智能制造与制造业服务化

 一、智能制造技术的内涵和关键技术

    《中国制造2025》去年推出以来，国家投资最大，支持力度最大的就是智能制造。智能制造(Smart Manufacturing)是实现整个制造业价值链的智能化与创新，是信息化与工业化深度融合的进一步提升。智能制造从单一软件到小融合，再到不断的大融合，今天进入了深度融合的时代。智能制造融合了信息技术、先进制造技术、自动化技术和人工智能技术。

    但是目前智能制造的“智能”还处于“Smart”的层次，智能制造系统具有数据采集、数据处理、数据分析的能力，能够准确执行指令，能够实现闭环反馈；而智能制造的趋势是真正实现“Intelligent”，即智能制造系统能够实现自主学习、自主决策，并不断自我优化。

    智能制造技术可以是一个四层的金字塔。底层是企业的基础，是智能产品和智能服务，这二者是相关的，可以给我们带来商业模式的创新。现在已经有很多商业模式的创新就围绕这两个方面，尤其是在装备制造业，智能服务有非常大的想象空间。第二个层次就是智能装备，智能的生产线，智能车间和智能工厂，带来生产模式的创新。第三个层次是智能管理、智能研发、智能物流与供应链，带来企业运营模式的创新。顶层是智能决策，带来决策模式的创新。
 

图1 智能制造的十大关键技术

    智能制造还需要很多的智能技术使其变得可能，没有这些东西，上面这些东西就实现不了。这些技术有物联网、机器人、增材制造、云计算、大数据分析、电子数据交换、增强现实等。在智能制造技术金字塔中，智能制造的十大关键技术有：

    1.智能产品
 

图2 智能制造关键技术之一：智能产品

    长安汽车开发的无人驾驶汽车，今年4月份直接从重庆开到北京的车展。下图是在旧金山街头看到一个智能的垃圾箱，该垃圾桶集太阳能、物联网、高效压缩机为一体，垃圾快倒满时，压缩机会在40秒内将垃圾的体积压缩至原来的五分之一，垃圾箱快满时自动联网发送垃圾桶已满及地理位置等信息至垃圾处理中心。处理中心的系统根据各个垃圾桶发回的数据分析，规划最佳回收路线和时间。该产品还提供WIFI热点。
 

图3 智能垃圾箱

    以前工作人员每天都会看满了没有，现在满了自己会呼叫，这就是智能。所以我们中国也应该开发这样一个产品，这样一个垃圾桶卖几万块，美国所有城市都在部署。

    2.智能服务

    智能服务基于传感器和物联网（IoT），可以感知产品的状态，从而进行预防性维修维护，及时帮助客户更换备品备件，甚至可以通过了解产品运行的状态，帮助客户带来商业机会。通过采集产品运营的大数据，辅助企业进行市场营销的决策。通过开发面向客户服务的APP，可以针对企业购买的产品提供有针对性的服务，从而锁定用户。

    最近有一个很有意思的现象。比如，全球PLM领导厂商之一，美国PTC公司斥巨资进军物联网和服务生命周期管理领域，成为智能服务领域的领军企业之一。比如，罗尔斯.罗伊斯公司的Total Care的服务，现在卖是绩效付费，它的立场和客户立场统一了。
 

图4 罗尔斯.罗伊斯公司的Total Care服务

    我们都希望产品质量是最好的，以前是足够好就可以了，真正你要有能力提供按绩效付费，当然要对产品有足够的信心。最近我们去考察一个山东的企业，盾构是按米付费的，因为在盾构的是结构复杂的坚硬岩石，不同的材质还得有不同的刀去切，否则效果不同。

    3.智能装备
 

图5 智能制造关键技术之一：智能装备

    现在有很多类型的保证生产制造的智能装备，包括工业机器人。但不是所有工业机器人都叫智能机器人，这点要明确。举个例子，下图是华中科技大学的李德群院士开发的智能型数控注塑机，把传统的注塑机，配置注塑机智能专家系统软件，实现了工艺自动优化，参数自动补偿，产品自动分拣、过程自动监控和故障诊断等功能。
 

图6 智能型数控注塑机

    还有德国一些最新的装备，在一定程度上也体现了智能装备的特点。通常的激光切割机都是切平板的，而通快集团的高速激光加工是把数控加工、三坐标/五坐标的加工中心和激光切割连接起来。不仅仅是提供切割机本身，还提供自动化的设备，也提供相关的软件，并且多台激光切割机可以共享一个光源。通快集团通过欧洲第三方工业云平台提供这个服务。
 

图7 通快集团：高速激光加工

    另外，当我们还在谈增材制造与传统制造融合的时候，DMG公司提供的LASERTEC 65设备，用激光堆焊的方法替代了铸造，然后再用铣刀以及增材技术进行深加工，这种加工工艺不仅可以制造新产品，还可以对老产品进行维修。
 

图8 DMG：增材制造与传统制造融合

    GE公司在匹斯堡建立了一个巨大的生产中心，大概有一百多台制造设备。美国UPS公司表示未来会成为全世界最大的增材制造商，而你订购一个鞋子设计样式到它那打印就可以了。以后会有这样的跨界融合。

    我们再来看一下什么叫智能机器人？去年汉诺威工业展上，ABB公司的Yumi协作机器人不需要回避人的活动。取料的时候，所有零件是随机摆放的，它具有了机器识别功能，可以准确的拿到所需要的所有零件。
 

图9 双臂14轴的机器人YuMi

    最近德国博士也推出类似的机器人，也就是说未来的机器人不是替代人，而是人机协作。

    4.智能产线

    智能生产线上，在生产和装配的过程中，能够通过传感器或RFID技术自动进行数据采集，并通过电子看板实时显示生产状态；能够通过机器视觉和多种传感器进行质量检测，自动剔除不合格品，并对采集的质量数据进行SPC分析，找出质量问题的成因；支持多种相似产品的混线生产和装配，灵活调整工艺，适应小批量、多品种的生产模式；具有柔性，如果生产线上有设备出现故障，能够调整到其他设备生产；针对人工操作的工位，能够给予智能的提示。
 

图10 智能产线的规划案例

    智能生产线流程：

    1.依据自动物料识别技术，自动提取相应的工件加工NC代码

    2.机械手自动抓取对应ID坯料与配套工装夹具，实现工件的自动装夹，自动加工与自动卸料

    3.在生产线控制系统的指令下，通过输送链/带/轨道或者AGV物流车将物料配送线边

    4.依据自动物料识别技术，自动提取相应的工件加工NC代码

    5.智能检测工位完成在制品关键参数的数字化检测，将检测数据自动上传生产线控制系统

    6.在生产线控制系统的指令下，通过输送链/带/轨道或者AGV物流车

    不论是生产的方式，还是悬挂的方式，在实现空气之间的流转这个过程中，包括自动化的流转仓库，所有工位都需要用到工业机器人。很多工业机器人运用的OE很低，有一家做汽车发动机的企业，它的生产线中间有一个交叉，工业机器人可以发挥更大的作用。所以在生产线设计上有一个很大的技巧。

    5.智能车间
 

图11 智能制造关键技术之一：智能车间

    智能车间，能够实现全局的生产管控，知道该生产什么，了解设备状态，能够进行生产统计、作业指导、质量管控，具有生产防错系统，能够实现物料的准时配送以及产品的及时发运。

    智能车间里除了有基本的技术之外，还有一些新的技术。比如海尔现在有一个虚实融合技术，把数字化的三维空间和生产实际数据做了一个集成，虚实融合系统显示的数据都是设备当前持续作业的工单，如果出现故障看见的是它真正的状态。以前我们做虚拟仿真，现在把真实产品上的传感器采集的数据，传到数字化的样机做仿真分析，这个就比原来更真了，因为数据都是来自于真实的工况，这里包括一些车间数据的统计以及物流数据。
 

图12 海尔：虚实融合应用

    6.智能工厂

    一个工厂有多个车间，一个车间有多条生产线。智能工厂就是，虽然物理上国际有这么多企业遍布全球，但是对外来讲一个企业可以是一个车间、一个工厂，这个智能工厂可以统一接单，统一调度。这个时候MES不仅仅是车间的系统，还是一个企业级的制造工厂。在这个工厂里还有一些新的管理，比如说智能刀具管理等，同时还可以利用一些AGV立体仓库。西门子的全球工厂，有一个24米高的自动化立体仓库，能够做到高速和精准定位。还有数字化的质量检测，比如一个卡尺，卡一下数据就录入进去了，不再需要手工录入。
 

图13 智能制造关键技术之一：智能工厂

    有一个说法，人是最大的污染源，对于机械行业来讲，最好是数据直接录入，不再经过人的影响。还有高级计划排程，对机械制造行业有实际的意义，同时我们倡导企业需要建立一个生产控制中心，未来我们的机械制造行业、装备制造行业也应该建立这样的生产智慧中心。上图是一个智能工厂整体的架构。
 

图14 西门子安贝格电子工厂

    去年4月份我们去参观了西门子的工厂，那是全世界公认的工业4.0的标杆。在这个工厂里我们参观了两条产线，一条是全自动化，只生产两种产品，机器人和自动化设备应对自如。另外一条线是50%自动化，因为要造54种不同的产品，有些工序人工处理更加灵活。但是不管是哪种方式，在人工工序上都有防灾设计。真正的智能制造强调的是少人化，不是无人化，尤其在智能制造行业根本没有必要提无人化。

    7.智能研发
 

图15 智能制造关键技术之一：智能研发

    虽然研发上已经有很多的智能化，却是远远不够的。在智能研发方面，第一我要倡导全三维设计，要从二维三维混用走向全三维设计，所有的变更和修改都发生在三维模型上。未来的工程图仅仅是二维的表示，但是三维的内容，这样才能让技术状态保持一致。按照现在的现状，估计大多数企业都是客户一修改，三维模型就仅作参考了，这是一个很大的问题。第二我要倡导工艺的数字化。第三则需要在方针技术的应用上采用驱动设计。仿真还需要矩阵式的组织，这样才能凝练仿真的能力。现实的现状是，比如工业机械企业，仿真人员都是分散的，之间没有联系，能做到的仅仅是验证，谈不上仿真驱动设计。

    有一些制造分析的智能化软件，其中有一个DFMPro解决方案，它可以把一些工艺准则放进去，使得工业问题实现自动提示。
 

图16 可制造性分析

    8.智能管理

    在智能制造时代，需要传统制造业信息化，以前都是各个系统各自管一部分分散的数据，现在把所有的数据都放在在一个数据库里。未来移动版的CRM，不需要知道你今天拜访了哪几个客户。不管是哪个客户的要求，都应该放在系统里统一的管理，同时在ERP里生成一个实例的BPM。

    核心运营系统包括ERP、HCM、CRM、SRM、SCM、MDM、EAM、企业门户等。实现智能管理的基础是核心系统无缝集成。

    9.智能物流与供应链

    为了物流的方便以及供应链的完整，我们建立很多的产业园区。通过EDI进行供应链协同，让制造商的供应链协作信息化、自动化。欧洲企业在这方面上已经建立了这样的统一标准：企业都变成点对点，一家一家集成，到整个行业用一个供应链平台。

    江淮汽车主要以主机厂为核心的全产业链质量控制的零部件供应巢建设项目现已有澳大利亚和台湾、香港等7省区在内的260家企业签约入驻。目前江淮已实施了物料拉动平台，通过EDI进行供应链协同，让制造商的供应链协作信息化、自动化。
 

图17 通过EDI进行供应链协同

    10.智能决策

    业务智能、业务分析与企业绩效管理要有机结合，这点非常重要。智能决策，首先依托于结构化数据，其次便是来自于现场与研发的大数据，生产的大数据，质量的大数据，能耗的大数据，产品运用的大数据，这些大数据是制造行业特有的工业大数据。
 

图18 工业大数据

    三一重工做了一些开拓性的工作，它把已经销售给客户的几十万台的挖掘机做成了一个挖掘机指数。开工量最低的20%，安徽、浙江、江西、湖北，开工量全是50%，和GDP对比一下就知道了，不仅是分析了施工时间，同时做了大数据的分析。
 

图19 三一重工的挖掘机指数

    二、服务型制造业与制造业分享经济

    下图是多年前做的一个调查，在德国的机械制造行业，利润率只有百分之二点几，更多的利润点是卖配件、维护、二次维护等等。制造业服务化对智能制造业有特殊的意义，可能对其他的电子消费品，是一次性消费，用完就扔了，而装备制造业还要再制造。
 

图20 制造业服务化趋势

    服务型制造由来已久，模式非常多——个性化定制，合同制造，ODM制造，OEM制造，还有研发设计、维修、租赁等等各个服务。制造企业未来会衍生成制造服务型和技术服务型企业。
 

图21 服务型制造由来已久

    前些时候国家发布了《发展服务型制造专项行动指南》，其中包括设计服务提升行动、制造效能提升行动、服务模式创新行动以及客户价值提升行动。
 

图22 发展服务型制造专项行动指南

    国家这样做非常具有引导意义，服务以各种形式融入到了制造业研发设计、生产制造、经营管理、销售运维等环节。安司长在文章中将服务型制造分为了五种模式： 
 

图23 服务型制造的分类

    模式一：基于产品设计的增值服务
 

图24 模式一：基于产品设计的增值服务

    基于产品设计的增值服务包含很多个性化的服务，比如长安汽车，官网上推出了CS15定制车，提供非常多的配置选择，未来还会不断丰富更多的配置项。还有一个个性化服务案例——沙滩鞋。
 

图25 汽车定制：基于互联网和模块化设计

图26 Yooshu：个性化定制沙滩鞋

    模式二：基于产品效能提升的增值服务
 

图27 模式二：基于产品效能提升的增值服务

    基于产品效能提升的增值服务，包括产品生命周期管理服务，实时诊断与维修等服务。下图是基于物联网驱动的增值服务，基于传感器和物联网感知产品的状态，从而进行预测性维修维护，及时帮助客户更换设备备件。从设备的传感器收集数据，结合APP检控传感器数据决定出发服务问题或其他状态。服务知识库、诊断规则和维护时间表用于确定状况发生时需采取的行动。通过优化的库存位置，确定和订购所需零件，开发现场服务ticket，安排技师去服务。
 

图28 基于物联网的增值服务

    模式三：基于产品交易便捷化的增值服务
 

图29 模式三：基于产品交易便捷化的增值服务

    基于产品交易便捷化的增值服务，包括多元化的金融融资服务，精准化供应链管理服务以及便捷化的电子商务服务。

    模式四：基于产品集成整合的增值服务
 

图30 模式四：基于产品集成整合的增值服务

    基于产品集成整合的增值服务，由单台设备到提供多台设备，包括专业化的整体运营维护服务的解决方案。下图是陕鼓的案例，不仅是卖多个产品，从系统的方案到设备的集成安装调试、系统维护和升级，提供的是全生命周期管理的服务。从卖产品转化为卖解决方案，提供交钥匙工程。
 

图31 交钥匙工程

    模式五：从基于产品的服务到基于需求的服务
 

图32 模式五：从基于产品的服务到基于需求的服务

    段院士说过一句话——未来你需要什么我做什么。最近，欧特克公司提出了未来制造的理念，它发布了一种新的设计，便是基于增材制造的设计。当完成任何一个零件的设计之后，接下来要做的事情是减重，优化。现在提出了工业的生产铸造，也可以做成空心的结构。用增材制造的方法做一些未来的航空发动机，以前材料不可攻克，现在有了打印技术就可以攻克了。
 

图33 欧特克提出的未来制造理念

    在三维打印生产过程中，产品的强度往往不够，华中科技大学的张海鸥教授在这里有一个非常大突破创新，有点像边三维打印边锻打，把这两者结合在一起，做出来的产品达到了锻压的标准。

    其它还有一些传统的OEM、ODM的制造服务，在发展制造业的时候也要注意。佛山有三千多家装备制造企业，有一半企业是做制造外包服务，并不是做固定的产品。从制造外包到整体的设计、制造外包，实现合同制造。
 

图34 化妆品行业的OEM/ODM模式

    还有大量的生产性服务企业，例如激光加工、数控加工、钣金加工、热处理、铸造、表面防腐处理等。生产性服务，服务方不是制造企业，而是生产性服务企业。提供外协加工与专业制造服务，包括工业设计、产品设计；工程仿真；设备租赁或融资租赁；生产线自动化改造；产品检测与试验；维修维护与设备管理；专业认证；工程咨询。
 

图35 生产性服务

    国家也发布了28号文件，提到了“互联网+”，提到了分享经济，在交通行业已经有了滴滴打车，在制造行业能不能走向分享经济，能不能把我们的制造装备和检测设计共享出来，对外提供服务，这是制造业未来发展非常重要的主题，尤其是装备制造行业。

    优制网希望把企业未来的制造能力和共享资源共享出来对外提供服务。优制网工业服务分享平台按制造工艺分类提供服务，定位于制造企业加工、定制、外协和专业化服务的互助式B2B电子商务平台。制造企业可以通过平台将富余的制造能力、制造设备、制造资源和专业服务进行展示和共享，并为其他制造企业提供个性化定制、加工制造、检验检测、设备服务和工业设计等专业服务，提高企业制造资源的利用效率，实现共赢。另外，该平台还可以进行一些制造服务以及制造资源的搜索。
 

图36 优制网——工业服务分享平台分类

    优制网的核心服务：

    ●制造服务分类（不是按行业，而是按服务类型）

    ●制造服务的发布（自助式维护）

    ●制造服务搜索（集成地理信息、参数搜索）

    ●制造服务推荐与交易（及时通讯、商誉信息、物流成本）

    ●服务订单的分解与合并

    ●制造服务的监理与交互（进度、质量，及时通报进展）

    ●制造服务的信息管理（交易记录、评价）

    ●制造服务的大数据分析
 

图37 优制网——工业服务分享平台

    三、关于e-works
 

图38 e-works创始人：李培根院士

    e—works于2002年成立，由李培根院士创建，是一个真正的第三方服务机构，不卖任何产品。现在有超过70万会员，微信订阅超过了23万人。乐于知识的传播，组织各种专业会议，构建两化融合的平台。同样致力于咨询服务，充当政府的智库，最近在做几个省的“制造2025”的规划。也组织一些国外的考察，已经做了四届，四次德国工业4.0考察，两次工业互联网考察。

    e-works专注制造业，服务两化融合：

    ●专业：对相关技术、市场、产业和应用趋势有深刻理解。

    ●专注：对相关技术、市场、产业和应用趋势有深刻理解。

    ●影响力：中国最权威的两化融合网络媒体和服务平台。

    ●资源：拥有超过70万会员，微信订阅超过22万人。

    ●经验：具有丰富的两化融合知识传播、培训、咨询服务经验。
 

图39 两化融合知识传播与分享

    e-works咨询，提供两化融合第三方咨询服务，2015年业务翻番，典型项目包括：

    ●集团管控+数字化工厂规划（万向前潮等）

    ●智能制造规划及标准研究（西电集团等）

    ●信息化整体规划（中车株洲电机、温州冠盛、惠州华阳电子等）

    ●大型企业项目监理（大洋电机，航天科技集团长征机械厂等）

    ●MES需求分析（美的厨电、北京印钞等）

    ●两化融合管理体系贯标咨询（长飞光纤、凯隆化工等）

    ●两化融合保驾护航（康尼机电、沪光电器等）

    ●两化融合深度诊断评估（柳工股份等）

    ●信息安全评估（兴森快捷等）

    ●两化融合培训

    e-works研究院——两化融合专业智库，完成的典型工作包括：

    ●湖北省“十三五”两化融合规划

    ●广西信息消费研究

    ●柳州市智能制造2025规划

    ●武汉市两化融合调研与规划

    ●中国光谷制造2025规划

    ●中国PLM市场分析报告（与CIMdata长期战略合作）

    ●中国MES市场分析报告

    ●中国制造业劳动力管理白皮书

    ●供应链管理选型手册

    ●工程机械行业PLM与物联网应用研究

    e-works出国游学，成功组织四次德国工业4.0考察，两次美国工业互联网考察。将10月组织第五次德国工业4.0考察，10月底组织第三次美国工业互联网考察，11月底组织首次新工业法国考察。
 

图40 出国游学

    中国智能制造门户网（www.imchina.net.cn）是e-works推出的用于传播智能制造技术及相关知识，分享国内外优秀应用案例、解决方案，并帮助企业实现高效生产的服务平台。智能制造门户网服务包括全面的智能制造技术传播渠道，智能装备制造企业、智能制造企业和最终用户信息发布、沟通合作的平台，全国最具权威性的智能制造知识库、个性化定制、云制造平台，并在此基础上有机的协调好产学研之间关系，实现供需有效对接，使之最终成为智能制造整体价值产业链的有机组成部分。
 

图41 中国智能制造门户六大内容