译自：《Procedia Computer Science》2016年第91期
原作者：韩国湖西大学 Sungbum Park
编译：工业和信息化部国际经济技术合作中心 黄婧

摘 要

　　智能工厂是一种基于网络的超连接一体化制造系统。智能工厂通过互联网实时获取制造设备的所有信息，自动改变制造方法，替换原材料，最终实现优化的动态生产系统。实现三个一体化（生产系统一体化，产品生命周期一体化以及公司间价值链一体化）是超连接智能工厂成功的关键因素。首先，纵向一体化能力代表了实现生产系统（传感器控制-MES-ERP）和定制化生产的纵向一体化以及响应传统静态生产过程的能力。第二，产品生命周期一体化能力意味着企业在整合产品生命周期后，通过完整的信息交换优化定制生产。最后，横向一体化是指在整合公司间价值链和信息网络后，通过公司间的密切合作，及时提供产品和服务的能力。从这个角度来看，本研究提出了成功引入超连接智能工厂的关键因素。

一、导言：制造业的危机和生产环境的变化

　　目前，韩国制造业面临以下四大现状。第一，国内企业的价格竞争日趋激烈，而自金融危机以来对制造业的全球需求仍停滞不前。并且，劳动人口老龄化和缺乏创新动机削弱了出口竞争力，降低了国内消费。第二，在这些不利的情况下，韩国企业正在将他们的制造设备从中国转移到东南亚，原因是中国的劳动力成本上升，而东南亚劳动力成本较低。第三，尽管韩国制造业对GDP的贡献率达28%，位列世界第二，但韩国生产所需的97%的能源来自进口。因此，如不能通过提高生产率降低能源成本等方式解决能源问题，韩国企业无法恢复其竞争力。最后，如何使基于超连接技术的制造设备更加智能，增加价值及融合产品和服务，正成为一个关键问题。

　　随着制造业和信息技术、软件、服务等行业的融合，以及3D打印和智能工厂的引入，低成本、多品种、灵活式的生产已成为一种新的制造模式。在这一背景下，美国、德国等制造业强国通过以超链接技术为基础的工业4.0促进制造业创新，以解决当前的制造业贡献率下降、劳动人口减少、劳动生产率下降等问题。18世纪末的第一次工业革命（工业1.0）通过液压/蒸汽机实现了生产设备的机械运转。20世纪初的第二次工业革命采用电力生产设施实现了大规模生产。20世纪70年代初的第三次工业革命通过电子设备和信息技术，扩大了自动化生产的领域。而第四次工业革命是一种以超连接技术为基础，在生产设备和产品之间构建通信系统并整合所有生产流程的策略。其最终实现形式是将ICT应用于工厂等工业设施的智联工厂（Connected Smart Factory，简称CSF）。

二、智联工厂（CSF）的概念及预期效果

　　智联工厂是将“基于ICT的智能（智能建筑、智能电网等）”这一新模式应用到工厂的结果。它通过模拟由机器实现自动化生产（参见图1 工业4.0和智联工厂）。此外，智联工厂通过信息物理生产系统（Cyber Physical Production System，简称CPPS）构建了一个完整的自动化生产系统，并实施了前期限制、实时管理和后期分析。

图1 工业4.0和智联工厂

　　通过启动智联工厂，韩国能够提高制造业的竞争力，应对高工资和人口老龄化，建设高附加值的生产系统，创造高质量的工作。与工业革命相比，智联工厂将带来质的改变，而不是量的差异。自奥巴马执政初期，美国就通过国家制造创新网络（NNMI）政策，将智联工厂应用于航空航天、国防等3D打印行业。德国已经将智联工厂作为“高科技战略2020行动计划”的一部分，该计划是工业4.0在软件和精密机器（如SAP、西门子）、基于互联网的制造业和服务的根本。此外，中日政府分别通过“中国制造2025”和“日本回归”，引导超连接智能工厂的研发，促进相关产业的发展。特别是中国主管物联网（IoT）和智能工厂的工业和信息化部正在着力推动相关行业的发展，包括重点行业的孵化、标准体系和传感设备的建设。

表1 引入超连接智能工厂的效果

三、基于连接和一体化的智能工厂

1. 智能生产系统的纵向一体化（生产设备一体化）

　　智联工厂采用CPPS，通过纵向一体化的工厂价值链（传感器?PLC控制?SCADA?MES?ERP）实现定制化生产，将静态的生产过程替代为动态生产。为此，智联工厂在所有生产设被中都安了智能传感器，通过全面的数据集成和连接，促进对全过程的监控和自动控制。此外，客户可调整设计、布局、订单、计划、生产和物流，并通过基于智能传感器的设备之间的通信系统生产。此外，可在生产现场收集随时间变化的4M1E（人、机、材料、方法和能源）生产资源数据，并进行动态决策。由于智能生产系统的纵向一体化，智联工厂的所有生产过程都被记录下来，并预先自动处理异常征兆。然后，更改订单，快速处理异质质量和设施故障。此外，智能工厂还能监测材料和能源，防止材料和能量的浪费。换句话说，资源和产品通过网络彼此连接，材料和部件可在任何时间任何地方使用。

2. 贯穿产品生命周期的企业一体化（内部一体化）

　　智联工厂通过对生产设备价值链（贯穿规划、组装、维护和售后服务）的全生命周期（PLC）和一体化管理，实现产品价值链的整合，包括客户订单、制造、交付和售后服务。智联工厂在产品采购和安装阶段就对产品分配识别号和传感器，通过对价值链中产品信息的完全集成和连接，优化生产、物流、售后服务，发现新需求，对新需求进行定制生产。智联工厂在产品的全生命周期收集和分析数据，并设计和开发新产品和服务。然后，在样机建模和生产阶段实时收集数据，分析和界定新的和更灵活的流程。这一工程在制造期间连续进行。例如，新产品需要对生产设备进行动态重新配置。新产品通过以动态方式重新配置的生产系统开发和制造出来，这一新产品的开发和制造又集成到产品生命周期中，产生影响。然后，在产品的开发和生产系统中产生协同作用。智联工厂利用CPPS将工厂价值链（传感器?PLC控制?SCADA ?MES?ERP）纵向一体化，实现定制化生产，用动态的生产系统代替静态的生产流程。这样，智联工厂就实现了“4个零”（零等待时间、零库存、零缺陷和零停机）生产。

3. 公司间价值链的横向一体化（公司间一体化）

　　公司间价值链和信息网络的连接和一体化演变为公司间有形和无形资源的整合，通过公司间合作发现新业务，实时控制供应商。基于公司间超连接网络，对客户和合作伙伴的横向一体化创造了新的商业机会和合作模式。此外，通过积极获取合作伙伴的想法、知识和技术，整合和创新内部能力，创造新产品和服务。超连接智能工厂追求典型的“长尾”（long-tail）制造，其中小规模服务主导市场。因此，从大企业的角度来看，与中小型企业和风险企业合作创造多样化的服务是非常关键的。

4. 机器人、人工智能（AI）等基于超连接技术的支持工具（支持工具）

　　近年来，通过人工智能、传感器、机器人、3D打印等新型集合工具（设备软件）来实现智联工厂正逐步成为现实。首先，物联网测量传感器和纳米传感器可用于生产控制，形成有效的质量管理，也可用于安全生产和易用的下一代机器人。其次，快速发展的人工智能软件已用于：（1）在工厂或仓库中有效设计无人驾驶车辆的路径；（2）找到优化的物流路径，减少供应链上的时间和成本；（3）分析大数据，提高生产效率。此外，人工智能软件还可用于开发新流程，制定解决问题的计划并改进人机协作。第三，在空中自由飞行的无人机可不受机器人化生产设备、操作时间（日间和夜间）、地理特征和天气条件的影响，管理仓库库存并和移动备件，这项新技术很容易应用于未来的自主智能工厂。最后，“3D打印”已成为一项加速超连接智能工厂、实现产品灵活性的典型技术。3D打印机能以更快的方式执行复杂的生产，它不需要额外的成本，并能减少库存和快速交货。此外，结合新的生产、库存和配送解决方案，可开发出新的完美的商业模式。并且，“独资企业”、“单批次生产”等新的生产模式已付诸实施。

四、结论：智联工厂的创新计划

　　智联工厂的核心成功因素包括生产系统，公司间价值链以及贯穿整个产品生命周期中人、物和服务之间的连接和一体化。从连接和一体化的角度来看，推广智联工厂的政策考虑包括核心技术的标准化、参考模型的开发和工业宽带基础设施的建设等。

　　首先，核心技术的标准化旨在加强智联工厂的竞争力。另外，需要政府与私营部门合作进行技术开发和标准化，确保在全球市场获得主导地位。

　　第二，建立管理复杂信息系统的架构很重要。利用商业领域不同类型的参考架构解决由于引入新技术而引起的问题（如复杂性、兼容性等）。

　　第三，要建设制造业综合宽带基础设施。换句话说，需要建立可交换更多高质量数据的基础设施，用于公司内部和公司之间的连接和一体化。

　　第四，有必要分发方法、指示和指南。需要开发和分发智能工厂的说明和指南，帮助公司逐步发展成为超连接智能工厂。

　　最后，为超连接智能工厂制定全面的支持政策是至关重要的。目前亟需制定“制造业升级战略”，审查传统制造业的相关政策，以适应当前先进制造技术的发展趋势。

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