成熟度模型在梁廠智能制造能力評估中的應用研究

摘 要：為客觀評估預制梁廠制造能力，引導預制梁廠科學規劃智能化發展，該文基于成熟度模型構建預制梁廠智能制造能力評估指標體系和評分體系，并依托實體項目展開評估應用。研究表明，預制梁廠智能制造能力評估模型可以幫助梁廠管理人員和技術服務人員找出梁廠智能化改造出現的問題，從而針對性地提出建議措施。該研究對提升公路工程數字化建設化水平具有重要意義。

關鍵詞：成熟度模型；預制梁廠；智能制造；能力評估；公路工程數字化建設

中圖分類號：U445.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0177-04

Abstract： In order to objectively evaluate the manufacturing capacity of the precast beam factory and guide the scientific planning and intelligent development of the precast beam factory， this paper constructs the evaluation index system and scoring system of the intelligent manufacturing capacity of the precast beam factory based on the maturity model， and relies on the entity project to carry out the evaluation and application. The research shows that the intelligent manufacturing capability evaluation model of the precast beam factory can help the beam factory managers and technical service personnel to find out the problems in the intelligent transformation of the beam factory， and thus put forward some suggestions and measures. This study is of great significance to improve the level of digital construction of highway engineering.

Keywords： maturity model; precast beam factory; intelligent manufacturing; capacity assessment; digital construction of highway engineering

預制梁廠是生產裝配式橋梁構件的工廠型基地，其任務是為項目施工提供優質的橋梁預制構件。隨著數字化交通建設理念的全面推進，預制梁廠也經歷了數字化轉型，通過融合BIM、物聯網、數字孿生等技術實現機械化、自動化。在此過程中，進行預制梁廠制造能力評估對梁廠未來發展規劃意義重大。一方面，通過對梁廠制造能力的自評，可以全面了解梁廠在技術應用、設備設施、生產流程等方面的優勢和短板，對短板及時填補，對優勢不斷精進，促進梁廠健康發展；另一方面，通過梁廠間制造能力的互評，相互學習，促進行業共同進步。

近年來，多行業采用成熟度模型進行制造能力的評估工作。2015年，德國工業發展已進入工業4.0時代，為了解企業生產能力的情況，評價工業4.0所實現的生產能力，構建了一個評價企業生產能力的指標體系，并將該體系定義為4.0就緒度模型[1]。國內發展緊隨其后，在2020年我國發布了GB/T 39116—2020《智能制造能力成熟度模型》標準，為企業提供智能制造評估指導方案[2]。

目前已有學者應用智能制造能力成熟度模型對不同行業的制造能力進行評估研究。任嵬等[3]將成熟度模型與石化行業的具體業務相結合，并結合智能制造參考架構和智能工廠建設實踐經驗，提出我國石化行業首個智能制造能力成熟度模型。蘇青福等[4]結合汽車行業的特點和已有的成熟度模型，在PTRM產能四要素的基礎上，加入了文化、供應鏈、物流3個指標要素，形成新的模型用于評估汽車行業生產能力的成熟度。許志堅等[5]基于沉香大橋項目，采用數據管理能力成熟度評估模型（DCMM）開展了橋梁建造數字管理能力成熟度評價研究。

綜上，部分行業已經開展了基于成熟度模型的智能制造能力評估研究，并取得良好成效，但缺乏對預制梁廠智能制造能力的評估研究，成熟度模型在公路工程領域的應用范圍甚微。因此，為客觀評估預制梁廠制造能力提供有力抓手，引導預制梁廠科學規劃數字化轉型，本文通過構建成熟度模型，并開展預制梁廠智能制造能力評估研究。本研究對提升公路工程數字化建設化水平具有重要意義。

1 智能制造能力成熟度模型構建研究

1.1 成熟度模型基本構成

基于研究文獻[6]和預制梁廠生產要素，本文采用的成熟度模型由評估指標體系、成熟度要求、成熟度等級構成。評估指標體系分為目標層（O）、準則層（A）、指標層（B）；成熟度要求評估指標達到成熟度等級需滿足的要求。根據評估指標滿足要求情況，將成熟度等級分為規劃級、規范級、集成級和優化級4個等級，如圖1所示。

規劃級（一級）要求梁廠開始對實施智能制造的基礎和條件進行規劃，能夠對預制構件關鍵生產環節和技術形成具體實施方案。規范級（二級）要求梁廠采用自動化技術手段對設備和預制構件關鍵生產環節等進行改造和規范，實現單個生產環節的數據共享或監控。集成級（三級）要求梁廠在對預制構件關鍵生產環節改造的基礎上，對設備、信息、平臺等要素開展系統集成，實現跨業務活動間的數據平臺共享與監控。優化級（四級）要求梁廠對人員、設備、流程等環節進行數據挖取和深度學習，形成預測模型，實現關鍵環節精準預測和輔助決策優化。

1.2 評估指標體系構建

本文采用層次分析法及專家調查法進行評估指標體系的構建。在參考相關標準指南[7-9]，同時基于對預制梁廠的實地調研結果進行評估指標的選取。在評估指標選取完成后，需要確定各級評估指標的權重值。選定參與梁廠建設的管理人員和技術服務人員30位，采用專家調查法確定評估指標權重值[10-11]。預制梁廠智能制造能力評估指標體系見表1。

1.3 成熟度等級評分體系構建

1.3.1 評估指標成熟度要求

基于梁廠實際生產管理特征，參考相關文獻[12-13]，確定了如下評估指標成熟度要求（表2—表4）。

1.3.2 打分準則與方法

在評分過程中，評估人員應將評估對象的各項評估指標與成熟度要求進行對照，按照滿足程度進行打分，打分準則見表5。例如，當某項評估指標全部滿足一級成熟度要求時，得1分；若大部分滿足得0.8分，以此類推。然后對照該評估指標的二級成熟度要求進行打分，直至完成所有等級的打分才算該項評估指標結束打分。

1.3.3 成熟度等級評分計算

二級指標得分按式（1）計算，一級指標得分按式（2）計算，預制梁廠成熟度得分按式（3）計算。

SB=Xi， （1）

SA=∑（SB×），（2）

S=∑（SA×），（3）

式中：SB為二級指標得分；n為打分計數；Xi為二級指標成熟度要求得分；SA為一級評估指標得分；？茁為二級指標權重值；S為成熟度得分；？琢為一級指標權重值。

1.3.4 成熟度等級判定方法

當評估對象在某一等級下的成熟度得分超過評分區間的最低分時視為滿足該等級要求，反之，則視為不滿足。成熟度總分為各等級評分結果的累計求和，評分結果與能力成熟度對應關系見表6。

2 預制梁廠智能制造能力評估實例分析

2.1 預制梁廠概況

本文基于蘇州605省道同里至黎里段改擴建工程項目（以下簡稱“605項目”）建造的預制梁廠進行智能制造能力評估研究。605項目預制梁廠以“一個平臺、一個中心、N個應用”為原則進行規劃建設。其中“一個平臺”指梁廠綜合管理平臺；“一個中心”指以物聯網技術搭載智能傳感技術作為平臺支撐建立的數據監控中心；“N個應用”指梁廠涉及的核心業務模塊，如圖2所示。

2.2 智能制造能力成熟度評估

依據預制梁廠智能制造能力評估指標體系，參照各指標的成熟度要求，選取預制梁廠管理人員和技術服務人員共30位對梁廠智能制造能力進行打分計算，結果見表7。

由表7可知，605項目預制梁廠智能制造能力成熟度評分為2.98分，超過集成級最低要求0.48分，距離達成優化級還需要0.52分。這說明按照集成級預制梁廠的要求，605項目梁廠的智能制造能力在中等水平。

2.3 結果分析及建議

為了便于分析預制梁廠各層級指標的智能制造能力評分結果，梳理梁廠智能化升級工作重點，繪制智能制造能力分析雷達圖，如圖3所示。圖3（a）是準則層評估指標的成熟度評分雷達圖，圖3（b）、（c）和（d）是指標層的成熟度評分雷達圖。

觀察圖3（a）可以發現，生產與管理、人力與資源、技術與網絡3個一級指標均達到了集成級，但生產與管理、技術與網絡得分較低。這說明梁廠智能化升級的工作重點應放在生產與管理、技術與網絡2方面。觀察圖3（b）可以發現除訂單排產外，其余2個指標均接近優化級，說明生產與管理智能化改造升級的工作重點應放在訂單排產方面；觀察圖3（c）可以發現，數據分析剛剛滿足集成級要求，網絡互聯的成熟度等級未達到集成級要求，仍為規范級。這說明技術與網絡智能化升級的工作重點應放在網絡互聯和數據分析2個方面。

基于上述梳理出來的梁廠智能化改造工作重點，提出對應的建議措施。

訂單排產智能化升級：目前605項目梁廠訂單排產已經實現通過系統平臺，線上進行任務訂單手動排產，同時具備任務下發消息通知功能。建議在梁廠訂單排產可根據任務訂單中構件數量、類型、交付日期、物料需求及生產線產能等約束條件，采用算法模型實現自動排產，同時支持人工調整。

數據分析智能化升級：目前605項目梁廠生產過程中部分流程數據尚未實現自動采集，并且對采集到的數據只能進行簡單的統計展示，分析不夠深入，結果不夠直觀。建議梁廠繼續優化流程工序自動流轉和關鍵數據自動采集；建立生產工序數據庫，利用算法模型對數據庫進行學習，實現基于數據庫的生產狀態和進度預測。

網絡互聯智能化升級：目前605項目在網絡安全方面尚未形成工業級控制網絡，也沒有實現網絡遠程配置功能。建議梁廠全面建立工業化控制網絡，實現梁廠網絡的遠程配置和安全防護。

3 結束語

本文基于成熟度模型構建了預制梁廠智能制造能力評估指標體系，并基于蘇州605省道同里至黎里段改擴建工程項目預制梁廠展開評估應用研究。通過評估過程和評估結果分析發現，預制梁廠智能制造能力評估模型可以幫助梁廠管理人員和技術服務人員找出梁廠智能化改造出現的問題，從而有針對性地提出優化方案。本文成果可為客觀科學地評估梁廠智能制造能力提供借鑒與參考價值。

參考文獻：

[1] 黃少華.工業機器人企業智能制造能力成熟度評價及提升策略研究[D].北京：北京建筑大學，2023.

[2] 高亮，吉敏，楊敬輝.智能制造能力成熟度模型研究[J].上海第二工業大學學報，2022，39（1）：71-78.

[3] 任嵬，索寒生，招庚，等.石化行業智能工廠能力成熟度模型研究[J].計算機與應用化學，2019，36（3）：247-254.

[4] 蘇青福，劉雙虎，董方岐，等.汽車行業智能制造能力成熟度評估指標研究[J].信息技術與標準化，2021（Z1）：37-43.

[5] 許志堅，楊波，鄧玉輝.橋梁精益建造的數字管理能力成熟度評價研究[J].土木建筑工程信息技術，2023，15（5）：106-111.

[6] 工業和信息化部，中國電子技術標準化研究院.智能制造能力成熟度模型：GB/T 39116—2020[S].2020.

[7] 江蘇省交通運輸廳，江蘇省交通運輸廳公路事業發展中心.普通國省干線公路智慧工地建設技術要求：DB 32/T 3972—2021[S].2021.

[8] 江西省交通運輸廳，江西省高速公路投資集團有限責任公司. 高速公路工程施工質量監管信息化技術規范：DB 36/T 1159—2019[S].2019.

[9] 工業和信息化部，中國信息通信研究院.信息安全技術物聯網感知終端應用安全技術要求：GB/T 36951—2018[S].2018.

[10] 陳璐，史秀志，陳沅江.基于成熟度模型的金屬非金屬礦山安全標準化體系評估研究[J].安全與環境學報，2013，13（1）：224-228.

[11] 王華亮.工程造價管理成熟度模型構建及評價分析[J].居業，2021（7）：138-139.

[12] 工業和信息化部，中國電子技術標準化研究院.智能制造能力成熟度評估方法：GB/T 39117—2020[S].北京，2020.

[13] 任俊飛，吳立輝，魚鵬飛，等.機械制造企業智能制造能力成熟度評價研究[J].科技創新與應用，2020，10（2）：55-56.