裝備制造業智能工廠標準體系構建研究

摘要：標準體系構建是實現智能制造及建設智能工廠的重要技術基礎。本文依據裝備制造業智能工廠狹義概念范圍，提出構建智能工廠系統架構、構建標準體系框架、制定標準規范的“三步法”標準體系構建方法，并給出了參考的應用實例，對于指導智能工廠建設具有一定借鑒意義。

關鍵詞：智能工廠，三步法，體系架構，標準體系

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.18.004

0引言

裝備制造業不僅是經濟社會發展的支柱性、基礎性產業，也是提升我國綜合國力的基石。標準是產業發展和質量技術基礎的核心要素，對裝備制造業行業管理具有重要作用。加快推進智能制造是實施制造強國戰略的主攻方向。“智能制造，標準先行”。智能工廠作為實現智能制造的重要載體，在其建設過程中，標準同樣起著指導、規范、引領和保障的重要作用。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中明確指出，要深入實施制造強國戰略，建設智能制造示范工廠完善智能制造標準體系。

工業和信息化部、國家標準化管理委員會共同印發了《國家智能制造標準體系建設指南》，緊密貼合智能制造技術和產業發展需求，實施動態更新，先后發布2015年版、2018年版及2021年版指南文件，有力有序指導智能制造標準的制定和實施。指南按照“共性先立、急用先行”的原則，從基礎共性標準、關鍵技術標準（包括智能裝備、智能工廠、智能供應鏈、智能服務、智能賦能技術、工業網絡）、行業應用標準三個角度，逐步建立起了較為完善的智能制造標準體系。

然而，對于具體裝備制造業企業而言，由于生產實際及生產工藝的復雜性和獨立性，指南文件仍過于高階和繁雜，離具體實際業務仍有一定差距。個體企業本身在建設智能工廠時，仍需建立符合自身實際的標準體系，從而指導智能工廠的建設、評價及復制推廣。本文擬參考并基于國家智能制造標準體系，簡化并厘清裝備制造業企業智能工廠建設需制定的主要標準框架及標準明細，有效指導智能工廠建設。

1主要思路

業界及學界對關于“智能工廠”的概念理解，有廣義及狹義兩種概念區分。廣義的概念包含智能設計、智能產品、智能經營、智能服務、智能生產、智能決策等多個方面；狹義的概念則主要聚焦構建智能化生產系統，即實現產品生產過程的智能化。多數裝備制造業企業，在智能工廠建設過程中可分步實施，首先以狹義智能工廠作為建設目標，然后逐步迭代優化。

基于此，本文提出按照“三步法”進行標準體系構建研究。第一步，充分調研目前國內外智能制造標桿企業及“燈塔工廠”建設現狀及發展規劃，確定適合于裝備制造業企業的智能工廠邊界范圍，即聚焦研發設計、工藝、生產協同一體化，實現產品生產過程智能化。同時，通過研究德國工業4.0、美國智能制造生態系統、中國智能制造等各類智能制造應用系統，構建由系統層級、生產設施、產品生命周期三個維度組成的智能工廠體系架構，從而明確智能工廠各對象及其邊界。第二步，在分析標準化需求的基礎上，依據智能工廠體系架構，建立企業級智能工廠標準體系框架。第三步，依據標準體系框架及已發布的智能制造相關國家標準，指導完成智能工廠標準體系建設及企業標準、規范文件等的制定。

2智能工廠體系架構

智能工廠體系架構由系統層級、生產設施、產品生命周期三個維度組成。其中，根據狹義智能工廠基本范圍，在產品生命周期維度中，僅關注產品的設計及生產階段，無需將銷售及服務階段涵蓋在內。具體見圖1。

2.1產品生命周期

生命周期是指從產品原型研發開始到產品回收再制造的各個階段，包括設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯系的價值創造活動。同時，將產品設計階段拆分為研發設計及工藝設計兩部分，將生產過程表述為加工及組裝過程。物流階段的含義為工廠廠內物流，不包含廠外供應商物流及客戶物流階段。

2.2生產設施

生產設施維度關注整個生產設施及其系統的設計、部署、運行和退役。“生產系統”在這里指的是從各種集合的機器、設備和輔助系統組織和資源創建商品和服務，如生產專機，產線、加工系統等。

2.3系統層級

系統層級是指與企業生產活動相關的組織結構的層級劃分，包括設備層、單元層、車間層和企業層。本維度著眼于從數據通信、系統集成的角度，闡釋數據在各層級間的關聯關系。設備層是指企業利用傳感器、儀器儀表、機器、裝置等，實現實際物理流程并感知和操控物理流程的層級，如加工中心、檢驗工裝、工業機器人等，定義其數字化過程中的數據格式、數據通信內容、通信接口等；單元層是指用于工廠內處理信息、實現監測和控制物理流程的層級，如SCADA、DCS、DNC等，定義其數據格式、數據通信內容、通信接口等；車間層是實現面向工廠或車間的生產管理的層級，如MES、QMS、APS、WMS等，定義其數據通信內容、其同上下級關聯關系及約束機制等；企業層是實現面向企業經營管理的層級，如ERP、PLM等。

3標準體系框架

智能工廠標準體系框架是通過對智能工廠體系架構各要素進行豐富并向下映射而成，是形成智能工廠標準體系的基本組成單元，包括基礎標準、生命周期、生產設施、系統層級共四個維度，各維度標準或規范清單見圖2。

（1）基礎標準

基礎標準明確建設智能工廠需遵循的系列通用的技術標準或管理規范。具體內容見表1。

（2）生命周期維度

生命周期維度，從產品的研發、工藝、加工組裝、檢驗、物流五個部分進行標準體系規劃。具體內容見表2。

（3）生產設施維度

該維度從生產運營、生產執行過程中涉及的如生產線、生產專機/單元、工裝等的設計、部署、運行和退役過程進行標準體系規劃，具體內容見表3。

（4）系統層級維度

系統層級是指與企業生產活動相關的組織結構的層級劃分，包括設備層、單元層、車間層和企業層。本維度著服于從數據通信、系統集成的角度，闡釋數據在各層級間的關聯關系。具體內容見表4。

4結語

本文首先參考國內外各類智能制造應用系統，構建了由系統層級、生產設施、產品生命周期三個維度組成的智能工廠系統架構；其次，依據智能工廠系統架構，建立智能工廠標準體系框架；最后，依據標準體系框架，給出了智能工廠標準體系參考的標準清單，從而指導完成智能工廠建設。

本項成果已成功應用于中國煤炭科工集團北京天瑪智控科技股份有限公司“智能開采高端裝備關鍵控制元部件智能工廠建設”項目，并助力企業獲評“北京市智能工廠”稱號，入選國家級智能制造示范工廠揭榜單位名單等多項榮譽。同時，標準體系建設工作應隨著企業業務發展不斷更新、優化，不應僅僅局限于標準的制定與發布，標準的重要作用在于更大范圍的應用實施，這樣才能真正發揮成效，真正促進企業發展。

作者簡介

魏冠偉，碩士，助理研究員，從事智能制造、智能工廠建設相關工作。

（責任編輯：張瑞洋）