一直以來，自動化在某種程度上始終是工廠的一部分，甚至高水平的自動化也非新生事物。然而，“自動化”一詞通常表示單一且獨立的任務或流程的執(zhí)行。過去，機器自行“決策”的情況往往是以自動化為基礎的線性行為，如基于一套預定的規(guī)則打開閥門或開啟或關閉水泵。通過人工智能的應用，以及成熟度不斷深化的信息物理系統(tǒng)將實體機器與業(yè)務流程相結合，自動化日益覆蓋了通常由人類進行的復雜優(yōu)化決策。最后，也許也是最為關鍵的，“工業(yè)智能”一詞亦表示通過互聯(lián)互通的信息技術/運營技術格局，實現(xiàn)工廠車間決策及洞察與供應鏈以及整個企業(yè)其他部分的融合。這將從根本上改變生產(chǎn)流程，大大增強與供應商和客戶之間的關系。它應該是一個柔性系統(tǒng)，能夠自行優(yōu)化整個網(wǎng)絡的表現(xiàn)，自行適應并實時或近實時學習新的環(huán)境條件，并自動運行整個生產(chǎn)流程。理想中的智能工廠可實現(xiàn)高度可靠的運轉，最大程度上降低人工干預。

       通過這個描述，我們可清楚地了解智能工廠并不僅僅是簡單的自動化。智能工廠是一個柔性系統(tǒng)，能夠自行優(yōu)化整個網(wǎng)絡的表現(xiàn)，自行適應并實時或近實時學習新的環(huán)境條件，并自動運行整個生產(chǎn)流程。7智能工廠能夠在工廠車間內自動運作，同時與具有類似生產(chǎn)系統(tǒng)的全球網(wǎng)絡甚至整個數(shù)字化供應網(wǎng)絡互聯(lián)。

圖1 “工業(yè)4.0”時代的智能工廠

圖2 智能工廠的三層信息技術基礎架構

       集成意味著以計算機應用為核心，是信息技術在制造業(yè)應用發(fā)展的高級階段，支持制造過程的各個環(huán)節(jié)。高度集成化能夠極大地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、有效組織各方資源、鼓舞不同鏈條中的員工的生產(chǎn)積極性，將企業(yè)從不同個體變?yōu)榫邆涑瑥娔哿Φ膱F隊，使人員組織管理、任務分配、工作協(xié)調、信息交流、設計資料與資源共享等發(fā)生根本性變化。

       “工業(yè)4.0”通過信息物理系統(tǒng)，將生產(chǎn)設備、傳感器、嵌入式系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等融合成一個智能網(wǎng)絡，使得設備與設備以及服務與服務之間能夠互聯(lián)，從而實現(xiàn)橫向、縱向和端對端的高度集成。

       橫向集成是指網(wǎng)絡協(xié)同制造的企業(yè)間通過價值鏈以及信息網(wǎng)絡所實現(xiàn)的一種資源信息共享與資源整合，確保了各企業(yè)間的無縫合作，提供實時產(chǎn)品與服務的機制。橫向集成主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡協(xié)同合作上，主要是指從企業(yè)的集成到企業(yè)間的集成，走向企業(yè)間產(chǎn)業(yè)鏈、企業(yè)集團甚至跨國集團這種基于企業(yè)業(yè)務管理系統(tǒng)的集成，產(chǎn)生新的價值鏈和商業(yè)模式的創(chuàng)新（圖3）。

圖3 智能工廠的橫向集成

圖4 智能工廠的縱向集成

       端對端集成是指貫穿整個價值鏈的工程化信息系統(tǒng)集成，以保障大規(guī)模個性化定制的實施。端對端集成以價值鏈為導向，實現(xiàn)端到端的生產(chǎn)流程，實現(xiàn)信息世界和物理世界的有效整合。端對端集成是從工藝流程角度來審視智能制造，主要體現(xiàn)在并行制造上，將由單元技術產(chǎn)品通過集成平臺，形成企業(yè)的集成平臺系統(tǒng)，并朝著工廠綜合能力平臺發(fā)展（圖5）。

圖5 智能工廠的端到端的集成

       從過去集成化思想在制造業(yè)中發(fā)展歷程以及給制造業(yè)帶來的效果評價來看，制造業(yè)已然越來越離不開以先進技術為支持的全方位整合?？梢哉f，基于全方位整合的集成化思維是制造業(yè)新思維之一。而且，工業(yè)今后的發(fā)展也必將以“借勢借力、整合資源”的全方位整合為基本思路。

       智能工廠的三項集成，從多年來以信息共享為集成的重點，走到了過程集成的階段，并不斷向智能發(fā)展的集成階段邁進?！肮I(yè)4.0”推動在現(xiàn)有高端水平上的縱向、橫向以及端到端的，包括企業(yè)內部、企業(yè)與網(wǎng)絡協(xié)同合作企業(yè)之間以及企業(yè)和顧客之間的全方位的整合。這樣一來，可以一邊設計研發(fā)、一邊采購原材料零部件、一邊組織生產(chǎn)制造、一邊開展市場營銷，從而降低了運營成本、提升了生產(chǎn)效率、縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，也減少了能源使用。智能工廠真正強大之處在于其根據(jù)企業(yè)不斷變化的需要發(fā)展和成長的能力，無論這些需要是客戶需求的轉變、進入新市場的擴張、新產(chǎn)品或服務的開發(fā)，還是預測性更強響應度更高的運行和維護方法、新流程或技術的引入，或是生產(chǎn)流程的準實時變化。由于具備更為強大的計算和分析能力，并擁有更為廣泛的智能互聯(lián)資產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)，智能工廠能使企業(yè)以過去相對困難甚至不可能的方式適應變化。

       （一）智能工廠代表了從傳統(tǒng)自動化向完全互聯(lián)和柔性系統(tǒng)的飛躍

       工業(yè)4.0的興起以及數(shù)字世界和物理世界的融合——包括信息技術和運營技術——正使制造流程的互聯(lián)互通和供應鏈轉型日益成為可能。從線性序列式的供應鏈運營模式轉變?yōu)榛ヂ?lián)互通的開放式供應鏈體系，能夠為企業(yè)的未來競爭奠定基礎。但是，要充分實現(xiàn)數(shù)字化供應網(wǎng)絡的轉型，制造企業(yè)需具備多方面的能力——推動企業(yè)運作的眾多運營系統(tǒng)間橫向整合的能力；互聯(lián)制造系統(tǒng)間垂直整合的能力；以及整個價值鏈端到端、全面整合的能力。

       智能工廠代表了從傳統(tǒng)自動化向完全互聯(lián)和柔性系統(tǒng)的飛躍。這個系統(tǒng)能夠從互聯(lián)的運營和生產(chǎn)系統(tǒng)中源源不斷地獲取數(shù)據(jù)，從而了解并適應新的需求。真正的智能工廠能夠整合全系統(tǒng)內的物理資產(chǎn)、運營資產(chǎn)和人力資本，推動制造、維護、庫存跟蹤、通過數(shù)字孿生實現(xiàn)運營數(shù)字化以及整個制造網(wǎng)絡中其他類型的活動。其產(chǎn)生的結果可能是系統(tǒng)效率更高也更為敏捷，生產(chǎn)停工時間更少，對工廠或整個網(wǎng)絡中的變化進行預測和調整適應的能力更強，從而進一步提升市場競爭力。

       許多制造企業(yè)已開始在多個領域采用智能工廠的流程方式，如利用實時生產(chǎn)和庫存數(shù)據(jù)進行先進計劃與排產(chǎn)，或利用虛擬現(xiàn)實技術進行設備維護等。但是，真正的工業(yè)智能是更為整體性的實踐，不僅僅轉變工廠車間，更影響整個企業(yè)和更大范圍內的生態(tài)系統(tǒng)。智能工廠是整個數(shù)字化供應網(wǎng)絡不可分割的一部分，能夠為制造企業(yè)帶來多重效益，使之更為有效地適應不斷變化的市場環(huán)境。采用并實施智能工廠解決方案看起來十分復雜，甚至難以實現(xiàn)。然而，在技術領域迅猛發(fā)展和未來趨勢快速演變的環(huán)境下，制造企業(yè)要想保持市場競爭力或顛覆市場競爭格局，向更具彈性、適應性更強的生產(chǎn)系統(tǒng)轉變幾乎勢在必行。制造企業(yè)須從大處著眼，充分考慮各種可能，從小處著手進行流程方式的可控調整，并迅速推廣擴大運營，逐步達成智能工廠的建設愿景，實現(xiàn)效益提升。

       （二）大數(shù)據(jù)與人工智能算法是實現(xiàn)智能工廠的關鍵

       數(shù)據(jù)是智能工廠的命脈?；谙到y(tǒng)性分析，數(shù)據(jù)將有助于推動各流程順利開展，檢測運營失誤，提供用戶反饋。當規(guī)模和范圍均達到一定水平時，數(shù)據(jù)便可用于預測運營和資產(chǎn)利用效率低下的問題，以及采購量和需求量的變動。智能工廠內部數(shù)據(jù)可以多種形式存在，且用途廣泛，例如與環(huán)境狀況相關的離散信息，包括濕度、溫度或污染物。數(shù)據(jù)的收集和處理方式，以及基于數(shù)據(jù)采取相應行動才是數(shù)據(jù)發(fā)揮價值的關鍵所在。要實現(xiàn)智能工廠的有效運作，制造企業(yè)應當采用適當?shù)姆绞匠掷m(xù)創(chuàng)建和收集數(shù)據(jù)流，管理和儲存產(chǎn)生的大量信息，并通過多種可能比較復雜的方式分析數(shù)據(jù)，且基于數(shù)據(jù)采取相應行動。

圖6 智能預測與智能決策

       數(shù)據(jù)也可能代表數(shù)字孿生，這是高度成熟的智能工廠結構具備的特征。數(shù)字孿生通過數(shù)字化形式，以較高的水平呈現(xiàn)某對象或流程過去及當前的行為。數(shù)字孿生需針對生產(chǎn)、環(huán)境和產(chǎn)品情況持續(xù)開展實際的數(shù)據(jù)測量?；趶姶蟮奶幚砟芰Γ瑪?shù)字孿生可從產(chǎn)品或系統(tǒng)情況中獲取重要信息，反映現(xiàn)實世界中設計與流程的變化。

       互聯(lián)或許是智能工廠最重要的特征，同時也是其最大的價值所在。智能工廠須確?；玖鞒膛c物料的互聯(lián)互通，以生成實時決策所需的各項數(shù)據(jù)。在真正意義的智能工廠中，傳感器遍布各項資產(chǎn)，因此系統(tǒng)可不斷從新興與傳統(tǒng)渠道抓取數(shù)據(jù)集，確保數(shù)據(jù)持續(xù)更新，并反映當前情況。通過整合來自運營系統(tǒng)、業(yè)務系統(tǒng)、以及供應商和客戶的數(shù)據(jù)，可全面掌控供應鏈上下游流程，從而提高供應網(wǎng)絡的整體效率。

       經(jīng)過優(yōu)化的智能工廠可實現(xiàn)高度可靠的運轉，最大程度上降低人工干預。智能工廠具備自動化工作流程，可同步了解資產(chǎn)狀況，同時優(yōu)化了追蹤系統(tǒng)與進度計劃，能源消耗亦更加合理，可有效提高產(chǎn)量、運行時間以及質量，并降低成本、避免浪費。

       智能工廠獲取的數(shù)據(jù)公開透明：通過實時數(shù)據(jù)可視化，將從流程與成品或半成品獲取的數(shù)據(jù)進行處理，并轉變?yōu)榍袑嵖尚械亩匆?，從而協(xié)助人工以及自動化決策流程。透明化網(wǎng)絡還將進一步擴大對設備情況的認識，并通過基于角色的觀點、實時警告與通知以及實時追蹤與監(jiān)控等手段，確保企業(yè)決策更加精準。

       在一個智能工廠中，員工與系統(tǒng)可預見即將出現(xiàn)的問題或挑戰(zhàn)，并提前予以應對，而非靜待問題發(fā)生再作響應。這一特征包括識別異常情況，儲備并補充庫存，發(fā)現(xiàn)并提前解決質量問題，以及監(jiān)控安全與維修問題。智能工廠能夠基于歷史與實時數(shù)據(jù)，預測未來成果，從而提高正常運行時間、產(chǎn)量與質量，同時預防安全問題。在智能工廠中，制造企業(yè)可通過創(chuàng)建數(shù)字孿生等流程，實現(xiàn)數(shù)字化運營，在自動化與整合的基礎上，進一步培養(yǎng)預測能力。

       智能工廠具備敏捷的靈活性，可快速適應進度以及產(chǎn)品變更，并將其影響降至最低。先進的智能工廠還可根據(jù)正在生產(chǎn)的產(chǎn)品以及進度變更，自動配置設備與物料流程，進而實時掌控這些變更所造成的影響。此外，靈活性還促使智能工廠在進度與產(chǎn)品發(fā)生變更時，最大程度上降低調整幅度，從而提高運行時間與產(chǎn)量并確保靈活的進度安排。

       由于具備上述特征，制造企業(yè)可更加全面清晰地了解其資產(chǎn)與系統(tǒng)，有效應對傳統(tǒng)工廠所面臨的挑戰(zhàn)，最終提高生產(chǎn)率，更加靈活地響應不斷變化的供應商及客戶情況。例如，一家服飾鞋品公司分別在歐洲與北美設立了全新智能工廠，以求解決制造企業(yè)經(jīng)常面臨的一些挑戰(zhàn)，包括全球離散化生產(chǎn)以及日益變化的客戶需求。傳統(tǒng)工廠和供應鏈往往面臨流行變化趨勢所帶來的諸多挑戰(zhàn)。新型智能工廠通常設于客戶所在地附近，因此可更快響應新興趨勢，并迅速為消費者提供鞋品——預計不到一周，相較之下，傳統(tǒng)工廠則需兩至三個月。兩家智能工廠均運用了各種數(shù)字化與物理技術，包括數(shù)字孿生、數(shù)字設計、增材制造設備以及自動化機器人等。公司打算汲取最初兩家智能工廠的經(jīng)驗，將這種模式推廣至亞洲等其他地區(qū)的更多基地。制造企業(yè)可通過各種方法在工廠內外打造智能工廠，并調整配置，以順應不斷變化或全新涌現(xiàn)的優(yōu)先事項。

       要建設智能工廠，僅實現(xiàn)資產(chǎn)之間的互聯(lián)還不夠。制造企業(yè)還需開發(fā)存儲、管理、分析數(shù)據(jù)以及根據(jù)數(shù)據(jù)采取行動的方法。此外，企業(yè)還需合適的人才推動智能工廠建設，同時也需確立適當?shù)牧鞒?。智能工廠建設需要獲得解決方案設計、技術以及變革管理層面的轉型支持。