从数字化车间走向智能制造

经济学家威廉·拉佐尼克在《车间的竞争优势》一书中强调指出：“在价值创造过程中，其核心是通过车间生产将原料转化为产品——这可以称为生产性转化。”

在制造型企业，车间处于非常重要的位置。企业价值最终表现在产品与服务上，而车间是企业中将各种图纸转变为产品的主要场所，是决定生产效率与产品质量的重要环节，车间往往也是企业中员工数量最多的组织。因此，在很大程度上，车间强则企业强，车间智则企业智。《中国制造2025》中也明确指出：“推进制造过程智能化，在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间。”数字化车间建设是智能制造的重要一环，是制造企业实施智能制造的主战场，是制造企业走向智能制造的起点。

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数字化车间的建设主线

目前，国内外对数字化车间还没有标准的定义，笔者基于自己的理解，对数字化车间进行如下描述：

数字化车间是基于生产设备、生产设施等硬件设施，以降本提质增效、快速响应市场为目的，在对工艺设计、生产组织、过程控制等环节优化管理的基础上，通过数字化、网络化、智能化等手段，在计算机虚拟环境中，对人、机、料、法、环、测等生产资源与生产过程进行设计、管理、仿真、优化与可视化等工作，以信息数字化及数据流动为主要特征，对生产资源、生产设备、生产设施以及生产过程进行精细、精准、敏捷、高效地管理与控制。数字化车间是智能车间的第一步，也是智能制造的重要基础。

需要指出的是，此处的“数字化车间”，是企业已经熟悉和常用的基本术语，其中“数字化”的内涵包括但是并不限于数字化本身，而是将数字化、网络化要素集成为一体并在内涵上有所扩大的“数字化”概念，其基本含义与德国工业4.0中的“Smart（智巧）”相对应，与中国工程院提出“数字化网络化”的智能制造第二范式相对应。本文以下凡是提及“数字化车间”之处，皆采用该术语内涵。

▲图1 数字化车间架构图

很多人认为，大量采购和引入数字化设备是建设好数字化车间的前提。这是一个很大的误解：数字化设备与数字化车间之间既非必要条件，也非充分条件。即便车间中全是数字化设备，如果没有实现设备的互联互通，没有实现生产过程的数字化管理，数据没有实现真正的有序流动，也不能称之为数字化车间。相反，即便车间里的设备不全是数字化设备，但经过“三哑改造”，设备被接入信息化系统，生产过程实现数字化、网络化与智能化（如智能排产、决策支持分析等），对生产计划、生产资源、生产进度与产品质量等数据在信息化系统中进行有效管理，并可以根据生产需要进行有序流动，也可算是数字化车间。比如，在服装加工等劳动密集型企业都可以通过数字化、网络化改造实现车间的数字化管理。

对于数字化车间建设，我们可以参考德国工业4.0中对“智能工厂”的定义：重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现。前半句“智能化生产系统及过程”，指除了包括智能化的机床、机器人等生产设施以外，还包括对生产过程的智巧化管控，站在信息化的角度，就是智巧化的MES制造执行系统。而后半句：“以及网络分布式生产设施的实现”，是指将生产所用的生产设备与设施（如机床、热处理设备、机器人、AGV、测量测试设备等各种数字化设备），进行互联互通、智巧化的管理，实现信息化系统与物理系统的深度融合。目前很多企业实施的设备物联网（包括传统的DNC/MDC功能)是其重要的表现形式。

从中可以看到，数字化车间建设有三条主线，一条是以机床、热处理设备、机器人、测量测试设备等组成的自动化设备与相关设施，实现生产过程的精确化执行，这是数字化车间的物理基础。

第二条线是以MES为中心的智巧化管控系统，实现对计划调度、生产物流、工艺执行、过程质量、设备管理等生产过程各环节及要素的精细化管控，这是典型的赛博系统。

第三条主线是在互联互通的设备物联网基础上，并以之作为桥梁，联接起赛博空间的MES等信息化系统与机床等物理空间的自动化设备，构建车间级的CPS系统，实现了赛博与物理两个世界的相互作用、深度融合。

三条主线交汇，实现数据在自动化设备、信息化系统之间按照人的意愿进行有序流动，将整个车间打造成软硬一体的系统级CPS，最终实现高效、高质、绿色、低成本的生产模式，提升企业竞争力。

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精益思想要贯穿始终

如果说设备、MES、CPS等三条主线是“实线”的话，精益生产则是数字化车间建设的一条“虚线”，要贯穿数字化建设的始终。

1）精益生产，智能制造的重要指导思想

精益生产是管理学史上重要的实践成果之一，深刻地影响着汽车工业，乃至全球制造业。精益生产基本思想和追求的管理目标，并没有随着智能制造的发展而落伍，恰恰相反，精益思想是企业进行智能制造体系构建的重要指导思想之一。

在此，笔者总结出五条可以指导智能制造建设的精益思想原则。

① 关注客户价值

精益生产强调，流程中所有环节的输入与输出都应当用客户价值这个标尺去衡量。在前端要打通客户真实需求之间的接口，在企业内部，以客户需求来定义自己的产品与服务。如果系统不能满足客户对高质、高效、低成本、高满意度的要求，即便是设备或技术非常先进，也不能算是一个成功的智能制造项目。

② 识别并消除浪费

企业在实施智能制造系统之前，应当对流程中各种浪费进行梳理与改善。精益生产中将制造过多过早、库存、搬运、等待、不必要的作业、不必要的动作以及不良品流窜这七种形式，归纳为七大浪费，这七大浪费是企业生产效率不高、盈利能力不足的根源，需要不断进行完善与消除。如果这些问题没解决，就直接实施智能制造，很可能是用系统的方式把浪费固化下来，既丧失了改善的机会，又增加了不必要的投入。

比如，没有对库存过多的浪费进行改善，就投入大量财力物力去建设智能化的立体仓库；没有对动作浪费进行改善，就引进机器人或机械臂去从事这些本属于浪费的动作，这些都造成了很大的浪费。

③价值的快速流动

精益生产强调价值流的快速流动，包括物理布局工艺流程化，信息传递自动化，以及人、产线设备、仓储物流之间高效协同化。如果在物理布局上有大量断点存在，就会给智能制造的排产与调度带来了更大复杂度。

在系统整体运转的过程中，尽可能多地消除停滞和等待，需要将人、产线设备、仓储物流之间的相互协作机制、信息传递机制、防错与纠错机制，在统一的系统框架内进行设计与建设。

④高度柔性与适应性

精益生产的柔性是指通过快速切换（SMED）的实施与改善，实现产线在生产不同型号、不同配置，甚至是不同种类产品时，可以根据需要进行快速切换。

在小品种多批量、客户需求千变万化的今天，智能制造建设也必须要考虑产线柔性与适应性等问题，否则就可能造成大量投资的浪费。

⑤尽善尽美原则

精益生产中标准作业、自工序完结、良品条件创建与维持、质量内建、安灯控制、防错与纠错机制、变化点管理、全员生产性维持（TPM）等术语之下，都有一套品质维持的理念、原则与方法，这些原则和方法同样可以指导智能制造的建设。

比如，上下工序之间，设备与零件部之间都需要建立全数良品的加工条件与标准，当条件发生偏离时，应当向相关人员发出异常提醒，甚至停止生产。如果智能制造系统缺少这样的机制，自动化程度越高，损失往往越大。

2）智能制造，精益生产的有效使能手段

经过几十年的发展，精益生产已经成为制造业的重要指导思想。在技术快速进步的今天，智能制造又可以很好地促进精益生产的落地与进一步发展。

传统精益生产目视管理有很多很有效的手段和方法，比如5S管理、安灯、标准作业三票、可视化看板等方法。这些方法可以直观地提示发生问题的区域、工位、或是机台、材料等信息，但是要深究问题的根本原因还需要大量的观察与分析，当变异的条件发生变化时，会给分析带来很多困难。

而智能制造以数字化、网络化、智能化等新技术、新手段就可以较容易地解决这些问题。比如：

识别浪费是精益改善的重要组成部分，除了传统的精益手法，通过设备物联网系统采集设备稼动率、待机原因等，能够准确地识别出设备利用等方面的浪费；通过MES系统对物料、工具等进行精益化库存管理，可以明显地减少库存的浪费；通过APS高级排产优化生产计划，可以减少人员与设备等待的浪费等等。

实现流的生产、均衡化生产是个不断改善的过程，但在离散制造车间，生产设备动辄上百台、工序上千上万项，如何保证这些工序在不同设备上生产的均衡化、流动化？如果只靠人的经验很难实现这种生产方式，很容易造成设备忙闲不均，造成工序的等待或停滞。通过APS高级排产以及生产过程协同管理等信息化手段，就可以有效解决这些问题，有助于实现产品“流”的生产及生产的均衡化。

品质改善的目的是确保输出产品品质一致。但由于生产条件各种变化，比如设备故障、热处理温度、刀具磨损等，都可能导致产品质量不稳定。通过设备状态、工艺参数、刀具磨损等的实时监控，就可以快速发现问题，保证生产过程的受控，有效地提升产品品质。

作为重要的使能手段，智能制造不仅可以有助于精益生产的落地，还可以促进精益生产的进一步发展。

看板(Kanban)是精益生产中传递信号与控制生产的工具，分传送看板和生产看板两种。传统的看板大多以卡片、纸张等形式存在，通常以手动方式进行填写。但在智能制造进程中，这些数据可以通过MES等信息化系统在电子屏等数字化终端上实时显示，具有更强的实时性与自动性。

知识内建与管理也是精益生产中的重要理念。在精益运行良好的企业，都非常重视对知识的管理与传承。以前主要是靠师傅言传身教、标准作业文件与流程制度等传统方式，存在学习时间长、可复制性差等缺点。通过数字化、网络化、智能化等智能制造新技术、新手段，可以将知识体现在流程与系统中，隐性知识显性化，对知识的沉淀、传承、挖掘、使用都具有重要的促进作用。

目前，大众所熟知的精益生产管理方法与实现手段总结于上世纪八十年代，带有明显的时代特征。但事实上，如果现在重新去研究今天的丰田汽车，就会发现其实现方式已经发生了巨大的改变，体现了自动化、数字化、网络化、智能化等很多最新技术成果。因此，精益生产的理念与手段也应该随着智能制造的发展而发展。

3）殊途同归，精益智能共促企业良性发展

虽然精益生产与智能制造是两个领域的概念，侧重点也不尽相同，精益生产主要是强调了生产过程中的管理理念与实现方法，智能制造更侧重技术实现，但两者是相辅相成的关系。

从生产过程来看，精益生产中的很多理念，如生产布局、节拍、后工序拉动、标准作业等，是实施智能制造的基础。快速切换、减少浪费、可视化生产、均衡化生产、准时化生产、工序流动化等理念，也是智能制造要实现的过程目标。同样，智能制造中的设备互联互通、高级排产、过程协同、资源精益化管控、质量过程管控、大数据分析、可视化、预测性维护等方法与手段，都有助于促进精益生产的落地与提升。

从实现的目标来看，智能制造与精益生产也是殊途同归，实现敏捷、高效、高质、低成本的生产与服务模式是两者的共同目标。

为体现精益思想与智能制造之间相辅相成、殊途同归的关系，笔者从智能制造的视角设计了一个智能制造背景下的精益屋，请见图2。

该精益屋以自动化设备、信息化系统为基础，以精益思想为主线，以自働化、智能化（含数字化、网络化）为新时代的支柱，基于5S、生产布局、标准作业、设备TPM等传统精益理念，在设备互联互通、高级计划排产、大数据分析等数字化、网络化、智能化手段的支撑下，实现自动化、智能化、精益化三者的深度融合，并通过智能化手段更好地促进生产过程的均衡化、柔性化、准时化以及实现消除浪费与持续改进，从而确保企业的质量、成本、交期，构建一个客户满意、员工满意、社会满意、充满活力与竞争力的智能化、精益化企业。

图2 智能制造背景下的精益屋

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数字化车间实施策略

数字化车间建设是一项复杂的系统工程，数字化车间建设可遵循以下实施策略。

1）统筹规划，服务战略

智能制造不是企业的目的，企业真正目的是通过智能制造实现降本提质增效，提升企业竞争力。数字化车间建设也要为这个目的服务，从整体上服务于企业经营战略。

企业要结合自身实际情况，基于企业战略进行智能制造的设计。比如，要对企业所处行业、企业规模、产品特点、盈利能力、行业地位、发展趋势以及企业自身基础、存在问题、实施目标等，进行深入分析并综合考虑，这些不同的因素决定了企业不同的实施智能制造方法和路径。

数字化车间建设不仅仅是一系列新技术或新系统的单纯应用，既涉及生产自动化系统，又涉及数字化、网络化等信息化系统，还要考虑计划调度、生产工艺、物料配送、精益生产、安全环保等各种因素，是一项影响到车间各个层面，甚至是可以影响到企业层面的综合性工程，一定要有全局的概念与系统的思维。

北京航天航空大学刘强教授有一个著名的智能制造“三不要理论”，即“不要在落后的工艺基础上搞自动化，不要在落后的管理基础上搞信息化，不要在不具备数字化网络化基础时搞智能化。”刘强教授强调了在智能制造规划与建设时，也要注意工艺优化、管理优化等方面工作，而不能只盯着自动化、信息化、智能化。

企业在进行数字化车间建设之前，一定要领导出面并持续关注，在企业战略目标指导下进行系统规划，逐步厘清企业存在的问题、建设目标、解决思路和实施步骤，调动企业各方资源，通力合作，避免信息化部门或车间等单一部门孤军作战，通过工艺优化、组织优化、流程优化、管理优化等工作，为数字化车间建设提供坚实基础。

2）聚焦痛点，扎实推进

基于降本提质增效、快速响应市场的目的，从车间存在的实际痛点出发，打造一个能解决实际问题的数字化车间管控系统，在工艺、设备、管理以及信息化、网络化、智能化等各个方面有重点地进行优化、挖掘潜力，最大程度地提升企业生产效率及管理水平。

首先要聚焦痛点。根据痛点明确要解决的主要问题，比如，是生产效率不高，是产品质量不稳定，还是生产过程不透明等，并以问题为导向，制订相应的解决方案。

其次，还需要分步实施，扎实推进。数字化车间建设有很多阶段，其实施顺序取决于存在问题、生产特点、企业基础及资金投入等多种因素，切忌贪大贪全，可从基础、较易成功的地方着手。比如，从设备互联互通做起，因为设备通讯、数据采集这些内容都是客观因素，不太涉及人员、管理等主观因素，实施的可控性强，成功率高。项目成功后，大家对信息化建设的信心与热情就会增加，就会主动要求更多的改进与功能扩展。

这时，再在前面成功实施的基础上，逐渐推进到MES等涉及人员、管理等信息化系统，由于这些系统需要部分变更人员工作习惯及车间生产管理模式，主观成分较大，甚至会触动一些人的利益，实施的难度相对较大，可放在设备互联互通等步骤之后，这也是一种较为务实的做法。当然，基础好、推进力度大的企业，也可采取同步实施的方式。

3）以人为本，管理取胜

如前所述，本次智能制造不是“机器换人”的过程，而是以自动化、数字化、网络化、智能化等新理念、新技术手段，帮助人类实现更高效、更高质、更绿色、更低成本的生产与服务。在智能制造时代，人变得更加重要，而不是相反。无论是机器人等设备，还是MES等信息化系统，都要基于帮助人、服务于人这个出发点，而不是简单地替代人、减少人。另外，无论多么先进的系统，如果不把人的积极性调动起来，系统就不能发挥最大价值，智能制造就不可能取得成功。

在数字化车间建设中，要以人为本，以更好地发挥人的价值为基本出发点。另外，还要充分意识到数字化车间建设的主体与应用对象不同。不像PLM等系统用户基本上都是年轻的技术人员，数字化车间的主要用户是人数众多、文化水平偏低，甚至年龄偏大的车间工人，要充分考虑系统的易用性、便捷性、安全性、环保性等特点，以精益生产为指导思想，以使用者为中心，在流程优化、工艺优化等基础上，以自动化、数字化、网络化、智能化为手段，以降本提质增效为目标，以管理优化为突破口，通过数字化车间的建设实现精益化、智能化、高效化的生产模式，为企业智能化转型升级在车间层面奠定坚实的基础。

4）效益驱动，落地为王

在数字化车间建设中，既要符合智能制造的理念，有一定的先进性、前瞻性，又要本着务实落地原则。要汲取当年CIMS的经验与教训，不要过于理想化，不要过多强调自感知、自决策、自执行、自组织、自学习等所谓高大上技术，企业不是研究机构，应该以创造效益为根本目的。

根据“二八原则”，解决80％的问题，通常只会耗费20％的成本，而剩下的20％却需要高昂的成本。以前，产品更新换代慢，往往很多年都在重复生产同一款产品，而现在市场变化快速，为了适应日新月异的市场变化和个性化需求，即将建设的系统很可能过几年就需要更新和调整。系统满足当前需求并有一定的前瞻性即可，不要过分复杂、不要过于强调先进性，否则，沉重的投资会给企业带来很大的经济负担。

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数字化车间实施效果

通过成功实施数字化车间系统，企业在车间管理方面将会有质的提升，为企业智能化转型升级奠定良好的基础。

1)设备互联，“哑设备”聪明起来

通过设备的互联互通，将车间的数控机床、热处理设备、机器人等数字化设备实现程序网络通讯、数据远程采集、程序集中管理、大数据分析、可视化展现、智能化决策支持，将设备由以前的单机工作模式，升级为数字化、网络化、智能化的管理模式。

2)协同生产，让设备高效地运转

通过系统中的计划、排产、派工、物料、质量、决策等模块，以信息化系统为手段，实现各种信息的共享与协同，做到车间层面精准化计划、精益化生产、可视化展现、精细化管理，将以前串行生产转变为并行的协同生产模式，实现“一个流”的生产，工件转移到设备前，加工程序等技术文档、工装夹具等生产资源已经全部准备就绪，大大减少设备的各种等待时间，可明显提升设备生产效率，降低生产成本，提高客户满意度。

3)虚实融合，数据在流动中增值

改变传统的制造模式，做到虚拟世界与物理世界深度融合，虚实精准映射、相互促进。车间各岗位、各设备都融于整个信息化系统，以数据有序流动为特征，以高效高质生产为核心，人、机、料、法、环、测各环节相互融合，基于数字化、网络化、智能化的管理系统，使管理者能做到“看得见，说得清，做得对”，实现了生产过程的“Smart”，即敏捷、高效、高质、低成本、绿色、协同的智巧化生产与服务模式。

4) 智能制造，降本提质增效是标尺

通过数字化车间建设，对车间进行全面的科学管控，大幅度提升车间计划科学性、生产过程协同性、生产设备与信息化系统的深度融合度，并在大数据分析与决策支持的基础上进行透明化、量化管理，可对企业生产效率、产品质量、生产成本等方面有明显改善。

以下是数字化车间系统实施后的统计结果：

制造信息量提高15-60%

生产效率提高10-30%

计划质量提高25-70%

生产透明度20-70%

经济效益提高10-25%

生产灵活性提高15-60%

生产周期降低15-40%

外协费用降低5-15%

生产准备成本降低15-40%

处理紧急事故的成本降低20-60%

生产管理成本减少15-25%

生产计划成本降低10-30%

产品准时交货率提高15-40%

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数字化车间系统选型原则

目前市场上号称能做数字化车间或MES系统的公司有很多，良莠不齐。企业在系统选型时应从以下几个方面进行考虑：

1）完整性。很多系统只是停留在生产、库房、质量等部分模块上，不能够对车间进行全方位的管理，这类系统不能称之为真正意义上的数字化车间或MES系统。

2）先进性。制造企业需要的是一套理念及技术先进的系统，高级排产、数据自动采集、协同制造等都是数字化车间的核心功能，虽有很大的技术难度，但只有真正突破这些技术瓶颈，才能支撑起智能制造的发展需要，才能最大程度地发挥车间的生产潜能，而不仅仅满足于台账的电子化或者简单的看板管理。

3）成熟性。系统应该是有行业成功案例的成熟产品，并具有良好的灵活性和扩展性。最好是平台化产品，便于根据企业实际情况进行快速定制开发与系统部署，减少企业的实施风险。

4）专业性。数字化车间系统具有非常明显的行业背景，除了分为流程、离散两个大类之外，即便是同为离散行业，也分机械加工、电子组装、服装加工等很多类型的行业。用户要根据自己的行业特点、具体需求来选择专业的系统。比如，有的系统即便在太阳能领域很成功，但可能没做过军工行业，甚至机械加工都没做过，面对多品种、小批量的军工等行业，这类系统就很难成功。

5）技术团队。数字化车间系统需要专业团队进行二次开发与实施，需要周到、及时、专业的服务，制造企业需要对供应商进行公司实力、服务能力、典型客户等多方面的考察，确保项目的成功率及将来可持续性的服务。

6）选型人员组成要合理。最好采用“IT为主导，用户为主体”的方式，IT部门组织交流、调研等活动，并从IT技术方面进行把关；而精通生产管理的使用部门则从功能上、使用方便性等方面进行确认，相互配合，共同完成选型工作。否则，纵然是IT部精挑细选回来的软件，使用部门感觉不好用，不愿意配合使用，这样的系统，即便是架构再好，集成性再好，最终还是避免不了失败的结局。

7）易用性。系统使用界面友好，操作简单，易学易用，确保车间工人能掌握。

8）性价比高。在满足使用要求前提下，还要做到价格合理、功能实用，降低企业购置成本。

总之，数字化车间建设要以实际需求为牵引，以经济效益为驱动，以成功落地为导向。在先进设备的基础上，在管理方面深挖潜力，充分发挥人的作用，构建数字化、网络化和适度智能的生产模式，切实做到明显的“降本提质增效”。并以量化数据为基础，循序渐进，有效地提升企业的竞争力。比如通过三年时间，能将设备利用率提高一倍，将产品合格率提升一个档次，就极有可能“确保企业的未来”，这才是比较务实的数字化车间建设原则。