闲聊企业数字化转型目标与方法

Posted 2022-10-22 姚家湾

         制造业数字化转型是当下最热门的话题，也是最容易混淆的。工业4.0 ，第四次工业革命。工业物联网，工业互联网，智能制造各种提法，讲的内容是是而非，大家好像说的是同一件事情，好像又不是。什么是数字化制造，传统制造业如何实现数字化转型，带来什么实际的价值。不仅普通人搞不明白。而且许多的专业人员也是从自身的专业背景和利益出发，提出许多关于制造业数字化的观点。这就像前几年大家讨论“物联网”时的情形类似，最终造成了“物联网是一个框，乱七八糟往里装”的局面。

 

工业4.0 愿景

       无论是工业4.0 还是数字化。企业进步的唯一目标是提高资产的利用效率，降低制造成本，提高产品质量，获得更高的利润。所以，数字化的目的是通过信息技术提高制造企业资产的效率，这里的资产（Asset） 是指企业中一切有价值的事物，其中包括机器，土地，运输工具，人力资源，技术，客户等等。

        那么如何通过信息技术来提高制造型企业的资产效率呢？I4.0 的远景是客户通过互联网市场放置订单，这些生产订单可以通过所谓的信息物理系统（CPS） 分布到全球联网的生产单元（PE）中。这些生产单元可以相互之间连接并独立组织生产。生产单元也是一个信息物理系统，它可以完成不同的生产类型，例如车削，钻孔，焊接等等。

    通俗地讲，也就是来自与互联网市场上的生产订单可以通过网络自动地分发到某一个生产单元。这个生产单元根据生产订单的产品规格和数量，开始订购原材料，物流系统收到原材料后自动传送到某一个生产单元开始加工，加工完成一道工序之后，可以传递到下一个工序的加工单元，并且告诉下一个生产单元开始加工。直到最后一道工序完成，检验包装后通过物流发送给客户。在这个过程中，所有的生产单元之间能够无障碍地交换信息。

      在数字化的观点下，每个物理的加工设备，材料，产品都转变成为一个数字化表达的信息模型，它类似与计算机程序设计中的对象。请求加工一道工序，如同调用一个对象的方法那么简单。这就是工业4.0 们的浪漫情怀。要实现这个想法需要很长的时间，并且需要大量的努力和投资。

    分析目前制造业的现状我们会发现，实现工业4.0愿景面临巨大的挑战。最大的问题是制造业的各个环节是严重信息不畅通。我们知道一个制造型企业可以分成 市场销售 ，技术研发，生产车间，物流几个环节。在许多企业这些环节仍然是信息的孤岛。

市场营销与客户之间的信息鸿沟

        尽管我们已经进入了移动互联网时代，人与人之间的信息沟通非常的便捷。但是人们很快地发现，在信息化时代，人们沟通和获取信息的方式发生了变化。

     人们开始不爱看的网站 ，许多中小企业的官网变得门庭冷落。没有任何访问量。

     电话，广告，展会等传统营销方式失灵。                 

           这些变化导致了中小企业灯下黑，成为信息时代最寂寞的人。于是，许多企业开始了朋友圈营销，短视频销售，电商平台销售，直播带货等等。但是这种网络销售的方式成本并不比传统营销低。某位名人曾经说要让“让天下没有难做的生意”。真的实现了吗？各种平台的价格补贴，按价格排序，公开销量等手段，误导了用户价值取向，推动了企业之间的产品仿制和价格战，反而使许多企业更难做生意。许多企业又回到了门对门的传统销售模式。所以说，目前的互联网电商平台还只是将传统小商品市场的销售方式搬到了线上。没有在销售方式上创新。让天下没有难做的生意的目标远远没有实现。

        产品的规格，技术文档不全也是影响企业与客户之间交流的障碍。许多电商平台上出售的工业品规格不完整，图纸标注不清，没有3D 文件等原因，是客户放弃了在线采购的意愿。即便是与大企业的采购部门打交道，也需要许多前期的人员对接工作，例如要额外地提供各种测试报告，产品标准，并且需要双方人员的对接，就材料，加工精度和工艺做进一步的沟通。图纸格式也不相同，需要人工地进行各种转换。以机械加工厂为例。客户也许提供的是autoCAD 的DXF格式的2D 三视图。机械加工企业使用UG，往往第一步就是需要将DXF 图纸转换成UG 3D 图纸。 在3D文件的基础上再进一步确定材料的数量，加工方式，工时等等，再确定产品加工的定价。

       在工业4.0 的观点下，为了实现客户与企业之间无障碍地信息沟通，要构建标准化的产品分类方式，并且对产品的属性，规格进一步地明确定义。采购商和供应商在产品编码和特性上达成共识。采购商只要提出产品的ID ，就能够采购符合标准的产品。这就是德国ECLASS 标准，IEC61360等国际标准做的努力。

     要在产品分类标准的基础上，企业要建立符合相关标准的软件系统，它们包括

数字化产品目录（E-Catalog）

        这种系统同样也需要实现进一步地标准化，例如符合BEMcat 标准。它们的产品ID 和数据条目描述与ECLASS 或者IEC61360等标准相对应，并且提供了web service 服务。采购商的物料采购系统能够通过统一的web API 读取E-Catalog 的内容。实现产品信息的无缝连接。

产品信息管理（PIM）

         PIM 包括了客户和销售客服部门所需要的所有产品信息，包括产品手册，2D/3D模型数据，产品的特征描述，数据模型，检测报告等等。目前许多企业并不重视这一方面的基础工作。

技术与生产管理部门的信息鸿沟

        每当提到数字化制造，大家的眼睛主要盯着生产线，节约了多少人，提高了多少产能，降低了多少能耗等等。但是人们往往却忽略了一个重要的环节，就是技术部门。对于具有一定规模的制造企业而言，技术部是一个非常重要的部门，与客户的技术交流，产品设计，工艺编排，加工设备的编程与维护。生产线的调整，公夹具，刀具的选配都是技术部门的工作。它们的工作效率直接影响了生产线的生产效率和产品的交货期。技术部门的人员工资相对比较高。工作绩效难以考核，人员流动性大。部门费用占制造成本的比重很高。

          尽管制造企业的技术部门也许是电脑最多的部门，但是他们的交流是传统的方式，主要靠传统的图纸，技术文档，员工口头交流和部门会议。由于不同岗位使用的软件不同，不同设备的控制方式和信息格式不同。岗位之间的信息不能够直接被不同的软件相互直接引用。人能看懂，机器看不懂，需要人根据自己的理解，转换成另一种软件的信息格式。比如日本那法科的机械臂与WAGO 机械臂之间的控制方式完全不同。不同的CNC的控制方式也不同。造成了技术部门的工作效率低，而且容易出错。如果你去了解一下技术部门的费用，就会发现这个部门的数字化改造的潜力比生产线改造更加明显。

        制造业数字化转型的一个重要的方向是实现技术部门的数字化，提高技术部门的工作效率。

        工业4.0 的观点下，要在技术部门导入工程思想，采用统一的设计语言和信息模型。使不同岗位的软件，设备使用同样的，确定的信息模型。相互能够之间引用。比如使用AutomationML 语言来描述工程信息，使用OPCUA 协议实现设备互联。都是为了打通技术部门的信息赌点。

为此，人们提出了下面这些工业软件和观点

产品生命周期管理（PLM）

各个技术岗位的文档相互兼容和交流顺畅。并且使用标准的工程文档格式，例如automationML。

产品信息管理（PIM）

        使用该系统缩短了技术文档的编制时间，减少了文档的差错，与客户，部门之间的技术交流更加顺畅和确定。

实现产线设备，软件的互联互通

        实现生产设备的数字化模型，实现“即插即生产”，加快了产线调v实现数字化仿真，数字孪生和产线数据可视化。为了达到这一点，需要设备厂商，自动化设备厂商，软件开发商做许多工作。

        设备的通信协议从封闭走向开放和统一。OPC UA 是最被看好的工业4.0 重要的通信协议，它是一种建立在信息模型基础上的通信协议。以统一的信息模型进行信息交换。OPC UA基金会也十分努力，构建了大量领域的信息模型集。

   同时，德国工业4.0 组织也对设备的资产管理包，工业4.0 语言进行规范指定标准。推动I4.0 目标的实现。

数字仿真，数字孪生系统的采纳

        使用统一的信息模型，实现仿真，数字孪生和生产数据可视化。目前流行的仿真，数字化孪生系统都已经支持OPC UA 信息模型。

设备之间的信息鸿沟

         工业4.0 的观点下，生产线要满足产品多样性的需求。传统企业生产线是为单一产品大批量制造建立的。更换产品需要对生产线做出调整，技术部门工作量非常大，比如要添置不同的夹具，刀具和更改设备编程，难以实现敏捷化制造。

        笔者看来，对于单一产品的大批量产线而言，实现数字化的效果并不明显，因为产品的规格不经常改变，生产线除了维修之外，无需反复改动，设备大多数是定制设备，无法进行数字化调整。在这一类产线实行数字化，能做的事情大概只有车间的看板，安灯系统，设备健康检测等。而实现自动化，机械臂，自动化检测等“机器换人”的工作是传统制造业中生产自动化改造项目。

    制造业数字化是为了能够满足产品多样化需求。单一产品的生产线需要先转型，再数字化。首先要改善企业的生产管理方法，比如推行精益生产的方式。然后实现生产单元根据产品的要求实现快速的调整。

        为了产线生产多样化产品，需要实现生产设备，生产管理软件之间的互联互通。将传统设备转变成可编程智能化。通过OPC UA ，AAS 等信息模型实现生产线不同生产单元的信息兼容性。是产线的利用率更高，适应性更强，技术部门调整产线更加便捷。

   制造业数字化更适合在小批量，多品种的柔性生产线上实现。例如服装生产线，PCB 生产线，3D打印，物流仓库，CNC 机械加工等应用领域的数字化转型更加能体现价值。

工业4.0 提出的主要方法

   工业4.0 提出的方法是采用IT 技术实现所有资产的互联互通。实现资产网络化，模型化。工作的难点是各种标准的建立，推广应用。

网络化

        资产之间使用共同的网络协议相互传递信息。比如TCP/IP,MQTT,OPCUA 都是工业4.0 推荐的通信协议。

模型化

         设备之间不但要交换信息，而且要能理解信息的含义。例如传感器发送一个模拟量，通过现场总线传送给计算机之后，它代表什么参数，计量单位是什么，它的上下限应该是多少？这是一个32位模拟量背后的信息对于计算机处理也同样重要，在传统的控制领域中，通常是通过查阅传感器的数据表来了解，并且写入相关的程序中。不同厂商的传感器，对模拟量的解释还不一定相同。更换不同厂商的传感器。也许要对程序做相应的调整。工业4.0 的方式是为每一类物理设备构建一个资产管理壳（AAS，也就是该物理设备的一个数字化模型）。详细，准确地描述设备的特性，状态和操作方式。软件能够通过网络的数字化资产管理壳来操控物理设备。

标准化

          国外机构的调查表明，实现工业4.0 最大的挑战是标准化。只有遵循了标准，使用同一种数字化建模语言，才能够实现互联互通。国际标准化组织建立了许多数字化制造方面的标准。我国也正在加紧制定相关技术标准。但是制定标准只是一个起点，需要后期的推广和技术实现，只有当工业界广泛地接受，标准才具有生命力。国外机构都安排了相关技术的研发项目，帮助企业实现数字化转型。我们在这方面还没有得到足够的重视。

        前面已经提到，要构建产品的统一分类和编码标准，对产品的特性描述要规范化。对于复杂的设备而言，需要建立统一标准的资产管理壳（AAS）。ECL@SS 的胃口比较大，相信未来它也许会对AAS进行分类，建模和注册。

未来

          写到这里，笔者不禁想畅想一下工业4.0 的愿景实现的时候，制造业将会是什么样的变化？目前，世界经济面临着前所未有的大变局。世界经济，全球化将转向何方？未来有许多的不确定性。但是我们应该充满信心，科技的发展终将推动经济的向前发展。我相信，在工业4.0 实现的那一天，制造业的大多数要素将通过数字化技术得到确定地建立模型。它们之间的信息交流将突破地域，领域和企业的限制。那些在大屋顶下依靠人员之间交流的大型制造企业会被小型化，分布式专业的数字化企业所取代。大型的单一产品的制造企业造成的土地浪费，交通拥堵，环境破环会得到改善，人们将在适合自己生活的地方，从事擅长的生产活动。分布式制造将成为未来制造业的主要形式。除了一些特殊行业之外（比如化工，钢铁等）。许多产品的大批量制造将在广袤的乡村和城镇完成。背井离乡，外出打工，留守老人/儿童终将成为历史，人们和自己的家人在一起快乐地生活。

在美好时代还没有来到的时候，我们要加倍努力！