智能制造中智造单元的定义

智造单元的定义

智造单元是一种模块化、积木式、互联互通的数字工厂实践，其模式实现设备四世同堂的在线管理，有效地保护既有设备的投资，传承了企业沉淀的管理经验，同时迎合了当前科技劳动者的需要，从而稳步推动传统企业走向智能制造。

智能制造正在成为不可逆转的制造趋势，然而企业大量的设备都是在更早时期留下来的遗产（legacy）系统，而面临的劳动力却是新生代面孔，有学识，有学历的科技劳动者。如何能够在有效保护既有投资的基础上，实现智能制造的稳健落地？智造单元提供了一个有效的解决思路，成为推进“中国制造2025”离散性制造企业的工厂升级最可靠的法宝。

智造单元SMU (Smart Manufacturing Unit）是一种工业转型升级实践，可以阶段性地实现智能工厂的落地；智造单元是一种模块化的思想，是实现智能工厂的建设与规划的指南。它把满足现场需求的各种散落的珍珠，以客户价值最大化的理念串成亮闪闪的项链。

智造单元可以定位实现数字化工厂的基本工作单元。针对装备制造业的离散加工现场，把一组能力相近的加工设备和辅助设备进行模块化、集成化、一体化，实现数字化工厂各项能力的相互接口，具备多品种少批量（单件）产品生产能力输出的组织模块。如图1示例：

图1 智造单元案例图

为了实现一个数字工厂的高效率运转，基本工作单元必须要实现模块化、自动化和信息化。但传统上的解决方法，往往采用各种设备叠加组合，缺少整体上的一体化设计，尤其是软件、硬件一体化的设计。而这正是智造单元要解决的问题，它围绕现场要素，从资源轴、 管理轴和执行轴这三个角度，提供了一个完整的多品种小批量的解决方案。

按照“一个现场、三个轴向”的视角，每个轴向都涉及到四个要素，来实现对生产现场数字化的布局与管理。 

图2 智造单元的“一个现场三个轴向”

在资源轴上，主要是对人员、流程、产品、设备的管理。资源可以是任何活动的对象，也可以是执行这些活动的前瞻主题。特别值得注意的是，员工是宝贵的资产。工厂工人在物理世界生产产品，不管职务是不是管理者，都会以项目为大的原则，依据系统需要做决定并给其他人传递信息指示。

而管理轴则是质量、成本、交期、安全，是生产过程中核心输出的要素运维与管控；而在执行轴（PDCA），则是标准的戴明环，也就是计划（Plan）、执行（Do）、检查（Check）、纠正（AcTIon）。在智能产线中，这个PDCA的戴明环类似于工业4.0的核心要素“赛博物理空间”（CPS）。

这三个轴向的要素分解，既贴合企业的实际业务活动，又综合地表达了现场人员和各种设备之间互动的过程与结果。从丰田的角度来看，这也可以看成是“带人字旁自动化”的一部分，就是将人的因素，也放在智造单元的闭环之中。

智造单元是扎根于车间而自然生长的结晶。智能制造所有重要的问题，都需要回到现场去解决。由于智造单元的产品架构，本着“模块化”、“单元化”、“集成化”和“一体化”的理念进行组织。这使得实际在生产企业的现场每一块都是可以独立的运行，集中的承载某一功能，呈现某一块价值，我们可以视为是一粒“珍珠”，而智造单元更像是一串项链，以现场价值为导向，把一粒粒被需求的珍珠串在一起。如图3：

图3 智造单元的“珍珠与项链”

全球制造范式的改变

早在2009年，美国Koren教授就提出来，新兴的社会需求会催生新的制造模式。他给出了四种模式的示例模型图。这意味着，每出现一种新的制造模式，总会有一种新兴的制造系统与之相适应。

图4 市场和社会需求的驱动

（source：《全球化制造革命》）

在当下，全球智能制造成为一种全新的制造系统，而智造单元正在成为这种系统的标准样板之一。全球智能制造的快速发展，有一条重要的指导思想，就是要用服务业的思想去做制造业，所以需要有服务的通道，而产品只是载体。产品全生命周期服务才是双方合作的主题。

表1 传统制造与智能制造的区别

而采用了积木式、模块式、互联互通的智造单元，可以轻松实现 “制造即服务”的理念，成为制造业整个价值链中的一个最为基础的核心单元，单元之间相连，可以闭环实现基于制造服务为输出的基于制造整个价值链整合的商业模式。见图5：

图5 智造单元构建的商业模型

智造单元的价值定位是迅速搭建起数字化工厂，是智造生态的的一个细胞，是实现多品种小批量的一个解决方案，也可以是制造工厂的一条产线，或一条产线的一个单元。如图6：

图6 智造单元的价值与定位

从智能智造三大集成价值网络来看智造单元：“纵向集成”看一条线，一个单元；“横向集成”看是多个单元，或多个工厂的多个单元；“端端集成”看是一个上下游的产业链。而产业链的打通需要基础条件的一致与统一，有数据统一的标准，还有互联互通的能力，这一点类似于本文关于“珍珠与项链“的类比，智能生态，制造行业一盘棋，需要具备统一的数据标准，互联互通的属性，智造单元满了这个标准。

智造单元，使得智能制造具有了更加实用的价值，可以提供：

⊙多品种小批量的解决方案；

⊙实现四代同堂设备环境的智能智造；

⊙兼容和融合企业现有的软件体系，传递和延续客户沉淀的管理智慧以及原软件体系的价值；

⊙成就客户互联、互通的网络化合作平台；

⊙实现客户自有产品的智能化产品及服务体系建设（建设云后台）；

⊙实现行业工业大数据的入口 。

需要强调的是，工业大数据产生越来越多价值。工业大数据是企业软实力的竞争所在，这也是建设智造单元的归属。

四世同堂 轻松升级产线

智造单元由于它的产品属性与结构，在产品端具备四化的特征：结构模块化、数据输出标准化、场景异构柔性化，以及软硬件一体化。这就是使得用户端可以通过用得了、用得起的方式，建立适合自己的柔性化、智能化的生产线。

现在有很多这样的工厂，现场有许多原来的老设备，维护得也很好，也有上新设备，包括自动机械手，但实际上这些原有的装备其实不需要淘汰。这个智造单元要考虑四代同堂设备的现状，把它们集成进来。因为有些设备也不需要联网通信，有信号即可，信息采集可以变换方式的。

在国产装备中，有些是可以完整地直接进入产线，有些是需要通过改造的。智造单元适应了四代同堂的现实需求，让老设备同样发挥出价值。

智能工厂组线模式，可以定义为：模块独立、多模块并存，随时组成不同的工艺需求路线、各种方式同在，支持四世同堂。

如果在生产现场，产品的单向链很长，或者有多个产品，就可以有多个智造单元阵列存在，可以一个库，也可以多个库。在工厂中，也可能存在特别大型的设备，不便于搬运，放在哪个单元可能都不合理，但在智能制造组线模式中是不受影响的，因为只要有了智能物流，用AGV小车之类把各单元线连起来即可。

如果一个集团公司，根据产品情况，有100个单元，每个单元加工的零件可以是定向的，产品设计完毕后，会产生一个制造包，按零件的属性可以进行归类，把每类分配到对应的智造单元中去，这些单元联动起来，就是随时的智能工厂应用。再者，如果集团工厂下面有很多工厂或换成N个单元，每个单元的数据都上传服务器，通过网端、在产数据监控报表、工程软件通道和远程服务，可以集中，也可以分散；既可以在一个工厂有多个智造单元，也可以在不同地区有多个制造工厂，采用“单元信息模块化，工厂信息集成化”的顶层数据采集设计原则，把需求数据按照需求连通起来即可组成集团的智能制造生态园，如此开放的IT 架构，不仅仅便于未来的升级，更便于应用的集成。单元信息模块化到具体的智能工厂和单个的智造单元，这样就化繁为简了。

一个更为重要的价值爱在于，智造单元可以在不影响产线的运转情况下，实现多种设备的在线入列和出列的自由切换，实现设备的最大开动率，实现产研共线。

图7 智造单元设计图

90后员工新一代，要求全新的制造模式

中国制造业的人才，正在经历重要的变化。这是在推进智能制造过程中，必须要考虑的因素。在1990年以前，以劳务人员构成为主，找一个受高等学历教育的不容易。大量劳务密集型人才群体的存在，是中国三十多年的粗旷型发展的劳动大军。

从人员上看，大学生生录取率代表国家培养科技人才的进程，见图8：

图8 大学生录取率分析

1990年出生的人口，在2008年参加高考，此时高考的录取率已经高达60%。当前，他们已经是工作五六年的重要生力军。这意味着，受过良好教育的科技工作者人群将成为新的劳动主力军，这些人，出生的家庭条件均比父辈富裕，多数接受了高等教育，性格上独立，思想上有自我追求；不再受约于“贫穷限制了想象力”的时代环境，愿意接受“自组织模式”。

劳动者人群结构发生了转变是我国近期人口红利消失的关键所在。数据统计在2030年中国将有4.0-4.3个亿的90后，这个数据相当于整个欧洲的人口，在“大众创业，万众创新”的国策环境下，中国大量的自主与创新思维浸润下的90后将大显身手。

从劳动从业者的角度，也需要一种新的符合智能制造模式的生产工具出现，适应90后的习惯和方式，适合大面积科技劳动者的生产方式。

而智造单元的模块化、自由组合的方式，正是基于对未来制造趋势与人员结构判断的一个设计理念。

回归经典旋律

个性化需求与个性化体验是当下及未来的主旋律。个性化需求反映在生产上就是多品种小批量的生产方式，而这种生产方式对生产线提出的要求就是产线具备快速换产的能力，从而优化了供给侧的生产方式；个性化体验，对生产线的要求就是数字化，“数据”的采集和使用构成工厂数字化的核心，而“数据”也是智能制造的原材料，所以，市场的需求提出了智能制造的需要，需要呼唤市场能交付出具备“多品种小批量”生产能力的现场工具。

为了完美地实现小批量生产，十年前Koren教授曾经提供了一个可重构制造系统RMS（Reconfigurable Manufacturing System），然而由于成本问题和过于理想化，RMS并没有真正实现。

智造单元作为模块化、可扩展性的集大成者，很多思想，非常接近当年的可重构单元：专用柔性、可扩展性和可变换性是重构的必要特征，模块性、可集成性和可诊断性是重构的重要特征。除了可变换性，智造单元基本具备了RMS其他的五种特征。

图9 智造单元的广义技术成熟度

从整个图9可以看出，随着自动化、信息化的成熟，尤其是物联网技术的介入和工业大数据、人工智能的自学习，使得智造单元的技术成熟度已经相当成熟，具备推广和实施的技术条件。

小结

从构成理念到实践价值，从解决方案到商业模型，从企业最关心的人口和设备入手，步步为营，让更多的智造单元实践到更多的生产现场，使得智造单元成为离散型制造企业落地的重要抓手，也是柔性加工产线实现智能化的利器。

就建设路径而言，制造范式的转变是需要抓手的，而智造单元是符合未来制造趋势的标准样板，可以快速上手，在既有工厂的基础上 ，实现智能制造的快速升级。