以制造業發展歷程來看,機械化、精益管理、信息化是邁向智能化企業的必經階段。對這幾個階段的理解有利于制造企業對自身的智能化現狀有比較清醒的認識,并設計出適合自身狀況的智能化發展之路。

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 制造價值鏈及智能化歷程

機械化

工業制造的發展起源于蒸汽機的發明,也就是我們常說的第一次工業革命。蒸汽機的引入第一次實現了機器設備對人工的替代,從根本上改變了原來以人工勞動帶動生產發展的經濟增長方式,使得在生產力發展中起決定性作用的生產要素從土地和勞動力變成了以機器為代表的資本。不管后面幾次工業革命的核心生產要素如何改變,各類生產機器設備一直是以物理形式存在的生產過程的直接參與者,也一直因應不同時代的要求不斷發展。

上圖是制造價值鏈的基本建模,橫向從物理實體世界、工業生產運營和商業貿易管理三個層次對虛擬世界和實體世界的業務交互進行區分;縱向從用戶需求、產品研發、采購與物流、生產運營和分銷體系等角度列出個功能領域的主要活動。第一次工業革命的重點都在最下面一層實體世界的資源執行上,而不是工商業運營優化上。

機器的使用使得社會生產效率有所提高,人類社會財富開始快速增長,但其離散化的生產效率很低,成本高昂;動力(能源)的獲取成本很高。受這兩個原因的制約,工業產品并沒有真正成為大宗消費品,使更多人享受工業革命的紅利并釋放這部分的市場潛能成為第二次工業革命的需求。

精益管理

福特流水線的發明使得汽車生產效率大幅提高,而成本大幅下降,成為第二次工業革命的起點。但是流水線在帶來成本和效率改善的同時也給生產管理帶來了巨大挑戰,管理復雜度急劇提升,人們迫切需要在管理上有新的突破。經過長期的摸索,以日本豐田的“精益制造”理念為代表的新興管理思想脫穎而出,在相當長一段時間內推動著制造業的發展。精益理念并沒有引入新的物理資源參與到制造過程,是從管理角度提升優化資源配置和使用,推動各種長期積累的最佳實踐在制造管理中的應用,在消除浪費,實現低成本、高質量的短交期交付上起到了重大作用,尤其是在小批量、多品種的市場環境下。

精益理念是從虛擬世界入手優化物理實體世界的開始,貫穿于圖二的工商業運營管理過程中,成為企業達成管理目標的重要工具,已經開始有了數字化雙胞胎的影子。

信息化

精益管理理念的執行在早期主要依靠人,各種最佳實踐是否執行到位依賴于人的能力。隨著工業產品復雜度和精確度的增加,制造過程的分工越來越細,產線內部的協同越來越復雜,供應鏈協同越來越困難,原來完全依賴人工來貫徹執行精益理念的方式生產運營在效率、穩定性和可靠性方面逐漸成為瓶頸。此時各類信息管理系統和自動化等數字化技術開始廣泛應用于工業系統中,信息化和自動化構成了第三次工業革命的主要特征。

信息化的對象依然是圖二中所示的業務過程,在供給側以最低的成本、最好的質量、最快的速度向需求側提供產品,只是以前通過人工執行的各領域最佳實踐通過信息系統的方式給予固化下來,生產設備的自動化程度大大提高,改善了人工執行狀態下的低效率、易出錯現狀。

A.商業貿易管理:該部分覆蓋從客戶訂單的采集與管理、對供應商的原材料采購,工廠內部的生產規劃到產品分銷,不包括實際的生產執行部分。主要由客戶關系管理系統(CRM)、企業資源計劃系統(ERP)、分銷系統(DIS)等信息系統管理。

B.生產管理運營:主要包括生產執行及研發管理,信息化以生產執行系統(MES)和產品生命周期管理(PLM)為主。

C.實體世界:包括以物理形式參與制造過程的主體及生產資源,主體指的是供應商、客戶、物流運輸單位、甚至公司的員工等,這些主體是價值流動的核心驅動力;而像物流叉車、生產設備、廠房等生產資源是制造價值實現的基本物理要素。信息化階段的重點在于業務管理流程的信息化和生產設施的自動化,比如MES對生產過程中的設備參數與產品參數的數據采集與分析,與設備PLC的互動來進行防錯控制等。但是相對于下一個智能化階段來說,虛擬世界與實體世界的數字化連接和信息交互的廣度、深度還遠遠不夠。

信息系統的實施不僅加速單一層次的信息流動,還推動了三個層次之間物流、信息流和資金流、實體設備層的緊密集成,使精益制造理念貫徹更迅速、徹底,很大程度上緩解了廠內產線協同和整體供應鏈協同的壓力。

智能化

信息化系統實施加速精益理念的貫徹執行,有力的推動廠內產線協同和供應鏈協同改善。但很顯然制造系統并沒有因為各類信息系統的支撐而杜絕所有問題,制造業務中還依然存在很多問題。我們希望有一天生產制造的過程就像咖啡店的咖啡制作過程一樣,一端放入咖啡豆,另一端出來的就是濃香四溢的咖啡。但實際情況是生產質量問題時有發生,生產設備總是異常停機,生產和供應鏈協同也不順暢,市場預測不準確等等,這意味著固化在各類系統中的管理經驗和流程制度還不足以解決制造業的所有問題,還不足以達到類似咖啡機的生產狀態,還需要有更多的管理知識和經驗來避免異常問題的發生。

這些更多的管理知識和經驗為什么沒有在長期的制造實踐中被總結出來?容易被識別和歸納總結的知識相對來說都是比較顯性的,比如業務流程是否合理,如何避免產品缺陷、避免加工失效、提升設備效率和可靠性等。而有些隱性問題隱藏比較深,是工業生產中不可控的風險,比如設備性能的衰退、精度的缺失、易耗件的磨損等,這些隱性問題積累到一定程度后會導致顯性問題的發生,比如設備的衰退最終會導致停機,精度的缺失最終導致質量偏差等,就如同冰山一樣,顯性問題僅僅是冰山一角,而隱性問題則是隱藏在冰山下的惡魔。 

依靠人工去識別隱性問題進而改善制造系統已經不能滿足要求,依靠人的知識和經驗去驅動生產系統已經達到了生產力的邊界,此時需要轉向有第四次工業革命之稱的智能制造來突破瓶頸。智能制造以自動化設備、信息系統和大量數據的積累為基礎,用智能化的方式突破人工知識和經驗總結的瓶頸,用大數據、物聯網、云計算、人工智能等前沿技術解決知識的大規模產生、傳承和分享問題,最大化優化制造業務運營,提升生產效率。

與信息化階段一樣,智能制造的智能化對象依然是上圖中制造價值鏈模型所示流程和實體設施,但在自動化設備和信息系統之上會形成專門的智能分析層,自動化設備和信息系統為智能分析層提供數據支撐,智能分析層分析的結果反饋給信息系統,對信息系統的執行進行實時優化,信息系統又通過與實體世界的交互將優化延伸到實體層。形成一個完整的閉環。本文后面會在技術架構部分對這個過程進行詳細分析。

核心要素迭代

通過制造業發展歷程,可見制造業智能化并不是突然實現的,是在一次次的核心生產要素迭代中逐步發展,如下圖所示,每一次核心生產要素的迭代都是以前一次核心生產要素為基礎,實現限制生產力發展瓶頸的突破。智能制造的核心生產要素是知識,但需要以自動化設備和信息系統的大量數據積累為基礎,從而解決知識更新緩慢的問題;而信息系統的實施又要以精益管理的推行為依托,沒有良好的管理基礎,信息系統的實施很難成功,信息系統的應用突破了精益管理中的人工效率低下瓶頸;以生產設備為代表的實體世界自動化水平、數據采集與交互能力、邊緣計算能力在每一次迭代中不斷增強,和虛擬世界一起推動智能化融合。

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核心制造要素迭代

因此我們談制造企業智能化,不能脫離生產設備狀態、企業管理能力和信息化水平,不能僅僅依靠智能化技術實現智能制造。先進生產設施的引入、精益管理的推廣和信息系統應用都是智能制造體系不可或缺的一部分。制造企業在推進智能化之初,需要對自身的企業發展階段有較清醒的認識。

文章來源:奔向智能制造

精益 | 智能制造不能脫離精益管理和信息化

2019-08-14
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以制造業發展歷程來看,機械化、精益管理、信息化是邁向智能化企業的必經階段。對這幾個階段的理解有利于制造企業對自身的智能化現狀有比較清醒的認識,并設計出適合自身狀況的智能化發展之路。