn)下，雖然制造商提供了很多可自由組合的零件模塊供客戶選擇，但客戶仍然無法完全按照自身的意愿來獲得只屬于自己的特有產(chǎn)品，并且高多樣性的重組模塊給裝配系統(tǒng)的穩(wěn)定帶來了很大的挑戰(zhàn)，很大程度的影響了系統(tǒng)的性能。

Ashok Kumar[5]認(rèn)為隨著信息技術(shù)和生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，大規(guī)模定制生產(chǎn)會(huì)向大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。2010年TSENG[6]等提出大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)概念，大規(guī)模個(gè)性化是指通過與客戶進(jìn)行一對(duì)一交互為基礎(chǔ)激發(fā)客戶對(duì)產(chǎn)品的潛在需求，由專業(yè)人員進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)向客戶提供“個(gè)人化產(chǎn)品”和積極的服務(wù)體驗(yàn)來滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化需求。2014年4月，第24屆CIRP（The International Academy for Production Engineering）產(chǎn)品設(shè)計(jì)國際會(huì)議主題為“大規(guī)模定制與個(gè)性化”將大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的研究提上了日程[7]。

3D打印是大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)應(yīng)用的一個(gè)很好的例子，按需定制3D打印平臺(tái)可以在用戶參與的情況下完全按照用戶的意愿對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)生產(chǎn)[8]。但是由于3D打印受到產(chǎn)品材料、產(chǎn)品性能和成本等因素的限制，3D打印現(xiàn)在主要應(yīng)用于外觀產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)。

圖2描述了各種生產(chǎn)模式的特性指標(biāo)，如成本、生產(chǎn)周期和個(gè)性化程度等。

圖2 生產(chǎn)模式特性指標(biāo)

面對(duì)大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)，企業(yè)通常從產(chǎn)品變化、共同創(chuàng)造和用戶體驗(yàn)三個(gè)方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)完全滿足用戶個(gè)性化需求產(chǎn)品的生產(chǎn)[9]。

1）產(chǎn)品變化：在宏觀方面與大規(guī)模定制方案類似，通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在微觀方面通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改善。

2）共同創(chuàng)造：是通過嵌入式工具包和專家輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)成，用戶參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、認(rèn)證、制造、裝配、供應(yīng)等過程，能夠滿足用戶的個(gè)性化要求。

3）用戶體驗(yàn)：是從情感需求、認(rèn)知需求和功能需求等潛在需求方面，加強(qiáng)用戶和產(chǎn)品之間交互式體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的服務(wù)個(gè)性化。

大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)和大規(guī)模定制生產(chǎn)的制造系統(tǒng)有著很大差異，在靈敏性、穩(wěn)定性和可重性上有著更高的要求。這就使得企業(yè)在組織大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)時(shí)比組織大規(guī)模定制生產(chǎn)更為復(fù)雜和困難，主要表現(xiàn)為：

1）在客戶參與設(shè)計(jì)過程中，客戶設(shè)計(jì)水平參差不齊使得產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)變得更加困難。

2）大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)失去了大規(guī)模生產(chǎn)和大規(guī)模定制在時(shí)間和成本方面的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品在完成個(gè)性化設(shè)計(jì)之后，才能組織生產(chǎn)。

3）因?yàn)槠髽I(yè)接收訂單具有隨機(jī)性，如何安排隨機(jī)插入訂單生產(chǎn)計(jì)劃，生產(chǎn)時(shí)的生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)平衡問題是否能夠有效解決是準(zhǔn)時(shí)完成訂單的關(guān)鍵。在“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的工業(yè)4.0概念與相關(guān)技術(shù)下，給大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)帶來一個(gè)很好的契機(jī)。

表1 各生產(chǎn)模式的區(qū)別[3,8,10,11]

2 工業(yè)4.0

2013年4月在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)德國正式推出以信息物理系統(tǒng)（Cyber-physical system，CPS）為核心，以智能工廠為支撐，生產(chǎn)智能化、個(gè)性化、低成本和高質(zhì)量產(chǎn)品的工業(yè)4.0戰(zhàn)略，以確保德國制造業(yè)在全球的競爭力和地位。剖析德國“工業(yè)4.0”的戰(zhàn)略規(guī)劃，可以將“工業(yè)4.0”簡單的劃分為“1個(gè)核心”、“2個(gè)主題”和“5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)”[12]。

“工業(yè)4.0”的核心是CPS，CPS是通過將計(jì)算分析、互聯(lián)通信和精準(zhǔn)控制等技術(shù)進(jìn)行一體化深度融合。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、優(yōu)化調(diào)整和執(zhí)行，將虛擬世界和物理世界實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連接，形成了“物，數(shù)據(jù)和服務(wù)聯(lián)網(wǎng)”一體化形式，結(jié)合生產(chǎn)、物流和服務(wù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)和控制產(chǎn)品的最新動(dòng)態(tài)。

“工業(yè)4.0”的兩個(gè)主題[13]分別為：

1）智能工廠：以CPS為載體，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、信息通訊和物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)合，建立一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)個(gè)性化和智能化產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)新平臺(tái)。

2）智能制造：即“智能+制造”，是預(yù)測(cè)感知、計(jì)算分析、推理優(yōu)化、決策控制功能的各類制造裝備的統(tǒng)稱，使制造系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、精簡、優(yōu)質(zhì)、高效地生產(chǎn)出理想的產(chǎn)品。

“工業(yè)4.0”的5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)分別為：

1）工智能技術(shù)：機(jī)器在人工智能技術(shù)滲透下有著“自我獲取”、“自我調(diào)整”、“自我決策”和“自我控制”等能力，機(jī)器與機(jī)器之間能夠達(dá)到“相互協(xié)作”、“互聯(lián)互通”和“相互共享”等狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)智能制造的突破口。

2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：21世紀(jì)一個(gè)重要的新興技術(shù)，通過將射頻識(shí)別（RFID）、條碼識(shí)別和智能傳感器等信息傳感設(shè)備按照事先約定的通訊協(xié)議和準(zhǔn)則，將所采集的數(shù)據(jù)和信息傳入互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行交換和通信，實(shí)現(xiàn)人與物之間的智能化識(shí)別管理和物與物之間的智能化決策控制。

3）大數(shù)據(jù)技術(shù)：在互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的不斷使用下，所得到的數(shù)據(jù)成指數(shù)增長。大數(shù)據(jù)技術(shù)主要通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)5個(gè)步驟，將所采集的海量的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析和優(yōu)化得到只對(duì)我們有用的數(shù)據(jù)和知識(shí)[14]。大數(shù)據(jù)技術(shù)的產(chǎn)生對(duì)大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)挖掘客戶潛在需求有著至關(guān)重要的作用，對(duì)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品有著不可替代的作用。

4）云計(jì)算：在大數(shù)據(jù)時(shí)代，隨著信息數(shù)據(jù)的指數(shù)增長，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、分布式計(jì)算和信息資源共享管理技術(shù)提出了一種新的網(wǎng)格計(jì)算模式[15]。它為用戶提供了一個(gè)可擴(kuò)展、可配置、按需服務(wù)和資源共享的計(jì)算模型，為用戶提供了便捷快速、穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用和可交互配置的個(gè)性化服務(wù)，用戶在運(yùn)營商提供的云平臺(tái)下能夠?qū)崟r(shí)的訪問、監(jiān)控和獲取個(gè)人需要的資源。

5）虛擬仿真技術(shù)：在工業(yè)中虛擬仿真技術(shù)通常體現(xiàn)為虛擬設(shè)計(jì)和虛擬制造，在計(jì)算機(jī)虛擬制造系統(tǒng)中進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。在該技術(shù)的作用下，制造商能夠?qū)κ袌鲂枨蟮淖兓杆僮龀龇磻?yīng)，按照客戶需求對(duì)產(chǎn)品做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證，并做出相應(yīng)的優(yōu)化后設(shè)計(jì)出滿足客戶需求的個(gè)性化產(chǎn)品。

3 大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)架構(gòu)

根據(jù)大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)的特點(diǎn)，結(jié)合工業(yè)4.0的概念及相關(guān)技術(shù)和制造業(yè)三層結(jié)構(gòu)。提出一種關(guān)于大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)架構(gòu)，如圖3所示，該架構(gòu)從設(shè)計(jì)、計(jì)劃、執(zhí)行和控制四個(gè)層面實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化生產(chǎn)。

圖3 大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)架構(gòu)

3.1 個(gè)性化服務(wù)平臺(tái)

該平臺(tái)是基于互聯(lián)網(wǎng)集定制企業(yè)、協(xié)作企業(yè)、供應(yīng)商和消費(fèi)者為一體，根據(jù)消費(fèi)者的需求和喜好定制個(gè)性化產(chǎn)品。平臺(tái)核心是通過人工智能技術(shù)和算法設(shè)計(jì)挖掘客戶的個(gè)性化需求，利用CAD/CAM/CAE/VMT等技術(shù)進(jìn)行個(gè)性化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

平臺(tái)主要由以下模塊組成：

1）定制模塊：主要由可供客戶自由選擇搭配產(chǎn)品定制窗口和允許客戶創(chuàng)建與設(shè)計(jì)的個(gè)性化窗口組成，能夠根據(jù)客戶的需求實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品的生成。

2）服務(wù)模塊：通過專業(yè)人員為消費(fèi)者提供個(gè)性化服務(wù)，了解挖掘滿足客戶對(duì)產(chǎn)品潛在的功能和情感需求。

3）訂單管理模塊：主要由訂單生成、訂單可視化查詢、訂單交付和售后服務(wù)等窗口組成，訂單管理是客戶關(guān)系的有效延伸，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶的一對(duì)一管理，從而更好的為客戶提供多樣化和個(gè)性化的服務(wù)。

3.2 制造業(yè)三層結(jié)構(gòu)

制造業(yè)三層結(jié)構(gòu)是由計(jì)劃-執(zhí)行-控制組成的閉環(huán)系統(tǒng)，大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)架構(gòu)采用的三層結(jié)構(gòu)為ERP-MES-CPS，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃和任務(wù)的下達(dá)，任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)信息的反饋，根據(jù)反饋?zhàn)龀鼍珳?zhǔn)決策，并進(jìn)行智能調(diào)控。ERP-MESCPS的一體化集成，覆蓋了企業(yè)從上層計(jì)劃到生產(chǎn)執(zhí)行的整個(gè)過程，使整個(gè)過程高效、敏捷和智能，從而提高企業(yè)的競爭力。

企業(yè)資源計(jì)劃（ERP，Enterprise resource planning）管理系統(tǒng)通過供應(yīng)鏈管理、倉儲(chǔ)管理、資源管理、運(yùn)輸管理、財(cái)務(wù)管理和看板管理等模塊作用于企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)與企業(yè)之間。實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)資源（如人力、財(cái)力、物力）進(jìn)行整體有計(jì)劃的高效管理，企業(yè)的運(yùn)作效率提高、生產(chǎn)成本降低，并能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)生產(chǎn)車間的動(dòng)態(tài)變化，調(diào)整整個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃來改善瓶頸工序[16]。當(dāng)訂單形成時(shí)，ERP就對(duì)訂單進(jìn)行分析，以最高效的生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)做出合理的安排。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing execution system）通過生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、資源配置、作業(yè)管理、設(shè)備管理等模塊作用于企業(yè)制造車間的整個(gè)生產(chǎn)過程。

作為中間執(zhí)行層，MES的功能主要分為兩個(gè)方面：

1）將ERP規(guī)劃的企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃細(xì)化分解，下達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場各個(gè)崗位，監(jiān)督和控制生產(chǎn)現(xiàn)場完成相關(guān)的作業(yè)任務(wù)。

2）收集分析生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，跟蹤生產(chǎn)現(xiàn)場所有資源的當(dāng)前狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化做出精準(zhǔn)決策和調(diào)控。MES的成功實(shí)施，為企業(yè)提供了準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息、快速響應(yīng)客戶的需求、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品。

信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-physical system）通過在傳統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)中融入網(wǎng)絡(luò)通信、智能控制、智能感知等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬世界和物理世界的互聯(lián)互通[17]。該系統(tǒng)通過智能感知單元（如RFID、條形碼、傳感器等）對(duì)制造生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行感知捕獲和處理分析，并根據(jù)高層指令的指導(dǎo)做出相應(yīng)的狀態(tài)調(diào)整。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的智能化，讓設(shè)備在生產(chǎn)需求發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)能夠及時(shí)做出反應(yīng)，進(jìn)行自我調(diào)控以滿足用戶的需求。

ERP-MES-CPS三層結(jié)構(gòu)讓企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力，生產(chǎn)設(shè)備和原料可根據(jù)生產(chǎn)需求的動(dòng)態(tài)變化隨時(shí)做出調(diào)整，并且生產(chǎn)系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)有的資源進(jìn)行精準(zhǔn)分析和整合調(diào)度實(shí)現(xiàn)自組織和自優(yōu)化的功能，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)[18]。

圖4 個(gè)性化自行車工廠總架構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)室案例分析

上海某高校為適應(yīng)智能制造創(chuàng)新人才培養(yǎng)建設(shè)了一個(gè)“基于工業(yè)4.0”概念的自行車智能制造工廠實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示了產(chǎn)品從智能設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)維的生命周期全過程，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。通過跨學(xué)科合作制造個(gè)性化自行車，將該智能制造工廠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為實(shí)現(xiàn)自行車大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)的有效載體。重點(diǎn)研究了工業(yè)4.0驅(qū)動(dòng)的相關(guān)技術(shù)，如工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和客戶個(gè)性化定制等。基于工業(yè)4.0的相關(guān)概念及技術(shù)，自行車智能制造實(shí)驗(yàn)室總體架構(gòu)主要由計(jì)劃層、執(zhí)行層、工業(yè)控制層、基礎(chǔ)設(shè)備層、數(shù)據(jù)交換管理層、采集任務(wù)監(jiān)控層和通信層組成，如圖4所示。

個(gè)性化自行車的智能生產(chǎn)步驟總共分為以下四個(gè)步驟。

1）客戶通過個(gè)性化服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)決定自己的車型和顏色，客戶可以根據(jù)個(gè)人需求對(duì)車把、車座、車輪和車架等在標(biāo)準(zhǔn)接口下對(duì)外形進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，以滿足他們獨(dú)一無二的個(gè)性化需求。個(gè)性化服務(wù)平臺(tái)將訂單分解，并和合作企業(yè)在約定期限內(nèi)完成所有個(gè)性化零部件的加工，送達(dá)智能工廠進(jìn)行個(gè)性化自行車的裝配。

2）從數(shù)據(jù)庫中將所有的訂單信息傳遞到智能共產(chǎn)ERP，ERP根據(jù)工廠所有資源對(duì)所有訂單進(jìn)行計(jì)劃安排。MES從ERP獲取所有訂單計(jì)劃安排，并以最高效的方式執(zhí)行，并通過CPS精準(zhǔn)控制所有訂單的裝配完成。

3）個(gè)性化自行車的具體裝配過程，通過在CPS系統(tǒng)控制下，由10輛AGV小車和10個(gè)工序配合完成。

裝配步驟如下：

1）上料工序：ERP下達(dá)生產(chǎn)指令，MES執(zhí)行生產(chǎn)指令，掃描托盤條碼與車型總成號(hào)綁定，視覺相機(jī)拍照讀取零件精追碼，機(jī)器人抓取零件放置托盤，小車裝載自行車零件到達(dá)指定工序地點(diǎn)。

2）前叉裝配工序：小車到位，掃描條碼個(gè)性化信息，通過軸腕壓機(jī)安裝上下軸腕、通過前叉腕壓機(jī)安裝前叉腕、安裝前后叉線，放行小車。

3）傳動(dòng)軸及后輪安裝工序：小車到位，掃描條碼個(gè)性化信息，安裝傳動(dòng)軸組件和后輪，放行小車。

4）前輪自動(dòng)裝配工序：小車到位，掃描條碼個(gè)性化信息，機(jī)器人視覺系統(tǒng)定位前輪位置，機(jī)器人抓取前輪安裝，擰緊前輪螺母，反轉(zhuǎn)車身后放行小車。

5）曲柄及腳蹬安裝工序：小車到位，掃描條碼個(gè)性化信息，安裝曲柄和腳蹬，擰緊螺栓，放行小車。

6）車龍頭自動(dòng)裝配工序：小車到位，讀取RFID個(gè)性化信息，小車托盤定位，機(jī)器人視覺系統(tǒng)進(jìn)行插管口定位，機(jī)器人抓取龍頭插入擰緊，放行小車。

7）車把和車座及剎車調(diào)試工序：小車到位，讀取RFID個(gè)性化信息，依次安裝車把、車座，停車架，連接剎車線、剎車和剎把，放行小車。

8）整車檢測(cè)工序：小車到位，掃描條碼，進(jìn)行個(gè)性化自行車綜合性能測(cè)試，測(cè)試完畢放行小車。

9）整車裝箱預(yù)調(diào)正工序：小車到位，掃描條碼個(gè)性化信息，調(diào)整自行車姿態(tài)，放行小車。

10）整車裝箱工序：小車到位，掃描條碼個(gè)性化信息，使用吊具將自行車放入包裝盒內(nèi)，打包自行車及附件，放行小車至存儲(chǔ)區(qū)固定位置。

第四，通過合作的物流供應(yīng)商，在約定時(shí)間內(nèi)將生產(chǎn)完成的個(gè)性化自行車送到客戶手中。

實(shí)驗(yàn)室案例表明，大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)是通過客戶積極參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)維的全生命周期來實(shí)現(xiàn)的。基于所提出的大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)框架，個(gè)性化自行車智能工廠通過融合工業(yè)4.0關(guān)鍵技術(shù)，如CPS、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，最終實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保自行車的智能生產(chǎn)和大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)。

5 結(jié)語

大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)是由歐美等國提出的一項(xiàng)新興的生產(chǎn)模式，本文通過提出一種基于“工業(yè)4.0”概念及技術(shù)的大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)框架，通過從設(shè)計(jì)、計(jì)劃、執(zhí)行和控制四個(gè)層面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)。它使企業(yè)能夠快速的響應(yīng)客戶和市場定制需求，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)低成本和高質(zhì)量的個(gè)性化產(chǎn)品提供了一條有效的途徑。同時(shí)，為我國從“制造大國”向“制造強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)型提供了新的機(jī)遇和方向。