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什么是智慧工廠？

當(dāng)前，智能制造熱度高企，石化、鋼鐵、機(jī)械裝備制造、汽車制造、航空航天、飛機(jī)制造等行業(yè)紛紛開始探索建設(shè)智慧工廠?！吨袊?guó)制造2025》明確提出要推進(jìn)制造過程智能化，在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智慧工廠/數(shù)字車間，這必將加速智慧工廠在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。隨著機(jī)器人使用的不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)未來3-5年，全國(guó)將涌現(xiàn)出一批智慧工廠。

智慧工廠的內(nèi)涵及建設(shè)重點(diǎn)

智慧工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要載體，主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。企業(yè)基于CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的智慧工廠原型，主要包括物理層、信息層、大數(shù)據(jù)層、工業(yè)云層、決策層。其中，物理層包含工廠內(nèi)不同層級(jí)的硬件設(shè)備，從最小的嵌入設(shè)備和基礎(chǔ)元器件開始，到感知設(shè)備、制造設(shè)備、制造單元和生產(chǎn)線，相互間均實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個(gè)“可測(cè)可控、可產(chǎn)可管”的縱向集成環(huán)境。

信息層涵蓋企業(yè)經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)，包含研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、營(yíng)銷服務(wù)、物流配送等各類經(jīng)營(yíng)管理活動(dòng)，以及由此產(chǎn)生的眾創(chuàng)、個(gè)性化定制、電子商務(wù)、可視追蹤等相關(guān)業(yè)務(wù)。在此基礎(chǔ)上，形成了企業(yè)內(nèi)部?jī)r(jià)值鏈的橫向集成環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的流通和交換?？v向集成和橫向集成均以CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品、設(shè)備、制造單元、生產(chǎn)線、車間、工廠等制造系統(tǒng)的互聯(lián)互通，及其與企業(yè)不同環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)的集成統(tǒng)一，則是通過數(shù)據(jù)應(yīng)用和工業(yè)云服務(wù)實(shí)現(xiàn)，并在決策層基于產(chǎn)品、服務(wù)、設(shè)備管理支撐企業(yè)最高決策。這些共同構(gòu)建了一個(gè)智慧工廠完整的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)體系，為用戶提供端到端的解決方案。

由于產(chǎn)品制造工藝過程的明顯差異，離散制造業(yè)和流程制造業(yè)在智慧工廠建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容有所不同。對(duì)于離散制造業(yè)而言，產(chǎn)品往往由多個(gè)零部件經(jīng)過一系列不連續(xù)的工序裝配而成，其過程包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離散型制造生產(chǎn)組織的難度和配套復(fù)雜性。企業(yè)常常按照主要的工藝流程安排生產(chǎn)設(shè)備的位置，以使物料的傳輸距離最小。面向訂單的離散型制造企業(yè)具有多品種、小批量的特點(diǎn)，其工藝路線和設(shè)備的使用較靈活，因此，離散制造型企業(yè)更加重視生產(chǎn)的柔性，其智慧工廠建設(shè)的重點(diǎn)是智能制造生產(chǎn)線。

流程型制造業(yè)的特點(diǎn)是管道式物料輸送，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，流程比較規(guī)范，工藝柔性比較小，產(chǎn)品比較單一，原料比較穩(wěn)定。對(duì)于流程制造業(yè)而言，由于原材料在整個(gè)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中進(jìn)行的是物理化學(xué)過程，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，而工序的連續(xù)性使得上一個(gè)工序?qū)ο乱粋€(gè)工序的影響具有傳導(dǎo)作用，即如果第一道工序的原料不可用，就會(huì)影響第二道工序。因此，流程型制造業(yè)智慧工廠建設(shè)的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的智能優(yōu)化和生產(chǎn)全流程的智能優(yōu)化，即智能感知生產(chǎn)條件變化，自主決策系統(tǒng)控制指令，自動(dòng)控制設(shè)備，在出現(xiàn)異常工況時(shí)，即時(shí)預(yù)測(cè)和進(jìn)行自愈控制，排除異常、實(shí)現(xiàn)安全優(yōu)化運(yùn)行；在此基礎(chǔ)上，智能感知物流、能源流和信息流的狀況，自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)決策。

智慧工廠發(fā)展重點(diǎn)環(huán)節(jié)

隨著未來智慧工廠發(fā)展浪潮的逼近。未來，將有幾個(gè)行業(yè)或者領(lǐng)域迎來發(fā)展高潮。

首先是虛擬仿真設(shè)計(jì)。隨著三維數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)為主的模擬設(shè)計(jì)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谌S建模和仿真的虛擬設(shè)計(jì)模式，使未來的智慧工廠能夠通過三維數(shù)字建模、工藝虛擬仿真、三維可視化工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，避免傳統(tǒng)的“三維設(shè)計(jì)模型→二維紙質(zhì)圖紙→三維工藝模型”研制過程中信息傳遞鏈條的斷裂，摒棄二維、三維之間轉(zhuǎn)換，提高產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)效率，保證產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，原有的對(duì)工件幾何參數(shù)及干涉進(jìn)行校驗(yàn)的幾何仿真逐漸轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品加工、裝配、拆卸、切削和成型過程的物理仿真，使未來的智慧工廠實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜虛擬環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行生產(chǎn)效果進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證，以達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最低化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率的最高化，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。、

未來我國(guó)應(yīng)著重突破MBD技術(shù)、物理仿真引擎系統(tǒng)架構(gòu)、仿真模型三個(gè)環(huán)節(jié)。

其次是網(wǎng)絡(luò)化智能設(shè)備。生產(chǎn)設(shè)備的智能化程度將在網(wǎng)絡(luò)化條件下得到快速提升，傳統(tǒng)制造模式出現(xiàn)顛覆性的變革，具體表現(xiàn)高度密集的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備智能化和柔性化制造方式這三個(gè)方面。

隨著技術(shù)的進(jìn)步以及人工成本的逐漸上升，未來工廠內(nèi)所有工作逐漸由系統(tǒng)控制的核心生產(chǎn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，工作人員不直接參與生產(chǎn)第一線工作，只是從事一些新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)工藝改進(jìn)、新機(jī)器設(shè)備發(fā)明創(chuàng)新等高質(zhì)量復(fù)雜勞動(dòng)。高度密集的生產(chǎn)設(shè)備將使未來智慧工廠的生產(chǎn)成本逐漸降低，產(chǎn)品質(zhì)量將得到大幅提升。

在生產(chǎn)設(shè)備智能化方面，生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)助力未來工廠日益智能化。生產(chǎn)設(shè)備依托安全的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能校正、智能診斷、智能控制、智能管理等功能和生產(chǎn)設(shè)備之間的智能化信息交換，協(xié)同性和開放性明顯提升。智能化生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用，使未來智慧工廠生產(chǎn)過程更加靈活、高效并具有可持續(xù)發(fā)展性。

在柔性化制造方式方面，增材制造方式促進(jìn)智慧工廠日漸綠色化和柔性化。傳統(tǒng)的材料去除加工方法將逐漸被低耗能、低污染甚至無(wú)污染的增材制造方式所取代，這種制造方式尤其適合動(dòng)力設(shè)備、航空航天、汽車等高端產(chǎn)品上的關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)。

再次是模塊化定制生產(chǎn)。多批次、小產(chǎn)量的生產(chǎn)盈利能力在模塊化生產(chǎn)方式下逐漸得到提升，產(chǎn)品日益滿足消費(fèi)者個(gè)性化需求，具體表現(xiàn)在模塊生產(chǎn)和模塊組裝這兩個(gè)方面。

在模塊生產(chǎn)方面，生產(chǎn)可自由組合的模塊助力智慧工廠日益集約化。傳統(tǒng)的固定生產(chǎn)線將無(wú)法滿足客戶定制化需求而逐漸消失，可動(dòng)態(tài)組合的模塊化生產(chǎn)方式將成為主流。在模塊化生產(chǎn)方式下，產(chǎn)品被分解成無(wú)數(shù)個(gè)具有不同用途或性能的模塊。每個(gè)模塊將通過制造執(zhí)行系統(tǒng)被生產(chǎn)出來，杜絕未來智慧工廠的浪費(fèi)環(huán)節(jié)，保證質(zhì)量、優(yōu)化成本、縮短周期。

在模塊組裝方面，標(biāo)準(zhǔn)化、通用化模塊之間的組合提升智慧工廠定制化生產(chǎn)盈利能力。根據(jù)產(chǎn)品的性能、結(jié)構(gòu)選擇滿足需求的模塊，通過模塊結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，將選取出的各模塊自由組裝出滿足客戶個(gè)性化需求的產(chǎn)品，使未來智慧工廠產(chǎn)品的品種更豐富、功能更齊全、性能更穩(wěn)定。

大數(shù)據(jù)化精益管理。產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和管理方式通過工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘和分析逐漸得到創(chuàng)新，工廠管理日趨精益化。具體表現(xiàn)在客戶價(jià)值管理、精益生產(chǎn)和精益供應(yīng)鏈這三個(gè)方面。

在客戶價(jià)值管理方面，基于大數(shù)據(jù)的客戶價(jià)值提升趨勢(shì)明顯。隨著移動(dòng)互聯(lián)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)逐漸滲透到產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，大數(shù)據(jù)配套軟硬件的日益完善，安全性和標(biāo)準(zhǔn)化程度的逐步提升，通過對(duì)客戶與工業(yè)企業(yè)之間的交互和交易行為方面大數(shù)據(jù)的分析，產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出眾包化發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)產(chǎn)品售后服務(wù)得到不斷改進(jìn)和完善。

在精益生產(chǎn)方面，基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)制造日益精益化。制造企業(yè)通過實(shí)時(shí)收集生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備診斷、用電量、能耗、質(zhì)量事故等方面進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的錯(cuò)誤與瓶頸并進(jìn)行優(yōu)化。通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，未來智慧工廠實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的精益化，提升生產(chǎn)過程的透明度、綠色性、安全性和產(chǎn)品的質(zhì)量。

在精益供應(yīng)鏈方面，基于大數(shù)據(jù)的供應(yīng)鏈優(yōu)化趨勢(shì)顯著。隨著大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件的日益成熟，制造企業(yè)能夠獲得完整的產(chǎn)品供應(yīng)鏈方面的大數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些大數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測(cè)零配件價(jià)格走勢(shì)、庫(kù)存等情況，克服傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中缺乏協(xié)調(diào)和信息共享等問題，避免牛鞭效應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的優(yōu)化。基于大數(shù)據(jù)的精益供應(yīng)鏈管理消減了智慧工廠整個(gè)供應(yīng)鏈條中成本和浪費(fèi)情況，提升了倉(cāng)儲(chǔ)和配送效率，實(shí)現(xiàn)了無(wú)庫(kù)存或庫(kù)存達(dá)到極小。

最后是柔性化新型人機(jī)交互。人與機(jī)器的信息交換方式隨著技術(shù)融合步伐的加快向更高層次邁進(jìn)，新型人機(jī)交互方式被逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域。具體表現(xiàn)在智能交互設(shè)備柔性化和智能交互設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用這兩個(gè)方面。

在智能交互設(shè)備柔性化方面，技術(shù)和硬件的不斷更新有利于智能交互設(shè)備日益柔性化優(yōu)勢(shì)的形成。隨著移動(dòng)互聯(lián)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人機(jī)交互和識(shí)別技術(shù)等核心技術(shù)的發(fā)展，交互設(shè)備硬件日趨柔性化，智能交互設(shè)備逐漸呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)自由新穎、低功耗、經(jīng)摔耐用、貼近人體等優(yōu)勢(shì)，這就為未來智慧工廠新型人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

在智能交互設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用方面，柔性化智能交互設(shè)備助力智慧工廠新型人機(jī)交互方式的實(shí)現(xiàn)。隨著技術(shù)融合步伐的加快，柔性化智能交互設(shè)備從個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域被逐漸引入到制造業(yè)，作為生產(chǎn)線裝配及特殊環(huán)節(jié)工作人員的技術(shù)輔助工具，使工作人員與周邊的智能設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)音、體感等新型交互。智能交互設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，提升了未來智慧工廠的透明度和靈活性。