漫谈智能制造：
引子为了提高德国的工业竞争力，以西门子为首的德国公司及德国学术界和产业界在2013年推出了工业4.0战略。而以美国GE（通用电气）为首的美国公司早已在2012年就推出了工业互联网概念。为了追赶发达国家步伐，占领世界制造业发展战略制高点，中国政府也于2015年5月推出了《中国制造2025》战略规划。
什么是“工业4.0”、“工业互联网”、“中国制造2025”？
有兴趣的读者可以
百度 搜索一下，他们的不同点与相同点都有详细的介绍。
这里抛出个问题，同样为了提高工业竞争力，为何德国提出的是”工业4.0“战略，而美国却提出的是”工业互联网“概念，这背后的深层原因各位读者可以认真思考一下。
当然，中国很焦虑，步子一向迈的大，什么都想要，所以就弄出了个具有中国特色的”中国制造2025“
智能制造其实不论是工业4.0还是工业互联网，本质内容是一致的，都指向一个核心，就是智能制造。智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。（百度百科定义）
中国工信部和中国工程院把“中国制造2025”的核心目标定义为智能制造，由智能制造落实到具体的工厂而言，就是智能工厂。智能制造、智能工厂是“中国制造2025”的两大目标。
近年来，智能制造热潮席卷神州大地，成为推进“中国制造2025”国家战略最重要的举措。其中，智能工厂（Smart Factory）作为智能制造重要的实践领域，已引起了制造企业的广泛关注和各级政府的高度重视。
那国内智能工厂建设的现状如何呢？
虽然国内一些企业在推动智能工厂的建设方面取得了不错的成绩，但更多的制造企业在推进智能工厂建设方面，还存在诸多问题与误区。
- 盲目购买自动化设备和自动化产线。很多制造企业仍然认为推进智能工厂就是自动化和机器人化，盲目追求“黑灯工厂”，推进单工位的机器人改造，推行机器换人，上马只能加工或装配单一产品的刚性自动化生产线。只注重购买高端数控设备，但却没有配备相应的软件系统。
- 尚未实现设备数据的自动采集和车间联网。企业在购买设备时没有要求开放数据接口，大部分设备还不能自动采集数据，没有实现车间联网
- 工厂运营层还是黑箱。在工厂运营方面还缺乏信息系统支撑，车间仍然是一个黑箱，生产过程还难以实现全程追溯，与生产管理息息相关的制造BOM数据、工时数据也不准确。
- 设备绩效不高。生产设备没有得到充分利用，设备的健康状态未进行有效管理，常常由于设备故障造成非计划性停机，影响生产。
- 依然存在大量信息化孤岛和自动化孤岛。智能工厂建设涉及到智能装备、自动化控制、传感器、工业软件等领域的供应商，集成难度很大。很多企业不仅存在诸多信息孤岛，也存在很多自动化孤岛，自动化生产线没有进行统一规划，生产线之间还需要中转库转运。
造成这种现状的原因主要是企业家及管理层没有深刻理解智能制造，智能工厂建设的系统性及复杂性，心血来潮，盲目的“大跃进”必将导致智能工厂建设的投资打水漂。
但不能说因为智能制造的复杂性及风险性，我们的企业家就放弃这个今后制造业的战略制高点。
两化融合如何理解智能制造，我们不妨通过中国的“两化”融合的发展历史及路径来探个究竟，或许在这个寻根究底的过程中我们能有所收获。
中国制造业的转型升级基本上是沿着信息化，自动化两条主线来开展的。如下图所示：
信息化升级信息化升级大体经历了MIS、ERP和后CIMS时代
MIS时代：最初的进行信息化升级的是金融财务系统，因为当时由于财务报表必须按照国际通行财会准则进行修改，同时计算机开始普及，所以企业最初是通过上计算机和电算化软件项目，客观上实现了会计准则与国际接轨。随着计算机的普及和数据库技术的成熟，各单位纷纷开发自己的小型管理信息系统（MIS），之后标准的产品越来越多，MIS公司也蓬勃发展，这时的MIS产品如库存管理、图书管理、车辆管理、客户信息管理等。
ERP时代：ERP的产生经历了MRP、MRPII等几个过程，后来集成了对企业外部的CRM和SCM，成为企业资源计划（ERP）。随着跨国企业越来越多地进入中国，客观上要求中国的分公司或者本地的供应商采用与之相兼容的企业信息系统和供应链管理系统。同时要求中国企业按照现代企业业务流程进行改制。所以BPR企业流程再造几乎是伴随ERP同时的概念。
当时普遍公认的理念时是，引进ERP绝非采购软件，而是引进一套现代化管理体系，是思想变革。
后CIMS时代：后CIMS时代应该说是信息系统大发展时期，除了企业应用ERP使企业及商业信息化，与此同时，在产品设计、生产设备、质量管理等直接与制造相关的环节也在进行着信息化。例如在产品研发和设计部门，也经历着无纸化的升级，CAD、CAM相继大量使用，CAE开始应用。由对CAD产品数据管理发展而来的PDM（产品数据管理），通过对产品BOM的信息化管理引申出了“数字化”概念；生产部门开始使用CAPP（计算机辅助工艺规划） 和MES（制造执行系统）。
自动化升级应该说从中国建国以后开始就已经引进国外的成套设备，流程制造行业直接进入工业2.0甚至3.0时代。
90年代开始，流程行业开始大量上马DCS项目。电力、石化、水泥、钢铁行业自动化程度提高迅速，同时也引进了国外的先进控制工艺。相比之下离散制造的自动化程度要远远落后，主要以采购先进数控机床为主，同时，通过设备供应商和刀具供应商快速积累工艺经验，提升工艺水平。可见自动化升级除了引进装置、设备，还间接引进了工艺
自动化与信息化交会在流程制造行业（如石化、水泥、食品等），一大批分散控制系统DCS和仪表自动化项目迅速崛起，而在离散制造行业的是企业采购了大量数控和自动化物流设备。随之而来出现的问题就是如何获得这些现场数据，并把这些实时数据用起来。
如何数据采集，就不得不提组态软件。这类产品最早是DCS或PLC厂家为方便客户开发界面而配备的开发套件，后来出现了许多独立的软件厂商，可以通过图形界面直观地看到数据的变化。由此产生了“人机界面（HMI）”，所以“图形化”往往指的是人机交互相关的产品或项目，比如工作站的面板和电子看板等。
现场数据采集SCADA，正是自动化与信息化的链接节点，是自动化设备和信息化管理软件的承上启下的层级，也是自动化与信息化相融合的过渡区域。
这个时期，信息化与自动化的产品开始交会。2007年10月，党的“十七大”报告正式将信息化列入“五化”，提出“两化融合”的概念，即信息化与工业化融合，走新型工业化的道路。
梳理了信息化及自动化升级的历史发展脉络，企业才能在今后实施智能制造路上不至于迷失方向。或者说，要想实现工厂智能化，工厂的信息化及自动化是基础。
那是不是企业买了高级管理软件，高端自动化设备，工厂智能化就能实现，企业效益就能大幅提升，答案显然是否定的。不深刻理解自己企业的生产模式盲目地实施信息化，自动化必然会张冠李戴，事倍功半。
四类生产模式随着社会生产力的发展，人们的需求越来越多样化，越来越多的企业不得不切换到多品种、小批量甚至单件定制化的生产。在工业4.0体系中，个性化定制被反复提及，所以企业在组织生产时要多考虑生产“柔性”与“刚性”。
所谓刚性生产是指大批大量生产单一或少量品种的产品，这种生产模式特别适合自动化，例如，紧固件等工业标准件的生产就是通过自动化专机实现的。
所谓柔性生产是指多品种小批量，甚至单件定制化生产，这种生产模式对自动化系统的智能化程度要求较高（从某种意义上接近或等同于智能制造），比较典型的行业是汽车的混线生产和非标零件的机械加工。
下图是四类生产模式的划分
X轴——表示产品种类的复杂程度
Y轴——表示生产工序要求的动作灵敏程度
四类生产模式及典型行业
象限 I：手工柔性生产该象限的特点是：产品种类复杂且动作灵巧度高。典型行业如飞机、航天器等复杂机电产品装配，成衣、皮具定制，家电、数码产品组装，以及前文所论述过的产品维修或返修。
这类生产对动作灵活性要求高，因此无法通过自动化手段替代人工或者替代人工的自动化设备研发投入过高。例如，目前的机器人或运动控制技术都难以达到人手的复杂和灵活程度，因此诸如皮具制作和缝纫等工作在相当长的时间内无法被机器所取代。
适合这类制造企业的生产模式，称为手工柔性生产，即生产管理组织复杂且无法实现自动化。
多品种小批量生产模式在生产过程中的最大缺陷就是人为犯错。
实际上这类企业非常适合走“信息化”或“智能化”软件升级路线，既通过专家决策系统或相关的软件产品管理生产并指导工人操作。信息化或智能化软件的作用在于指导生产。如产品在生产工序流通环节中，在节点处通过对条形码或二维码的扫描来避免人为失误。
象限 II：手工刚性生产该象限的制造特点是：产品种类单一且动作灵巧度高。
典型行业如传统的服装、鞋帽业等，这类行业产品产量大，但生产过程基本上只能通过手工实现。这种靠薄利多销生存的行业除非在产品设计和工艺上做文章，否则在自动化或智能化层面几乎没有改良的余地。当然，自动装配技术在不断改进，而这也需要模块化设计理念的完善。
值得注意的是，有一些产业原本难以实现或实现成本极高的自动化生产，但随着自动化技术的进步，新的自动化生产方式也逐渐浮出水面，而这也正是中国制造转型升级的重要契机。其技术策略相当于从第II象限向第III象限转移。例如，我国有大量制造企业从事钣金焊接，由于焊接工作很辛苦环境差，所以欧美国家已经把大量低附加值的需要手工焊接的业务转包给中国企业，本土只留下容易实现自动化的电阻焊、气体保护焊、等离子焊等高附加值工艺。在这样一个市场需求下，欧美的设备制造商就缺乏开发面向低成本钣金件的自动化焊接设备。对于中国本土的设备制造商来说，这无疑是个巨大的商机。面向中国制造业特定市场的自动化专机也是中国制造弯道超车的绝佳时机。
象限 III：自动化刚性生产该象限的特点是产品种类单一且动作灵巧度低。
典型行业就是工业标准件生产如紧固件、轴承、齿轮、五金件、连接端子、微电子等行业，以及相对简单日用品，如食品、饮料行业、纺织、印刷和制笔业等。
这类产品通常是通过专机和自动化设备实现的，而且技术非常成熟。中国大量低端制造业企业都属于这种类型的制造业，都可以通过自动化专机实现量产。
而且，这种行业一旦开发出全自动高效量产的专用设备，那么就极有可能实现对该行业的垄断，为其他竞争对手设置投资门槛。
中国的中小制造企业里，有非常多是从事单一产品的批量化生产的，如USB线、鼠标、摄像头、拉链、打火机等。相信在未来的5年内必定会出现生产这些通用产品的全自动化生产线，也一定会在中国出现世界级的行业寡头。
中国制造发展于特定的历史时期，因此具有鲜明的特色。具体表现就是II、III象限制造业的转化。由于II象限的中国制造企业规模和市场占有率通常极大，所以通过改进设计和工艺就可以把II象限的产业转到III象限。在III象限里通过开发专机实现全自动，再配合智能化管理软件，实现柔性自动化，向IV象限进军，占领国际制造业的顶端。
象限 IV：自动化柔性生产该象限的特点是产品种类复杂且动作灵巧度低。
最典型的行业就是汽车，目前国际上主流车型均采用混线生产模式，即自动化柔性线。这种生产系统对设备的自动化程度和软件的智能化程度要求极高，是目前复杂程度最高的生产系统。与汽车类似的还有电子行业，如电路板的生产。事实上木工是最容易实现自动化柔性生产的行业。理由是木工制造的工序简单，零件结构标准化程度较高，产品的多样性要求较高。
需要注意的是，实现柔性自动化绝不是单纯设备自动化升级可以实现的。它需要从设计到工艺到设备到软件的全方位统筹。
自动化柔性生产特别适合笔者所从事的高压输配电行业，对于输配电设备行业来讲，虽然是ETO模式（engineering to order），但是这个行业特别像木工行业，产品多样性要求较高，但是零件结构标准化程度较高，如果业务规模够大，可以对零部件实施自动化的定量库存生产，自动化能降低人工成本，提高生产力，降低质量风险。然后再对总装工厂实施智能管控，车间实施MES（制造执行系统），这样做能够极大缩短ETO项目式生产lead time，从而提高企业在市场中的竞争力。
智能制造落地从历史经验看，制造升级与人力解放是同一过程。机器（机械）设备的出现解放了重体力劳动，如铁匠、矿工等；
自动化技术的出现，解决了繁琐体力劳动，如流水线装配工和搬运工；
信息化管理系统则解放了从事繁琐的脑力工作的劳动者，如会计、仓库管理员等；
数字化软件让产品设计和工艺人员不必趴在图板上画图并反复修改，同时给现场管理者更直观的图形化调度决策支持；
可以预见：智能化系统将借助大量的建模和算法，和一些必要的人工智能技术，包括启发式算法、机器学习、深度学习，或将解放决策层的脑力劳动。
可见，人类的制造系统在不断地更新换代，每次升级都会解放体力和脑力，使人的创造力可以有更大限度地发挥。未来制造业的从业人员将仅进行创造性的工作，可以模式化的体力和脑力工作将完全交给智能制造系统完成。
转型升级原则制造升级过程
从上图中可以归纳出生产制造企业转型升级的一般规律：
产品设计和生产工艺是制造的基础，永远具备升级空间；
由于产品是制造业创造价值的最终载体，而制造业的产品永远是实物，所以产品被设计成什么样子（产品设计）和如何把实体产品做出来（生产工艺）是制造业永恒的话题。
在任何阶段投入精力研究产品设计和生产工艺几乎都是正确的战略选择。
智能制造转型升级的四大基础原则
一是只有在设计和工艺都明确的基础上才可能谈设备升级和自动化升级；
☆ 设备升级和自动化升级都是机器替代繁琐重复性体力劳动；专机的设计研发耗时费力，而且只有稳定定型后才成为标准机；
☆ 设备升级是基于产品工艺的自动化集成；
☆ 自动化升级是基于生产工序和车间物流的自动化集成；
二是只有基于管理流程的自动化才能信息化升级，用以替代繁琐重复性脑力劳动；
三是只有产品和生产数据，具有数字化表达的基础，才能谈到数字化；
四是只有基于复杂生产状态的决策系统才需要智能化。
结语生产制造企业的转型升级是一个系统工程问题，绝不是单靠几个项目、几套软件、几套自动化生产线就可以解决的。说白了，它是一次战略意义的考量，或者是对传统工厂战略的一次清洗和重生。需要从市场定位、产品设计、工艺规划、供应体系规划等整体入手。在前期决策时投入的研究精力越大，实施起来就越容易，转型升级成功的可能性也就越高。
