工業4.0與MES的發展

我們經常有一些疑惑：工業4.0和智能制造的本質是什么？企業究竟搞數字化制造還是搞智能制造？政府戰略引導與企業實施之鴻溝如何看待？ 今天我會圍繞這些問題講一些體會。

一、智能制造的本質

我查閱了近年所有的報告，幾乎都沒有明確給出智能制造的定義，今天我嘗試分析一下智能制造的本質。

2012年美國通用電氣提出"工業互聯網"的概念，2013年德國提出"工業4.0"，2015年中國提出"中國制造2025"，這三者，最重要的目標就是建立智能工廠。相同的目標，但基礎和的環境是不同的，所以實施的途徑不同。

智能制造首先講智能，我查閱了百度上的關于"智能"和"智能制造"的定義：

●智能：從感覺到記憶到思維這一過程，稱為"智慧"，智慧的結果就產生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為"能力"，兩者合稱"智能"，將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個過程稱為智能過程，它是智力和能力的表現。--百度

●智能制造，就是面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造。通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程和制造裝備智能化。 --百度

●智能制造系統是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，借助計算機模擬人類專家的智能活動進行分析、推理、判斷、構思和決策等，從而取代或者延伸制造環境中人的部分腦力勞動。同時，收集、存貯、完善、共享、集成和發展人類專家的智能。 --百度

此外，還有業界人士給出的相關定義：

趙敏認為："智能制造，基于CPS（賽博物理系統）技術構建'狀態感知-實時分析-自主決策-精準執行-學習提升'的數據閉環，以軟件形成的數據自動流動來消除復雜系統的不確定性，在給定的時間、目標場景下，優化配置資源的一種制造范式。" 該定義所涉及的各項基本要素包括：

●智能機理：狀態感知-實時分析-自主決策-精準執行-學習提升；

●操作對象：數據（信息與知識的載體）；

●使能：軟件中的算法與規則（數字化知識）；

●本質：數據自動流動，并因自動流動而形成知識泛在；

●目的：消除復雜系統的不確定性；

●約束：給定時空場景；

●價值：優化配置制造資源。

Stephen J.Ezell（美國信息技術與創新基金會資深分析師）認為：先進制造并不等同于智能制造，在本質上，先進制造包括兩方面的概念：先進產品的制造，以及先進的、基于信息通信技術的生產過程。而智能制造則主要指的是后者。

《2016年北美能源安全和基礎設施法案》（S.2012）法案中定義智能制造如下：

在信息、自動化、監測、計算、傳感、建模和網絡方面的先進技術：

1、數字模擬制造生產線、計算機操控的制造設備、生產線狀態的監控和交互、全生產過程中能源消耗和效率的管理及優化。

2、廠房能源效率的建模、模擬和優化。

3、監測和優化建筑的節能性能。

4、產品能源效率及可持續化性能的建模、模擬和優化，包括使用數字模型和增材制造加強產品的設計。

5、將制造產品連入網絡以監控和優化網絡性能，包括自動化網絡操作。

6、供應鏈網絡的數字化連接。

從本質上講，智能制造就是將制造-生產-使用的各個環節的信息同制造相結合。

Shinbara(美國制造技術協會 (AMT) 的技術副主席)認為：智能制造的四個層級如下：

第一層級，是智能機器本身，通過加裝傳感器的方式使用于成型、剪切、鍛造、沖壓的各種特定機器形成信息流并融入工業互聯網。

第二層級，是數字線程通過工藝鏈的聯接，將分散于獨立機器之間的信息實現跨車間的信息流整合（創建出覆蓋整個企業范圍的制造系統）。這表示原本彼此獨立的工藝鏈通過信息和通信技術的整合構成企業整體的制造生產體系。

第三層級，要在這個龐大的"制造信息"體系中通過數據分析來優化制程，并通過迭代的方式設計智能化產品。

第四層級，則是智能化的CEO或者高管，在建立了企業信息系統和部門的基礎上被授權對生產水平、生產地點、生產設置等實施優化和實時決策。

美國提出CPS是智能制造的本質。

彭瑜認為：智能制造系統/智能工廠綜合集了"精益制造"、"柔性制造"、"可持續制造（綠色制造）"、"數字化制造"、"云智造"、"智能制造"、"全能制造"、"敏捷制造"等各種制造范式。

孔翰寧(Henning Kagermann，德國國家科學與工程學院院長）給出的智能生產的定義：

第一個維度，橫向的一體化要做的更好，內部流程的打通和數字化，這意味著我們要不斷改進現在所做的工作，比如說軟件、解決方案，3D打印的生產方式。第二個維度，改進縱向一體化，這個問題十到十五年前我們就在討論了，上下游的供應商合作伙伴怎么打通?，F在我們必須要實現橫向、縱向一體化的無縫對接。

第三個維度就是全生命周期的產品管理，從工程設計到產品生產和售后服務的生命周期，我們都必須統一管理。這方面過去已經有很多管理軟件，但這些工具之間沒有什么聯系，數據結構也不一樣，需要打通和升級。

我認為，智能制造的典型特征歸納起來有五個方面：

1.敏捷感知：敏捷感知市場和客戶輸入的實時狀態；

2.實時分析：對感知的實時狀進行實時分析和計算；

3.自主推理：按照設定的規則，根據數據分析的結果，自主作出推理和選擇；

4.快速反應：根據推理和選擇的結果，快速地作出本能反應；

5.學習創新：利用人工智能，自學習，作出創新的方案。

二、企業徹底數字化

我一直在提倡企業要徹底數字化，數據和信息就是工業4.0中流動著的 "血液"，而數字化就是將數據轉變成信息，通過網絡化和智能化的決策，創造有用的價值。 所以說數字化制造是智能制造的基礎。沒有數字化制造的基礎，智能制造是空中樓閣。目前企業最大的浪費就是數據的浪費，一個企業生產了幾十年的產品，開發了多少個產品在銷售，但是留下的數據卻幾乎沒有，除了一些圖紙、工藝以外，沒有留下產品的開發過程、生產過程、使用過程的任何數據，這就是最大的浪費。如果哪個企業把三十年來的數據全部綜合起來，那么現在開發新的產品、定制化產品，肯定是得心應手的。硬件可以山寨化、可以拷貝，但是這些數據是無法拷貝的。

約翰·惠勒提出一句話"it from bit（萬物來自信息）。"其中it指代物質，而bit指代信息。簡單來講，傳統工業就是原子的重組，制造業做的事情幾乎就是把每個原子再重組，這當然很重要，而且是基礎。今天數據科技和互聯網的時代，來源于數據和信息的重組。未來很大的趨勢是數字化、網絡化和智能化，重組數據和信息比重組原子獲益更加巨大。

2014年10月10日，李克強總理在柏林同德國總理安格拉·默克爾共同主持第三輪中德政府磋商。雙方決定發表了《中德合作行動綱要：共塑創新》。共110條，"工業4.0"合作有4條，其中第41條是：工業生產的數字化（"工業4.0"）對于未來中德經濟發展具有重大意義。雙方認為，該進程應由企業自行推進，兩國政府應為企業參與該進程提供政策支持。

1.數字化工廠是工業4.0與智能制造的基礎

數字化工廠的主要特征包括：

●數據化：企業產品全生命周期的活動建立共享的數據庫和知識庫；

●信息可視化：通過數據處理，形成有用的信息，并按需顯示；

●模擬仿真優化：利用相關數據和信息，模擬仿真實際生產過程，達到最優化的生產過程；

●監控實時化：監控與實際生產過程同步，實現虛實結合的CPPS（Cyber Physic Production System）；

●協調決策智能化：對實際生產過程中出現的干擾和波動，進行協調，其決策是最佳的。

數字化工廠的建設任務包括：

●建立網絡系統（互聯網、以太工業網、無線通訊網）；

●建立數據采集與監視控制系統SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)；

●建立縱向和橫向集成的業務模型與組織；

●選擇合適的工業應用軟件系統（ERP、PLM、MES、CAX）；

●進行員工的培訓；

●制訂生產規范標準；

●安全保障制度。

數字化工廠的主要目標為：

●縮短產品開發周期；

●產品按時交貨；

●降低庫存；

●提高產品質量；

●快速響應市場需求；

●產品個性化定制。

2.MES是企業生產管理集成的核心軟件

30多年來，我國在企業數字化/信息化也開展了大量的研究和實施，但大多數企業未能獲得預期的經濟效益，究其原因種種，我認為主要是：

●規劃方案與企業經營模式和業務流程不一致；

●認識錯誤：只是紙面數據轉換為電子數據、以及擔憂失去工作崗位等人為因素；

●計劃與實際生產過程脫節，或失控。

中國制造2025戰略的一條主線就是信息化與工業化的融合、互聯網+和智能制造。其基礎就是企業必須先實現數字化工廠，而數字化工廠的核心是制造執行系統（MES）。2016年4月25日，工業和信息化部辦公廳印發了《關于開展2016年智能制造試點示范項目推薦的通知》，在智能制造試點示范項目要素條件中提出了五種模式，都與制造執行系統相關，特別是離散型智能制造模式和流程型智能制造模式必須建立制造執行系統（MES），將MES提到了極其重要的地位。

MES是1990年美國先進制造研究協會(Advanced Manufacturing Research，AMR)首次提出制造執行系統的概念（manufacturing execution system，簡稱MES）。1992年成立了國際MESA組織?，F在，MESA定義為Manufacturing Enterprise Solutions Association，即制造企業方案協會。

實際上MES不僅僅是執行系統，它相當于一個工廠里的CEO，董事會負責決策，而CEO負責執行董事會的決議，同時他還要指揮這個企業的運作。同理，MES是執行上層的，如ERP的計劃，同時MES還要負責協調整個生產、管理、車間層面的協調調度，所以我認為MES不僅僅執行系統，它是一個生產指揮系統。90年代我在德國開發MES系統的時候，當時我們把MES翻譯成生產指揮系統，現在看來我越來越覺得這個翻譯比較準確，MES是生產管理的核心軟件。

3.制造執行系統的發展趨勢

MES軟件未來市場空間廣闊，復合增速保持在40%左右。2014年全球MES行業市場規模約為416億元，過去5年保持年均21.65%的高速增長，到2020年，MES行業市場規模有望達到931億元，未來保持年均18%的復合增速。

MES在中國的需求較為旺盛，2014年MES行業市場規模約為26億元，同比增長25%，預計到2018年市場規模將達到100億元，未來平均增幅保持在40%左右，并且從增速對比，國內MES市場相對于國際市場增速顯著更高，這得益于國內較大的工業自動化改造實踐。

制造執行系統（MES）是在工業3.0的背景下產生的，它在智能制造框架下是一個什么樣的角色？如何打通ERP、MES及設備端等信息化孤島？

首先，根據企業的實際需求，扎扎實實地開展MES的技術開發與實施工作，為工業數字化打下堅實的基礎。

其二，MES作為企業生產管理的核心軟件系統，必須與上層ERP系統、底層生產設備和自動化系統實現無縫的連接。

其三，MES是工業3.0的基礎上發展起來的，但在工業4.0和中國制造2025的背景下，需要進一步發展，歸納起來是以下"八化"：

●標準化，即ISA95標準、VDI5600標準等。ISA-95標準是由ISA(儀器、系統和自動化協會)和ANSI(美國國家標準協會)共同發起制定的。德國工程師協會（VDI）制定了VDI5600標準。指出了持續改進過程的潛在發展可能性；

●模塊化，即參數化可配置, 可重構、快速實施；

●精益化，即與精益生產相結合，優化生產過程；

●智能化，即與智能制造相結合。智能制造的基礎是企業生產過程徹底的（完備的）數據化。智能制造的五個特征中，都離不開數據，必須將數據轉換成信息，形成知識，為智能制造打下堅實的基礎；

●輕量化，即可使用移動終端，如手機、iPad，分散式控制；

●協同化，即與云平臺相結合，實現生產協同；

●大數據化，即與大數據技術分析相結合，通過數據挖掘，實現數據增值；

●動態化，即根據CPS的原理，實現作業計劃動態優化和智能調度。