智慧是由“智慧”和“能力”兩個詞語構成。從感覺到記憶到思維這一過程，稱為“智慧”，智慧的結果產生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”，兩者合稱為“智慧”。——編者按

01智慧製造概念

“智慧製造”可以從製造和智慧兩方面進行解讀。首先，製造是指對原材料進行加工或再加工，以及對零部件進行裝配的過程。通常，按照生產方式的連續性不同，製造分為流程製造與離散製造（也有離散和流程混合的生產方式）。根據我國現行標準GB／T4754－2002，我國製造業包括31個行業，又進一步劃分約175箇中類、530個小類，涉及了國民經濟的方方面面。

智慧是由“智慧”和“能力”兩個詞語構成。從感覺到記憶到思維這一過程，稱為“智慧”，智慧的結果產生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”，兩者合稱為“智慧”。因此，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個過程稱為智慧過程，它是智慧和能力的表現。

然而，由於我國技術基礎薄弱發展不平衡，企業在智慧製造實施和升級改造過程中往往茫然不知從何做起。因此，以下將根據智慧製造的描述性定義，提出關於智慧工廠、製造環節及裝備智慧化、網路互聯互通、端到端資料流等四個方面的初步認識，以期說明智慧製造的主要內容。

02什麼是智慧工廠

智慧工廠是實現智慧製造的載體。在智慧工廠中透過生產管理系統、計算機輔助工具和智慧裝備的整合與互操作來實現智慧化、網路化分散式管理，進而實現企業業務流程、工藝流程及資金流程的協同，以及生產資源（材料、能源等）在企業內部及企業之間的動態配置。

一方面，“工欲善其事，必先利其器”，實現智慧製造的利器就是數字化、網路化的工具軟體和製造裝備，包括以下型別：

計算機輔助工具，如CAD（計算機輔助設計）、CAE（計算機輔助工程）、CAPP（計算機輔助工藝設計）、CAM（計算機輔助製造）、CAT（計算機輔助測試，如ICT資訊測試、FCT功能測試）等；

計算機模擬工具，如物流模擬、工程物理模擬（包括結構分析、聲學分析、流體分析、熱力學分析、運動分析、複合材料分析等多物理場模擬）、工藝模擬等；

工廠／車間業務與生產管理系統，如ERP（企業資源計劃）、MES（製造執行系統）、PLM（產品全生命週期管理）／PDM（產品資料管理）等；

智慧裝備，如高檔數控機床與機器人、增材製造裝備（3D印表機）、智慧爐窯、反應釜及其他智慧化裝備、智慧感測與控制裝備、智慧檢測與裝配裝備、智慧物流與倉儲裝備等；

新一代資訊科技，如物聯網、雲計算、大資料等。

另一方面，智慧製造是一個覆蓋更寬泛領域和技術的“超級”系統工程，在生產過程中以產品全生命週期管理為主線，還伴隨著供應鏈、訂單、資產等全生命週期管理，如圖1所示。

圖1：智慧製造生命週期管理

在智慧工廠中，藉助於各種生產管理工具／軟體／系統和智慧裝置，打通企業從設計、生產到銷售、維護的各個環節，實現產品模擬設計、生產自動排程、資訊上傳下達、生產過程監控、質量線上監測、物料自動配送等智慧化生產。下面介紹了幾個智慧工廠中的典型“智慧”生產場景。

場景1：設計／製造一體化。

在智慧化較好的航空航天製造領域，採用基於模型定義（MBD）技術實現產品開發，用一個整合的三維實體模型完整地表達產品的設計資訊和製造資訊（產品結構、三維尺寸、BOM等），所有的生產過程包括產品設計、工藝設計、工裝設計、產品製造、檢驗檢測等都基於該模型實現，這打破了設計與製造之間的壁壘，有效解決了產品設計與製造一致性問題。製造過程某些環節，甚至全部環節都可以在全國或全世界進行代工，使製造過程價效比最最佳化，實現協同製造。

場景2：供應鏈及庫存管理。

企業要生產的產品種類、數量等資訊透過訂單確認，這使得生產變得精確。例如：使用ERP或WMS（倉庫管理系統）進行原材料庫存管理，包括各種原材料及供應商資訊。當客戶訂單下達時，ERP自動計算所需的原材料，並且根據供應商資訊即時計算原材料的採購時間，確保在滿足交貨時間的同時使得庫存成本最低甚至為零。

場景3：質量控制。

車間內使用的感測器、裝置和儀器能夠自動線上採集質量控制所需的關鍵資料；生產管理系統基於實時採集的資料，提供質量判異和過程判穩等線上質量監測和預警方法，及時有效發現產品質量問題。此外，產品具有唯一標識（條形碼、二維碼、電子標籤），可以以文字、圖片和影片等方式追溯產品質量所涉及的資料，如用料批次、供應商、作業人員、作業地點、加工工藝、加工裝置資訊、作業時間、質量檢測及判定、不良處理過程等。

場景4：能效最佳化。

採集關鍵製造裝備、生產過程、能源供給等環節的能效相關資料，使用MES系統或EMS（能源管理系統）系統對能效相關資料進行管理和分析，及時發現能效的波動和異常，在保證正常生產的前提下，相應地對生產過程、裝置、能源供給及人員等進行調整，實現生產過程的能效提高。

因此，智慧工廠的建立可大幅改善勞動條件，減少生產線人工干預，提高生產過程可控性，最重要的是藉助於資訊化技術打通企業的各個流程，實現從設計、生產到銷售各個環節的互聯互通，並在此基礎上實現資源的整合最佳化和提高，從而進一步提高企業的生產效率和產品質量。

03如何實現製造環節智慧化

網際網路技術的普及使得企業與個體客戶間的即時交流成為現實，促使製造業實現從需求端到研發端、服務端的拉動式生產，以及從“生產型”向“服務型”模式轉變。因此，企業領先於競爭對手完成數字化、網路化與智慧化的轉型升級，實現大規模定製化生產來滿足個性化需求並提供智慧服務，方能在瞬息萬變的市場上立於不敗之地。

看得見的是個性化定製和智慧服務，看不見的是生產製造各環節的數字化、網路化與智慧化。實現智慧製造，網路化是基礎，數字化是工具，智慧化則是目標。

數字化、網路化、智慧化是保證智慧製造實現“兩提升、三降低”經濟目標的有效手段。數字化確保產品從設計到製造的一致性，並且在制樣前對產品的結構、功能、效能乃至生產工藝都進行模擬驗證，極大地節約開發成本和縮短開發週期。網路化透過資訊橫縱向整合實現研究、設計、生產和銷售各種資源的動態配置以及產品全程跟蹤檢測，實現個性化定製與柔性生產的同時提高了產品質量。智慧化將人工智慧融入設計、感知、決策、執行、服務等產品全生命週期，提高了生產效率和產品核心競爭力。

04如何實現網路互聯互通

智慧製造的首要任務是資訊的處理與最佳化，工廠／車間內各種網路的互聯互通則是基礎與前提。沒有互聯互通和資料採集與互動，工業雲、工業大資料都將成為無源之水。智慧工廠／數字化車間中的生產管理系統（IT系統）和智慧裝備（自動化系統）互聯互通形成了企業的綜合網路。按照所執行功能不同，企業綜合網路劃分為不同的層次，自下而上包括現場層、控制層、執行層和計劃層。圖2給出了符合該層次模型的一個智慧工廠／數字化車間網際網路絡的典型結構。隨著技術的發展，該結構呈現扁平化發展趨勢，以適應協同高效的智慧製造需求。

圖2：智慧工廠／數字化車間典型網路結構

智慧工廠／數字化車間網際網路絡各層次定義的功能以及各種系統、裝置在不同層次上的分配如下。

計劃層：實現面向企業的經營管理，如接收訂單，建立基本生產計劃（如原料使用、交貨、運輸），確定庫存等級，保證原料及時到達正確的生產地點，以及遠端運維管理等。企業資源規劃（ERP）、客戶關係管理（CRM）、供應鏈關係管理（SCM）等管理軟體都在該層執行。

執行層：實現面向工廠／車間的生產管理，如維護記錄、詳細排產、可靠性保障等。製造執行系統（MES）在該層執行。

監控層：實現面向生產製造過程的監視和控制。按照不同功能，該層次可進一步細分為：

監視層：包括視覺化的資料採集與監控（SCADA）系統、HMI（人機介面）、實時資料庫伺服器等，這些系統統稱為監視系統；

控制層：包括各種可程式設計的控制裝置，如PLC、DCS、工業計算機（IPC）、其他專用控制器等，這些裝置統稱為控制裝置；

現場層：實現面向生產製造過程的感測和執行，包括各種感測器、變送器、執行器、RTU（遠端終端裝置）、條碼、射頻識別，以及數控機床、工業機器人、工藝裝備、AGV（自動引導車）、智慧倉儲等製造裝備，這些裝置統稱為現場裝置。

工廠／車間的網路互聯互通本質上就是實現資訊／資料的傳輸與使用，具體包含以下含義：物理上分佈於不同層次、不同型別的系統和裝置透過網路連線在一起，並且資訊／資料在不同層次、不同裝置間的傳輸；裝置和系統能夠一致地解析所傳輸資訊／資料的資料型別甚至瞭解其含義。前者即指網路化，後者需首先定義統一的裝置行規或裝置資訊模型，並透過計算機可識別的方法（軟體或可讀檔案）來表達裝置的具體特徵（引數或屬性），這一般由裝置製造商提供。如此，當生產管理系統（如ERP、MES、PDM）或監控系統（如SCADA）接收到現場裝置的資料後，就可解析出資料的資料型別及其代表的含義。

05什麼是端到端資料流

智慧製造要求透過不同層次網路整合和互操作，打破原有的業務流程與過程控制流程相脫節的局面，分佈於各生產製造環節的系統不再是“資訊孤島”，資料／資訊交換要求從底層現場層向上貫穿至執行層甚至計劃層網路，使得工廠／車間能夠實時監視現場的生產狀況與裝置資訊，並根據獲取的資訊來最佳化生產排程與資源配置。也要涉及到協同製造單位（如上游零部件供應商、下游使用者）的資訊改變，這就需要用網際網路實現企業與企業資料流動。按照圖2的智慧工廠／數字化車間網路結構，工廠／車間中可能的端到端資料流如圖3所示。

圖3：智慧製造端到端資料流

具體包括：

現場裝置與控制裝置之間的資料流包括：交換輸入、輸出資料，如控制裝置向現場裝置傳送的設定值（輸出資料），以及現場裝置向控制裝置傳送的測量值（輸入資料）；控制裝置讀寫訪問現場裝置的引數；現場裝置向控制裝置傳送診斷資訊和報警資訊；

現場裝置與監視裝置之間的資料流包括：監視裝置採集現場裝置的輸入資料；監視裝置讀寫訪問現場裝置的引數；現場裝置向監視裝置傳送診斷資訊和報警資訊；

現場裝置與MES／ERP系統之間的資料流包括：現場裝置向MES／ERP傳送與生產執行相關的資料，如質量資料、庫存資料、裝置狀態等；MES／ERP向現場裝置傳送作業指令、引數配置等；

控制裝置與監視裝置之間的資料流包括：監視裝置向控制裝置採集視覺化所需要的資料；監視裝置向控制裝置傳送控制和操作指令、引數設定等資訊；控制裝置向監視裝置傳送診斷資訊和報警資訊；

控制裝置與MES／ERP之間的資料流包括：MES／ERP將作業指令、引數配置、處方資料等傳送給控制裝置；控制裝置向MES／ERP傳送與生產執行相關的資料，如質量資料、庫存資料、裝置狀態等；控制裝置向MES／ERP傳送診斷資訊和報警資訊；

監視裝置與MES／ERP之間的資料流包括：MES／ERP將作業指令、引數配置、處方資料等傳送給監視裝置；監視裝置向MES／ERP傳送與生產執行相關的資料，如質量資料、庫存資料、裝置狀態等；監視裝置向MES／ERP傳送診斷資訊和報警資訊。

06我國製造業現狀和首要任務

我國製造業現狀是 “2．0補課，3．0普及，4．0示範”，其中工業2．0、3．0、4．0對應的含義如下：

2．0實現“電氣化、半自動化”：使用電氣化和機械化製造裝備，但各生產環節和製造裝備都是“資訊孤島”，生產管理系統與自動化系統資訊不貫通，甚至企業尚未使用ERP或MES系統進行生產資訊化管理。我國也有許多中小企業都處於此階段；

3．0實現“高度自動化、數字化、網路化”：使用網路化的生產製造裝備，製造裝備具有一定智慧功能（如標識與維護、診斷與報警等），採用ERP和MES系統進行生產資訊化管理，初步實現了企業內部的橫向整合與縱向整合；

4．0實現“數字化、網路化、智慧化”：適應多品種、小批次生產需求，實現個性化定製和柔性化生產，使用高檔數控機床、工業機器人、智慧測控裝置、3D印表機、智慧倉庫和智慧物流等智慧裝備，藉助各種計算機輔助工具實現虛擬生產，利用網際網路、雲計算、大資料實現實現價值鏈企業協同生產、產品遠端維護智慧服務等。

我國實現智慧製造必須2．0、3．0、4．0並行發展，既要在改造傳統制造方面“補課”，又要在綠色製造、智慧升級方面“加課”。對於製造企業而言，應著手於完成傳統生產裝備網路化和智慧化的升級改造，以及生產製造工藝數字化和生產過程資訊化的升級改造。對於裝備供應商和系統整合商，應加快實現安全可控的智慧裝備與工業軟體的開發和應用，以及提供智慧製造頂層設計與全系統整合服務。

07小結

必須牢記，企業不是為了“智慧製造”而智慧製造，應以智慧、協同、綠色、安全發展為突破口，以“兩提升、三降低”為目標，本著長遠規劃、逐步實施、重點突破原則，對整個製造業進行逐步升級改造。