基于精益的智能工廠解決方案

本文結(jié)合航空企業(yè)精益生產(chǎn)和智能制造的探索實(shí)踐，重點(diǎn)研究精益生產(chǎn)、先進(jìn)制造技術(shù)與信息技術(shù)融合的方法，形成了基于精益的智能工廠定義、業(yè)務(wù)模型、組成部分及規(guī)劃流程，為企業(yè)開展智能工廠建設(shè)提供了思路和解決方案。

我國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略以來，各行業(yè)積極開展智能制造實(shí)踐活動(dòng)，但大部分企業(yè)處于工業(yè)2.0到工業(yè)3.0的階段，工業(yè)化基礎(chǔ)薄弱，因此推行智能制造需要考慮將管理技術(shù)與智能制造技術(shù)融合起來進(jìn)行。近年來，相關(guān)單位通過精益生產(chǎn)、六西格瑪管理及流程管理等管理技術(shù)來規(guī)劃和優(yōu)化制造流程，夯實(shí)了工業(yè)化基礎(chǔ)，為信息化、數(shù)字化及智能化在企業(yè)落地奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

航空企業(yè)已開展了10余年的精益管理推廣工作，精益管理已融合在企業(yè)生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)流程中并取得了顯著成效，所以，為更好推進(jìn)企業(yè)信息化、數(shù)字化及智能化的融合，企業(yè)提出了智能制造推進(jìn)與精益管理相融合的要求，以防止出現(xiàn)“兩張皮”現(xiàn)象。本文結(jié)合航空企業(yè)精益生產(chǎn)和智能制造的探索實(shí)踐，重點(diǎn)研究精益生產(chǎn)、先進(jìn)制造技術(shù)與信息技術(shù)融合的方法，形成了基于精益的智能工廠定義、業(yè)務(wù)模型、組成部分及規(guī)劃流程，為企業(yè)開展智能工廠建設(shè)提供了思路和解決方案。

一、精益管理與智能制造的融合

（一）精益管理體系

精益生產(chǎn)方式作為先進(jìn)的管理技術(shù)，起源于日本豐田公司，并從20世紀(jì)80年代開始引入我國，并在汽車、電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用；其有效提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。精益生產(chǎn)方式在生產(chǎn)制造領(lǐng)域取得成功后，又將生產(chǎn)系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)逐步延伸到企業(yè)的研發(fā)、供應(yīng)鏈管理、銷售與服務(wù)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，形成了以業(yè)務(wù)流程為主線，集成各種精益工具來規(guī)范和優(yōu)化流程的精益管理體系。

（二）智能制造的定義

《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》中提出，智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。該定義的核心特點(diǎn)是面向制造業(yè)務(wù)流程，集合新一代通信技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)等技術(shù)所形成的智能制造整體解決方案。

（三）精益管理與智能制造的融合

企業(yè)經(jīng)營的核心是通過業(yè)務(wù)流程滿足客戶的需求，依據(jù)精益管理和智能制造的定義，精益管理是從管理的角度運(yùn)用精益管理工具消除業(yè)務(wù)流程中的非增值環(huán)節(jié)，規(guī)范和優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，從而創(chuàng)造出盡可能多的價(jià)值。智能制造是將先進(jìn)制造技術(shù)和數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息通信技術(shù)融入業(yè)務(wù)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)，從技術(shù)角度提高流程中增值環(huán)節(jié)的效率和質(zhì)量。因此，業(yè)務(wù)流程是智能制造和精益管理融合的共同平臺(tái)，精益管理和智能制造分別從

管理和技術(shù)的角度優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，提高業(yè)務(wù)流程質(zhì)量、效率和成本等績效指標(biāo)，更好地滿足客戶需求。精益管理是智能制造的基礎(chǔ)，智能制造的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流程，精益管理通過構(gòu)建合適的生產(chǎn)組織方式及規(guī)范的流程以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)

定性。同時(shí)在信息化系統(tǒng)導(dǎo)入前，運(yùn)用精益管理工具優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，也為產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)（PLM）、企業(yè)資源技術(shù)（ERP）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等信息化系統(tǒng)的落地奠定了基礎(chǔ)。因此，基于精益的智能工廠定義是以精益思想為指導(dǎo)，將先進(jìn)制造技術(shù)、信息通信技術(shù)和管理技術(shù)融合到制造業(yè)務(wù)流程中，形成以信息物理系統(tǒng)（CPS）為載體，以關(guān)鍵制造和管理環(huán)節(jié)的智能化為核心，以提高QCD（即質(zhì)量（Quality）、成本（Cost）及交貨期（Delivery）績效為目標(biāo)的新型生產(chǎn)方式。

二、智能工廠組成部分

智能工廠是生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)的信息物理系統(tǒng)（CPS），該系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型由1個(gè)物理系統(tǒng)和6項(xiàng)業(yè)務(wù)組成，如圖1所示。其中，1個(gè)物理系統(tǒng)指以制造資源和基礎(chǔ)設(shè)施為主體的智能工廠硬件，6項(xiàng)業(yè)務(wù)則是包含數(shù)字化工藝、智能計(jì)劃與調(diào)度、自動(dòng)/透明化物流、智能設(shè)備維護(hù)、數(shù)字化檢測(cè)及智能生產(chǎn)管控在內(nèi)的智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)（信息化軟件系統(tǒng)）。所以，智能工廠包括智能工廠硬件（物理系統(tǒng)）、智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)（信息化軟件系統(tǒng)）和精益運(yùn)行管理3個(gè)組成部分。

圖1 智能工廠業(yè)務(wù)模型

（一）智能工廠硬件（物理系統(tǒng)）

智能工廠硬件是指與智能工廠相關(guān)的制造資源及基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括智能化裝備/生產(chǎn)線、智能物流與倉儲(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集裝備等基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)以精益思想為導(dǎo)向，借助三維數(shù)字化工藝、布局規(guī)劃仿真等技術(shù)手段，按照精益的原則合理確定工廠功能區(qū)、生產(chǎn)線、物流及庫存的相互關(guān)系，使人員、設(shè)備、工裝、物料、信息軟件等因素實(shí)現(xiàn)最佳組合，系統(tǒng)資源得到最有效的配置和優(yōu)化。

1. 智能化裝備/生產(chǎn)線

智能化裝備/生產(chǎn)線是指具有感知、分析、推理、決策和控制功能的制造裝備/生產(chǎn)線，它是先進(jìn)制造技術(shù)、信息通信技術(shù)的集成和深度融合，具備動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行4個(gè)智能化特征。智能化裝備主要包括智能生產(chǎn)設(shè)備與工業(yè)機(jī)器人、增材制造設(shè)備、傳感與控制裝備、檢測(cè)與裝配裝備、物流與倉儲(chǔ)裝備等智能制造裝備，智能制造裝備具有采集器、嵌入式控制器、智能儀表和傳感器，以及智能通信接口等集成層的生產(chǎn)裝備，可以通過通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)和集中控制；智能生產(chǎn)線是按產(chǎn)品成組化原則組織起來，完成產(chǎn)品工藝過程并具有數(shù)字化和智能化特征的一種生產(chǎn)組織方式，智能生產(chǎn)線應(yīng)在精益生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上解決制造數(shù)據(jù)的精確表達(dá)、數(shù)字量傳遞及智能化決策，通過計(jì)算機(jī)管理及智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全線生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)采集、工藝動(dòng)作自動(dòng)控制、設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬顯示、工藝參數(shù)自動(dòng)采集存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自主控制和優(yōu)化的自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn)。

2. 智能物流與倉儲(chǔ)設(shè)施

智能物流與倉儲(chǔ)設(shè)施是以條形碼、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的信息采集、傳遞和管理技術(shù)及智能處理技術(shù)實(shí)施倉儲(chǔ)與物流系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)與配送過程的全過程優(yōu)化及資源優(yōu)化。智能物流與倉儲(chǔ)設(shè)施包括智能化倉儲(chǔ)設(shè)備和自動(dòng)物流，包括電子料架、自動(dòng)化倉庫、智能料倉等自動(dòng)或半自動(dòng)倉儲(chǔ)設(shè)備，以及自動(dòng)傳送帶、AGV機(jī)器人、自動(dòng)叉車等配送設(shè)施，實(shí)現(xiàn)物流作業(yè)過程中存儲(chǔ)、運(yùn)輸、裝卸等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化/透明及運(yùn)籌的智能化。

3.數(shù)據(jù)采集裝備

數(shù)據(jù)采集裝備包含電子標(biāo)簽、掃描設(shè)備、采集器、視覺設(shè)備、智能傳感器、采集軟件等，對(duì)下能夠?qū)⒏鞣N類型的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源層數(shù)字化信息的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析和存儲(chǔ)等功能，為整個(gè)管控系統(tǒng)提供準(zhǔn)確和值得信賴的底層數(shù)據(jù)；對(duì)上（信息系統(tǒng)）能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫的共享及系統(tǒng)數(shù)據(jù)指令的互相傳遞，為信息系統(tǒng)客戶端持續(xù)采集數(shù)據(jù)和狀態(tài)展示提供支撐。

（二）智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)（信息化軟件系統(tǒng)）

智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)是指智能工廠的信息化軟件系統(tǒng)，主要包括數(shù)字化工藝、智能計(jì)

劃與調(diào)度、自動(dòng)/透明化物流、智能設(shè)備維護(hù)、數(shù)字化檢測(cè)及智能生產(chǎn)管控6個(gè)方面：

數(shù)字化工藝是采用數(shù)字化建模仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)的虛擬數(shù)字世界里實(shí)現(xiàn)從零件加工、零組件裝配到系統(tǒng)部件裝配的整個(gè)過程模擬和仿真，實(shí)現(xiàn)實(shí)物制造向虛擬制造的轉(zhuǎn)變。主要包括數(shù)字化工藝加工仿真、數(shù)字化裝配仿真、生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃仿真等內(nèi)容。

智能計(jì)劃與調(diào)度是將智能排產(chǎn)系統(tǒng)（APS）與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃的自動(dòng)編制、實(shí)時(shí)調(diào)度，以及計(jì)劃執(zhí)行全過程可視化管理，形成物料流與信息流高度統(tǒng)一的高效生產(chǎn)計(jì)劃管控平臺(tái)。智能計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)包括智能排產(chǎn)和動(dòng)態(tài)調(diào)度、生產(chǎn)準(zhǔn)備、異常管理、人機(jī)互動(dòng)、改善提案、質(zhì)量管理、可視化績效管理和資源管理等模塊。

自動(dòng)/透明化物流是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用于倉儲(chǔ)與配送作業(yè)過程，實(shí)現(xiàn)物流作業(yè)過程中存儲(chǔ)、運(yùn)輸、裝卸等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化/透明化，主要包括原材料配送、刀具配送、零件配送等。

智能設(shè)備維護(hù)指圍繞設(shè)備容易引發(fā)故障的關(guān)鍵部件與系統(tǒng)，采用嵌入式采集技術(shù)及智能傳感技術(shù)，實(shí)施設(shè)備工作狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估、預(yù)測(cè)預(yù)警、故障診斷，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)，提高設(shè)備的綜合應(yīng)用效率（OAEE）。

數(shù)字化檢測(cè)主要指基于三維模型的數(shù)字化檢測(cè)、在線檢測(cè)及質(zhì)量信息實(shí)時(shí)查詢和維護(hù)，通過智能化質(zhì)量檢測(cè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化質(zhì)量信息的采集、傳輸、分析、判斷及預(yù)警。

智能生產(chǎn)管控是在信息系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)上，通過管理駕駛艙、智能報(bào)表等建立可視化分級(jí)績效指標(biāo)儀表艙系統(tǒng)，實(shí)施績效指標(biāo)數(shù)據(jù)采集和分析，并與績效指標(biāo)數(shù)字化模型進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)流程的過程異常進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警，并自動(dòng)生成糾正措施或輔助管理層實(shí)施決策。

（三）精益運(yùn)行管理

精益管理是智能工廠按照既定的流程實(shí)施運(yùn)行以保證達(dá)到預(yù)定的績效指標(biāo)并持續(xù)改進(jìn)的過程。智能工廠的運(yùn)行要達(dá)到預(yù)定的績效指標(biāo)需要人員、設(shè)備、工裝、物料和信息系統(tǒng)等要素的高度協(xié)同，但新的工廠很難立即達(dá)到所有要素的高度協(xié)同，因此智能工廠往往需要建立以精益思想和精益工具應(yīng)用為主體的精益運(yùn)行和改進(jìn)流程，通過運(yùn)用價(jià)值流分析、根本原因分析、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)等精益工具找到智能工廠運(yùn)行過程的問題，運(yùn)用先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)及管理工具等實(shí)施持續(xù)優(yōu)化，才能最終達(dá)到工廠預(yù)定的生產(chǎn)能力、效率和質(zhì)量等績效指標(biāo)。同時(shí)，在信息集成的基礎(chǔ)上建立基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)過程仿真系統(tǒng)，歸納和提煉車間整體運(yùn)行模型，并結(jié)合智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)，持續(xù)優(yōu)化資源配置、生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度、生產(chǎn)管理策略和車間布局等。

三、智能工廠規(guī)劃流程

為規(guī)范智能工廠建設(shè)過程，筆者設(shè)計(jì)了智能工廠規(guī)劃流程，規(guī)劃流程包括設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)和約束、工藝方案設(shè)計(jì)與仿真、生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)、倉儲(chǔ)與物流設(shè)計(jì)、整體布局設(shè)計(jì)與仿真、管理流程設(shè)計(jì)與信息系統(tǒng)、調(diào)試與工程裝備7個(gè)步驟，規(guī)劃流程見圖2。

圖2 智能工廠規(guī)劃流程

四、結(jié)束語

智能工廠建設(shè)是推行智能制造的重要手段。本文以航空智能工廠的建設(shè)實(shí)踐為例，結(jié)合我國制造業(yè)處于工業(yè)2.0、3.0、4.0并行的現(xiàn)狀，提出了精益管理與智能制造相融合的思想，給出了基于精益的智能工廠定義、業(yè)務(wù)模型、組成部分及規(guī)劃流程，形成符合中國特色的智能工廠解決方案，為企業(yè)進(jìn)行智能工廠建設(shè)提供了借鑒參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃榮芳,杜菡妍.精益工具在機(jī)加件單元布局設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].裝配制造技術(shù),201

作者:中國航空制造技術(shù)研究院 姬學(xué)莊 蘇安東