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工业4.0 环境下的智能制造服务研究

已有 472 次阅读 2017-9-12 12:41 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述


中国制造2025 的提出与推进给制造业信息化带来了新的机遇,其中的生产性服务、服务型制造、智能制造等内容强化了制造业服务化的发展趋势。为了解决制造与服务的融合,可以在工业4.0 环境中基于智能制造研究制造服务的智能化,从而更好地在制造企业、服务企业和终端用户之间实现制造服务资源的智能化应用。


工业4.0 理论可以较好地支持制造服务的智能运作,服务企业、制造企业和终端用户在制造服务活动中产生了千丝万缕的服务关系。总体来看,服务企业与制造企业之间形成了生产性服务关系,制造企业和终端用户之间形成了制造服务化关系。服务型制造较好地融合了生产性服务和制造服务化,成为中国制造转型的主要模式之一,云制造从技术层面提供了制造与服务融合的平台,也成为中国制造转型的模式之一。由于制造服务关系主要围绕制造企业展开关于产品和服务的活动,所以可以用工业4.0 理论来研究制造服务关系。同时,智能设备等智能终端具有普及性、智能性和动态性等特点,互联网环境中的应用可以很容易地移植到智能制造的工业互联网环境中,所以可以用工业互联网技术来构建制造服务的运营环境。工业4.0的智能工厂可以提供智能制造服务运作的环境,工业4.0 的智能生产可以提供智能制造服务运作的方式,在明确制造服务定义、智能制造服务定义之后,就可以在工业4.0 和智能制造的基础上建立起一套工业4.0 环境下的智能制造服务理论与技术体系。


工业4.0 理论


工业4.0 2011 年“汉诺威工业博览会”上首次被提及,2012 年列入德国十大未来项目之一,2013 4 月,《保障德国制造业的未来:关于实施工业4.0 战略的建议》系统阐述了工业4.0 理论,引发全球关注。按照德国西门子股份公司工业业务领域总裁鲁思沃的说法,工业4.0 理论的基础是分布式自组织式的生产流程与大规模单件生产趋势日益融合。因此,人、机器和数据相互连接构成信息物理系统。这些互联互通的智能体通过基于互联网的技术进行通信,自行决定可行的最佳生产路径。简单来说,工业4.0 理论涉及两方面,一是智能工厂,是研究智能制造系统运作的分布式生产设施,以及制造执行系统的工业互联网环境;二是智能生产,是研究智能产品设计、制造过程模式,以及3D 打印技术在工业生产过程中的应用等。工业4.0 是建立在信息物理系统之上的机器互联、实时控制、自动调度、生产集成、服务创新等。


智能制造技术


智能制造是面向产品的全生命周期,以新一代信息技术为基础,以制造系统为载体,在其关键环节或过程,具有一定自主性的感知、学习、分析、决策、通信与协调控制能力,能动态地适应制造环境的变化,从而实现某些优化目标。智能制造基础关键技术为智能制造系统的建设提供支撑,智能制造系统是智能制造技术的载体,它包括智能制造模式、智能产品、智能制造过程等技术。


工业4.0 环境下的智能制造服务研究框架


制造服务的研究角度很多,例如,从管理学角度研究制造服务的商业模式,从计算机科学角度研究制造服务平台构建,从制造科学角度研究服务型制造理论等。本文仅从制造服务基于工业物联网角度,引入工业4.0 理论和智能制造技术,构建服务企业、制造企业和终端用户在工业4.0 环境中形成的生产性服务和制造服务化关系,研究智能制造服务知识的建模与演化理论、智能制造服务运作的企业与模式理论、智能制造服务模块的生产与集成技术、智能制造服务系统的设计与组建技术等内容。在界定基于工业4.0 的制造服务基本概念和智能制造服务基本概念的基础上,提出工业4.0 环境下的智能制造服务理论与技术体系框架。


制造服务


制造服务是服务企业、制造企业、终端用户在工业4.0 环境中围绕产品生产和提供服务进行的活动,主要表现为生产性服务关系和制造服务化关系。服务企业向制造企业提供的制造服务,对整个价值链上制造企业生产过程中的所有活动提供不同程度的服务,主要是生产性服务;制造企业向终端用户提供的制造服务,对整个产业链上运作过程中与制造企业相关的价值增值活动提供的服务,主要是制造服务化。生产性服务关系和制造服务化关系共同促进制造与服务的融合,制造服务的核心在于管理创新,制造服务的内涵随着社会发展和技术进步不断扩展。


制造是把原材料加工成适用的产品,或将原材料加工成器物。从制造的本质来看,基于商业生态的制造包含四个主要要素:资源、产品、过程、计划与控制。其中,资源是制造的物质基础,如设计人员、技术文档、加工设备、专家知识等;产品是制造的基本目标,产品由一组有序的过程实现,产品有最终产品和中间产品两类,其中交付给终端用户的最终产物称为最终产品,其他的是中间产品;过程是制造的核心,也是由资源来实现和完成的,如产品设计过程、采购过程、工艺设计过程、物料准备过程、装配过程、零部件加工过程、销售过程等;计划与控制是实现制造的管理方法,协调和控制资源、产品、过程之间的关系。


服务是以解决顾客问题为目标,以无形方式结合有形资源,在顾客与服务职员之间发生的一系列行为。从服务的本质来看,基于商业生态的服务是服务消费者与服务提供者之间协同实现价值增值的过程。服务可以看成能力提供体,提供给用户,用户按需获取并使用,支付货币换取服务的使用价值。服务的特性主要有开放性和社会性、无时不在及无处不在、可组合性以及组合的动态性、智慧化等。


将制造与服务融合在一起就是制造服务的目标,基于工业4.0 的制造服务是在制造产品的同时增加服务理念和服务活动,在提供服务的同时融合制造理念和制造活动。由于制造服务本身的复杂性特点,还没有统一明确的定义,但是工程界对制造服务的技术实践和学术界对制造服务的理论研究已经有了新的发展。从最初生产性服务业理论到制造服务化实践,从制造业服务增强到产品服务系统构建,从服务型制造到云制造等研究都从不同角度给出了制造服务的不同内涵,这些内容都包括在制造服务理论与技术体系中。但是还需要从整体角度建立制造服务的基本概念体系。


制造服务理论是研究制造服务主体之间制造服务关系的融合理论,制造服务主体就是服务企业、制造企业和终端用户,制造服务关系就是生产性服务和制造服务化。基于工业4.0 的制造服务基本概念体系如下。


(1)服务企业。服务企业是只提供中间性产品或服务的企业。服务企业的范畴应该限制在与制造企业之间具有生产性服务的企业中,其他企业除外。例如,为制造企业提供零部件的配套企业,为手机制造企业提供外包加工配件的中间企业等。


(2)制造企业。制造企业是从服务企业那获得生产性服务支持生产出最终性产品或服务,并将最终性产品或服务提供给终端用户的企业。制造企业在生产性服务中获得原材料、信息服务、设计方案等,在制造服务化中提供物流服务、销售服务、维修服务等。作为制造服务的中枢连接起服务企业和终端用户,形成完整的商业生态系统。并且具有扩展性,不断融入信息化技术。


(3)终端用户。终端用户是制造企业提供最终产品或服务的终端消费者,在制造服务化中获得更好的用户体验,从单纯产品使用到产品服务系统使用,并且获得个性化需求的满足。


(4)生产性服务。生产性服务是服务企业和制造企业之间形成的一种制造服务关系。服务企业提供中间性产品或服务,制造企业利用中间性产品或服务进行最终产品或服务制造,生产性服务内涵广泛,不容易界定。


(5)制造服务化。制造服务化是制造企业和终端用户之间形成的一种制造服务关系。制造企业通过不断增强产品的服务特性来满足终端用户的个性化需求,最后形成产品服务系统。


智能制造服务


智能制造服务是将制造服务扩展到工业互联网环境中的制造服务,智能制造服务具有制造服务的一般特征,更重要的是将制造服务资源虚拟化为智能制造服务,通过智能终端来运营制造服务。


在工业4.0 环境中,服务企业、制造企业和终端用户将各自的制造服务抽象为制造服务问题,通过对制造服务问题描述和设计转化为制造服务软构件,对制造服务软构件进行封装以Web 服务的形成发布在互联网中,如果在制造服务软构件设计封装时考虑了工业互联网环境,满足各种技术配置条件,就形成了智能制造服务。智能化的过程实质上是工业互联网技术的应用,随着工业大数据技术的突破,制造服务智能化的瓶颈就会克服,这样只要在互联网环境运行的制造服务软构件就很容易移植到工业互联网中,因此智能制造服务的难点在于技术和管理创新。智能制造的开展成为中国制造2025 的核心内容,这也为智能制造服务研究奠定了基础。


基于工业互联网的智能制造服务会更容易从技术上实现,而从制造服务到智能制造服务更多的是研究智能终端上智能制造服务主体的网络接入以及智能制造服务的应用。随着智能制造技术的发展,智能终端和网络接入会变得更加便捷,即插即用也会实现。将制造服务基本概念推广到工业互联网环境,基于工业4.0 的智能制造服务基本概念体系如下。


(1)智能制造服务。智能制造服务是将制造服务资源虚拟化为信息化软构件,发布在工业互联网上的Web 服务,其内涵是Web 服务背后的制造服务活动,即智能制造服务主体间基于工业4.0 的智能制造服务关系。


(2)智能制造服务主体。智能制造服务主体是指已经接入工业互联网环境的服务企业、制造企业和终端用户。随着企业信息化不断深入,实现了互联网络支持的服务企业、制造企业和终端用户可以通过智能终端方便接入工业互联网。


(3)智能制造服务关系。智能制造服务关系是指已经接入工业互联网的智能制造服务主体之间基于工业4.0 形成的生产性服务和制造服务化,其本质和制造服务关系无异。


工业4.0 环境中的智能制造服务技术体系


在工业4.0 环境下,智能制造服务的理论与技术主要包括智能制造服务知识的建模与演化理论、智能制造服务运作的企业与模式理论、智能制造服务模块的生产与集成技术、智能制造服务系统的设计与组建技术等。智能制造服务的运营模式是指基于智能制造服务平台随时随地地运作智能制造服务的商业模式,在此运营模式下,基于工业4.0 的智能制造服务理论与技术的基本概念体系如下。


(1)智能制造服务知识。智能制造服务知识是在智能制造服务活动过程中涉及的生产性服务知识、制造服务化知识、服务型制造知识,以及支持智能制造服务主体的各种领域知识等,它是通过历史数据挖掘与大数据分析实时数据获得,在制造服务活动中积累和淘汰的。


(2)智能制造服务运作。智能制造服务运作是以智能制造服务为运营商品,在工业4.0 环境下组织产品生产、服务设计、产品服务系统集成,并销售产品服务系统实现价值创造的过程,它是以智能工厂实现运作环境,以智能生产实现运作方式。


(3)智能制造服务模块。智能制造服务模块是基于快速配置智能制造服务系统的目标,而创建模块化的智能制造服务。这种模块是按照智能制造服务主体的核心产品或服务构建的,它可在工业互联网环境中动态调度,具有可配置等特性。


(4)智能制造服务系统。智能制造服务系统是考虑智能制造服务主体的智能制造服务需求,设计出智能制造服务方案,再根据方案将若干智能制造服务模块集成演化的系统。智能制造服务系统是智能制造服务运营的核心商品。


本文通过分析制造与服务融合的实质问题,在工业4.0 理论和智能制造技术的基础上,参考价值创造理论、可拓理论、制造服务相关理论、工业大数据技术、模块化技术、自组织技术、复杂网络理论等,提出工业4.0 环境下的智能制造服务理论与技术体系框架如图1 所示。各个层次的具体说明如下。


图1 工业4.0 环境下的智能制造服务理论与技术体系框架


(1)目标层。在目标层提出智能制造服务的研究目的。为了实现制造与服务的融合总目标,研究技术体系实施方案,利用工业互联网技术,使得服务企业、制造企业和终端用户的需求最大限度获得满足。


(2)方法层。在方法层提出智能制造服务研究思路方法,主要是智能制造服务的运营模式,特别是针对生产性服务和制造服务化通过工业4.0 来实现。生产性服务突出价值链形成行业特点,制造服务化突出产业链达到区域优势。


(3)理论技术层。在理论技术层提出实现目标的关键理论技术。关键理论技术是智能制造服务知识的建模与演化理论、智能制造服务运作的企业与模式理论、智能制造服务模块的生产与集成技术、智能制造服务系统的设计与组建技术等。


对于智能制造服务知识,将制造服务活动产生的大数据进行提取和分析,获得智能制造服务知识,并对智能制造服务知识可拓建模,利用可拓推理实现智能制造服务知识的蕴含演化,提出了一种基于可拓理论和知识发现相结合的智能制造服务知识蕴含演化技术。该技术首先针对制造服务数据提取制造服务信息并获取智能制造服务知识;然后通过智能制造服务知识可拓模型的创建,获得知识演化的条件;最后通过智能制造服务知识蕴含系统的可拓变换,实现智能制造服务知识的蕴含演化。


对于针对智能制造服务运作,提出了一种基于工业4.0 的智能制造服务运作环境理论方法,该方法首先采用智能工厂理论分析智能制造服务的制造企业,将智能工厂映射到制造企业模型,并提出智能制造企业的使能技术,建立面向服务型制造的智能制造企业模型;然后利用智慧工厂理论分析智能制造服务的服务企业,将智慧工厂映射到服务企业模型,并提出智慧服务企业的使能技术,构建面向生产性服务的智慧服务企业模型;最后应用价值创造理论分析终端用户的智能制造服务,将价值创造映射到智能制造服务模型,并提出智能制造服务价值创造的使能技术,研究面向制造服务化的智能制造服务模式。


对于智能制造服务模块,提出了一种基于工业4.0 的智能制造服务运作方式技术方法,该方法首先采用信息物理系统分析智能制造服务的产品生产,构建智能产品生产的适应性生产和预测性生产技术,并提出智能制造服务模块的产品生产动态调度技术,建立面向服务型制造的智能产品生产调度模型;然后利用模块化技术分析智能制造服务的服务设计,提出基于设计结构矩阵的服务功能模块重构技术,以及服务流程模块优化技术,构建面向生产性服务的智慧服务模块化设计模型;最后应用模块集成技术分析终端用户的智能制造服务,提出基于信息物理系统的智能制造服务功能的横向集成技术,以及智能制造服务流程的纵向集成技术,研究面向制造服务化的终端用户智能制造服务评价技术。具体技术将在第5 章详细讨论。


对于智能制造服务系统,提出了基于复杂网络的智能制造服务系统的自组织模型,该模型包括智能制造服务系统设计和组建等自组织过程;在智能制造服务系统设计中,构建了智能制造服务系统的功能-结构-服务模型,并且采用可拓挖掘方法获取客户的个性化需求,以交互模式设计智能制造服务方案;在智能制造服务组建中,提出了应用无标度网的智能制造服务模块生成智能制造服务系统过程。通过吹瓶机智能制造服务系统自组织示例验证了智能制造服务系统设计与组建技术的有效性。


(4)基础层。在基础层主要提供智能制造服务研究的理论基础以及技术基础,包括工业4.0 理论、智能制造技术、一切即服务、面向服务架构、云计算、物联网、大数据、工业互联网、信息物理系统、ASP 模式、Web 服务技术、生产性服务、制造服务化等。



本文摘编自张卫,李仁旺,潘晓弘著《工业4.0 环境下的智能制造服务理论与技术》第2章,内容有删减。


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工业4.0 环境下的智能制造服务理论与技术

张卫,李仁旺,潘晓弘

责任编辑:陈 静  霍明亮

北京:科学出版社  2017.05

ISBN 978-7-03-052795-0


工业4.0 环境下的智能制造服务理论与技术》结合工业4.0 宏观理论和智能制造微观技术,针对制造与服务融合的目标,提出了智能制造服务理论与技术体系框架,主要包含智能制造服务知识的建模与演化理论、智能制造服务运作的企业与模式理论、智能制造服务模块的生产与集成技术、智能制造服务系统的设计与组建技术等。《工业4.0 环境下的智能制造服务理论与技术》尝试从整体角度,以生产性服务和制造服务化为对象,构建智能、制造、服务三个主体之间的制造服务运作环境,同时建立智能制造服务在工业4.0 环境下随时随地运作的理论与技术体系。


(本期编辑:安 静)


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