數(shù)字化車間是制造企業(yè)走向智能制造的起點

作者認為數(shù)字化車間建設要以實際需求為牽引，以經(jīng)濟效益為驅動，以成功落地為導向。在先進設備的基礎上，在管理方面深挖潛力，充分發(fā)揮人的作用，構建數(shù)字化、網(wǎng)絡化和適度智能的生產(chǎn)模式，切實做到降本提質(zhì)增效，提升企業(yè)的競爭力。

經(jīng)濟學家威廉·拉佐尼克在《車間的競爭優(yōu)勢》一書中強調(diào)指出：“在價值創(chuàng)造過程中，其核心是通過車間生產(chǎn)將原料轉化為產(chǎn)品——這可以稱為生產(chǎn)性轉化?！?/p>

在制造型企業(yè)，車間處于非常重要的位置。企業(yè)價值最終表現(xiàn)在產(chǎn)品與服務上，而車間是企業(yè)中將各種圖紙轉變?yōu)楫a(chǎn)品的主要場所，是決定生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，車間往往也是企業(yè)中員工數(shù)量最多的組織。因此，在很大程度上，車間強則企業(yè)強，車間智則企業(yè)智?！吨袊圃?025》中也明確指出：“推進制造過程智能化，在重點領域試點建設智能工廠/數(shù)字化車間?！睌?shù)字化車間建設是智能制造的重要一環(huán)，是制造企業(yè)實施智能制造的主戰(zhàn)場，是制造企業(yè)走向智能制造的起點。

1數(shù)字化車間的建設主線

目前，國內(nèi)外對數(shù)字化車間還沒有標準的定義，筆者基于自己的理解，對數(shù)字化車間進行如下描述：

數(shù)字化車間是基于生產(chǎn)設備、生產(chǎn)設施等硬件設施，以降本提質(zhì)增效、快速響應市場為目的，在對工藝設計、生產(chǎn)組織、過程控制等環(huán)節(jié)優(yōu)化管理的基礎上，通過數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化等手段，在計算機虛擬環(huán)境中，對人、機、料、法、環(huán)、測等生產(chǎn)資源與生產(chǎn)過程進行設計、管理、仿真、優(yōu)化與可視化等工作，以信息數(shù)字化及數(shù)據(jù)流動為主要特征，對生產(chǎn)資源、生產(chǎn)設備、生產(chǎn)設施以及生產(chǎn)過程進行精細、精準、敏捷、高效地管理與控制。數(shù)字化車間是智能車間的第一步，也是智能制造的重要基礎。

需要指出的是，此處的“數(shù)字化車間”，是企業(yè)已經(jīng)熟悉和常用的基本術語，其中“數(shù)字化”的內(nèi)涵包括但是并不限于數(shù)字化本身，而是將數(shù)字化、網(wǎng)絡化要素集成為一體并在內(nèi)涵上有所擴大的“數(shù)字化”概念，其基本含義與德國工業(yè)4.0中的“Smart（智巧）”相對應，與中國工程院提出“數(shù)字化網(wǎng)絡化”的智能制造第二范式相對應。本文以下凡是提及“數(shù)字化車間”之處，皆采用該術語內(nèi)涵。

▲圖1 數(shù)字化車間架構圖

很多人認為，大量采購和引入數(shù)字化設備是建設好數(shù)字化車間的前提。這是一個很大的誤解：數(shù)字化設備與數(shù)字化車間之間既非必要條件，也非充分條件。即便車間中全是數(shù)字化設備，如果沒有實現(xiàn)設備的互聯(lián)互通，沒有實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理，數(shù)據(jù)沒有實現(xiàn)真正的有序流動，也不能稱之為數(shù)字化車間。相反，即便車間里的設備不全是數(shù)字化設備，但經(jīng)過“三啞改造”，設備被接入信息化系統(tǒng)，生產(chǎn)過程實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化與智能化（如智能排產(chǎn)、決策支持分析等），對生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)資源、生產(chǎn)進度與產(chǎn)品質(zhì)量等數(shù)據(jù)在信息化系統(tǒng)中進行有效管理，并可以根據(jù)生產(chǎn)需要進行有序流動，也可算是數(shù)字化車間。比如，在服裝加工等勞動密集型企業(yè)都可以通過數(shù)字化、網(wǎng)絡化改造實現(xiàn)車間的數(shù)字化管理。

對于數(shù)字化車間建設，我們可以參考德國工業(yè)4.0中對“智能工廠”的定義：重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)。前半句“智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程”，指除了包括智能化的機床、機器人等生產(chǎn)設施以外，還包括對生產(chǎn)過程的智巧化管控，站在信息化的角度，就是智巧化的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)。而后半句：“以及網(wǎng)絡分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)”，是指將生產(chǎn)所用的生產(chǎn)設備與設施（如機床、熱處理設備、機器人、AGV、測量測試設備等各種數(shù)字化設備），進行互聯(lián)互通、智巧化的管理，實現(xiàn)信息化系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的深度融合。目前很多企業(yè)實施的設備物聯(lián)網(wǎng)（包括傳統(tǒng)的DNC/MDC功能)是其重要的表現(xiàn)形式。

從中可以看到，數(shù)字化車間建設有三條主線，一條是以機床、熱處理設備、機器人、測量測試設備等組成的自動化設備與相關設施，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的精確化執(zhí)行，這是數(shù)字化車間的物理基礎。

第二條線是以MES為中心的智巧化管控系統(tǒng)，實現(xiàn)對計劃調(diào)度、生產(chǎn)物流、工藝執(zhí)行、過程質(zhì)量、設備管理等生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)及要素的精細化管控，這是典型的賽博系統(tǒng)。

第三條主線是在互聯(lián)互通的設備物聯(lián)網(wǎng)基礎上，并以之作為橋梁，聯(lián)接起賽博空間的MES等信息化系統(tǒng)與機床等物理空間的自動化設備，構建車間級的CPS系統(tǒng)，實現(xiàn)了賽博與物理兩個世界的相互作用、深度融合。

三條主線交匯，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在自動化設備、信息化系統(tǒng)之間按照人的意愿進行有序流動，將整個車間打造成軟硬一體的系統(tǒng)級CPS，最終實現(xiàn)高效、高質(zhì)、綠色、低成本的生產(chǎn)模式，提升企業(yè)競爭力。

2精益思想要貫穿始終

如果說設備、MES、CPS等三條主線是“實線”的話，精益生產(chǎn)則是數(shù)字化車間建設的一條“虛線”，要貫穿數(shù)字化建設的始終。

1）精益生產(chǎn)，智能制造的重要指導思想

精益生產(chǎn)是管理學史上重要的實踐成果之一，深刻地影響著汽車工業(yè)，乃至全球制造業(yè)。精益生產(chǎn)基本思想和追求的管理目標，并沒有隨著智能制造的發(fā)展而落伍，恰恰相反，精益思想是企業(yè)進行智能制造體系構建的重要指導思想之一。

在此，筆者總結出五條可以指導智能制造建設的精益思想原則。

① 關注客戶價值

精益生產(chǎn)強調(diào)，流程中所有環(huán)節(jié)的輸入與輸出都應當用客戶價值這個標尺去衡量。在前端要打通客戶真實需求之間的接口，在企業(yè)內(nèi)部，以客戶需求來定義自己的產(chǎn)品與服務。如果系統(tǒng)不能滿足客戶對高質(zhì)、高效、低成本、高滿意度的要求，即便是設備或技術非常先進，也不能算是一個成功的智能制造項目。

② 識別并消除浪費

企業(yè)在實施智能制造系統(tǒng)之前，應當對流程中各種浪費進行梳理與改善。精益生產(chǎn)中將制造過多過早、庫存、搬運、等待、不必要的作業(yè)、不必要的動作以及不良品流竄這七種形式，歸納為七大浪費，這七大浪費是企業(yè)生產(chǎn)效率不高、盈利能力不足的根源，需要不斷進行完善與消除。如果這些問題沒解決，就直接實施智能制造，很可能是用系統(tǒng)的方式把浪費固化下來，既喪失了改善的機會，又增加了不必要的投入。

比如，沒有對庫存過多的浪費進行改善，就投入大量財力物力去建設智能化的立體倉庫；沒有對動作浪費進行改善，就引進機器人或機械臂去從事這些本屬于浪費的動作，這些都造成了很大的浪費。

③價值的快速流動

精益生產(chǎn)強調(diào)價值流的快速流動，包括物理布局工藝流程化，信息傳遞自動化，以及人、產(chǎn)線設備、倉儲物流之間高效協(xié)同化。如果在物理布局上有大量斷點存在，就會給智能制造的排產(chǎn)與調(diào)度帶來了更大復雜度。

在系統(tǒng)整體運轉的過程中，盡可能多地消除停滯和等待，需要將人、產(chǎn)線設備、倉儲物流之間的相互協(xié)作機制、信息傳遞機制、防錯與糾錯機制，在統(tǒng)一的系統(tǒng)框架內(nèi)進行設計與建設。

④高度柔性與適應性

精益生產(chǎn)的柔性是指通過快速切換（SMED）的實施與改善，實現(xiàn)產(chǎn)線在生產(chǎn)不同型號、不同配置，甚至是不同種類產(chǎn)品時，可以根據(jù)需要進行快速切換。

在小品種多批量、客戶需求千變?nèi)f化的今天，智能制造建設也必須要考慮產(chǎn)線柔性與適應性等問題，否則就可能造成大量投資的浪費。

⑤盡善盡美原則

精益生產(chǎn)中標準作業(yè)、自工序完結、良品條件創(chuàng)建與維持、質(zhì)量內(nèi)建、安燈控制、防錯與糾錯機制、變化點管理、全員生產(chǎn)性維持（TPM）等術語之下，都有一套品質(zhì)維持的理念、原則與方法，這些原則和方法同樣可以指導智能制造的建設。

比如，上下工序之間，設備與零件部之間都需要建立全數(shù)良品的加工條件與標準，當條件發(fā)生偏離時，應當向相關人員發(fā)出異常提醒，甚至停止生產(chǎn)。如果智能制造系統(tǒng)缺少這樣的機制，自動化程度越高，損失往往越大。

2）智能制造，精益生產(chǎn)的有效使能手段

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，精益生產(chǎn)已經(jīng)成為制造業(yè)的重要指導思想。在技術快速進步的今天，智能制造又可以很好地促進精益生產(chǎn)的落地與進一步發(fā)展。

傳統(tǒng)精益生產(chǎn)目視管理有很多很有效的手段和方法，比如5S管理、安燈、標準作業(yè)三票、可視化看板等方法。這些方法可以直觀地提示發(fā)生問題的區(qū)域、工位、或是機臺、材料等信息，但是要深究問題的根本原因還需要大量的觀察與分析，當變異的條件發(fā)生變化時，會給分析帶來很多困難。

而智能制造以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化等新技術、新手段就可以較容易地解決這些問題。比如：

識別浪費是精益改善的重要組成部分，除了傳統(tǒng)的精益手法，通過設備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集設備稼動率、待機原因等，能夠準確地識別出設備利用等方面的浪費；通過MES系統(tǒng)對物料、工具等進行精益化庫存管理，可以明顯地減少庫存的浪費；通過APS高級排產(chǎn)優(yōu)化生產(chǎn)計劃，可以減少人員與設備等待的浪費等等。

實現(xiàn)流的生產(chǎn)、均衡化生產(chǎn)是個不斷改善的過程，但在離散制造車間，生產(chǎn)設備動輒上百臺、工序上千上萬項，如何保證這些工序在不同設備上生產(chǎn)的均衡化、流動化？如果只靠人的經(jīng)驗很難實現(xiàn)這種生產(chǎn)方式，很容易造成設備忙閑不均，造成工序的等待或停滯。通過APS高級排產(chǎn)以及生產(chǎn)過程協(xié)同管理等信息化手段，就可以有效解決這些問題，有助于實現(xiàn)產(chǎn)品“流”的生產(chǎn)及生產(chǎn)的均衡化。

品質(zhì)改善的目的是確保輸出產(chǎn)品品質(zhì)一致。但由于生產(chǎn)條件各種變化，比如設備故障、熱處理溫度、刀具磨損等，都可能導致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。通過設備狀態(tài)、工藝參數(shù)、刀具磨損等的實時監(jiān)控，就可以快速發(fā)現(xiàn)問題，保證生產(chǎn)過程的受控，有效地提升產(chǎn)品品質(zhì)。

作為重要的使能手段，智能制造不僅可以有助于精益生產(chǎn)的落地，還可以促進精益生產(chǎn)的進一步發(fā)展。

看板(Kanban)是精益生產(chǎn)中傳遞信號與控制生產(chǎn)的工具，分傳送看板和生產(chǎn)看板兩種。傳統(tǒng)的看板大多以卡片、紙張等形式存在，通常以手動方式進行填寫。但在智能制造進程中，這些數(shù)據(jù)可以通過MES等信息化系統(tǒng)在電子屏等數(shù)字化終端上實時顯示，具有更強的實時性與自動性。

知識內(nèi)建與管理也是精益生產(chǎn)中的重要理念。在精益運行良好的企業(yè)，都非常重視對知識的管理與傳承。以前主要是靠師傅言傳身教、標準作業(yè)文件與流程制度等傳統(tǒng)方式，存在學習時間長、可復制性差等缺點。通過數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化等智能制造新技術、新手段，可以將知識體現(xiàn)在流程與系統(tǒng)中，隱性知識顯性化，對知識的沉淀、傳承、挖掘、使用都具有重要的促進作用。

目前，大眾所熟知的精益生產(chǎn)管理方法與實現(xiàn)手段總結于上世紀八十年代，帶有明顯的時代特征。但事實上，如果現(xiàn)在重新去研究今天的豐田汽車，就會發(fā)現(xiàn)其實現(xiàn)方式已經(jīng)發(fā)生了巨大的改變，體現(xiàn)了自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化等很多最新技術成果。因此，精益生產(chǎn)的理念與手段也應該隨著智能制造的發(fā)展而發(fā)展。

3）殊途同歸，精益智能共促企業(yè)良性發(fā)展

雖然精益生產(chǎn)與智能制造是兩個領域的概念，側重點也不盡相同，精益生產(chǎn)主要是強調(diào)了生產(chǎn)過程中的管理理念與實現(xiàn)方法，智能制造更側重技術實現(xiàn)，但兩者是相輔相成的關系。

從生產(chǎn)過程來看，精益生產(chǎn)中的很多理念，如生產(chǎn)布局、節(jié)拍、后工序拉動、標準作業(yè)等，是實施智能制造的基礎?？焖偾袚Q、減少浪費、可視化生產(chǎn)、均衡化生產(chǎn)、準時化生產(chǎn)、工序流動化等理念，也是智能制造要實現(xiàn)的過程目標。同樣，智能制造中的設備互聯(lián)互通、高級排產(chǎn)、過程協(xié)同、資源精益化管控、質(zhì)量過程管控、大數(shù)據(jù)分析、可視化、預測性維護等方法與手段，都有助于促進精益生產(chǎn)的落地與提升。

從實現(xiàn)的目標來看，智能制造與精益生產(chǎn)也是殊途同歸，實現(xiàn)敏捷、高效、高質(zhì)、低成本的生產(chǎn)與服務模式是兩者的共同目標。

為體現(xiàn)精益思想與智能制造之間相輔相成、殊途同歸的關系，筆者從智能制造的視角設計了一個智能制造背景下的精益屋，請見圖2。

該精益屋以自動化設備、信息化系統(tǒng)為基礎，以精益思想為主線，以自働化、智能化（含數(shù)字化、網(wǎng)絡化）為新時代的支柱，基于5S、生產(chǎn)布局、標準作業(yè)、設備TPM等傳統(tǒng)精益理念，在設備互聯(lián)互通、高級計劃排產(chǎn)、大數(shù)據(jù)分析等數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化手段的支撐下，實現(xiàn)自動化、智能化、精益化三者的深度融合，并通過智能化手段更好地促進生產(chǎn)過程的均衡化、柔性化、準時化以及實現(xiàn)消除浪費與持續(xù)改進，從而確保企業(yè)的質(zhì)量、成本、交期，構建一個客戶滿意、員工滿意、社會滿意、充滿活力與競爭力的智能化、精益化企業(yè)。

圖2 智能制造背景下的精益屋

3數(shù)字化車間實施策略

數(shù)字化車間建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，數(shù)字化車間建設可遵循以下實施策略。

1）統(tǒng)籌規(guī)劃，服務戰(zhàn)略