智造單元的定義

智造單元是一種模塊化、積木式、互聯互通的數字工廠實踐，其模式實現設備四世同堂的在線管理，有效地保護既有設備的投資，傳承了企業沉淀的管理經驗，同時迎合了當前科技勞動者的需要，從而穩步推動傳統企業走向智能制造。

智能制造正在成為不可逆轉的制造趨勢，然而企業大量的設備都是在更早時期留下來的遺產（legacy）系統，而面臨的勞動力卻是新生代面孔，有學識，有學歷的科技勞動者。如何能夠在有效保護既有投資的基礎上，實現智能制造的穩健落地？智造單元提供了一個有效的解決思路，成為推進“中國制造2025”離散性制造企業的工廠升級最可靠的法寶。

智造單元SMU (Smart Manufacturing Unit）是一種工業轉型升級實踐，可以階段性地實現智能工廠的落地；智造單元是一種模塊化的思想，是實現智能工廠的建設與規劃的指南。它把滿足現場需求的各種散落的珍珠，以客戶價值最大化的理念串成亮閃閃的項鏈。

智造單元可以定位實現數字化工廠的基本工作單元。針對裝備制造業的離散加工現場，把一組能力相近的加工設備和輔助設備進行模塊化、集成化、一體化，實現數字化工廠各項能力的相互接口，具備多品種少批量（單件）產品生產能力輸出的組織模塊。如圖1示例：

圖1 智造單元案例圖

為了實現一個數字工廠的高效率運轉，基本工作單元必須要實現模塊化、自動化和信息化。但傳統上的解決方法，往往采用各種設備疊加組合，缺少整體上的一體化設計，尤其是軟件、硬件一體化的設計。而這正是智造單元要解決的問題，它圍繞現場要素，從資源軸、 管理軸和執行軸這三個角度，提供了一個完整的多品種小批量的解決方案。

按照“一個現場、三個軸向”的視角，每個軸向都涉及到四個要素，來實現對生產現場數字化的布局與管理。?

圖2 智造單元的“一個現場三個軸向”

在資源軸上，主要是對人員、流程、產品、設備的管理。資源可以是任何活動的對象，也可以是執行這些活動的前瞻主題。特別值得注意的是，員工是寶貴的資產。工廠工人在物理世界生產產品，不管職務是不是管理者，都會以項目為大的原則，依據系統需要做決定并給其他人傳遞信息指示。

而管理軸則是質量、成本、交期、安全，是生產過程中核心輸出的要素運維與管控；而在執行軸（PDCA），則是標準的戴明環，也就是計劃（Plan）、執行（Do）、檢查（Check）、糾正（Action）。在智能產線中，這個PDCA的戴明環類似于工業4.0的核心要素“賽博物理空間”（CPS）。

這三個軸向的要素分解，既貼合企業的實際業務活動，又綜合地表達了現場人員和各種設備之間互動的過程與結果。從豐田的角度來看，這也可以看成是“帶人字旁自動化”的一部分，就是將人的因素，也放在智造單元的閉環之中。

智造單元是扎根于車間而自然生長的結晶。智能制造所有重要的問題，都需要回到現場去解決。由于智造單元的產品架構，本著“模塊化”、“單元化”、“集成化”和“一體化”的理念進行組織。這使得實際在生產企業的現場每一塊都是可以獨立的運行，集中的承載某一功能，呈現某一塊價值，我們可以視為是一粒“珍珠”，而智造單元更像是一串項鏈，以現場價值為導向，把一粒粒被需求的珍珠串在一起。如圖3：

圖3 智造單元的“珍珠與項鏈”

全球制造范式的改變

早在2009年，美國Koren教授就提出來，新興的社會需求會催生新的制造模式。他給出了四種模式的示例模型圖。這意味著，每出現一種新的制造模式，總會有一種新興的制造系統與之相適應。

圖4 市場和社會需求的驅動

（source：《全球化制造革命》）

在當下，全球智能制造成為一種全新的制造系統，而智造單元正在成為這種系統的標準樣板之一。全球智能制造的快速發展，有一條重要的指導思想，就是要用服務業的思想去做制造業，所以需要有服務的通道，而產品只是載體。產品全生命周期服務才是雙方合作的主題。

表1 傳統制造與智能制造的區別

而采用了積木式、模塊式、互聯互通的智造單元，可以輕松實現 “制造即服務”的理念，成為制造業整個價值鏈中的一個最為基礎的核心單元，單元之間相連，可以閉環實現基于制造服務為輸出的基于制造整個價值鏈整合的商業模式。見圖5：

圖5 智造單元構建的商業模型

智造單元的價值定位是迅速搭建起數字化工廠，是智造生態的的一個細胞，是實現多品種小批量的一個解決方案，也可以是制造工廠的一條產線，或一條產線的一個單元。如圖6：

圖6 智造單元的價值與定位

從智能智造三大集成價值網絡來看智造單元：“縱向集成”看一條線，一個單元；“橫向集成”看是多個單元，或多個工廠的多個單元；“端端集成”看是一個上下游的產業鏈。而產業鏈的打通需要基礎條件的一致與統一，有數據統一的標準，還有互聯互通的能力，這一點類似于本文關于“珍珠與項鏈“的類比，智能生態，制造行業一盤棋，需要具備統一的數據標準，互聯互通的屬性，智造單元滿了這個標準。

智造單元，使得智能制造具有了更加實用的價值，可以提供：

⊙多品種小批量的解決方案；

⊙實現四代同堂設備環境的智能智造；

⊙兼容和融合企業現有的軟件體系，傳遞和延續客戶沉淀的管理智慧以及原軟件體系的價值；

⊙成就客戶互聯、互通的網絡化合作平臺；

⊙實現客戶自有產品的智能化產品及服務體系建設（建設云后臺）；

⊙實現行業工業大數據的入口 。

需要強調的是，工業大數據產生越來越多價值。工業大數據是企業軟實力的競爭所在，這也是建設智造單元的歸屬。

四世同堂 輕松升級產線

智造單元由于它的產品屬性與結構，在產品端具備四化的特征：結構模塊化、數據輸出標準化、場景異構柔性化，以及軟硬件一體化。這就是使得用戶端可以通過用得了、用得起的方式，建立適合自己的柔性化、智能化的生產線。

現在有很多這樣的工廠，現場有許多原來的老設備，維護得也很好，也有上新設備，包括自動機械手，但實際上這些原有的裝備其實不需要淘汰。這個智造單元要考慮四代同堂設備的現狀，把它們集成進來。因為有些設備也不需要聯網通信，有信號即可，信息采集可以變換方式的。

在國產裝備中，有些是可以完整地直接進入產線，有些是需要通過改造的。智造單元適應了四代同堂的現實需求，讓老設備同樣發揮出價值。

智能工廠組線模式，可以定義為：模塊獨立、多模塊并存，隨時組成不同的工藝需求路線、各種方式同在，支持四世同堂。

如果在生產現場，產品的單向鏈很長，或者有多個產品，就可以有多個智造單元陣列存在，可以一個庫，也可以多個庫。在工廠中，也可能存在特別大型的設備，不便于搬運，放在哪個單元可能都不合理，但在智能制造組線模式中是不受影響的，因為只要有了智能物流，用AGV小車之類把各單元線連起來即可。

如果一個集團公司，根據產品情況，有100個單元，每個單元加工的零件可以是定向的，產品設計完畢后，會產生一個制造包，按零件的屬性可以進行歸類，把每類分配到對應的智造單元中去，這些單元聯動起來，就是隨時的智能工廠應用。再者，如果集團工廠下面有很多工廠或換成N個單元，每個單元的數據都上傳服務器，通過網端、在產數據監控報表、工程軟件通道和遠程服務，可以集中，也可以分散；既可以在一個工廠有多個智造單元，也可以在不同地區有多個制造工廠，采用“單元信息模塊化，工廠信息集成化”的頂層數據采集設計原則，把需求數據按照需求連通起來即可組成集團的智能制造生態園，如此開放的IT 架構，不僅僅便于未來的升級，更便于應用的集成。單元信息模塊化到具體的智能工廠和單個的智造單元，這樣就化繁為簡了。

一個更為重要的價值愛在于，智造單元可以在不影響產線的運轉情況下，實現多種設備的在線入列和出列的自由切換，實現設備的最大開動率，實現產研共線。

圖7 智造單元設計圖

90后員工新一代，要求全新的制造模式

中國制造業的人才，正在經歷重要的變化。這是在推進智能制造過程中，必須要考慮的因素。在1990年以前，以勞務人員構成為主，找一個受高等學歷教育的不容易。大量勞務密集型人才群體的存在，是中國三十多年的粗曠型發展的勞動大軍。

從人員上看，大學生生錄取率代表國家培養科技人才的進程，見圖8：

圖8 大學生錄取率分析

1990年出生的人口，在2008年參加高考，此時高考的錄取率已經高達60%。當前，他們已經是工作五六年的重要生力軍。這意味著，受過良好教育的科技工作者人群將成為新的勞動主力軍，這些人，出生的家庭條件均比父輩富裕，多數接受了高等教育，性格上獨立，思想上有自我追求；不再受約于“貧窮限制了想象力”的時代環境，愿意接受“自組織模式”。

勞動者人群結構發生了轉變是我國近期人口紅利消失的關鍵所在。數據統計在2030年中國將有4.0-4.3個億的90后，這個數據相當于整個歐洲的人口，在“大眾創業，萬眾創新”的國策環境下，中國大量的自主與創新思維浸潤下的90后將大顯身手。

從勞動從業者的角度，也需要一種新的符合智能制造模式的生產工具出現，適應90后的習慣和方式，適合大面積科技勞動者的生產方式。

而智造單元的模塊化、自由組合的方式，正是基于對未來制造趨勢與人員結構判斷的一個設計理念。

回歸經典旋律

個性化需求與個性化體驗是當下及未來的主旋律。個性化需求反映在生產上就是多品種小批量的生產方式，而這種生產方式對生產線提出的要求就是產線具備快速換產的能力，從而優化了供給側的生產方式；個性化體驗，對生產線的要求就是數字化，“數據”的采集和使用構成工廠數字化的核心，而“數據”也是智能制造的原材料，所以，市場的需求提出了智能制造的需要，需要呼喚市場能交付出具備“多品種小批量”生產能力的現場工具。

為了完美地實現小批量生產，十年前Koren教授曾經提供了一個可重構制造系統RMS（Reconfigurable Manufacturing System），然而由于成本問題和過于理想化，RMS并沒有真正實現。

智造單元作為模塊化、可擴展性的集大成者，很多思想，非常接近當年的可重構單元：專用柔性、可擴展性和可變換性是重構的必要特征，模塊性、可集成性和可診斷性是重構的重要特征。除了可變換性，智造單元基本具備了RMS其他的五種特征。

圖9 智造單元的廣義技術成熟度

從整個圖9可以看出，隨著自動化、信息化的成熟，尤其是物聯網技術的介入和工業大數據、人工智能的自學習，使得智造單元的技術成熟度已經相當成熟，具備推廣和實施的技術條件。

小結

從構成理念到實踐價值，從解決方案到商業模型，從企業最關心的人口和設備入手，步步為營，讓更多的智造單元實踐到更多的生產現場，使得智造單元成為離散型制造企業落地的重要抓手，也是柔性加工產線實現智能化的利器。

就建設路徑而言，制造范式的轉變是需要抓手的，而智造單元是符合未來制造趨勢的標準樣板，可以快速上手，在既有工廠的基礎上 ，實現智能制造的快速升級。