高啟洋 任 才

（中冶武勘智誠（武漢）工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430074）

0 引言

當(dāng)前，德國已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)4.0 時代。工業(yè)4.0 是由德國聯(lián)盟教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手推動的戰(zhàn)略性項目，現(xiàn)已經(jīng)成為德國的國家戰(zhàn)略，被看作是提振德國制造業(yè)的有力催化劑，也被認(rèn)為是全球制造業(yè)未來的發(fā)展方向[1]。德國的學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界將制造業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的漸進(jìn)性進(jìn)步描述為工業(yè)革命的4 個階段，也就是工業(yè)4.0 的進(jìn)化歷程。

其中，工業(yè)1.0 指的是在18 世紀(jì)末至19 世紀(jì)中，通過水力和蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)的工廠機(jī)械化，使機(jī)械生產(chǎn)代替了手工勞動，經(jīng)濟(jì)社會從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到以工業(yè)和機(jī)械制造帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式。工業(yè)2.0 指的是19 世紀(jì)后半期至20 世紀(jì)初，通過勞動分工以及電力驅(qū)動產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)，使零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式。工業(yè)3.0 指的是始于20 世紀(jì)70年代并一直延續(xù)到現(xiàn)在，電子與信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使制造過程不斷實(shí)現(xiàn)自動化。自此，機(jī)器能夠逐步替代人類作業(yè)，不僅接管了相當(dāng)比例的“體力勞動”，還接管了一些“腦力勞動”。

如今，基于信息物理系統(tǒng)[2]（Cyber-Physical System，CPS）的智能化，使人類步入以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0 時代。產(chǎn)品全生命周期和全制造流程的數(shù)字化以及基于信息通信技術(shù)的模塊集成，將形成一種高度靈活、個性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)生產(chǎn)模式。這是一幅全新的工業(yè)藍(lán)圖：在一個“智能、網(wǎng)絡(luò)化的世界”里，物聯(lián)網(wǎng)[3]和互聯(lián)網(wǎng)[4]（服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）將滲透到所有的關(guān)鍵領(lǐng)域，創(chuàng)造新價值的過程逐步發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將重組，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，產(chǎn)生各種新的活動領(lǐng)域和合作形式[5]。

我國正在大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化的兩化融合，國務(wù)院早在2015 年就印發(fā)了《中國制造2025》的通知，提出以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以智能制造為主攻防線，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型。

鋼鐵冶金行業(yè)作為流程性工業(yè)，與基于信息物理系統(tǒng)的智能化具有天然的親近性。因此，以中國寶武[6]、永鋒鋼鐵[7]、南京鋼鐵[8]為代表的大型鋼企，響應(yīng)國家號召，積極推進(jìn)智能工廠建設(shè)，形成了一批典型的智能工廠應(yīng)用案例，在行業(yè)內(nèi)引發(fā)了不小的轟動效應(yīng)。

1 智能工廠實(shí)施路徑

智能工廠的實(shí)施路徑主要分為4 個階段。

第一階段為工廠現(xiàn)狀診斷與評估。圍繞設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售和服務(wù)的全流程，對企業(yè)自動化、信息化、車間聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行全方面調(diào)研，運(yùn)用智能制造成熟度評估模型對關(guān)鍵績效指標(biāo)進(jìn)行評估，定位工廠的智能化水平。

第二階段是智能工廠建設(shè)需求分析。對企業(yè)智能制造業(yè)務(wù)模式進(jìn)行梳理，識別可優(yōu)化的工藝環(huán)節(jié)，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，提出改進(jìn)應(yīng)用可行性方案，系統(tǒng)地提出智能工廠的建設(shè)需求。

第三階段是確定智能工廠總體建設(shè)目標(biāo)與藍(lán)圖?；谠u估、流程梳理與關(guān)鍵技術(shù)可行性分析結(jié)果，制定智能工廠規(guī)劃、落地方案、實(shí)施計劃與預(yù)算，幫助企業(yè)探索智能制造規(guī)范體系與實(shí)現(xiàn)路徑，構(gòu)建智能制造運(yùn)行的基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)與保障體系。

第四階段是制定分步實(shí)施計劃，推進(jìn)智能工廠落地。根據(jù)整體規(guī)劃藍(lán)圖，確定項目子任務(wù)優(yōu)先級，明確子項目的目標(biāo)、內(nèi)容、關(guān)鍵點(diǎn)、實(shí)施計劃、資源需求等要素，綜合分析項目的重要度、緊迫度、前提條件和實(shí)施風(fēng)險，制定切實(shí)可行的實(shí)施路線。

2 智能工廠業(yè)務(wù)架構(gòu)

工廠生產(chǎn)活動主要包括六大類，即車間的規(guī)劃與改善、生產(chǎn)運(yùn)行、工藝執(zhí)行、質(zhì)量控制、庫存物流和設(shè)施維護(hù)。在生產(chǎn)活動過程中還會產(chǎn)生七大類數(shù)據(jù)，即人、機(jī)、料、法、環(huán)、測、能。智能工廠建設(shè)需要圍繞六大類生產(chǎn)活動和七大類生產(chǎn)數(shù)據(jù)展開，實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)場景的智能化改造和提升，例如機(jī)器換人、設(shè)備自動化、柔性生產(chǎn)、智能監(jiān)測、能源自動調(diào)度、智慧安全、智慧環(huán)保等。此外，還需要實(shí)時采集和互聯(lián)互通不同場景的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并且基于先進(jìn)的算法和數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和再利用，反饋于生產(chǎn)管理，從而優(yōu)化整個生產(chǎn)執(zhí)行過程。

結(jié)合鋼企自身的信息化、自動化現(xiàn)狀，總結(jié)鋼企智能工廠業(yè)務(wù)架構(gòu)，分為基礎(chǔ)設(shè)施層、生產(chǎn)集控層、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺層、生產(chǎn)管控層和智慧應(yīng)用層，這也是當(dāng)前國內(nèi)主流的智能工廠建設(shè)業(yè)務(wù)框架。

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個智能工廠的硬件基礎(chǔ)，是智能工廠運(yùn)行的物理實(shí)體，可以分為智能生產(chǎn)裝備、智能物流裝備、智能檢測裝備、智能監(jiān)測裝備、云資源及IT 網(wǎng)絡(luò)。

生產(chǎn)集控層主要是為了解決生產(chǎn)過程中實(shí)時數(shù)據(jù)采集和互聯(lián)互通等問題，采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，為生產(chǎn)管控層和可視化應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持。

工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺層包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺、時空大數(shù)據(jù)平臺和視頻監(jiān)控平臺。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺主要是為了解決生產(chǎn)過程中每個環(huán)節(jié)與設(shè)備數(shù)據(jù)的連通問題，打通信息流動通道；時空大數(shù)據(jù)平臺主要是為了解決三維時空信息數(shù)據(jù)的管理問題，同時提供搭建各類數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)工具和服務(wù)組件；視頻監(jiān)控平臺主要是為了匯聚現(xiàn)場視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各類攝像頭監(jiān)控錄像查看與回放，智能分析違規(guī)行為和風(fēng)險點(diǎn)并提前預(yù)警。

生產(chǎn)管控層是智能工廠的核心，是保證工廠生產(chǎn)制造和工藝執(zhí)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為主，還包括生產(chǎn)計劃排程系統(tǒng)（APS）、倉儲物流系統(tǒng)（WMS）、設(shè)備管理系統(tǒng)（DMS）、質(zhì)量管理系統(tǒng)（QMS）和能源管理系統(tǒng)（EMS）。

智慧應(yīng)用層是智能工廠生產(chǎn)狀態(tài)和信息化成果展示的窗口。通過對接工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺中的生產(chǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)，將各工序生產(chǎn)計劃執(zhí)行總體情況、設(shè)備運(yùn)行總體情況、環(huán)保監(jiān)測總體情況、能源消耗總體情況、物料配比總體情況、安全監(jiān)控整體情況等，以可視化圖表或數(shù)字孿生的方式展示出來，從總體上反應(yīng)工廠實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)。

集控中心是智能工廠的生產(chǎn)指揮運(yùn)行中樞。將傳統(tǒng)的各工序廠房內(nèi)操控改造為集體遠(yuǎn)程操控，是智能工廠信息匯聚、數(shù)據(jù)交互、生產(chǎn)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、學(xué)習(xí)交流的重要物理場所。

3 優(yōu)劣勢及商業(yè)模式分析

當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)有能力實(shí)施智能工廠項目的集成商主要分為3 類。一類是企業(yè)下屬的信息自動化公司。這類公司長期服務(wù)于企業(yè)信息化建設(shè)，核心競爭力集中于信息系統(tǒng)、設(shè)備自動化、云資源和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。二類是各大冶金行業(yè)的設(shè)計院。這類公司鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝知識扎實(shí)，經(jīng)常承建鋼企某一生產(chǎn)線的EPC 項目，利用BIM 技術(shù)搭建數(shù)字化交付平臺，將業(yè)務(wù)延伸到智慧應(yīng)用領(lǐng)域。核心競爭力集中于生產(chǎn)工藝數(shù)學(xué)模型、智能生產(chǎn)裝備、設(shè)備自動化和數(shù)字化交付平臺。三類是行業(yè)內(nèi)具備一定專業(yè)優(yōu)勢專業(yè)化公司，往往具有國企、央企背景。這類企業(yè)長期服務(wù)于鋼企地理信息數(shù)據(jù)建設(shè)和維護(hù)，掌握了各大企業(yè)完備而準(zhǔn)確的三維數(shù)字底座數(shù)據(jù)，而三維數(shù)字底座恰恰是智能工廠建設(shè)業(yè)務(wù)框架內(nèi)、智慧應(yīng)用建設(shè)所需的基礎(chǔ)設(shè)施之一。

隨著鋼鐵智能制造進(jìn)程的推進(jìn)，上述3 類公司都以自己核心優(yōu)勢為出發(fā)點(diǎn)，穩(wěn)固自身基礎(chǔ)業(yè)務(wù)鏈的同時，向上、下游延伸，打造適配自身技術(shù)架構(gòu)的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，例如寶信軟件發(fā)布的Iplat 平臺、賽迪信息發(fā)布的水土云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、中冶武勘智誠發(fā)布的數(shù)字工廠基礎(chǔ)信息平臺。不論是哪一類集成商，其業(yè)務(wù)發(fā)展和積累的過程都是從自身傳統(tǒng)業(yè)務(wù)向智能工廠業(yè)務(wù)架構(gòu)圖（如圖1 所示）內(nèi)范圍拓展的過程。在這一過程中，自身傳統(tǒng)業(yè)務(wù)在架構(gòu)中越重要，用戶黏性越強(qiáng)，就越具有技術(shù)優(yōu)勢。

圖1 鋼企智能工廠業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

面對不同背景的鋼鐵企業(yè)，智能工廠建設(shè)的商業(yè)模式也有多種選擇。第一種是傳統(tǒng)模式，由業(yè)主投資，承包單位建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（主要是測繪建模工作）和軟件平臺，移交甲方，由甲方運(yùn)營平臺，承包單位負(fù)責(zé)售后工作。第二種是投融資模式，業(yè)主提供政策或一部分資金支持，資方投資，承包單位建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和搭建平臺，并負(fù)責(zé)后期運(yùn)營，運(yùn)營期收入用來償還投資成本和利息。第三種是互聯(lián)網(wǎng)模式，由業(yè)主提供政策，承包單位搭建平臺并負(fù)責(zé)運(yùn)營，有資質(zhì)的第三方單位（可以是多家）投資或建設(shè)一定范圍的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)營期收入可以由承包單位、業(yè)主、第三方單位按一定比例分成。

相較于傳統(tǒng)商業(yè)模式，后兩種模式的優(yōu)點(diǎn)是用戶黏性更大，用戶基數(shù)更多，業(yè)主方投入少，意愿更強(qiáng)，承包單位測繪業(yè)務(wù)增長可觀，且可復(fù)制性強(qiáng)，不僅僅是在鋼鐵行業(yè)，還可以快速復(fù)制到電力、石化、礦山、水泥等行業(yè)。缺點(diǎn)是對平臺的技術(shù)要求比較高，需要一定時期的技術(shù)積累和研發(fā)，且運(yùn)營期的收入依靠行業(yè)整體效益情況和智能制造投資意愿。

4 結(jié)語

進(jìn)入工業(yè)4.0 時代，中國正在大力推進(jìn)兩化融合和智能制造，尋求制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。鋼鐵行業(yè)內(nèi)的一些頭部企業(yè)，在近幾年取得了令人矚目的階段性成果。一些智能制造集成商通過穩(wěn)固自身傳統(tǒng)業(yè)務(wù)鏈條的同時，向上、下游進(jìn)行拓展，逐漸摸索具有一定普適性的智能工廠業(yè)務(wù)架構(gòu)，并且提出針對性的解決方案，以促進(jìn)鋼鐵企業(yè)在智慧工廠領(lǐng)域取得長足的進(jìn)步并實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。