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智能工厂4.0:数字世界和物理世界的融合

发布时间:2018-02-22
关键字:智能工厂 
自动化与控制发展至今,智能工厂逐渐获得关注,并成为制造企业追求的目标。
    智能工厂——响应度高、适应性强的互联制造
 
    德勒工业4.0、数字化制造企业和数字化供应网络系列报告
 
    目录
 
    ·制造系统的新前沿   2
 
    ·智能工厂的定义       5
 
    ·智能工厂的益处       10
 
    ·建设智能工厂需要考虑的要素    13
 
    ·着手建设智能工厂    15
 
    ·尾注                          17
 
    制造系统的新前沿
 
    智能工厂代表了从传统自动化向完全互联和柔性系统的飞跃。
 
    制造流程的互联互通已非新鲜事物。然而,第四次工业革命(工业4.0)的兴起1以及数字世界和物理世界的融合——包括信息技术和运营技术——正使供应链转型日益成为可能。从线性序列式的供应链运营模式转变为互联互通的开放式供应链体系(又被称为“数字化供应网络”),能够为企业的未来竞争奠定基础。但是,要充分实现数字化供应网络的转型,制造企业需具备多方面的能力——推动企业运作的众多运营系统间横向整合的能力;互联制造系统间垂直整合的能力;以及整个价值链端到端、全面整合的能力。
 
    本文中,我们探讨了如何融合这些能力实现生产行为。此等融合俗称为“智能工厂”,意味着在工厂内和整个供应网络中推动更大的价值。
 
    智能工厂代表了从传统自动化向完全互联和柔性系统的飞跃。这个系统能够从互联的运营和生产系统中源源不断地获取数据,从而了解并适应新的需求。3真正的智能工厂能够整合全系统内的物理资产、运营资产和人力资本,推动制造、维护、库存跟踪、通过数字孪生实现运营数字化以及整个制造网络中其他类型的活动。其产生的结果可能是系统效率更高也更为敏捷,生产停工时间更少,对工厂或整个网络中的变化进行预测和调整适应的能力更强,从而进一步提升市场竞争力。
 
    许多制造企业已开始在多个领域采用智能工厂的流程方式,如利用实时生产和库存数据进行先进计划与排产,或利用虚拟现实技术进行设备维护等。但是,真正的智能工厂是更为整体性的实践,不仅仅转变工厂车间,更影响整个企业和更大范围内的生态系统。智能工厂是整个数字化供应网络不可分割的一部分,能够为制造企业带来多重效益,使之更为有效地适应不断变化的市场环境。采用并实施智能工厂解决方案看起来十分复杂,甚至难以实现。然而,在技术领域迅猛发展和未来趋势快速演变的环境下,制造企业要想保持市场竞争力或颠覆市场竞争格局,向更具弹性、适应性更强的生产系统转变几乎势在必行。制造企业须从大处着眼,充分考虑各种可能,从小处着手进行流程方式的可控调整,并迅速推广扩大运营,逐步达成智能工厂的建设愿景,实现效益提升。本文中,我们对智能工厂的概念进行了定义和描述:
 
    ·什么是智能工厂,其主要特征,以及推动其兴起的相关趋势
 
    ·构成智能工厂的组成部分和技术,以及其如何融入数字化供应网络
 
    ·智能工厂如何推动价值创造,并实现其他效益
 
    ·企业着手建立并向真正的整体智能工厂转型的方式
 
    1
 
    ·数字化供应网络简介
 
    在德勤《数字化供应网络的崛起》4文章中,我们介绍了传统供应链的线性本质,其中依次分布着设计、计划、采购、生产和交付等流程。但是,如今许多供应链正从这种刻板的序列结构转变成动态互联的系统——数字化供应网络,该系统更易于整合生态系统中的合作伙伴,亦会随时间推移不断优化。数字化供应网络能够整合来自众多不同源头和地点的信息,推动生产和配送的实际运作。
 
    2
 
    图1可以看到新数字化供应网络模型的互联网格线,数字化是其核心。该网络中,每个节点至其他各点都具有潜在的互动连线,能够促进各领域之间产生以前并不存在的更大程度上的互联互通。在这个模型里,通讯是多向的,在传统供应链中并未建立的连接之间创造了互联。
 
    智能工厂的定义
 
    直以来,自动化在某种程度上始终是工厂的一部分,甚至高水平的自动化也非新生事物。然而,“自动化”一词通常表示单一且独立的任务或流程的执行。过去,机器自行“决策”的情况往往是以自动化为基础的线性行为,如基于一套预定的规则打开阀门或开启或关闭水泵。通过人工智能的应用,以及成熟度不断深化的信息物理系统将实体机器与业务流程相结合,自动化日益覆盖了通常由人类进行的复杂优化决策。最后,也许也是最为关键的,“智能工厂”一词亦表示通过互联互通的信息技术/运营技术格局,实现工厂车间决策及洞察与供应链以及整个企业其他部分的融合。这将从根本上改变生产流程,大大增强与供应商和客户之间的关系。
 
    通过这个描述,我们可清楚地了解智能工厂并不仅仅是简单的自动化。智能工厂是一个柔性系统,能够自行优化整个网络的表现,自行适应并实时或近实时学习新的环境条件,并自动运行整个生产流程。7智能工厂能够在工厂车间内自动运作,同时与具有类似生产系统的全球网络甚至整个数字化供应网络互联。
 
    需要注意的是,鉴于技术的快速发展趋势,本文对智能工厂的定义和描述不应视为其“终极形态”,相反,其代表的是长期进行的演变,是打造并维持一个柔性学习系统的不断发展的历程,而非过去工厂所进行的一次性现代化方式。智能工厂真正强大之处在于其根据企业不断变化的需要发展和成长的能力,无论这些需要是客户需求的转变、进入新市场的扩张、新产品或服务的开发,还是预测性更强响应度更高的运行和维护方法、新流程或技术的引入,或是生产流程的准实时变化。由于具备更为强大的计算和分析能力,并拥有更为广泛的智能互联资产生态系统,智能工厂能使企业以过去相对困难甚至不可能的方式适应变化。
 
    智能工厂是一个柔性系统,能够自行优化整个网络的表现,自行适应并实时或近实时学习新的环境条件,并自动运行整个生产流程。
 
    ·智能工厂的特征:与众不同之处在哪?
 
    面对企业或生态系统范围内的万千变化,许多制造企业疲于应对,运营状况面临巨大的压力(参见边栏“智能工厂:为何今时今日?”)。智能工厂解决方案能够提供多种方式,助其成功应对部分问题。实时调整并学习数据的能力使得智能工厂拥有更高的响应度,更具前瞻性和预测性,并助企业免受运营停工及其他生产难题的困扰。某领先电子公司采用了一套全自动化的生产系统、三维扫描仪、物联网技术以及一体化机器控制,作为其在生产空调的过程中实施智能工厂解决方案的举措之一。这个自动化的益处包括客户交付时间缩短,整体成本下降,以及产能提升25%,残次品减少50%。
 
    图2描述了智能工厂及其部分主要特征:互联、优化、透明、前瞻和敏捷。这些特征均有助于进行明智的决策,并协助企业改进生产流程。值得注意的是,世界上没有两个一模一样的智能工厂,制造企业可依据其特定需求,重点发展智能工厂的不同领域和特征。
 
    互联或许是智能工厂最重要的特征,同时也是其最大的价值所在。智能工厂须确保基本流程与物料的互联互通,以生成实时决策所需的各项数据。在真正意义的智能工厂中,传感器遍布各项资产,因此系统可不断从新兴与传统渠道抓取数据集,确保数据持续更新,并反映当前情况。通过整合来自运营系统、业务系统、以及供应商和客户的数据,可全面掌控供应链上下游流程,从而提高供应网络的整体效率。
 
    经过优化的智能工厂可实现高度可靠的运转,最大程度上降低人工干预。智能工厂具备自动化工作流程,可同步了解资产状况,同时优化了追踪系统与进度计划,能源消耗亦更加合理,可有效提高产量、运行时间以及质量,并降低成本、避免浪费。
 
    3
 
    智能工厂获取的数据公开透明:通过实时数据可视化,将从流程与成品或半成品获取的数据进行处理,并转变为切实可行的洞见,从而协助人工以及自动化决策流程。透明化网络还将进一步扩大对设备情况的认识,并通过基于角色的观点、实时警告与通知以及实时追踪与监控等手段,确保企业决策更加精准。
 
    在一个前瞻型体系中,员工与系统可预见即将出现的问题或挑战,并提前予以应对,而非静待问题发生再作响应。这一特征包括识别异常情况,储备并补充库存,发现并提前解决质量问题,以及监控安全与维修问题。智能工厂能够基于历史与实时数据,预测未来成果,从而提高正常运行时间、产量与质量,同时预防安全问题。在智能工厂中,制造企业可通过创建数字孪生等流程,实现数字化运营,在自动化与整合的基础上,进一步培养预测能力。
 
    智能工厂具备敏捷的灵活性,可快速适应进度以及产品变更,并将其影响降至最低。先进的智能工厂还可根据正在生产的产品以及进度变更,自动配置设备与物料流程,进而实时掌控这些变更所造成的影响。此外,灵活性还促使智能工厂在进度与产品发生变更时,最大程度上降低调整幅度,从而提高运行时间与产量并确保灵活的进度安排。
 
    由于具备上述特征,制造企业可更加全面清晰地了解其资产与系统,有效应对传统工厂所面临的挑战,最终提高生产率,更加灵活地响应不断变化的供应商及客户情况。例如,一家服饰鞋品公司分别在欧洲与北美设立了全新智能工厂,以求解决制造企业经常面临的一些挑战,包括全球离散化生产以及日益变化的客户需求(参见边栏“智能工厂:为何今时今日?”)。传统工厂和供应链往往面临流行变化趋势所带来的诸多挑战。新型智能工厂通常设于客户所在地附近,因此可更快响应新兴趋势,并迅速为消费者提供鞋品——预计不到一周,相较之下,传统工厂则需两至三个月。两家智能工厂均运用了各种数字化与物理技术,包括数字孪生、数字设计、增材制造设备以及自动化bbin平台等。公司打算汲取最初两家智能工厂的经验,将这种模式推广至亚洲等其他地区的更多基地。
 
    ·智能工厂:为何今时今日?
 
    自动化与控制发展至今,已达数十年之久。然而,直到最近,智能工厂才获得关注,并成为制造企业切实追求的目标。以下五大主导趋势加快了智能工厂的发展:
 
    ·突飞猛进的技术能力
 
    ·日益复杂的供应链与全球离散化生产及需求
 
    ·与日俱增的竞争压力
 
    ·基于信息技术与运营技术整合的组织结构调整
 
    ·愈演愈烈的人才挑战,参见下文
 
    ·突飞猛进的技术能力
 
    不久之前,鉴于有限的数字技术能力,以及高昂的计算、存储与带宽成本,智能工厂的前景仍充满着不确定性。不过,近年来,由于上述难题迅速得以化解,在广泛网络中实现低成本高回报逐渐成为可能。12此外,技术能力本身变得日益复杂:随着人工智能、认知计算以及机器学习的发展,系统已能够解读、调整或学习互联设备所收集的数据。13具备了这种发展和适应的能力,并结合强大的数据处理与存储性能,制造企业不仅可实现任务自动化,更能处理高度复杂的互联流程。日益复杂的供应链与全球离散化生产及需求随着制造业的全球化进程加速提升,生产日益离散化,生产过程往往涉及不同地区多个设备及供应商。与此同时,区域、本地以及个体的个性化需求渐增,加之不断变化的需求与日益稀缺的资源,供应链变得越加复杂。15鉴于上述变化,许多制造企业开始重视提升自身的敏捷、互联与前瞻能力,以有效应对不断变化的优先事项。
 
    ·与日俱增的竞争压力
 
    智能数字化技术的兴起催生了全新竞争者,他们可利用数字化与更低的门槛成本,在其从未涉足的全新市场与行业占据一席之地,而无须面对困扰既定竞争者的资产损耗以及对人力的依赖。
 
    ·基于信息技术与运营技术整合的组织结构调整
 
    工厂自动化决策通常围绕业务单元或厂房层面展开,因此需将整个制造网络的不同技术与能力加以整合。随着互联企业日益突破工厂内部而延伸至外部网络,对这些差异的认识也进一步加深。在信息技术与运营技术日益融合的背景下,企业得以将之前厂房层面的决策扩大至业务单元或企业层面。这有助于发现效率低下的环节,或某个厂房的变化使其他设备的情况变得复杂。与此同时,这也促使智能工厂的概念更为现实,而不再是一个抽象的目标。虽然工厂内部互联互通的理念并不新鲜,但许多制造企业却长期裹足不前,不知道如何处理所收集的数据——换言之,他们不知道如何从信息中提取洞见并付诸实施。工业4.0推进了数字与物理技术的互联互通,为这一挑战提供了解决方案:企业不仅要培养数据收集能力,还须具备分析能力,进而在现实世界中付诸实施。
 
    ·愈演愈烈的人才挑战
 
    如今,劳动力结构加速老化,就业竞争愈加激烈,喜爱或熟谙制造业的年轻劳动力日益匮乏,这些人才方面的挑战意味着传统制造企业越来越难以招募技术或非技术人才,以维持其有效运转。德勤估测,未来十年,美国制造业将面临近200万的劳动力缺口。许多企业纷纷投资智能工厂,以缓解未来可能普遍存在的劳动力短缺所带来的相关风险。然而,此举可能对人才结构产生新的影响,因为自动化资产往往需要专业技术人才进行操作和维护;制造设备选址时也应考虑这些因素。
 

2