面向智能制造對離散型制造業的生產流程優化的研究綜述

陳雅夢

長春理工大學經濟管理學院， 吉林 長春 130000

近年來，《中國制造2025》行動綱領在推進信息化和工業化深度融合這一戰略任務中提出了要實施智能制造工程的要求，提出了開發智能可控的裝備并實現產業化、建設重點領域的智能工廠、數字化車間等重要任務和目標，并做分類實施試點示范和應用推廣。隨著國家對智能制造發展和制造業轉型升級的大力推行，很多離散型制造企業在面對市場對產品個性化、生產周期等需求，以及在生產管理和優化中遇到的限制時，將企業向智能制造進行戰略轉型。在生產流程中引入信息管理系統和技術設備，將人工智能帶入車間及工廠，幫助企業整體順利實現全面的信息化、數字化，在實際運行中呈現出對生產過程中的設備運作、物料及產品狀態的更透明、更精準的把握，幫助作業人員更便捷地察覺和解決生產管理中的問題。

本文根據近些年關于面向智能制造在生產流程優化研究方面的相關文獻，以涉及“生產流程優化”和“智能制造”的所包含層次內容為主題和關鍵詞，通過文獻檢索網站進行文獻查詢，對近幾年文獻進行收集、歸納，總結出該主題研究發展現狀的切入點，并討論目前國內智能制造在離散型制造業的生產流程優化的發展及面臨的挑戰。

1 離散型制造業對智能制造的要求

1.1 離散型制造業的生產流程優化

離散型制造業產品的生產過程的特點不同于流程工業，它的生產批量較少，但品種比較多。各類產品工藝程序是有差別的，生產現場管理復雜，刀具、工裝種類繁多，人工管理工作量大，容易導致多種物料或半成品的供應和堆積的情況，有時現場較易發生不確定事件。此外，離散型制造企業的生產中常伴隨著因下游產業或客戶的需求變化而產生的生產計劃不固定、反饋信息滯后等問題。

生產流程的優化一般都包含生產過程中的產品工藝改進、生產節拍和生產平衡的調整、產品品質與合格率、生產工序能力、產品物流規劃、減少在制品積壓和設備閑置浪費等方面。在傳統優化方式上，不得不提及基礎工業工程和精益生產，工業工程的基本方法有程序分析、動素分析、工序調整等，針對車間生產中的作業過程，觀察并注重其持續改進和標準化；而精益生產是工業工程專業研究中由來已久的管理思想，無論在提高生產率、提升產品質量還是庫存管理等改進方案中，精益思想承擔著關鍵角色，但對于離散型制造業在面對自身復雜的生產情況時，仍存在一些基于技術、設備等客觀條件而難以達到的生產管理能力，例如，因無法精確地、及時地監測和收集生產節拍、瓶頸工序、廢品率、設備運行情況等生產數據，而導致生產計劃的制定和決策分析困難、信息孤島等。而應用智能制造能為精益生產乃至整個生產流程提升提供一定的保證，隨著信息技術和智能技術的升級，簡化在生產管理上的很多麻煩。

1.2 智能制造改善離散型制造業的生產流程

總結前人對智能制造的理解，本文認為智能制造是建立在生產自動化、數字化的基礎上，向柔性化、高度集成化和智能化發展的技術及系統，對制造過程中的信息進行索取和分析，具有自主學習、自主判斷、自主決策能力。 它依靠制造工廠提供對物料、產品、設備等信息的傳遞，對車間情況“快速反應”，解決生產調度、快速換模等問題使生產變得更加柔性化。因此，離散型企業的制造生產過程對智能制造提出的要求在于提升整體生產能力，包括提升生產效率、工序能力、產品品質，使生產制造系統更透明化、柔性化，從而適應市場變化和客戶需求。

2 面向智能制造的生產流程優化

2.1 在生產調度方面

生產的調度和控制一直以來都是離散型制造業在生產管理上的攻克點。生產調度需要以當前的生產進度計劃為依據，從實際出發及時掌握生產進度，準確和快速是基本要求，能應對生產協作中復雜且快速的情況、未實現的程序和意外故障，縮小和恢復與原計劃差距。現代工廠須具備預防和應對多種影響因素的能力，保持整個生產的連續運行。對生產調度的改進，一方面采用集合控制系統與信息化裝備的方式，例如應用MES（制造執行系統）一類的信息管理系統，并結合ERP（企業資源計劃）的生產計劃指導，劉勝輝[1]指出單件小批企業MES 的作業計劃與調度需要從產品設計等模塊，輸入工藝約束、優先級、工作中心能力、設備能力、均衡生產等信息，為物流調度等模塊提供實時數據，實現產品設計、計劃制定和物流調度的全過程的一體化。針對離散型制造業其自身工藝的可間斷性、可替代性等特點及車間復雜的生產和信息環境，潘穎[2]基于多Agent技術建立MES 框架與ERP/MRPII 和底層控制系統的集成，主要解決離散車間柔性作業條件下的靜態和動態調度問題。另一方面，很多研究學者在運用智能運算上為CPS（信息物理系統）、MES 等系統創新了高性能的算法，為相應的生產結構求解最優調度的計算。張儉龍[4]采用Petri 網建模分析指導生產線加工，將可以全局搜索的模擬退火算法和快速收斂的遺傳算法兩者混合。商滔[4]將智能制造單元的布局形式與傳統制造單元融合，通過全自動加工島對中央信息控制器的實時反饋以及產品傳送帶，將目標定為機器人行走能量消耗和加工產品能量消耗，設計了嵌套模擬退火算法(SA)、嵌套粒子群算法(PSO)和嵌套SA-PSO 算法三種求得最優解，得到生產調度的最優化。

2.2 在物流及倉儲方面

生產流程中需要對原材料、半成品、零部件、成品等物料進行配送、倉庫儲存和調用，一方面應減少不增值活動，一方面應保證現場場地上不堆積物料且生產線上不缺料，這是精益生產管理中的必要要求，而智能制造能實現更精準、快速、連續的規劃。在傳感技術、RFI 技術等技術與AGV 等自動化工具的輔助下，智能化集成到物流系統可獲得實時物流的跟蹤及數據網絡化共享。王漢敏[5]通過物料配送系統，對產品裝配過程中的物料實時配送，建立車輛路徑優化模型，并采用遺傳算法對該模型進行求解。陳雷[6]在輔料配盤工作中通過AGV 對輔料補貨、入庫，通過機器人RCS 系統對輔料貨架定位、調度距離合適的機器人去輔料貨架長距離找貨并確定相應配盤工作臺，并利用WMS 維持暫存區輔料庫存平衡。“貨到人”智能配盤模式減少工作人員找貨、搬運和等待的時間，使運行成本在預期內降低52%。

2.3 在設備管控及物聯網方面

《中國制造2025》提出實現智能制造的重要工程之一就是智能制造裝備的研發，因為實現智能制造必須依靠對智能設備的管控。陳志成[7]認為為促進企業工業轉型升級，必須提高設備和工業機械設備的自動化水平，例如為企業研發適合產品工藝流程的DCS 分布式實時控制系統。林景山[8]指出應該著力發展數控機床互聯網技術，包括智能化加工、監控、維修等技術。

在制造過程中對設備的狀態監控和數據管理離不開物聯網（IoT）的支持，物聯網可以實現移動化、平臺化的管理。CPS 是物聯網目前最主要實現方式，是《中國制造2025》的戰略核心，是工業4.0 的實質。CPS 實現生產流與信息流互聯，同時具有物理性和虛擬性，實現離散式控制。王磊、劉強[9]創新了一種CM-CPS 的LAIMS架構輕裝配智能制造系統，這個系統可以將系統軟硬件信息在橫向和縱向同時集成，實現了對全生命周期的智能制造管理。劉建鑫[10]以智能化制造單元管控體系為研究方向，創建了制造單元管按系統（CPS-MCMCS）模型，重在實現物理環境與信息系統交互的無關性。

2.4 在車間作業方面

在生產工序優化上，智能制造進一步體現了它的優越性。 結合精益生產的理念，陳響文[11]在實施MES 的同時結合TOC 對車間作業程序進行優化，通過MES 加強工位的信息化、將現場數據反饋給計劃制定層，結合計算機仿真技術找尋生產流程中的“瓶頸”，在“瓶頸”工序前設置緩沖區域，推拉結合，運用工業工程方法——程序分析、動作要素改進等方法進行優化。這是又一個精益生產與智能制造中信息系統結合優化生產流程的案例。在車間內的產線布置上，陳運軍[12]認為對智能制造的柔性生產線的設計，應以安裝在行走導軌上的機器為基礎，例如同時負責兩臺數控車床、兩臺數控加工中心的上下料工作。生產線中還應配置由回轉上料機構與取料機構組成的自動上料系統和自動換夾具系統，并在取料臺上方安裝視覺系統。當更換加工產品時，機器人只需做出有限調整，就可以很快進行不同產品的加工，體現了較高的柔性特征。

3 結語

通過以上對相關文獻的總結，可以得到以下結論。

（1）具備先進的、科學的生產管理方式是企業應對快速變化的外部和內部環境、提升市場競爭力的重要條件。因此對于離散型制造業來說，面向智能制造的發展成為一種必然趨勢。智能系統和技術提高制造系統反應能力、自主調控和決策能力，面對工廠及車間的復雜的流程情況，能進一步實現有智能化性質的“自動化”工廠，走向高質量的發展。

（2）傳統的工業工程改進流程的方式與智能制造的關系是不可拆分的，從一個生產工序到整個產品生命周期，智能制造的思想基礎是精益思想，它的實現基礎是精益化管理、目標最優化計算、數據信息傳遞。同樣，在今天，精益思想的實現也要通過智能制造提供保證。因此，質量更高的生產流程離不開智能化的支持，也無法脫離精益生產的本質，兩者必須齊驅并進，才能助力企業在生產流程優化上越走越遠。

（3）隨著制造業面向個性化的小批量、多品種的離散型生產模式的發展，智能制造也將隨之實現更多的突破。智能制造的應用范圍也將不斷延伸到各種產業，出現更多不同的功能模塊和范式，系統設計和智能裝備的研究開發也要不斷實現更新迭代，服務于企業生產運營，節約人力物力等資源，提升產品和服務的品質，加快產品生產周期，為企業乃至社會帶來更多的效益。