基于工業(yè)企業(yè)的智能制造需求分析

李春花

（用友公司 智能制造事業(yè)部，北京 100094）

1 引言

作為一個信息系統(tǒng)工作者，十幾年來，一直專注服務于煤炭、鋼鐵、化工、能源、汽配、加工等工業(yè)企業(yè)客戶，扎根于生產(chǎn)一線，了解生產(chǎn)模式，信息流轉(zhuǎn)方式，曾無數(shù)次和企業(yè)高層、生產(chǎn)管理者以及一線操作人員探討信息系統(tǒng)建設方面的目標、存在的問題以及合理的解決方式，漸漸的、漸漸的，發(fā)現(xiàn)企業(yè)的需求在不斷的提升，認知在不斷加深，傳統(tǒng)做信息化的思維已經(jīng)不能滿足企業(yè)所需。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、移動互聯(lián)等新技術在移動互聯(lián)網(wǎng)領域的迅猛發(fā)展以及其對我們生活帶來的改變，國家針對于制造業(yè)提出了雄雄勃勃的智能制造2025規(guī)劃，并迅速席卷全國。針對于日新月異的新技術以及國家智能制造的規(guī)劃，幾乎所有制造業(yè)的領導人均在思考如何通過新技術讓自己的企業(yè)變得更加智能、更加少人、更加高效、更加低成本、更加具有競爭力。

何為智能制造？對于智能，往往仁者見仁智者見智。企業(yè)的CEO們往往都會根據(jù)自身的情況進行判斷，比如說某某裝置要改造、某某設備要替換，生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)要可視化，儀器儀表要電子化，計量要無人化、精確化，上下物流運輸要高效、無人化，物料要穩(wěn)定、平衡

供給，配料要最優(yōu)方案、能耗要最低，工藝過程要全自動控制，反應終點自動判斷，等等；無疑信息化、無人化、自動化、數(shù)字化都已經(jīng)成了“智能化”發(fā)展道路的主要標簽［3］。

智能化是一個持續(xù)的發(fā)展過程，不能一蹴而就，自動化是基礎，但是并不是一談智能，就考慮改造設備，企業(yè)要根據(jù)自身的實際情況，量力而行，在某些點上結(jié)合信息化，再做些智能化的提升，也會對企業(yè)帶來不少價值。

2 智能制造需求特點

接下來，本文將從八個方面論述總結(jié)工業(yè)企業(yè)針對“智能制造”近年來的需求變化。

2.1 組織運作變化：打破組織壁壘、數(shù)據(jù)高效協(xié)同［2］

談到組織，這里就不論述集權、分權、直線以及矩陣式等等組織的好處和弊端，主要談談當前工業(yè)企業(yè)各部門間的數(shù)據(jù)協(xié)同新變化。

工業(yè)企業(yè)主要的業(yè)務部門有生產(chǎn)部、采購部、物流部、原料部、供應部、銷售部、質(zhì)檢部、技術質(zhì)量部、財務部，傳統(tǒng)這些部門的協(xié)作方式都是單據(jù)、逐層審批，而今，直接在業(yè)務點定義觸發(fā)下一個流程的必要條件，當滿足條件就進行驅(qū)動、對接，服務部門快速響應，回復，然后再驅(qū)動自己部門進行業(yè)務處理，通過信息快速流轉(zhuǎn)更好的服務需求部門。比如：設備需要開機，生產(chǎn)部門做好開機方案，備料部門準備好原料準備，生產(chǎn)部門做好設備開機檢查，提供動力能源的部門恰當?shù)臅r間開動閥門，這是一個大連鎖、大協(xié)同的過程，講究高效、協(xié)同、共享，必須打破傳統(tǒng)的組織壁壘［4］。

圖1 生產(chǎn)為核心的服務模式

2.2 生產(chǎn)計劃新特性：追求成本最低、收益最高的計劃量

生產(chǎn)計劃作為生產(chǎn)管理部門非常重要的工作之一，它將指導下面各生產(chǎn)車間的生產(chǎn)工作，但是如何制定科學的生產(chǎn)計劃是一門深奧的學問。在ERP時代，我們經(jīng)常聽說，計劃模式有面向庫存、面向訂單。針對離散行業(yè)經(jīng)常用MRP算法解決中間物料需求問題，倒排正排推算日期，這些方式，在計劃量的確定上，相對簡單、純粹。如今，客戶在確定計劃生產(chǎn)量時加入了更多的可以量化的科學因素以減少人的主觀性，讓最終確定的生產(chǎn)量的過程數(shù)字化、科學化，當然也是最大收益化。

（1）不論離散和流程，確定計劃量前，都需要先進行測算成本、測算邊際效益。

對于化工行業(yè)，化工行業(yè)產(chǎn)品種類多，裝置多，相互之間都有互供關系，所以需要考慮各個產(chǎn)品的盈利情況，平衡各裝置能力、需求。對于大型軸承加工，其加工周期長，市場變數(shù)多，中間環(huán)節(jié)可能還存在委外的復雜加工過程，也需要測算生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)環(huán)節(jié)的利潤，才能確定敢不敢接單、該不該接單、接多少最合適。

（2）確定計劃量，需要綜合平衡原料、中間產(chǎn)品、產(chǎn)品的供需關系。

對于依賴礦石原材料的冶煉企業(yè)，大部分礦需要進口，進口資源受限，所以在安排計劃時需要考慮資源的供給量，還需要考慮能夠產(chǎn)出多少中間物料，存儲空間多大，能被下游消耗多少，產(chǎn)出產(chǎn)品的銷售接單情況等等，這些因素需要工廠模型、物料模型、平衡計算，才能得到相對科學的計劃生產(chǎn)量。

圖2 約束計劃

3.3 排產(chǎn)變化:多約束的智能排產(chǎn)取代人為粗放判斷［1］

當確定了需要完成的生產(chǎn)計劃量后，接下來，對于生產(chǎn)組織者來講，就要考慮如何生產(chǎn)，才能確保生產(chǎn)成本最低。當初在確定生產(chǎn)計劃量時，已經(jīng)做了初步考慮，此處需要進一步確定，明確排產(chǎn)。

（1）首先排程不是任何時候都需要，在市場供不應求時，只需要滿負荷生產(chǎn)，不存在復雜的排產(chǎn)考慮，只有當生產(chǎn)能力大于需要時，就需要考慮有優(yōu)化的排產(chǎn)模式。

（2）考慮原材料的約束，設備對原料有沒有特定的需要，當一種料不能滿足使用時，如何搭配使用，也能得到相同品質(zhì)的產(chǎn)品，這時就會存在著優(yōu)化配料，目的是平衡資源，降低成本。此時需要了解每種原材料的特性，互補特性，成分含量，綜合考慮其價值。

（3）考慮產(chǎn)線差異，當多條產(chǎn)線完全相同時，再考慮是否有最低負荷的前提下，簡單會采取平均分配的原則，但是當投料和產(chǎn)出出現(xiàn)非線性變化時，也需要進行排程計算。對于有差異的產(chǎn)線，就需要考慮分別在那條產(chǎn)線排多少量劃算，這個劃算，需要綜合考慮物流成本、用料成本、能耗成本、切換成本、設備損耗成本、人工成本等因素。在眾多的約束下完成了排產(chǎn)算法。

圖3 智能排產(chǎn)

2.4 生產(chǎn)調(diào)度變化：系統(tǒng)模型計算的結(jié)果代替人的經(jīng)驗判斷

對于流程企業(yè)來講，基本前端生產(chǎn)都是混合料熱反應的過程，控制溫度、壓力、進料速度等工藝參數(shù)。目前，絕大多數(shù)企業(yè)都依賴有經(jīng)驗的工藝師、技術員的目視、耳聽、嗅覺再結(jié)合相對滯后的化驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題、判斷問題。企業(yè)在這個環(huán)節(jié)迫切的需要智能算法、在線監(jiān)測、智能模型去替代人的主觀判斷，去減弱對工藝師的依賴。智能算法結(jié)果是要精準的指導投料、指導參數(shù)調(diào)整，確定反應終點，達到優(yōu)化調(diào)度的目的。

（1）建立智能模型的前提是要有數(shù)據(jù)，并且要求影響目標結(jié)果的工藝數(shù)據(jù)要盡可能的齊全；

（2）其次要進行機理研究和數(shù)據(jù)挖掘分析，按照企業(yè)提供的多年大數(shù)據(jù)，建立經(jīng)驗型的理性知識、尋找規(guī)律，得到一個算法模型，最后根據(jù)當前的數(shù)據(jù)以及模型，推算今后可能發(fā)生的改變與轉(zhuǎn)變；

（3）除了依賴模型，我們也可以初步提供一些相關性數(shù)據(jù)，通過散點圖、折線圖、直方圖等友好的展現(xiàn)給調(diào)度人員并輔助其做出判斷。

智能化是一個逐步實現(xiàn)的過程，先實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息化，再通過工藝和數(shù)據(jù)模型輔助人的判斷，進而實現(xiàn)計算機指揮人，最終實現(xiàn)計算機指揮機器設備并完全實現(xiàn)自動化、智能化。

圖4 數(shù)據(jù)為核心的分析方式

2.5 物流管理變化：智能物流、高效利用資源替代傳統(tǒng)的低效分配

物流管理是優(yōu)化，化資源配置的過程，從倉庫選址、空間分配到存貨分配，從運輸工具到承運人、運輸計劃、運輸路線安排以及運輸環(huán)節(jié)的控制，無不考慮“安全”、“成本”、 “效率”、“效益”。

（1）當工廠條件允許時，企業(yè)會考慮在布局上進行整改，會考慮一些自動軌道傳輸設備（如RGV、立體倉庫等），通過信息系統(tǒng)與設備聯(lián)機控制，這無疑很大程度解決了運輸?shù)男蕟栴}。

（2）不能實現(xiàn)這些自動化改造時，企業(yè)也會想到從信息化協(xié)同層面并結(jié)合AGV小車提高物流效率，下游自動發(fā)送準確的要料信息或者上游自動推送給下游物料指令，然后自動完成車輛優(yōu)化調(diào)度，車輛精準定位，準確的識別出從A地點運送貨物到B地點，實現(xiàn)物料自動、高效配送。

智能物流整個環(huán)節(jié)依賴大量的IT信息技術支撐，比如：地圖、衛(wèi)星定位、RFID掃碼貨物識別、視頻等。

2.6 物料追蹤變化：先進的跟蹤技術取代原始的粗放跟蹤方式

對從事產(chǎn)品加工的工業(yè)企業(yè)來講，無論流程還是離散都會把物料跟蹤擺到一定高度去談，跟蹤是為了在后續(xù)產(chǎn)品出現(xiàn)問題時，便于追溯源頭，分析問題，尋找原因。跟蹤也可以實現(xiàn)投料的放錯校驗。

（1）流程行業(yè)，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程往往伴隨著復雜物理化學及界面的反應以及分子結(jié)構的改變，物料跟蹤首先指元素的跟蹤，會做元素平衡計算。當源頭的物料批成分確定后，在漫長的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換過程中，檢測各環(huán)節(jié)各種物料元素成分，判斷是否達到產(chǎn)品質(zhì)量的要求，確保生產(chǎn)的有效性；其次，需要進行量的平衡跟蹤，跟蹤回收率，跟蹤中間物料的庫存，跟蹤每一次移動過程中的量差，以此判斷生產(chǎn)異常、跑冒滴漏、上下游能力的匹配等。

（2）離散行業(yè)，重點實現(xiàn)組裝環(huán)節(jié)零部件的跟蹤，對零部件進行信息標識，需要校驗每個零件的型號是否正確可用，相對簡單可行。如果再去追溯零部件的原材料，又類似流程行業(yè)，中間生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，伴隨物理化學反應，很多時候只是進行粗略的批量跟蹤即可，大致掌握原材料和產(chǎn)品的對應關系，以便產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，可以回溯原料批次質(zhì)量。

物料追蹤時，目前基本是采用了條碼、芯片記載信息，通過讀取設備，實現(xiàn)防錯、校驗的目的，這些條碼視不同的場景需要，對材質(zhì)和粘貼方式都有特殊的要求。

2.7 數(shù)據(jù)分析變化：大數(shù)據(jù)分析取代傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析

智能制造，離不開數(shù)據(jù)的支撐，要想實現(xiàn)智能化，數(shù)據(jù)是基礎，模型是核心。為了實現(xiàn)智能化，企業(yè)首先考慮的是增設自動化設備、傳感設備、計量設備和視頻設備等，將設備的一些信息參數(shù)數(shù)字化，通過標準的OPC接口實現(xiàn)和下位機的連接通信以及和其他軟件的接口，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)和視頻設備的采集。

數(shù)據(jù)采集接口實現(xiàn)后要進行數(shù)據(jù)處理，要根據(jù)數(shù)據(jù)處理的時間、頻率、處理方式不同進行分批、分類處理，處理包括了采集、計算、存儲、清洗等過程，大量的數(shù)據(jù)處理要考慮性能、效率等問題，確保數(shù)據(jù)計算準確、高效。

處理完成的數(shù)據(jù)為分析決策、數(shù)據(jù)模型提供依據(jù)，當然在使用時要進行分級分組織的數(shù)據(jù)授權。

2.8 指揮調(diào)度變化：大屏調(diào)度中心取代傳統(tǒng)電話溝通

流程行業(yè)大部分依賴DCS可以實現(xiàn)遠程控制，企業(yè)也基本都建有調(diào)度指揮中心。在智能制造的浪潮下，項目建設首先從升級調(diào)度中心開始，調(diào)度中心不再是簡單的視頻監(jiān)控、電話調(diào)度中心，大屏的元素變得更加豐富起來。通過信息化在生產(chǎn)過程的全面應用，大屏里實時刷新著最新的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)、產(chǎn)量、處理量、安環(huán)、能源、設備、質(zhì)量、人員等方方面面的信息，甚至一部分生產(chǎn)的自動指令，也從這里發(fā)送出來。大屏調(diào)度中心是名符其實的智慧心臟［5］，也是企業(yè)智能制造宣傳的窗口［6］。

而離散行業(yè)，受制于條件、技術成熟度大部分設備都無法實現(xiàn)集中控制，多數(shù)PLC在現(xiàn)場進行人工操作，對調(diào)度大屏實際需求相對弱化。今后，隨著數(shù)控機床的不斷改造，集中化的控制和調(diào)度，也會成為重要訴求。

圖5 調(diào)度指揮中心大屏