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高端裝備制造業(yè)數(shù)字化轉型的思考
2021-02-27
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1、頂層設計保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展
新冠疫情全球大爆發(fā)給人類實體經(jīng)濟帶來前所未有的巨大沖擊，也為加速發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟提出迫切而現(xiàn)實的需求。2020年3月，黨中央提出加快5G網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎設施建設進度的要求。未來幾年，我國會持續(xù)投入大量資金扶持新基建示范項目和工程。國家層面已出臺的各項指導意見及各省市區(qū)為落實中央精神即將出臺的各項行動方案，必將為我國下一階段高質量發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟提供強有力的政策保障。
產(chǎn)業(yè)數(shù)字化作為數(shù)字經(jīng)濟的主要組成部分，制造業(yè)特別是以航空、航天、軌道交通裝備等為代表的高端裝備業(yè)，是高質量發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟的重要組成部分。高端裝備行業(yè)產(chǎn)值高、供應鏈廣，對產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展具有非常重要的引領作用，也代表著我國工業(yè)最高的科學技術、工藝水平、質量要求。高端裝備制造業(yè)是我國工業(yè)領域實現(xiàn)創(chuàng)新驅動發(fā)展、管理提升和數(shù)字化轉型升級的重要領域。
21世紀以來，美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與德國“工業(yè)4.0”引起了全球制造業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)模式和制造價值實現(xiàn)方式的轉變。德國工業(yè)4.0和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅是把握未來信息技術與工業(yè)、信息化與工業(yè)化融合發(fā)展的“多棱鏡”，而且是信息技術發(fā)展到深層次階段的一種嶄新的工業(yè)發(fā)展模式，核心在于不斷增強企業(yè)、行業(yè)甚至國家的整體競爭力。隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、智能傳感網(wǎng)絡、工業(yè)網(wǎng)絡控制等技術的發(fā)展和應用推廣，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術正從最初的點對點遠程控制與運維向更深度的網(wǎng)絡化、智能化、開放化和服務化方向發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對高端裝備制造業(yè)的數(shù)字化轉型產(chǎn)生了巨大的引領和支撐作用。
2、高端裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢與面臨的挑戰(zhàn)
2.1 數(shù)字化發(fā)展趨勢
傳統(tǒng)的高端裝備制造企業(yè)往往通過增加資源投入來實現(xiàn)增長的外延式發(fā)展，這種粗放模式使其綜合能力提升不大，面臨著效益不高的困境。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，制造業(yè)想獲得可持續(xù)發(fā)展的競爭優(yōu)勢，必須依靠信息物理融合系統(tǒng)（CPS）實現(xiàn)協(xié)同的設計、供應鏈、生產(chǎn)與產(chǎn)品服務，置身于全球供應鏈的生態(tài)系統(tǒng)之中，應用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+智能工廠[4]。從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟角度看，隨著智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術的成熟應用，創(chuàng)新驅動新增長與服務價值鏈延伸的發(fā)展模式是高端裝備制造業(yè)發(fā)展的新動能，也是其轉型升級的方向。
隨著國內制造成本的不斷上升，中國高端裝備制造業(yè)過去依賴人力、資源和能源的要素驅動式的發(fā)展方式已經(jīng)到達瓶頸，急需向創(chuàng)新驅動的發(fā)展方式轉變。重視產(chǎn)品、技術和管理等方面的創(chuàng)新，是實現(xiàn)高端裝備制造業(yè)升級，逐步實現(xiàn)由對標跟隨向自主創(chuàng)新轉變的關鍵環(huán)節(jié)。
高端裝備制造企業(yè)過去往往處于價值鏈的底端，設備場地投資重，投資經(jīng)濟效益不高。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，高端裝備制造業(yè)的未來經(jīng)濟增長點將是綜合保障增值服務模式，形成服務型制造。通過先進的物聯(lián)網(wǎng)技術采集智能裝備產(chǎn)品的海量運行數(shù)據(jù)，應用工業(yè)大數(shù)據(jù)技術，提升產(chǎn)品性能，并對產(chǎn)品全生命周期的健康狀態(tài)進行管控。通過制造、服務一體化，實現(xiàn)由生產(chǎn)型企業(yè)向服務型企業(yè)的價值鏈延伸轉變。
2.2 企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)
隨著客戶對產(chǎn)品功能、性能和質量的需求越來越高，研制和生產(chǎn)周期要求越來越短，產(chǎn)品價格要求越來越低，高端裝備產(chǎn)品的復雜度、制造工藝的難度和高定制化的程度成為企業(yè)的巨大挑戰(zhàn)。面對隨之而來的“多品種、小批量、高復雜”的制造特征與“高質量、短周期、低成本”的矛盾，高端裝備制造企業(yè)面臨著貫穿于高端裝備的全生命周期的最為復雜的制造問題——如何實現(xiàn)全生命周期的高效率和充分柔性。
3、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術與管理模式創(chuàng)新實現(xiàn)內涵式發(fā)展
近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術在傳統(tǒng)行業(yè)中的快速滲透，傳統(tǒng)行業(yè)在多方面能力得以提升的同時也對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提出了更高的要求，跨界合作、融合創(chuàng)新已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的共識。智能傳感技術、移動嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等新興技術在此過程中也得以與傳統(tǒng)行業(yè)快速融合發(fā)展。
在產(chǎn)品的全生命周期中，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術與管理創(chuàng)新相融合，以提升產(chǎn)品智能化水平，并利用大數(shù)據(jù)技術延展產(chǎn)品增值服務，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化。典型應用涵蓋了產(chǎn)品的銷售、研發(fā)、運營和產(chǎn)品服務各個環(huán)節(jié)，包括利用嵌入物聯(lián)技術和工業(yè)大數(shù)據(jù)實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新、通過“端—管—云”形式實現(xiàn)智能產(chǎn)品遠程運維、基于知識工程的智慧創(chuàng)成技術、基于MBD（模型定義）的設計研發(fā)、生產(chǎn)過程復雜的人工智能決策、自適應的柔性制造系統(tǒng)等。
3.1 基于嵌入式物聯(lián)技術與工業(yè)大數(shù)據(jù)的產(chǎn)品創(chuàng)新
把物聯(lián)網(wǎng)技術應用于產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品在運行過程中對自身狀態(tài)及周邊環(huán)境的自感知，可實現(xiàn)故障的預警、診斷等功能。通過標準和開放的數(shù)據(jù)接口，能夠對產(chǎn)品在運行中的數(shù)據(jù)進行分析與挖掘，實現(xiàn)創(chuàng)新性應用等。各種數(shù)據(jù)挖掘的智能方法可以用于發(fā)現(xiàn)這些信息中所隱含的設計提升需求，使設計概念的創(chuàng)新提升到一個新的層次。
3.2 通過“端—管—云”形式，實現(xiàn)智能產(chǎn)品遠程運維
遠程運維服務在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中往往以“端—管—云”形式出現(xiàn)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，遠程運維服務也正在向更多的領域滲透。遠程安全讀取工業(yè)機器人數(shù)據(jù)，分析生產(chǎn)現(xiàn)場的運行狀態(tài)，提供了一個非常安全的網(wǎng)絡通道，使人可以在任何地方讀取生產(chǎn)現(xiàn)場工業(yè)機器人的實時運行狀態(tài)信息，為運維和性能優(yōu)化工作提供支撐。
3.3 基于知識工程的智慧創(chuàng)成技術
產(chǎn)品研發(fā)設計過程的智能化實現(xiàn)，主要體現(xiàn)在客戶需求經(jīng)過設計轉化為概念方案的階段，這一階段在融入人工智能技術和系統(tǒng)工程方法后將更加智能化、科學化。基于知識工程的大部分研究都集中在知識的智能化獲取與結構化表達兩方面，其中包括基于規(guī)則的方法、知識流分析方法、基于語義網(wǎng)絡的方法等。將這些基于知識工程的方法應用到設計需求轉化為概念方案的過程，再借助自然語言識別、語義檢索和人工檢索等技術，利用效應庫、專業(yè)庫及專利庫等外部知識，分析當前技術趨勢，可幫助設計員識別問題、快速找到最優(yōu)解決方案，進而實現(xiàn)概念設計的智能化。
3.4 基于MBD（模型定義）的設計研發(fā)
隨著VR、計算機網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)等前沿技術的不斷成熟，采用面向產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化設計系統(tǒng)，可在數(shù)字孿生的CPS系統(tǒng)中實現(xiàn)產(chǎn)品的全數(shù)字化設計。近年來花費較高的物理性能試驗被高性能仿真取代，這不但可以縮短研發(fā)周期，同時也有效降低了成本。企業(yè)在面對越來越高的產(chǎn)品性能要求的客戶時，仿真數(shù)據(jù)優(yōu)化、高效試驗設計、智能優(yōu)化等技術將被越來越多地用于提高產(chǎn)品性能上。
3.5 生產(chǎn)過程復雜問題的人工智能決策
在先進的計劃與調度、圖像識別、過程質量控制等領域，智能設備的計算能力要比人類更高，與人類主要依賴經(jīng)驗進行判斷相比，其可更快地給出更準確的解決方案。智能設備通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術采集生產(chǎn)過程中的人員、設備、物料等數(shù)據(jù)，再通過大數(shù)據(jù)分析形成預測模型和決策支持。例如，通過對生產(chǎn)狀態(tài)的預測分析，可提前預警設備停工、質量事故、設備效率下降等狀況，提醒相關人員及時糾正，避免問題對生產(chǎn)計劃的影響。
3.6 自適應的柔性制造系統(tǒng)
單件小批量生產(chǎn)是當今制造業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)，其需要在一次性且產(chǎn)量較小的生產(chǎn)中仍能保持高生產(chǎn)效率、高產(chǎn)品質量及優(yōu)化的制造周期。因此，在成本可控的前提下，通過柔性線、機器人、AGV等智能制造裝備的應用提高生產(chǎn)的柔性，可滿足越來越復雜的市場環(huán)境；通過快速的產(chǎn)線調整、資源重組搭建自適應的柔性制造系統(tǒng)可應對這種挑戰(zhàn)。
智能工具是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中的基本組成單元，也是形態(tài)最豐富、技術集成度最高的產(chǎn)品之一。在生產(chǎn)過程中，智能工具可通過內部集成的軟硬件系統(tǒng)對生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)進行實時判斷，并可隨時與操作者進行人機交互，以促進生產(chǎn)全過程的提質增效。
4、開展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化轉型的建議
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在高端裝備制造企業(yè)落地是一個復雜的系統(tǒng)工程，為實現(xiàn)高端裝備制造企業(yè)的數(shù)字化轉型升級，建議從以下幾個方面展開工作。
4.1 建立國家級智能制造聯(lián)合應用開發(fā)創(chuàng)新中心
依托中立的第三方科研機構建立跨行業(yè)的國家級智能制造聯(lián)合應用開發(fā)創(chuàng)新中心，集中解決智能制造過程中的共性問題，提供公益性質的公共開發(fā)、測試與驗證環(huán)境。制定統(tǒng)一的行業(yè)標準與測試驗證方法，為政府相關部門提供決策支撐，為企業(yè)提供各類服務，起到產(chǎn)業(yè)孵化器的推動作用。
4.2 企業(yè)全面開展精益管控體系搭建與系統(tǒng)的智能制造規(guī)劃
智能制造的建設不能一蹴而就，需要在建設前開展大量前置工作。前置工作主要有：一是擁有一套完整的目標導向的精益管控體系，使用精益方法以實現(xiàn)制造體系的全面協(xié)同；二是對工藝過程進行優(yōu)化，并對制造裝備改造升級，使制造裝備具有智能化特點，使大部分生產(chǎn)過程不再依賴人工，保證生產(chǎn)效率與質量的一致性，以適應產(chǎn)品定制化、制造服務化的發(fā)展方向。
工廠規(guī)劃有完整的、基于系統(tǒng)工程理論并以精益思想為原則的方法論。整個規(guī)劃以企業(yè)業(yè)務需求為出發(fā)點，配備適度的自動化，并使用專業(yè)的工廠仿真軟件對建設效果進行驗證，以保證規(guī)劃效果。系統(tǒng)的工廠規(guī)劃方法是業(yè)務目標實現(xiàn)的基礎，也是實現(xiàn)靈活高效、柔性化、智能化生產(chǎn)模式的基本條件。科學的規(guī)劃不但能夠滿足發(fā)展需求，也能優(yōu)化資源配置、提高投資效果、優(yōu)化發(fā)展方式。
4.3 開展高端裝備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示范實踐
高端裝備企業(yè)想要切實有效地智能制造投資建設、推動內涵式發(fā)展轉變,需要通過建設精益體系、規(guī)劃智能制造體系、工藝改善和智能車間示范實踐幾個階段。以產(chǎn)品制造全生命周期為對象，以產(chǎn)品制造過程與生產(chǎn)環(huán)境融合為目標，開展基于數(shù)字孿生技術的車間規(guī)劃、基于數(shù)據(jù)的分析與決策、基于IT驅動的質量管理、基于動態(tài)混流精準管控的制造執(zhí)行、基于先進的項目管理和計劃排程功能的企業(yè)資源計劃、基于統(tǒng)一和結構化數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品生命周期管理、基于知識驅動的結構化工藝設計，實現(xiàn)高效協(xié)同的精準管控。通過生產(chǎn)過程中各生產(chǎn)要素間的互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集，并與信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)對制造過程工藝參數(shù)實時優(yōu)化、誤差自動補償、智能監(jiān)控等應用，最終形成虛擬世界與物理世界融合的智能車間系統(tǒng)。
來源：信息通信技術與政策
原創(chuàng)：中國信息通信研究院融合創(chuàng)新研究中心高級工程師楊菠、華業(yè)長青（北京）科技有限公司總經(jīng)理趙雄飛等
