工业互联网与智能工厂

工业互联网与智能工厂在新一轮科技革命和产业变革中，制造业要想获得可持续发展的竞争优势，必须迈向智能制造，依靠信息物理融合系统，实现协同设计、协同供应链、协同生产、协同服务和企业电子商务。企业应该置身于全球供应链的生态系统之中，应用互联网实现互联网+智能工厂。为了应对新一轮科技革命和产业变革，我国相继出台了一系列规划--《中国制造2025》、互联网+行动计划、大众创业万众创新、大数据应用等。这些规划都有一个共同的指向--制造业要走向智能化、数字化、网络化、绿色化，企业要迈向智能工厂。智能制造是历史发展必然制造业走向智能工厂这是中国经济转型升级的必然，是社会经济发展的必然，是科学技术发展的必然，是企业获取可持续发展竞争优势的必然。中国经济转型升级的必然。中国工业自主创新能力不强,在全球产业链分工中处于价值链的的低端，经济长期依赖投资、出口拉动。随着土地、劳动力、原材料、燃料动力等要素成本的全面、快速上升，中国传统比较优势将逐步削弱。根据2015年8月美国波士顿咨询公司对世界主要国家制造业成本竞争力的分析（同时考虑人工成本、生产效率、汇率变动），中国2004年平均每小时工资4.35美元，2014年上升到12.47美元，上升了2.9倍。同期中国成本竞争力比美国下降了10个百分点。中国制造业资源环境的压力突出，传统的工业发展模式不可持续，亟待形成新的竞争优势。信息化和工业化两化融合，发展智能制造，走新型工业化道路是中国经济转型升级的必然。科学技术发展的必然。信息技术特别是信息通信技术的发展，深刻地改变了人们的生产方式、生活方式、社会形态。互联网、物联网的广泛应用，使得信息物理系统CPS应运而生，它将物理世界与信息世界融合在一起，掀起了新一轮的工业革命。如今，智能手机、智能可穿戴设备、智能汽车、智能家居、智慧城市……像飓风一样席卷全球，发展智能制造是技术发展的必然。社会经济发展的必然。随着世界人口老龄化进程的加快,劳动力短缺现象从发达国家向发展中国家、再向欠发达国家蔓延。随着中国农业现代化、城镇化进程的加快，广大农村受教育水平的提高，从事简单劳动和重体力劳动的人越来越少，招工难将成为常态。发展智能制造是社会经济发展的必然。获取可持续发展竞争优势的必然。企业的竞争是人才、技术、成本的竞争。当同行在智能工厂里，以高效率、高柔性的装备，以精益的管理，快速响应客户个性化的需求，提供贴心周到的服务、低成本的产品的时候，传统的企业将面临生存危机。企业为了获取可持续发展的竞争优势必须建造智能工厂。离散制造业智能工厂总体框架一个离散制造业的智能工厂的总体框架，是在信息物理融合系统的支持下，由智能设计、智能产品、智能经营、智能制造、智能服务、智能决策六个部分组成。通过企业信息门户实现与供应商、客户、合作伙伴的横向集成，以及企业内部的纵向集成。要做到这些集成，首先要有一系列标准的支持和信息安全的保障（图1）。2015年7月1日，《国务院关于积极推进〃互联网+〃行动的指导意见》中提出了“互联网+”的目标：第一，到2018年，互联网与经济社会各领域的融合发展进一步深化，基于互联网的新业态成为新的经济增长动力,互联网支撑大众创业、万众创新的作用进一步增强，互联网成为提供公共服务的重要手段，网络经济与实体经济协同互动的发展格局基本形成。第二，到2025年，网络化、智能化、服务化、协同化的“互联网+”产业生态体系基本完善，“互联网+”新经济形态初步形成，“互联网+”成为经济社会创新发展的重要驱动力量。《指导意见》提出了“互联网+”的十一项重点行动：“互联网+”创业创新、“互联网+”协同制造、“互联网+”现代农业、“互联网+”智慧能源、“互联网+”普惠金融、“互联网+”益民服务、“互联网+”高效物流、“互联网+”电子商务、“互联网+”便捷交通、“互联网+”绿色生态、“互联网+”人工智能。互联网+行动计划包括社会经济各个领域，与智能工厂最紧密的是：“互联网+”协同制造、“互联网+”电子商务和“互联网+”人工智能。该行动计划的提出，推动互联网与制造业融合，提升制造业数字化、网络化、智能化水平，加强产业链协作，发展基于互联网的协同制造新模式。在重点领域推进智能制造、大规模个性化定制、网络化协同制造和服务型制造，打造一批网络化协同制造公共服务平台，加快形成制造业网络化产业生态体系。这些都为制造业未来发展指明了方向。我们可以从信息物理融合系统CPS、协同设计、协同供应链、协同生产、企业电子商务、协同服务等诸方面进行分析。互联网+协同制造今天的世界是协同、创新、智能的时代。充分利用互联网技术实现与外部世界的协同创新是增强企业竞争能力的重要手段。协同制造就是充分利用Interne技术为特征的网络技术、信息技术，实现供应链内及跨供应链间的企业产品设计、制造、管理和商务等的合作，最终通过改变业务经营模式与方式达到资源最充分利用的目的。它强调企业间的协同。协同制造是基于敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造的生产模式，它打破时间、空间的约束，通过互联网络，使整个供应链上的企业和合作伙伴共享客户、设计、生产经营信息。从传统的串行工作方式，转变成并行工作方式，从而最大限度缩短新品上市时间，缩短生产周期，快速响应客户需求，提高设计、生产的柔性。通过面向工艺的设计、面向生产的设计、面向成本的设计、供应商参与设计，大大提高产品设计水平和可制造性、成本的可控性。它有利于降低生产经营成本，提高质量，提高客户满意度。协同制造的总体框架，是在协同平台的支持下，实现协同设计、协同供应链、协同生产、协同服务（图2）。协同制造将传统的客户需求、初步设计、详细设计、工艺设计、工装设计、生产准备、制造、销售、售后服务这种串行工作方式在一系列信息系统的支持下，变成一个同心圆。让任何客户需求的变动、设计变更、工艺变更，迅速在供应链上做出快速响应（图3）。要实现企业间的协同，离不开信息物理融合系统CPS。信息物理融合系统CPS信息物理融合系统CPS是智能工厂万物互联的基础。通过物联网、服务网将制造业企业设施、设备、组织、人互通互联，集计算机、通信系统、感知系统为一体，实现对物理世界安全、可靠、实时、协同感知和控制。对物理世界实现“感气“联气“知气“控”CPS由感知层、网络层、认知层和控制层组成。其特征呈现为：环境感知性、自愈性、异构性、开放性、可控性、移动性、融合性和安全性。协同设计随着产品智能化的发展，产品集机、电、液、声、光、各种传感器、嵌入式系统、网络通信、接口……，非常复杂，依靠少数人进行设计已经不现实。这就需要集中社会资源进行协同设计。协同设计是指利用计算机技术、多媒体技术和网络技术，支持工作群体成员在共享环境下的协同工作、交互协商、分工合作，共同完成某些任务。它支持多个时间上分离、空间上分布，而工作又相互依赖的协作成员的协同工作。实现协同设计需要计算机支持的协同工作平台(ComputerSupportedCooperativeWorksSCW)，支持动态企业联盟内分布于不同地域的多功能项目组成员开展基于网络的协同工作，用于选择、评估、发送与接收产品数据，分析技术方案，快捷迅速地完成设计并投入生产。它要解决协调机制的问题，建立冲突消解机制、通信机制、数据管理、系统的柔性和开放性。例如，中烟机械集团公司在技术系统内打破企业法人界限，将上海烟机技术中心、常德烟机、许昌烟机、秦皇岛烟机、上海烟机五个跨地域的部门建立分布式协同设计平台，开展大型成套设备的设计。协同供应链复杂制造业产业链长，制造工艺复杂，供应商和协作单位多，需要通过互联网络创建协同化的环境，即建立供应链网络，在此网络中，供应商、制造商、分销商和客户可动态地共享客户需求、产品设计、工艺文件、供应链计划、库存等信息。任何客户的需求、变动、设计的更改，在整个供应链的网络中快速传播，及时响应。避免了传统管理中的“牛鞭效应”（图4）。最典型的协同供应链管理是汽车制造业，随着人们对汽车产品个性化需求的增加，如何将国内外众多的供应商、协作配套厂商、分销商、最终用户在一个供应链平台上共享客户需求信息，是协同供应链管理的重要课题。通过供应链计划，可以将客户的个性化需求精准地发布到整个供应链上，以快速响应客户需求，最大限度降低库存，准时供货。协同生产一些复杂的产品往往由多家工厂协同制造，最终交付同类产品。这些工厂之间需要生产计划协同、供应协同，同步生产，按质、按量、按时提交零部件和产品（图5是协同生产的实例）。企业电子商务在传统电子商务基础上，发展行业电子商务，建设以主制造商为核心的供应链电子商务体系，实施网上招投标、网上采购、网上支付、物流和质量跟踪，实施B2B、O2O的销售模式。通过大数据分析用户的习惯、喜好等显性需求，以及客户的身份、时空、工作生活状态关联的隐性需求，分析不同客户的偏好、习惯，主动为用户提供精准销售和服务。协同服务在信息物理融合系统CPS的支持下，着眼于产品全生命周期，从用户需求、设计制造、卖方信贷、产品租赁、售后服务、备品备件、直至回收再利用全过程的管理和服务。在产品智能化的基础上，实现产品运行状态的在线数据采集，通过物联网进行数据传输，结合产品运维知识库，进行在线诊断和分析，进行在线服务。提高客户服务的满意度，为客户和企业本身创造新的价值，实现传统制造向制造服务转型。国内中联重科、三一重工、徐工集团、陕西鼓风机都已通过物联网实现客户产品的远程监控和维护。如中联重工已通过物联网技