高端裝備制造業(yè)數(shù)字化轉型的思考

導讀：隨著新一代信息技術與先進制造技術的深度融合，智能制造成為新時代高端裝備制造企業(yè)轉型升級的重要途徑。通過分析在數(shù)字經(jīng)濟浪潮下，高端裝備行業(yè)的趨勢和企業(yè)發(fā)展過程中面臨的機遇與挑戰(zhàn)，提出了通過智能制造實現(xiàn)制造業(yè)的轉型發(fā)展道路的思考，并就企業(yè)如何推進智能制造規(guī)劃和建設提出了具體的建議。0

引言當前國際產(chǎn)業(yè)轉移和發(fā)展趨勢正發(fā)生重要變化，作為數(shù)字經(jīng)濟三駕馬車之一的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，特別是制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化成為全球焦點。美國、德國、日本等發(fā)達國家紛紛開展以新一代網(wǎng)絡信息技術為核心驅動力的先進制造計劃，并加快實施速度。我國需利用信息科技領域的優(yōu)勢，加速制造業(yè)數(shù)字化轉型，構建以數(shù)字化為驅動力的、全新的生產(chǎn)制造和工業(yè)服務體系，打造新的產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢，搶占新一輪國際競爭制高點。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。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?；谥R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