智能制造體系：從牛津預言到中國制造2025

PTC公司高級售前總監 紀豐偉

智能制造體系：從牛津預言到中國制造2025

PTC公司高級售前總監 紀豐偉

紀豐偉

高級售前總監PTC公司

紀豐偉博士目前擔任PTC公司高級售前總監，他專注于產品全生命周期管理（PLM）領域已超過17年，作為主要負責人領導和參與了多個國內外領先PLM項目的咨詢和實施工作。目前紀豐偉博士已在國家核心期刊上發表了19篇論文，其中6篇為美國工程索引EI收錄期刊，兩篇為英文論文。

紀豐偉博士畢業于清華大學，擁有機械制造及自動化專業博士學位。

2013年PTC公司和牛津經濟研究院曾經對制造業發展趨勢做過一個全球調查，調查的初衷是分析整個制造業面臨的新問題、新形勢和新格局，由此來判斷制造業發展的走向，進一步探究在全球化競爭的新市場環境下，制造業將采取的一些轉型措施，尤其是新技術和科技發展帶來的新機遇。當時調研了全球超過300位CIO和高管，涉及航空航天和國防、汽車行業、消費品零售業和服裝業、電子設備和高科技行業、工業設備以及醫療設備行業等行業，遍布美國、中國、日本和德國等11個國家。對市場領導者開展的調查和一系列相關訪談表明，競爭能力取決于應對市場變化和技術趨勢時采取的轉型措施。目標不僅僅是“生產更好的產品”，即打造滿足客戶需求的產品和服務，使產品和服務真正具有創新性且獨樹一幟，而且還要“用更好的方式生產產品”，即大力推動工程、服務規劃與執行、管理和生產流程，并借此讓創新從概念設計階段一直發展到產品生命周期的結束，并打造閉合的反饋環，確保整個企業實現持續改進和調整。

根據這份調查的總結報告（以下簡稱“牛津報告”），全球制造業轉型的驅動力被總結為七種力量：個性化、全球化、數字化、智能化、合規性、服務化和互連性。在這七種力量的驅動下，超過68%的制造業企業，預計會在未來3年中經歷重大的業務流程轉型。這可以看作2013年的那個冬天，牛津經濟研究院和PTC給出的一個“預言”。

到三年后的今天，上面這個預言似乎被印證了。在這三年中，制造業戰略確實又被置于國力競爭的制高點，世界各國重新認識了制造業在國民經濟中的重要性，紛紛制訂和出臺了相關的制造業發展目標和戰略，比如美國提出“美國先進制造業國家戰略計劃”、德國提出“工業4.0”戰略、法國提出了“新工業法國”、英國提出了“英國制造2050”，中國也在2015年5月正式推出了“中國制造2025”戰略。

解讀中國制造2025之智能制造

中國工程院“制造強國戰略研究”課題組根據2012年各國的制造業綜合指數劃分了三個國家方陣：美國處于第一方陣；德國、日本處于第二方陣；中國、英國、法國和韓國處于第三方陣。為了實現從制造業大國向制造業強國的轉變，“中國制造2025”進一步強調了制造業對于中國的重要意義，并指出制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。“中國制造2025”迅速成為引領中國制造業的重要綱領。“中國制造2025”強調以兩化融合為主線，以智能制造為主攻方向，因此，正確理解“中國制造2025”所提出的智能制造對于制造業本身具有非常重要的意義。

首先，智能制造不僅僅是制造本身，智能制造也不等于智能工廠，“中國制造2025”所要打造的是智能制造體系（Smart Manufacturing System of Systems）,通過這個體系研制出智能化的產品，過程中使用的裝備和工具（軟件和硬件）是智能化的，從研發、制造到服務的過程是智能化的。在智能制造體系建立的過程中，產品形態、產品未來的制造方式和經營方式將發生巨大變化，并帶動一系列企業內外部的轉型。

產品形態的轉型：未來通過智能制造體系將產出個性化和智能化的創新產品

無論制造方式如何變化，產品本身及其創新能力永遠是企業的核心競爭力。試想，如果企業沒有好的產品，生產速度越快，自動化水平越高，可能失敗的速度也會越快。因此，智能制造體系的首要目的是幫助企業更好地進行產品的創新。但從產品的角度，產品的個性化和需求碎片化的趨勢越來越明顯，因此，智能制造體系需要優先處理如何滿足個性化的問題。

根據牛津報告，在通用平臺上開發各種可定制的產品系列的比例將增長49%。這只是滿足個性化的一種方式，更為重要的是如何直接和最終用戶或消費者建立聯系，讓用戶參與到產品的開放式創新過程中，對其需求進行更好地捕捉和響應，同時通過智能制造體系和用戶建立更為緊密的聯系。

在個性化滿足的過程中，軟件將扮演重要的角色。因為通過硬件的變化來滿足無窮的個性化需求是不可能的。例如，在手機行業中，硬件的標準化和同質化程度越來越高，用戶的個性化需求完全通過軟件或APP的方式來表達，從而實現完全碎片化需求的滿足。而軟件在產品中的比例提高后，產品就變得智能了。產品智能化后，除了軟件以外，越來越多的傳感器被嵌入到產品中。硬件、傳感器、數據儲存裝置、微處理器和軟件，它們以多種多樣的方式組成新產品。借助計算能力和裝置迷你化技術的重大突破，這些“智能互聯產品”將開啟一個企業競爭的新時代。這也是智能制造體系的終極目標之一。

裝備水平的轉型：運用智能化的軟件和硬件裝備

智能制造體系除了強調產出的結果是智能化的，同時還強調過程中使用的裝備是智能化的。個性化、智能化的產品在研制過程中，需要柔性化、自動化和智能化的裝備輔助，以保證產品研制的柔性、高效和可控。這些裝備包括傳統意義的硬件裝備，例如機器人、高端數控機床等。根據IDC的預測：到2025年，至少50%的工人將使用自動化輔助技術。和智能化產品類似，工具和裝備也變得越來越智能，例如，Bosch提供的智能互聯工具可以為工人提供操作方案的快速建議，在工作中實時采集工具數據并進行分析，以提高裝配質量。

除了硬件裝備，更需要關注智能化軟件裝備的應用，例如CAD工具、仿真工具和控制系統等。在“中國制造2025”中，也特別設定了軟件裝備的應用指標，例如數字化研發設計工具普及率、關鍵工序數控化率等。

指標 2013年 2015年 2020年 2025年數字化研發設計工具普及率（%） 52 58 72 84關鍵工序數控化率（%） 27 33 50 64

運營模式的轉型：構建智能化的運營體系

產品和裝備智能化的同時，智能制造體系還將帶來一系列企業運營模式的轉型。

迭代式創新：智能互聯的產品將使得產品制造商能及時、準確和直觀地了解產品特性和運行使用情況，并進行產品的迭代式創新，從而改變了企業研發產品的方式，并增加與用戶的黏性。

智能工廠：根據IDC的估計，到2020年，采用智能互聯技術的工廠將依托于全面整合的IT和OT系統，從而實現個性化、柔性化的生產。

服務型制造業：產品的智能互聯特性將改變企業提供服務的方式，從被動式的響應轉變為遠程服務和主動式、預測式服務，這將進一步影響企業的盈利模式，產品即服務的模式將成為企業的重要利潤來源。

智能制造體系關鍵使能技術

智能制造體系并不是一個愿景，而是馬上就可以開始，而且馬上就需要建設的體系，這是由新一輪制造業變革的浪潮所決定的。因為智能互聯產品和智能裝備已經開始不斷涌現，并推動著企業運營體系的變革。要“落地”智能制造體系，需要進行相應的技術準備。

物聯網、設備云和數據湖：無論是智能互聯的產品、智能工廠的建設或是遠程服務體系的建立，都首先需要解決各種異構異質設備、產品的連接問題。這包括處理各種連接協議、處理實時分時協議、改造各種陳舊設備等。沒有統一、柔性且開放的連接技術尤其是物聯網，智能制造體系的構建就無從談起。連接了產品、設備、產線后，緊接著需要解決數據存儲的問題，這往往需要借助設備云來實現。通過設備云收集連接上來的數據包括實時的流數據、結構化和非結構化數據。這些數據的格式五花八門，包括傳感器數據、地理位置、溫度、交易以及保修記錄等。傳統的數據匯總和分析工具，例如數據庫工具都無力管理格式如此繁雜的數據，因此企業需要考慮采用“數據湖”（Data Lake）的解決方案。

邊緣計算：雖然設備云能處理連接的問題，但企業必須評估判斷究竟該如何界定才能既讓設備功能最大化，又使延遲達到最小化，因為很多智能工廠、智能產品的事務處理具有非常高的實時性要求。這時候，企業需要的其實只是一個多級連接和處理架構，這個架構將承載各層級的邊緣計算——從智能設備到靠近設備部署的小型服務器，再到中間計算設備，直至云端。

工業大數據分析：智能產品、裝備和工廠的數據實現連接并完成收集后，這些數據將是海量的。如果不經過工業大數據分析，這些數據本身是沒有意義的。通過工業大數據分析，企業才能洞察產品性能、設備狀態、工廠效率等，從而不斷優化智能制造體系。

工業“安卓”平臺：對于智能制造體系來說，僅僅有設備連接和數據分析是遠遠不夠的，還需要有相應的應用來幫助企業使用整個智能制造體系，例如遠程服務、制造執行等。類似于手機行業，制造業需要采納工業“安卓”平臺（如ThingWorx平臺）來快速創建各種應用，并能根據市場情況調整和優化企業級智能制造應用，而且這些應用貫穿了研發、制造、服務的各個環節。

“數字化映射”（digital twin）技術：在智能制造體系中，無論是智能互聯產品、智能工廠還是智能化的服務，強調對各種產品、設備和產線的連接，同時還需要用數字化的手段來模擬物理環境的狀態。數字化映射技術實際上是物理產品在三維虛擬環境中的數字化復制。物理產品持續運行，其狀態和運行環境不斷變化，而產品的數字化映射也伴隨著數據的流入而不斷反映實際產品的變化。作為實際產品的數字化身，公司可以通過它掌握千里之外的產品狀態和環境條件。數字化映射還能提供新的產品洞察力，幫助企業更好地設計、制造、運行和維護產品。

精準執行輔助技術：智能制造體系最終是靠人來執行的，因此制造體系的智能化還反映在如何幫助人來更精準地使用智能制造體系或者說如何更精準地進行工作。對于智能制造體系來說，需要借助AR（增強現實）/VR（虛擬現實）等技術來幫助工作人員來更好地工作。例如，施耐德電氣公司基于PTC的ThingWorx構建了一對多的智能互聯服務平臺，基于PTC的Vuforia實現了基于AR的維修指導。現場工程師獲取服務信息將變得更便捷，且可以實時獲得服務方案的決策支持，使得現場操作更加高效。

安全技術：當智能制造體系中的產品、裝備和工廠等都智能化并具備互聯性后，安全性就變得重要起來。每一臺智能互聯設備都是網絡的接入點，因此都可能成為黑客的目標或網絡攻擊的發起點。智能互聯產品的分布非常廣，且暴露在網絡攻擊之下，常規的物理保護手段難以奏效。此外，由于這些產品自身的計算能力通常十分有限，因此也無法部署常規的安全硬件和軟件。黑客不但可能奪取產品的控制權，更能竊取制造商與用戶之間傳輸的敏感數據。除了對敏感數據采用加密技術外，還可以考慮結合區塊鏈技術。冗長的數據序列被分割為多個部分或區塊，用32位“哈希”碼加密，存儲在不同的計算機上。這一序列的各個部分稱為區塊，組合成為區塊鏈。數據一旦輸入，只有在所有區塊持有者同意的情況下，才能更改。對于數據篡改或偷竊，這是目前來看相對比較安全的保護機制。

智能制造轉型路線圖

制造企業正處在變革的最前線，它們面臨的產品和組織轉型之旅將充滿荊棘和不確定性。在技術成果轉化過程中，最大的風險和障礙不是技術本身，而是何時采用何種技術，企業需要考慮如何以最穩妥的方式循序漸進地導入新技術。PTC公司提出的企業轉型路線圖（Transformation Journey Map）的目的就是解決這個問題，通過分析技術成熟度和企業準備情況，來分步驟、有計劃地建設智能制造體系。

從牛津報告的預言開始，智能制造體系正在變為現實，智能制造體系本身的內涵和外延都在不斷發生著變化，但隨著“中國制造2025”計劃的逐步細化，智能制造體系的方向越來越清晰，智能制造體系建設的關鍵技術也越來越成熟，現在到了考驗企業管理人員建設智能制造體系的決心和信心的時刻。