智能制造系統架構設計與發展路徑研究

柴春蕾，曹 梅

（中國航天科工集團第六研究院，西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

1 引言

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理和服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行和自適應等功能的新型生產方式，智能制造包含兩層含義：第一是智能，包含5G、云計算、大數據、物聯網和人工智能等新一代信息技術與先進制造技術；第二是制造，包含制造業研發、設計、供應鏈、生產、銷售和服務等全產業鏈各個環節和人、機、料、法、環和制造過程各個生產要素，以及基于產業鏈協同打造的綠色制造，跟傳統制造相比，智能制造具有如下發展趨勢。

1）強化頂層設計，將新技術加速深化應用確保智能升級。合理的統籌規劃與科學的頂層設計是智能制造建設和應用以及順利實施、有效運行的前提。首先，通過科學的統籌、有效的設計，明確建設方向，確定制造企業智能升級的總體框架和推進策略，準確規劃建設任務和建設的范圍，并通過層層分解降低建設的復雜性；其次，通過規范引導、標準先行，把握建設重點，避免重復建設。將越來越多的新技術應用到制造業中，包括智能終端、物聯網與智能邊緣計算、混合云及云網融合平臺和人工智能等與制造業深度融合，將靈活地為企業打造“透明化生產、數字化車間、智能化工廠”，降低人力成本，提高產品質量，提升生產整體協作效率，提供堅實的技術和基礎設施支撐制造企業高質量發展。

2）從“人、機、料、法、環”的生產環節要素到“研、產、供、銷、服”的制造型企業全價值鏈的優化。對企業來說，將制造過程中各種信息進行準確采集和有效集成，及時準確掌握制造過程中的動態信息，從而為提高生產效率和制造資源利用率提供支持。然而，就企業整個產品生命周期而言，僅重視生產環節數據已經不能夠滿足企業業務優化的需要。例如：要實現產品的服務化轉型，必須通過跟蹤和采集產品售后使用數據，不僅可以幫助設計者找出產品存在的短板加以改進，并且能夠幫助企業為客戶提供更多產品增值服務，實現從賣產品到賣服務的轉變。這其中涉及的不僅包括生產端的數據，還包括產品銷售、使用和服務等一系列數據。因此基于數據的業務分析和優化必須延伸到產品研發、生產、供應、銷售和服務全價值鏈，只有實現生產制造要素和全生命周期鏈數據的結合，才能實現制造型企業整個價值鏈的優化。

3）將各個企業“孤立建設”到智能制造生態圈協同發展。智能制造的實現是一個逐級推進的復雜工程，涉及企業執行裝備層、控制層、管理層和企業層等企業智能制造系統架構的縱向集成，也涉及本企業研發、生產、供應、銷售和服務等產品全價值鏈的橫向集成，還需要進一步推動企業上下游之間、行業之間和政府分類施策等的更大范圍協同，形成健康和諧的“政、產、學、研、用”聯動的創新體系，構建自動循環發展的智能制造生態圈。

2 智能制造系統架構設計

企業主要面臨工藝優化、智能控制、生產調度、物料平衡、設備運維、質量檢驗、能源管理和安全環保等核心問題，通過基礎數字化、網絡化互聯和智能化應用路徑實施，基于企業短期需求、中期和長期規劃，還要考慮行業的自動化、信息化和數字化等技術基礎條件基礎上進行智能制造頂層設計，使智能制造系統架構不僅具備重構行業整體價值鏈、重構業務流程和商業模式，而且還應具有面向未來持續迭代創新能力。該智能制造系統架構由“五橫三縱”組成，包括智能交互、智慧連接、智能中樞、使能中臺、智能應用以及標準化體系建設、工業知識管理和安全技術體系保障，如圖1所示。

圖1 智能制造系統架構

底層是智能交互層，包括儀器儀表、傳感檢測、視頻監控、AGV工業機器人和VR/AR等各種形態端。第二層是智能連接層，包括工控網、5G、互聯網+和工業物聯網技術深度融合。第三層是智能中樞層，包括云平臺、協同辦公應用。第四層是使能中臺層，包括業務中臺、組織中臺和AI與數據的技術中臺。第五層是前臺端，包括生產管控一體化、知識管理、設備管理、能耗管理、質量管理、物流管理、服務管理和安全環保等智能應用服務，它是制造業全場景、全要素和全價值鏈的集成，也是每一個制造企業在研發設計、生產信息流、生產工藝流、工程數據流、銷售、物流和服務環節轉型升級的通用技術參考架構。

3 企業智能制造實施路徑推進

企業實施智能制造是一個長期的系統工程，不僅在制造環節、人員、技術和資源方面提升建設能力，而且需要與上下游產業鏈緊密協同融合發展。

（1）加大數字化改造和智能裝備應用集成

在生產工序或加工設備層面對設備單元進行數字化改造或配置機器人、數控加工設備等智能設備，實現局部生產環節的自動化、數字化提升，以便解決生產過程中的瓶頸裝備和工序問題。完善工業互聯網及信息安全建設，運用信息技術改造落后的生產設備，大力開展人工轉機械、機械轉自動、單臺轉成套及數字轉智能行動，實現數據交互與協同，打通生產數據鏈，形成生產過程的數字化管控。

（2）開發智能產品和裝備應用推廣

智能產品是智能制造和服務的價值載體，智能制造裝備是智能制造的技術前提和物質基礎，智能產品和裝備是智能制造系統的主體，也是企業智能制造發展的重要內容。通過開發智能化的產品和裝備，在生產工序、車間和工廠層面，為企業奠定由數據到分析處理再到數據驅動決策的數字化能力基礎。

（3）建設數字化車間

以智能化創新轉型為目標，提升企業智能化水平，以發展壯大制造業為主線，通過運用物聯網、大數據和云計算等智能制造關鍵技術，開展企業數字化車間、智能工程的試點示范。大力推動制造業從生產方式到管控模式的變革，通過優化工藝流程、降低生產成本、提升勞動效率和生產效益的方式，促進企業從生產型組織向服務型組織的轉變。利用數字孿生技術對數字化車間模型進行模擬仿真、優化，并反饋到實體車間，實現車間各個環節活動，具有自感知、自學習、自決策、自執行和自適應等功能。

（4）推進建設智能工廠

按照智能工廠建設規程和標準，以新型信息技術產業為引領，以新型智能基礎設施為關鍵支撐，通過自動化、信息化技術來實現精益工廠建設和完成工廠大數據系統建設與發展，提高銷售與市場管理水平，提高環境、安全和健康管理水平，提高產品研發水平，提高整個工廠的生產水平，提高內外物流管理水平，提高售后服務管理水平，提高能源（電、水、氣）利用水平，從客戶開始到自身工廠和上下游供應鏈中以智能科技創新為第一引擎，推進人工智能、大數據、區塊鏈和VR/AR等示范應用場景建設，實現5G、先進智能技術廣泛應用，推進AI深度賦能以及數據全面驅動，推進智能工廠建設。

（5）開創新興業態新模式

圍繞產品全生命周期向產業鏈上下游延伸，建設網絡協同云平臺，推動產業鏈上不同企業通過互聯網共享信息，實現基于用戶個性化定制服務、產品全生命周期運維和協同設計研發、生產制造的網絡協同制造的新興業態，開創企業制造新模式，提升企業效益和服務價值最大化。

4 結束語

智能制造是制造型企業轉型升級、提質增效的必由之路，在企業推進實施智能制造的過程中，需要加強頂層設計、系統架構融合，完善組織保障，建設跨部門創新團隊，將5G、云計算、大數據、AI和機器視覺等智能數字技術在制造企業全域、全流程深度融合，但受限于5G與工業互聯網融合創新仍處于初期，產業基礎有待進一步夯實，路徑模式有待進一步探索，發展環境有待于進一步完善。因此，需要企業從戰略高度進行頂層系統架構設計，依托智能制造系統架構平臺，融合5G、工業互聯網和工業軟件應用等使能技術賦能企業智能制造產業發展和加速智能化應用落地，助力傳統制造企業向數字化、網絡化和智能化高質量發展轉變。