“工業(yè)4.0”從2013年正式提出以來，持續(xù)了一年多的熱度不但沒有衰減的趨勢，更因為中國2025規(guī)劃、中國成為全球最大機(jī)器人市場等利好政策和消息而持續(xù)升溫。撲面而來的浪潮讓人對制造業(yè)的未來充滿了期待，可是，當(dāng)理想照進(jìn)現(xiàn)實，要完全實現(xiàn)工業(yè)4.0，也許是個漫長的過程，可能需要二三十年甚至更長的時間，我們現(xiàn)在也無法預(yù)知未來這個概念是否能夠成功實現(xiàn)，但可以肯定的是，目前越來越多的事實表明，信息技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用正以前所未有的廣度和深度在推進(jìn)制造業(yè)生產(chǎn)方式、發(fā)展模式的變革，智能化、網(wǎng)絡(luò)化將是工業(yè)發(fā)展的大趨勢。

　　對作為世界工廠、全球制造業(yè)大國的中國來說，如何在這場革命浪潮中避免被洗牌呢？而面對工業(yè)4.0，作為智能制造的有機(jī)組成部分和核心細(xì)胞----制造業(yè)企業(yè)，他們更關(guān)注的是，“工業(yè)4.0” 概念大、范圍廣、邊界泛、場景多，這些理念如何與實際的制造業(yè)業(yè)務(wù)相結(jié)合，如何提升企業(yè)的實際制造能力和制造水平，如何使“工業(yè)4.0”真正“落地”？

　　所以，“工業(yè)4.0”概念與制造業(yè)企業(yè)如何結(jié)合是問題關(guān)鍵所在，我們認(rèn)為，要從復(fù)雜的概念落實到制造業(yè)的實際業(yè)務(wù)中，必然需要層層的分解梳理與深入剖析才能化繁為簡、得其真髓。面對工業(yè)4.0，我們從哪里開始層層剝離呢？須得從工業(yè)4.0中提得最多的三個字母——CPS開始。

　　一、對CPS的理解

　　對CPS的理解在業(yè)內(nèi)已經(jīng)有很多相關(guān)的討論，我們的體會，也許可以簡化通俗的歸納為：連接兩個世界（物理世界和虛擬世界），融合三大網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)），承載3C能力（計算能力、通信能力、控制能力）。CPS 構(gòu)建的前提也就是試圖把人、物、系統(tǒng)通過各種網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連接，而至于在CPS中流動的，是信息和信息所承載的知識。CPS的發(fā)展趨勢，也必將是更加自動化和智能化。

　　CPS實際上是一個由眾多的異構(gòu)元素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，也就是說，它是由眾多的CPS子系統(tǒng)，甚至更小的CPS細(xì)胞所組成的，而對于不同行業(yè)的特定應(yīng)用場景通常需要構(gòu)建特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，比如說，面向能源的CPS系統(tǒng)、面向交通的、面向保健醫(yī)療的、面向工業(yè)的。不同的CPS單元除了聯(lián)網(wǎng)這一基本條件外，還需必備的是其相應(yīng)的智能體系。

　　二、制造業(yè)企業(yè)的CPS

　　在了解了CPS宏觀的概念后，我們縮小范圍，聚焦我們關(guān)注的制造業(yè)。制造業(yè)企業(yè)CPS作為CPS系統(tǒng)的組成細(xì)胞，既有CPS的共性，也有面向行業(yè)特征的個性。

　　我們先從CPS的字面意義上來分解制造業(yè)企業(yè)CPS的要素：

　　可見，制造業(yè)企業(yè)CPS涵蓋了企業(yè)的絕大多數(shù)重要的構(gòu)成要素。

　　但我們通過分析可知，針對制造業(yè)企業(yè)的特點來說，企業(yè)在構(gòu)建CPS系統(tǒng)中，還需要貫穿符合企業(yè)實際管理情況的相應(yīng)的管理理念，例如常說的精益生產(chǎn)、敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造等等。關(guān)于這一點，在工業(yè)4.0或者是CPS概念中并沒有詳細(xì)闡述，這是因為工業(yè)4.0的大概念幾乎涵蓋了整個社會的所有領(lǐng)域，從制造業(yè)領(lǐng)域看，就包括需求規(guī)劃環(huán)節(jié)（策劃者）、協(xié)同制造環(huán)節(jié)（生產(chǎn)者）、經(jīng)銷流通環(huán)節(jié)（傳遞者）、運(yùn)行使用環(huán)節(jié)（消費(fèi)者）、回收利用環(huán)節(jié)（回收者）。“工業(yè)4.0”旨在整個社會大環(huán)境下，通過整體的互聯(lián)互通提高各個產(chǎn)業(yè)的資源利用效率、降低整體成本，終極目標(biāo)是實現(xiàn)資源（能源和原材料）的最佳利用、在有效保護(hù)環(huán)境的情況下實現(xiàn)生產(chǎn)力的革命性提高。

　　這么龐大的理念體系具化到一個制造業(yè)企業(yè)，該如何高效利用資源、降低成本、保護(hù)環(huán)境、提高生產(chǎn)力？我們認(rèn)為要實現(xiàn)這個目標(biāo)，就必須將物理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化這些CPS的理念與精益生產(chǎn)相結(jié)合。因為精益理念的核心就是消除一切無效勞動和浪費(fèi)，通過不斷地降低成本、提高質(zhì)量、增強(qiáng)生產(chǎn)靈活性、實現(xiàn)無廢品和零庫存等手段確保企業(yè)在市場競爭中的優(yōu)勢，從整個社會視角看，所有企業(yè)都努力做到了這一點，也就實現(xiàn)了“工業(yè)4.0”的大目標(biāo)----有效保護(hù)環(huán)境、資源最佳利用、革命性提升生產(chǎn)力。

　　所以我們認(rèn)為，如果把構(gòu)建CPS系統(tǒng)比作構(gòu)建企業(yè)的“軀體”的話，那么“精益”的管理思想是企業(yè)貫穿全局的“靈魂”所在，一個有思想的“活”的企業(yè)，要將兩者進(jìn)行很好的融合，使CPS構(gòu)建中貫穿“精益”思想，實現(xiàn)兩者相融相通。這應(yīng)該是制造業(yè)企業(yè)CPS的個性化特征。

　　既然制造業(yè)企業(yè)CPS涵蓋了這么多內(nèi)容，那么這些要素在企業(yè)內(nèi)要如何組織起來呢？我們認(rèn)為，制造業(yè)企業(yè)CPS的架構(gòu)也應(yīng)該與CPS大框架相匹配，從縱向和橫向兩個維度來構(gòu)建�？v向就是制造業(yè)企業(yè)CPS的技術(shù)架構(gòu)，橫向就是CPS的業(yè)務(wù)架構(gòu)。

　　先說技術(shù)架構(gòu)：我們認(rèn)為，制造業(yè)企業(yè)CPS架構(gòu)包括了物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和決策層。

　　• 物理層是與生產(chǎn)相關(guān)的物理世界，包括人、機(jī)器、廠房、物料、系統(tǒng)等等，并且涵蓋了感知子系統(tǒng)，也就是相應(yīng)的傳感設(shè)備和數(shù)據(jù)采集裝置，主要負(fù)責(zé)從物理世界采集原始信息，并根據(jù)系統(tǒng)指令改造物理世界；

　　• 網(wǎng)絡(luò)層保證感知數(shù)據(jù)在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中可靠的傳輸；

　　•  應(yīng)用層面向用戶，提供交互界面和功能，同時可進(jìn)行協(xié)同處理；

　　• 下層的各項數(shù)據(jù)，都為決策層提供了數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的依據(jù)，為頂層決策提供支持。

　　縱向的技術(shù)架構(gòu)要求所有相關(guān)的系統(tǒng)，從產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)到工藝到自動化制造，都要有標(biāo)準(zhǔn)化的接口和技術(shù)相互連接，確保生產(chǎn)管理系統(tǒng)與機(jī)器控制系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)信息的高度透明和實時。

　　而從橫向的業(yè)務(wù)架構(gòu)來說，更多的是強(qiáng)調(diào)企業(yè)間的合作，例如大型集團(tuán)，在企業(yè)間的業(yè)務(wù)流上（或價值鏈上）進(jìn)行集成，是為了實現(xiàn)各企業(yè)間的無縫合作，提供實時的產(chǎn)品與服務(wù)。這就要求更高一級的生產(chǎn)系統(tǒng)合作伙伴之間有開放穩(wěn)定的接口。

　　制造業(yè)企業(yè)CPS的構(gòu)建，對企業(yè)來說是很大的挑戰(zhàn)，可以說涉及到制造環(huán)節(jié)的方方面面，不是能一蹴而就的。但是，這種改變也不是遙不可及的，是可以循序漸進(jìn)逐步實現(xiàn)的過程。

　　結(jié)合目前我國的國情來看，從大的業(yè)務(wù)流程以及基本的硬件設(shè)施來說，整體改變不會很大，而更為關(guān)鍵的是，人、設(shè)備、軟件系統(tǒng)與思維導(dǎo)向的改變。

　　首先，制造業(yè)企業(yè)的幾個關(guān)鍵要素，資源、信息、物體和人要達(dá)到深度的融合。無論是人、設(shè)備，還是產(chǎn)品、原料，以及相關(guān)的工藝法則、法律法規(guī)，甚至包括能源消耗，除了實現(xiàn)實體間的物理連接外，還需要通過軟件管理、業(yè)務(wù)集成等實現(xiàn)“虛擬連接”。

　　其次，從感知網(wǎng)轉(zhuǎn)換到感控網(wǎng)。對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建已不是停留在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的“感知”層面了，還需要加入控制能力和自治能力，而這種控制網(wǎng)絡(luò)也不再局限于工廠內(nèi)部封閉的系統(tǒng)中，而是能和互聯(lián)網(wǎng)通信，這部分當(dāng)然也需要更高級的軟件平臺的支撐。

　　再者，基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)與工業(yè)整合。從賣產(chǎn)品到賣服務(wù)的轉(zhuǎn)變，將是未來發(fā)展的大趨勢。服務(wù)型導(dǎo)向的商業(yè)模式正在改變更多傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)的商業(yè)模式。就像現(xiàn)在電信運(yùn)營商那里購買幾年的通信套餐服務(wù)就可以免費(fèi)或低價的獲得手機(jī)一樣，未來的家電、家居甚至汽車等都可能通過服務(wù)合約而免費(fèi)贈送。因此，制造業(yè)企業(yè)CPS的構(gòu)建，生產(chǎn)出的產(chǎn)品的聯(lián)網(wǎng)能力與企業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建也很重要。

　　三、制造業(yè)企業(yè)CPS與精益生產(chǎn)的融合

　　前面提到，要在構(gòu)建企業(yè)級CPS的過程中融入精益的理念和思想，而且實現(xiàn)兩者互融互通，貫穿到企業(yè)業(yè)務(wù)的方方面面，這是制造業(yè)企業(yè)CPS應(yīng)該具備個性化的關(guān)鍵點所在。

　　那么現(xiàn)在問題又來了，制造業(yè)企業(yè)構(gòu)建CPS，這可能是個漫長而龐大的工程，而同時更重要的是在這個過程中，需要根據(jù)企業(yè)的外部競爭環(huán)境和內(nèi)部適應(yīng)性，逐步的提升管理和貫徹精益生產(chǎn)，提高效益水平，這也不是一蹴而就的事情；那么，在企業(yè)資金和資源有限的前提下，這兩者如何能夠和諧的互通共榮？企業(yè)如何根據(jù)自身情況有效規(guī)劃，在合適的時機(jī)推動某一項業(yè)務(wù)的變革（包括物理資產(chǎn)的升級改造、管理模式的轉(zhuǎn)變、人的提升等）。一個具體的企業(yè)，究竟如何決策才是最科學(xué)合理的，怎么判斷在什么時候進(jìn)行何種投資和業(yè)務(wù)改進(jìn)呢？這些問題對于每個企業(yè)來說都是很大的挑戰(zhàn)。

　　對于這些問題，也是我們一直在思索和探討的問題，對此我們也進(jìn)行了全面深入的調(diào)查、研究和分析�，F(xiàn)在，在基于制造業(yè)企業(yè)CPS理論和精益生產(chǎn)理論的基礎(chǔ)之上，融合我們在工業(yè)領(lǐng)域多年的企業(yè)信息化咨詢和服務(wù)的豐富經(jīng)驗，我們形成了一套行之有效的“卓越制造標(biāo)準(zhǔn)體系”，通過這套體系，可以幫助企業(yè)評估當(dāng)前所處的發(fā)展水平和存在的瓶頸問題，并給出相應(yīng)的解決方案建議。

　　這套體系基于CPS的構(gòu)成要素和精益思想的精髓融會貫通，把制造業(yè)企業(yè)的業(yè)務(wù)行為和管理過程進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換、映射和再融合，最終科學(xué)的解構(gòu)為人員、物體、資源、管理和信息五個域，通過對這五個域的分解細(xì)化，基本涵蓋了企業(yè)智能制造的全過程，通過對此進(jìn)行指標(biāo)評價，可以清晰的對企業(yè)智能制造的水平給出量化的判定，涉及了企業(yè)的各個層次和各個方面。

　　具體來說，卓越制造標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)置了5級模型，分別為管理初始階段、管理升級階段、基礎(chǔ)完善階段、持續(xù)改善階段和卓越制造階段。通過所設(shè)定的各項細(xì)分指標(biāo)（已細(xì)化到48項二級指標(biāo)和240項三級指標(biāo)），使用問卷、訪談、實地考察、甚至有可能是第三方鑒定等調(diào)研手段，針對企業(yè)智能制造的這五個域進(jìn)行客觀的評估，并綜合得出企業(yè)在各方面目前處于哪一級的發(fā)展階段。

　　最后的評價結(jié)果與企業(yè)共同進(jìn)行分析和討論，結(jié)合企業(yè)未來發(fā)展的愿景，我們診斷定位企業(yè)的短板，并給出相應(yīng)的改進(jìn)方案建議和實施路徑，比如，困擾很多企業(yè)的產(chǎn)能匹配問題，會細(xì)化分解到供應(yīng)鏈的問題、物流配送的問題、庫存管理的問題、生產(chǎn)排產(chǎn)的問題、產(chǎn)線布局的問題、設(shè)備工裝的問題、操作人員的問題、管理方式的問題、研發(fā)工藝的問題等等，具化的方案建議可能包括更改產(chǎn)線布局、設(shè)備工裝更換、生產(chǎn)流程改進(jìn)、管理方式變革、操作人員培訓(xùn)、設(shè)備保養(yǎng)計劃、變更流程控制、高級計劃排程、產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制體系等等，最后給出系統(tǒng)性方案，所有的改進(jìn)建議如何實施推進(jìn)，如何建立規(guī)章制度、如何通過IT系統(tǒng)固化等等。這套體系經(jīng)過實際的項目檢驗，已經(jīng)取得了一些成效，獲得了不少企業(yè)的認(rèn)同，很多企業(yè)的生產(chǎn)管理在經(jīng)過科學(xué)的評估后，都迅速定位了瓶頸問題和關(guān)鍵改進(jìn)點，經(jīng)過業(yè)務(wù)咨詢、流程改進(jìn)和IT支撐與固化，業(yè)務(wù)上在短期內(nèi)都得到了針對性的有效的改善。

　　四、MES與制造業(yè)企業(yè)CPS的關(guān)系

　　我們知道，作為制造企業(yè)生產(chǎn)前線的解決方案，MES系統(tǒng)在過去的十幾年發(fā)展迅速。在制造業(yè)企業(yè)CPS構(gòu)建中，MES系統(tǒng)實際是CPS的重要組成部分，是實現(xiàn)制造業(yè)企業(yè)中“物理世界”與“虛擬世界”聯(lián)通的重要手段和有效途徑。MES系統(tǒng)“承上啟下”的特性，使其具備通過對車間人員、設(shè)備、物料等“實物”數(shù)據(jù)的采集與跟蹤，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場與管理活動的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信息溝通的能力。

　　其次，MES系統(tǒng)中的實時化管理、減少無附加值的活動、提高交貨能力、實現(xiàn)對制造系統(tǒng)的集成等實施價值，都是與精益生產(chǎn)“創(chuàng)造價值，消除浪費(fèi)”的理念不謀而合的。因此，從制造業(yè)企業(yè)CPS構(gòu)建的思想層面，MES系統(tǒng)是實現(xiàn)精益生產(chǎn)的技術(shù)支撐和最佳軟件載體。

　　再者，MES系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展的趨勢必將促進(jìn)制造業(yè)企業(yè)向“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”的方向發(fā)展。面對未來，企業(yè)僅關(guān)注生產(chǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在解決了生產(chǎn)過程的自動化后，必然向智能化發(fā)展。MES系統(tǒng)在未來將進(jìn)一步實現(xiàn)現(xiàn)場實時分析、協(xié)同智能決策及時調(diào)整制造執(zhí)行過程，將進(jìn)一步打通從上游到下游的整個供應(yīng)鏈，未來的生產(chǎn)將處于“工業(yè)集成”的應(yīng)用時代。MES系統(tǒng)將變得更加智能，這也是工廠智能化的強(qiáng)大推動力。

　　因此，綜上所述，工業(yè)4.0與制造業(yè)企業(yè)發(fā)展的關(guān)系，從當(dāng)前發(fā)展階段來看，應(yīng)該是以構(gòu)建企業(yè)CPS為目標(biāo)，卓越標(biāo)準(zhǔn)制造體系為指南，以MES系統(tǒng)為代表的一系列軟硬件系統(tǒng)為支撐體系，為最終實現(xiàn)智能工廠和智能生產(chǎn)打下堅實的基礎(chǔ)。

　　作者：武漢佰思杰科技有限公司 李佑莉 劉朱鋒

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本文標(biāo)題：從“工業(yè)4.0”到卓越制造標(biāo)準(zhǔn)體系的研究

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