智造單元的定義

智造單元是一種模塊化、積木式、互聯(lián)互通的數(shù)字工廠實(shí)踐，其模式實(shí)現(xiàn)設(shè)備四世同堂的在線管理，有效地保護(hù)既有設(shè)備的投資，傳承了企業(yè)沉淀的管理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)迎合了當(dāng)前科技勞動(dòng)者的需要，從而穩(wěn)步推動(dòng)傳統(tǒng)企業(yè)走向智能制造。

智能制造正在成為不可逆轉(zhuǎn)的制造趨勢(shì)，然而企業(yè)大量的設(shè)備都是在更早時(shí)期留下來(lái)的遺產(chǎn)（legacy）系統(tǒng)，而面臨的勞動(dòng)力卻是新生代面孔，有學(xué)識(shí)，有學(xué)歷的科技勞動(dòng)者。如何能夠在有效保護(hù)既有投資的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能制造的穩(wěn)健落地？智造單元提供了一個(gè)有效的解決思路，成為推進(jìn)“中國(guó)制造2025”離散性制造企業(yè)的工廠升級(jí)最可靠的法寶。

智造單元SMU (Smart Manufacturing Unit）是一種工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)踐，可以階段性地實(shí)現(xiàn)智能工廠的落地；智造單元是一種模塊化的思想，是實(shí)現(xiàn)智能工廠的建設(shè)與規(guī)劃的指南。它把滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求的各種散落的珍珠，以客戶(hù)價(jià)值最大化的理念串成亮閃閃的項(xiàng)鏈。

智造單元可以定位實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的基本工作單元。針對(duì)裝備制造業(yè)的離散加工現(xiàn)場(chǎng)，把一組能力相近的加工設(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行模塊化、集成化、一體化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠各項(xiàng)能力的相互接口，具備多品種少批量（單件）產(chǎn)品生產(chǎn)能力輸出的組織模塊。如圖1示例：

圖1 智造單元案例圖

為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字工廠的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，基本工作單元必須要實(shí)現(xiàn)模塊化、自動(dòng)化和信息化。但傳統(tǒng)上的解決方法，往往采用各種設(shè)備疊加組合，缺少整體上的一體化設(shè)計(jì)，尤其是軟件、硬件一體化的設(shè)計(jì)。而這正是智造單元要解決的問(wèn)題，它圍繞現(xiàn)場(chǎng)要素，從資源軸、 管理軸和執(zhí)行軸這三個(gè)角度，提供了一個(gè)完整的多品種小批量的解決方案。

按照“一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)、三個(gè)軸向”的視角，每個(gè)軸向都涉及到四個(gè)要素，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化的布局與管理。?

圖2 智造單元的“一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)軸向”

在資源軸上，主要是對(duì)人員、流程、產(chǎn)品、設(shè)備的管理。資源可以是任何活動(dòng)的對(duì)象，也可以是執(zhí)行這些活動(dòng)的前瞻主題。特別值得注意的是，員工是寶貴的資產(chǎn)。工廠工人在物理世界生產(chǎn)產(chǎn)品，不管職務(wù)是不是管理者，都會(huì)以項(xiàng)目為大的原則，依據(jù)系統(tǒng)需要做決定并給其他人傳遞信息指示。

而管理軸則是質(zhì)量、成本、交期、安全，是生產(chǎn)過(guò)程中核心輸出的要素運(yùn)維與管控；而在執(zhí)行軸（PDCA），則是標(biāo)準(zhǔn)的戴明環(huán)，也就是計(jì)劃（Plan）、執(zhí)行（Do）、檢查（Check）、糾正（Action）。在智能產(chǎn)線中，這個(gè)PDCA的戴明環(huán)類(lèi)似于工業(yè)4.0的核心要素“賽博物理空間”（CPS）。

這三個(gè)軸向的要素分解，既貼合企業(yè)的實(shí)際業(yè)務(wù)活動(dòng)，又綜合地表達(dá)了現(xiàn)場(chǎng)人員和各種設(shè)備之間互動(dòng)的過(guò)程與結(jié)果。從豐田的角度來(lái)看，這也可以看成是“帶人字旁自動(dòng)化”的一部分，就是將人的因素，也放在智造單元的閉環(huán)之中。

智造單元是扎根于車(chē)間而自然生長(zhǎng)的結(jié)晶。智能制造所有重要的問(wèn)題，都需要回到現(xiàn)場(chǎng)去解決。由于智造單元的產(chǎn)品架構(gòu)，本著“模塊化”、“單元化”、“集成化”和“一體化”的理念進(jìn)行組織。這使得實(shí)際在生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)每一塊都是可以獨(dú)立的運(yùn)行，集中的承載某一功能，呈現(xiàn)某一塊價(jià)值，我們可以視為是一?！罢渲椤?，而智造單元更像是一串項(xiàng)鏈，以現(xiàn)場(chǎng)價(jià)值為導(dǎo)向，把一粒粒被需求的珍珠串在一起。如圖3：

圖3 智造單元的“珍珠與項(xiàng)鏈”

全球制造范式的改變

早在2009年，美國(guó)Koren教授就提出來(lái)，新興的社會(huì)需求會(huì)催生新的制造模式。他給出了四種模式的示例模型圖。這意味著，每出現(xiàn)一種新的制造模式，總會(huì)有一種新興的制造系統(tǒng)與之相適應(yīng)。

圖4 市場(chǎng)和社會(huì)需求的驅(qū)動(dòng)

（source：《全球化制造革命》）

在當(dāng)下，全球智能制造成為一種全新的制造系統(tǒng)，而智造單元正在成為這種系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)樣板之一。全球智能制造的快速發(fā)展，有一條重要的指導(dǎo)思想，就是要用服務(wù)業(yè)的思想去做制造業(yè)，所以需要有服務(wù)的通道，而產(chǎn)品只是載體。產(chǎn)品全生命周期服務(wù)才是雙方合作的主題。

表1 傳統(tǒng)制造與智能制造的區(qū)別

而采用了積木式、模塊式、互聯(lián)互通的智造單元，可以輕松實(shí)現(xiàn) “制造即服務(wù)”的理念，成為制造業(yè)整個(gè)價(jià)值鏈中的一個(gè)最為基礎(chǔ)的核心單元，單元之間相連，可以閉環(huán)實(shí)現(xiàn)基于制造服務(wù)為輸出的基于制造整個(gè)價(jià)值鏈整合的商業(yè)模式。見(jiàn)圖5：

圖5 智造單元構(gòu)建的商業(yè)模型

智造單元的價(jià)值定位是迅速搭建起數(shù)字化工廠，是智造生態(tài)的的一個(gè)細(xì)胞，是實(shí)現(xiàn)多品種小批量的一個(gè)解決方案，也可以是制造工廠的一條產(chǎn)線，或一條產(chǎn)線的一個(gè)單元。如圖6：

圖6 智造單元的價(jià)值與定位

從智能智造三大集成價(jià)值網(wǎng)絡(luò)來(lái)看智造單元：“縱向集成”看一條線，一個(gè)單元；“橫向集成”看是多個(gè)單元，或多個(gè)工廠的多個(gè)單元；“端端集成”看是一個(gè)上下游的產(chǎn)業(yè)鏈。而產(chǎn)業(yè)鏈的打通需要基礎(chǔ)條件的一致與統(tǒng)一，有數(shù)據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還有互聯(lián)互通的能力，這一點(diǎn)類(lèi)似于本文關(guān)于“珍珠與項(xiàng)鏈“的類(lèi)比，智能生態(tài)，制造行業(yè)一盤(pán)棋，需要具備統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，互聯(lián)互通的屬性，智造單元滿(mǎn)了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

智造單元，使得智能制造具有了更加實(shí)用的價(jià)值，可以提供：

⊙多品種小批量的解決方案；

⊙實(shí)現(xiàn)四代同堂設(shè)備環(huán)境的智能智造；

⊙兼容和融合企業(yè)現(xiàn)有的軟件體系，傳遞和延續(xù)客戶(hù)沉淀的管理智慧以及原軟件體系的價(jià)值；

⊙成就客戶(hù)互聯(lián)、互通的網(wǎng)絡(luò)化合作平臺(tái)；

⊙實(shí)現(xiàn)客戶(hù)自有產(chǎn)品的智能化產(chǎn)品及服務(wù)體系建設(shè)（建設(shè)云后臺(tái)）；

⊙實(shí)現(xiàn)行業(yè)工業(yè)大數(shù)據(jù)的入口 。

需要強(qiáng)調(diào)的是，工業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)生越來(lái)越多價(jià)值。工業(yè)大數(shù)據(jù)是企業(yè)軟實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)所在，這也是建設(shè)智造單元的歸屬。

四世同堂 輕松升級(jí)產(chǎn)線

智造單元由于它的產(chǎn)品屬性與結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品端具備四化的特征：結(jié)構(gòu)模塊化、數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)化、場(chǎng)景異構(gòu)柔性化，以及軟硬件一體化。這就是使得用戶(hù)端可以通過(guò)用得了、用得起的方式，建立適合自己的柔性化、智能化的生產(chǎn)線。

現(xiàn)在有很多這樣的工廠，現(xiàn)場(chǎng)有許多原來(lái)的老設(shè)備，維護(hù)得也很好，也有上新設(shè)備，包括自動(dòng)機(jī)械手，但實(shí)際上這些原有的裝備其實(shí)不需要淘汰。這個(gè)智造單元要考慮四代同堂設(shè)備的現(xiàn)狀，把它們集成進(jìn)來(lái)。因?yàn)橛行┰O(shè)備也不需要聯(lián)網(wǎng)通信，有信號(hào)即可，信息采集可以變換方式的。

在國(guó)產(chǎn)裝備中，有些是可以完整地直接進(jìn)入產(chǎn)線，有些是需要通過(guò)改造的。智造單元適應(yīng)了四代同堂的現(xiàn)實(shí)需求，讓老設(shè)備同樣發(fā)揮出價(jià)值。

智能工廠組線模式，可以定義為：模塊獨(dú)立、多模塊并存，隨時(shí)組成不同的工藝需求路線、各種方式同在，支持四世同堂。

如果在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，產(chǎn)品的單向鏈很長(zhǎng)，或者有多個(gè)產(chǎn)品，就可以有多個(gè)智造單元陣列存在，可以一個(gè)庫(kù)，也可以多個(gè)庫(kù)。在工廠中，也可能存在特別大型的設(shè)備，不便于搬運(yùn)，放在哪個(gè)單元可能都不合理，但在智能制造組線模式中是不受影響的，因?yàn)橹灰辛酥悄芪锪鳎肁GV小車(chē)之類(lèi)把各單元線連起來(lái)即可。

如果一個(gè)集團(tuán)公司，根據(jù)產(chǎn)品情況，有100個(gè)單元，每個(gè)單元加工的零件可以是定向的，產(chǎn)品設(shè)計(jì)完畢后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)制造包，按零件的屬性可以進(jìn)行歸類(lèi)，把每類(lèi)分配到對(duì)應(yīng)的智造單元中去，這些單元聯(lián)動(dòng)起來(lái)，就是隨時(shí)的智能工廠應(yīng)用。再者，如果集團(tuán)工廠下面有很多工廠或換成N個(gè)單元，每個(gè)單元的數(shù)據(jù)都上傳服務(wù)器，通過(guò)網(wǎng)端、在產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控報(bào)表、工程軟件通道和遠(yuǎn)程服務(wù)，可以集中，也可以分散；既可以在一個(gè)工廠有多個(gè)智造單元，也可以在不同地區(qū)有多個(gè)制造工廠，采用“單元信息模塊化，工廠信息集成化”的頂層數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)原則，把需求數(shù)據(jù)按照需求連通起來(lái)即可組成集團(tuán)的智能制造生態(tài)園，如此開(kāi)放的IT 架構(gòu)，不僅僅便于未來(lái)的升級(jí)，更便于應(yīng)用的集成。單元信息模塊化到具體的智能工廠和單個(gè)的智造單元，這樣就化繁為簡(jiǎn)了。

一個(gè)更為重要的價(jià)值愛(ài)在于，智造單元可以在不影響產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備的在線入列和出列的自由切換，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最大開(kāi)動(dòng)率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)研共線。

圖7 智造單元設(shè)計(jì)圖

90后員工新一代，要求全新的制造模式

中國(guó)制造業(yè)的人才，正在經(jīng)歷重要的變化。這是在推進(jìn)智能制造過(guò)程中，必須要考慮的因素。在1990年以前，以勞務(wù)人員構(gòu)成為主，找一個(gè)受高等學(xué)歷教育的不容易。大量勞務(wù)密集型人才群體的存在，是中國(guó)三十多年的粗曠型發(fā)展的勞動(dòng)大軍。

從人員上看，大學(xué)生生錄取率代表國(guó)家培養(yǎng)科技人才的進(jìn)程，見(jiàn)圖8：

圖8 大學(xué)生錄取率分析

1990年出生的人口，在2008年參加高考，此時(shí)高考的錄取率已經(jīng)高達(dá)60%。當(dāng)前，他們已經(jīng)是工作五六年的重要生力軍。這意味著，受過(guò)良好教育的科技工作者人群將成為新的勞動(dòng)主力軍，這些人，出生的家庭條件均比父輩富裕，多數(shù)接受了高等教育，性格上獨(dú)立，思想上有自我追求；不再受約于“貧窮限制了想象力”的時(shí)代環(huán)境，愿意接受“自組織模式”。

勞動(dòng)者人群結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變是我國(guó)近期人口紅利消失的關(guān)鍵所在。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在2030年中國(guó)將有4.0-4.3個(gè)億的90后，這個(gè)數(shù)據(jù)相當(dāng)于整個(gè)歐洲的人口，在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的國(guó)策環(huán)境下，中國(guó)大量的自主與創(chuàng)新思維浸潤(rùn)下的90后將大顯身手。

從勞動(dòng)從業(yè)者的角度，也需要一種新的符合智能制造模式的生產(chǎn)工具出現(xiàn)，適應(yīng)90后的習(xí)慣和方式，適合大面積科技勞動(dòng)者的生產(chǎn)方式。

而智造單元的模塊化、自由組合的方式，正是基于對(duì)未來(lái)制造趨勢(shì)與人員結(jié)構(gòu)判斷的一個(gè)設(shè)計(jì)理念。

回歸經(jīng)典旋律

個(gè)性化需求與個(gè)性化體驗(yàn)是當(dāng)下及未來(lái)的主旋律。個(gè)性化需求反映在生產(chǎn)上就是多品種小批量的生產(chǎn)方式，而這種生產(chǎn)方式對(duì)生產(chǎn)線提出的要求就是產(chǎn)線具備快速換產(chǎn)的能力，從而優(yōu)化了供給側(cè)的生產(chǎn)方式；個(gè)性化體驗(yàn)，對(duì)生產(chǎn)線的要求就是數(shù)字化，“數(shù)據(jù)”的采集和使用構(gòu)成工廠數(shù)字化的核心，而“數(shù)據(jù)”也是智能制造的原材料，所以，市場(chǎng)的需求提出了智能制造的需要，需要呼喚市場(chǎng)能交付出具備“多品種小批量”生產(chǎn)能力的現(xiàn)場(chǎng)工具。

為了完美地實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，十年前Koren教授曾經(jīng)提供了一個(gè)可重構(gòu)制造系統(tǒng)RMS（Reconfigurable Manufacturing System），然而由于成本問(wèn)題和過(guò)于理想化，RMS并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)。

智造單元作為模塊化、可擴(kuò)展性的集大成者，很多思想，非常接近當(dāng)年的可重構(gòu)單元：專(zhuān)用柔性、可擴(kuò)展性和可變換性是重構(gòu)的必要特征，模塊性、可集成性和可診斷性是重構(gòu)的重要特征。除了可變換性，智造單元基本具備了RMS其他的五種特征。

圖9 智造單元的廣義技術(shù)成熟度

從整個(gè)圖9可以看出，隨著自動(dòng)化、信息化的成熟，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的介入和工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能的自學(xué)習(xí)，使得智造單元的技術(shù)成熟度已經(jīng)相當(dāng)成熟，具備推廣和實(shí)施的技術(shù)條件。

小結(jié)

從構(gòu)成理念到實(shí)踐價(jià)值，從解決方案到商業(yè)模型，從企業(yè)最關(guān)心的人口和設(shè)備入手，步步為營(yíng)，讓更多的智造單元實(shí)踐到更多的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，使得智造單元成為離散型制造企業(yè)落地的重要抓手，也是柔性加工產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)智能化的利器。

就建設(shè)路徑而言，制造范式的轉(zhuǎn)變是需要抓手的，而智造單元是符合未來(lái)制造趨勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)樣板，可以快速上手，在既有工廠的基礎(chǔ)上 ，實(shí)現(xiàn)智能制造的快速升級(jí)。