“工業4.0”從2013年正式提出以來，持續了一年多的熱度不但沒有衰減的趨勢，更因為中國2025規劃、中國成為全球最大機器人市場等利好政策和消息而持續升溫。撲面而來的浪潮讓人對制造業的未來充滿了期待，可是，當理想照進現實，要完全實現工業4.0，也許是個漫長的過程，可能需要二三十年甚至更長的時間，我們現在也無法預知未來這個概念是否能夠成功實現，但可以肯定的是，目前越來越多的事實表明，信息技術特別是互聯網技術的發展和應用正以前所未有的廣度和深度在推進制造業生產方式、發展模式的變革，智能化、網絡化將是工業發展的大趨勢。
對作為世界工廠、全球制造業大國的中國來說，如何在這場革命浪潮中避免被洗牌呢？而面對工業4.0，作為智能制造的有機組成部分和核心細胞----制造業企業，他們更關注的是，“工業4.0” 概念大、范圍廣、邊界泛、場景多，這些理念如何與實際的制造業業務相結合，如何提升企業的實際制造能力和制造水平，如何使“工業4.0”真正“落地”？
所以，“工業4.0”概念與制造業企業如何結合是問題關鍵所在，我們認為，要從復雜的概念落實到制造業的實際業務中，必然需要層層的分解梳理與深入剖析才能化繁為簡、得其真髓。面對工業4.0，我們從哪里開始層層剝離呢？須得從工業4.0中提得最多的三個字母——CPS開始。
一、對CPS的理解
對CPS的理解在業內已經有很多相關的討論，我們的體會，也許可以簡化通俗的歸納為：連接兩個世界（物理世界和虛擬世界），融合三大網絡（互聯網、物聯網、服務網），承載3C能力（計算能力、通信能力、控制能力）。CPS 構建的前提也就是試圖把人、物、系統通過各種網絡實現連接，而至于在CPS中流動的，是信息和信息所承載的知識。CPS的發展趨勢，也必將是更加自動化和智能化。
CPS實際上是一個由眾多的異構元素組成的復雜系統，也就是說，它是由眾多的CPS子系統，甚至更小的CPS細胞所組成的，而對于不同行業的特定應用場景通常需要構建特定的系統結構，比如說，面向能源的CPS系統、面向交通的、面向保健醫療的、面向工業的。不同的CPS單元除了聯網這一基本條件外，還需必備的是其相應的智能體系。
二、制造業企業的CPS
在了解了CPS宏觀的概念后，我們縮小范圍，聚焦我們關注的制造業。制造業企業CPS作為CPS系統的組成細胞，既有CPS的共性，也有面向行業特征的個性。
我們先從CPS的字面意義上來分解制造業企業CPS的要素：
可見，制造業企業CPS涵蓋了企業的絕大多數重要的構成要素。
但我們通過分析可知，針對制造業企業的特點來說，企業在構建CPS系統中，還需要貫穿符合企業實際管理情況的相應的管理理念，例如常說的精益生產、敏捷制造、網絡化制造等等。關于這一點，在工業4.0或者是CPS概念中并沒有詳細闡述，這是因為工業4.0的大概念幾乎涵蓋了整個社會的所有領域，從制造業領域看，就包括需求規劃環節（策劃者）、協同制造環節（生產者）、經銷流通環節（傳遞者）、運行使用環節（消費者）、回收利用環節（回收者）。“工業4.0”旨在整個社會大環境下，通過整體的互聯互通提高各個產業的資源利用效率、降低整體成本，終極目標是實現資源（能源和原材料）的最佳利用、在有效保護環境的情況下實現生產力的革命性提高。
這么龐大的理念體系具化到一個制造業企業，該如何高效利用資源、降低成本、保護環境、提高生產力？我們認為要實現這個目標，就必須將物理系統、網絡化這些CPS的理念與精益生產相結合。因為精益理念的核心就是消除一切無效勞動和浪費，通過不斷地降低成本、提高質量、增強生產靈活性、實現無廢品和零庫存等手段確保企業在市場競爭中的優勢，從整個社會視角看，所有企業都努力做到了這一點，也就實現了“工業4.0”的大目標----有效保護環境、資源最佳利用、革命性提升生產力。
所以我們認為，如果把構建CPS系統比作構建企業的“軀體”的話，那么“精益”的管理思想是企業貫穿全局的“靈魂”所在，一個有思想的“活”的企業，要將兩者進行很好的融合，使CPS構建中貫穿“精益”思想，實現兩者相融相通。這應該是制造業企業CPS的個性化特征。
既然制造業企業CPS涵蓋了這么多內容，那么這些要素在企業內要如何組織起來呢？我們認為，制造業企業CPS的架構也應該與CPS大框架相匹配，從縱向和橫向兩個維度來構建�？v向就是制造業企業CPS的技術架構，橫向就是CPS的業務架構。
先說技術架構：我們認為，制造業企業CPS架構包括了物理層、網絡層、應用層和決策層。
• 物理層是與生產相關的物理世界，包括人、機器、廠房、物料、系統等等，并且涵蓋了感知子系統，也就是相應的傳感設備和數據采集裝置，主要負責從物理世界采集原始信息，并根據系統指令改造物理世界；
• 網絡層保證感知數據在異構的網絡中可靠的傳輸；
• 應用層面向用戶，提供交互界面和功能，同時可進行協同處理；
• 下層的各項數據，都為決策層提供了數據分析和數據挖掘的依據，為頂層決策提供支持。
縱向的技術架構要求所有相關的系統，從產品的設計研發到工藝到自動化制造，都要有標準化的接口和技術相互連接，確保生產管理系統與機器控制系統相連接，實現信息的高度透明和實時。
而從橫向的業務架構來說，更多的是強調企業間的合作，例如大型集團，在企業間的業務流上（或價值鏈上）進行集成，是為了實現各企業間的無縫合作，提供實時的產品與服務。這就要求更高一級的生產系統合作伙伴之間有開放穩定的接口。
制造業企業CPS的構建，對企業來說是很大的挑戰，可以說涉及到制造環節的方方面面，不是能一蹴而就的。但是，這種改變也不是遙不可及的，是可以循序漸進逐步實現的過程。
結合目前我國的國情來看，從大的業務流程以及基本的硬件設施來說，整體改變不會很大，而更為關鍵的是，人、設備、軟件系統與思維導向的改變。
首先，制造業企業的幾個關鍵要素，資源、信息、物體和人要達到深度的融合。無論是人、設備，還是產品、原料，以及相關的工藝法則、法律法規，甚至包括能源消耗，除了實現實體間的物理連接外，還需要通過軟件管理、業務集成等實現“虛擬連接”。
其次，從感知網轉換到感控網。對工業網絡的構建已不是停留在嵌入式系統應用的“感知”層面了，還需要加入控制能力和自治能力，而這種控制網絡也不再局限于工廠內部封閉的系統中，而是能和互聯網通信，這部分當然也需要更高級的軟件平臺的支撐。
再者，基于網絡的服務與工業整合。從賣產品到賣服務的轉變，將是未來發展的大趨勢。服務型導向的商業模式正在改變更多傳統工業企業的商業模式。就像現在電信運營商那里購買幾年的通信套餐服務就可以免費或低價的獲得手機一樣，未來的家電、家居甚至汽車等都可能通過服務合約而免費贈送。因此，制造業企業CPS的構建，生產出的產品的聯網能力與企業服務網絡的構建也很重要。
三、制造業企業CPS與精益生產的融合
前面提到，要在構建企業級CPS的過程中融入精益的理念和思想，而且實現兩者互融互通，貫穿到企業業務的方方面面，這是制造業企業CPS應該具備個性化的關鍵點所在。
那么現在問題又來了，制造業企業構建CPS，這可能是個漫長而龐大的工程，而同時更重要的是在這個過程中，需要根據企業的外部競爭環境和內部適應性，逐步的提升管理和貫徹精益生產，提高效益水平，這也不是一蹴而就的事情；那么，在企業資金和資源有限的前提下，這兩者如何能夠和諧的互通共榮？企業如何根據自身情況有效規劃，在合適的時機推動某一項業務的變革（包括物理資產的升級改造、管理模式的轉變、人的提升等）。一個具體的企業，究竟如何決策才是最科學合理的，怎么判斷在什么時候進行何種投資和業務改進呢？這些問題對于每個企業來說都是很大的挑戰。
對于這些問題，也是我們一直在思索和探討的問題，對此我們也進行了全面深入的調查、研究和分析。現在，在基于制造業企業CPS理論和精益生產理論的基礎之上，融合我們在工業領域多年的企業信息化咨詢和服務的豐富經驗，我們形成了一套行之有效的“卓越制造標準體系”，通過這套體系，可以幫助企業評估當前所處的發展水平和存在的瓶頸問題，并給出相應的解決方案建議。
這套體系基于CPS的構成要素和精益思想的精髓融會貫通，把制造業企業的業務行為和管理過程進行抽取、轉換、映射和再融合，最終科學的解構為人員、物體、資源、管理和信息五個域，通過對這五個域的分解細化，基本涵蓋了企業智能制造的全過程，通過對此進行指標評價，可以清晰的對企業智能制造的水平給出量化的判定，涉及了企業的各個層次和各個方面。
具體來說，卓越制造標準體系設置了5級模型，分別為管理初始階段、管理升級階段、基礎完善階段、持續改善階段和卓越制造階段。通過所設定的各項細分指標（已細化到48項二級指標和240項三級指標），使用問卷、訪談、實地考察、甚至有可能是第三方鑒定等調研手段，針對企業智能制造的這五個域進行客觀的評估，并綜合得出企業在各方面目前處于哪一級的發展階段。
最后的評價結果與企業共同進行分析和討論，結合企業未來發展的愿景，我們診斷定位企業的短板，并給出相應的改進方案建議和實施路徑，比如，困擾很多企業的產能匹配問題，會細化分解到供應鏈的問題、物流配送的問題、庫存管理的問題、生產排產的問題、產線布局的問題、設備工裝的問題、操作人員的問題、管理方式的問題、研發工藝的問題等等，具化的方案建議可能包括更改產線布局、設備工裝更換、生產流程改進、管理方式變革、操作人員培訓、設備保養計劃、變更流程控制、高級計劃排程、產線數據采集、質量控制體系等等，最后給出系統性方案，所有的改進建議如何實施推進，如何建立規章制度、如何通過IT系統固化等等。這套體系經過實際的項目檢驗，已經取得了一些成效，獲得了不少企業的認同，很多企業的生產管理在經過科學的評估后，都迅速定位了瓶頸問題和關鍵改進點，經過業務咨詢、流程改進和IT支撐與固化，業務上在短期內都得到了針對性的有效的改善。
四、MES與制造業企業CPS的關系
我們知道，作為制造企業生產前線的解決方案，MES系統在過去的十幾年發展迅速。在制造業企業CPS構建中，MES系統實際是CPS的重要組成部分，是實現制造業企業中“物理世界”與“虛擬世界”聯通的重要手段和有效途徑。MES系統“承上啟下”的特性，使其具備通過對車間人員、設備、物料等“實物”數據的采集與跟蹤，實現生產現場與管理活動的數據轉換和信息溝通的能力。
其次，MES系統中的實時化管理、減少無附加值的活動、提高交貨能力、實現對制造系統的集成等實施價值，都是與精益生產“創造價值，消除浪費”的理念不謀而合的。因此，從制造業企業CPS構建的思想層面，MES系統是實現精益生產的技術支撐和最佳軟件載體。
再者，MES系統向智能化方向發展的趨勢必將促進制造業企業向“智能工廠”和“智能生產”的方向發展。面對未來，企業僅關注生產監控、數據采集等問題是遠遠不夠的，在解決了生產過程的自動化后，必然向智能化發展。MES系統在未來將進一步實現現場實時分析、協同智能決策及時調整制造執行過程，將進一步打通從上游到下游的整個供應鏈，未來的生產將處于“工業集成”的應用時代。MES系統將變得更加智能，這也是工廠智能化的強大推動力。
因此，綜上所述，工業4.0與制造業企業發展的關系，從當前發展階段來看，應該是以構建企業CPS為目標，卓越標準制造體系為指南，以MES系統為代表的一系列軟硬件系統為支撐體系，為最終實現智能工廠和智能生產打下堅實的基礎。
作者：武漢佰思杰科技有限公司 李佑莉 劉朱鋒
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本文標題：從“工業4.0”到卓越制造標準體系的研究
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