【宅家学习】史亚斌博士：疫情对制造业数字化转型发展的影响与思考

2020年初突如其来的新冠肺炎疫情对中国的经济发展与社会生产造成了巨大影响。经济遭受冲击，根据wind、万博新经济研究院的数据可得全社会采取的反应模式，疫情尤其对聚集性行业，比如旅游、餐饮、酒店、交通运输、地产等冲击较大。与此同时，也有一部分行业也在受益，比如说医药、在线娱乐和在线办公等，但是占比总体比较低；相比传统行业，电商受此次新冠肺炎疫情的影响相对较小；重构趋势，机器人、智能制造、智慧城市等新兴科技领域需求显著上升。

疫情中，口罩等防御物资非常紧缺，除传统制造口罩生产企业以外，先后有富士康、格力、比亚迪等知名企业也都加入到制造口罩的队伍中。由此疫情防控对企业智能化生产带来了一个启发，什么样的企业能够如此柔性生产？能够生产口罩的企业一定具有高度自动化的生产线，能够应对未来此类突发事件。这对企业、制造业来说，就要有一种柔性生产的适应能力，人工智能赋能制造业的新时代正在到来。

国家统计局从2015年至2019年的统计数据显示，中国劳动年龄人口连续下滑。迎接疫情的冲击，对整个制造业的复工复产、劳动力短时间内紧缺问题无疑是雪上加霜。不过，疫情也加速了智能工厂建设与制造业数字化转型进程，互联网+人工智能赋能制造业的新时代也已到来。

疫情之前，制造业面临的挑战和机遇主要有以下几个方面：1）制造方式发生改变。新技术与制造业深度融合，机器换人势在必行。2）重构商业模式。面向客户，定制化、服务化转型。3）未来竞争核心与格局。智能、物联、生态化成为趋势（数据、聪明智造、互联、融合）。产业革命催生数字经济，未来工厂由人、机器、数据重新定义。由数据驱动、软件定义、柔性生产的智能化工厂顺势而生智能制造重塑企业发展新动能，其价值在于：研制周期缩短：协同研发、基于MBD设计、BOM传递及转换；生产效率提高：智能化装备、精益生产、虚拟仿真优化、设计制造协同、制造执行与监控；产品不良品率降低：质量数据采集、质量知识库、质量大数据分析；能源利用率提高：能耗数据采集、能源精细化管理；运营成本降低：物流、财务流、信息流多维闭环控制；生产经营精细化、透明化管控。

图1  电力装备数字化转型实践

“中国制造2025”中指出，到2025年，制造业整体素质大幅提升，创新能力显著增强，全员劳动生产率明显提高，工业化和信心花迈上新台阶。“互联网+先进制造业”中表明以推进供给侧结构性改革为主线，结合实施“中国制造2025”和“互联网+”，加速建设和发展工业互联网。高质量发展，数字化转型。15部委支持制造业与服务业融合。创建“中国制造2025”示范方阵，因地制宜建设“中国制造2025”试点示范城市（群）和智能制造示范区，择优创建一批“中国制造2025”示范区，支持政策和制度上先行先试。实施《国家创新驱动发展战略纲要》，形成一批品牌形象突出、服务平台完备、质量水平一流的优势企业和产业集群。智能制造成为趋势，智能制造装备、产品、服务、市场规模预计五年内达到6000亿。

疫情是行业之危，数字化转型是企业之机。人人相关，顺势而为。ABB、西门子、GE等跨国公司很早就开始未雨绸缪。ABB公司从1900年、1950年、1980年、2015年开始四代转型，包括机械转型、电气化转型、软件化转型、数字化转型，与工业1.0-4.0的步伐基本一致。同时国内企业也在积极进行数字化、智能化的战略布局，包括中国航天科工集团（典型的国有企业、军工企业）、阿里、三翼、海尔等公司，也推出了自身的工业互联网平台。有些行业是在做自身行业转型，有些龙头企业、典型企业在赋能万物行业，他们除了积极地推进自身行业数字化，也在为相关行业提供数字化服务。

数字化关键使能的技术已较为成熟， 尤其是5G技术、人工智能技术、工业机器人、工业互联网、大数据等，如图2所示。

图2 数字化关键使能技术

使能技术里的智能化工厂的顶层规划是整个智能工厂的心脏、大脑。数字使能技术怎样运用到工厂的各个应用场景里面提质增效，节约降本呢？图3是储备电厂的一个智能化工厂体系架构示例。

图3 电气智能化工厂

数字化车间设计。数字化柔性总装线由自动输送系统、各装配工位平台、装配设备以及助力吊装。

图4 数字化车间设计

工厂虚拟仿真技术。在虚拟环境下建立了一个和物理实体一样的数字化车间，在不花费更多资源、人力的条件下，在虚拟环境下对生产节拍、物流、排程等进行仿真建设，可以提前发现问题、预测问题。

图5  电力装备数字化转型实践

在线监测系统技术。在线监测系统在智能工厂里的应用大大地提高了整个质量管控水平。过去监控要通过工人师傅、车间主任，层层报表，往往是发现问题后造成了较大的损失。现在通过SCARDA系统对生产设备、工艺设备、云服务设备进行远程实时的在线监测，可以做到事前预测、事中及时干预、事后马上追溯，这样大大地提高了工厂的生产效率。

图6 设备运行状态监测系统建设

三维工艺系统技术。在设计环节和工艺环节引入三维工艺系统，这种工艺系统的应用大大地减少了设计人员和工艺人员的工作流程，提高了工作效率和准确率。

图7三维工艺设计与仿真平台建设。

数据系统。过去主要通过二维系统进行工艺方面的工作，装备时也是通过工人的经验等。现在通过三维工艺系统大大地提高了效率，利用三维装配、三维作业指导书使技术人员成长的速度大大地得到了提高。主数据系统的搭建就像一个中间件，它把SCARDA系统、大数据分析系统、MAX系统等不同的系统串联起来，通过主数据系统的搭建把数据进行规划、管理，从而打破了过去研发、设计到生产实验、制造再到服务的各自为阵的鸿沟。

图8 数字化车间主数据管理标准及系统

质量大数据分析技术。质量大数据分析系统就是大数据技术在生产质量管控场景里的一个非常典型的应用。通过梳理分析产品的质量和实效的数据、报表，建立产品质量的关联关系，得出整个产品的大数据分析模型，通过模型就可以把产品的缺陷和原因进行很好的学习、训练，就可以从根本上提高产品的质量。

图9 质量大数据分析系统

智慧能源管理系统。高耗能企业通过建设智慧能源管理系统，很好地把能源使用率大大地提高。

图10智慧能源系统建设

这是一个智能制造新模式的例子。通过以上技术综合运用，对传统工厂改造完后，取得了非常明显的效果。某工厂智能制造新模式后的应用价值如图11所示。

下面结合一些智能工厂与专项建设项目的技术应用实践进行分享，如图12所示。

图12 智能制造建设实践应用

西安的一家电力装备民营企业，通过智能制造总体蓝图设计搭建智慧工厂，新模式的构建以后，整个企业的提质增效和柔性生产得到了一个非常明显的改善，同时这家企业也得到了省智能制造专项的300万的资金支持。

图13某装备制造企业新模式制造总体蓝图设计

一家生产航天用的温州四缸的军工配套企业，进行了智能工厂的顶层规划设计、工艺设计、数据系统建立。该企业过去生产主要是依靠手工、工人师傅的经验，通过智能制造规划打造出了集产品、设计、制造、质量检测全生命周期的智能工厂示范中心，在细分行业里效能得到了明显提升。该企业在2019年获得了西安市智能制造专项的支持。

图14某高档精密制造企业智能制造规划及蓝图设计

一个传统工厂怎样通过智能化的产线、智能工厂的设计成功跨界转型成为一个制造口罩的工厂？一个生产普通机械厂，通过对它的设备参数设计、产线的规划布局等成功在疫情期间生产口罩，跨界转型，通过智能化的设计进行了柔性生产。

图15 某制造企业转型口罩生产商转型蓝图设计

图16是西电开关制造的大型企业智能制造数字化车间。大型企业的架构图更为细致，搭建了主数据管理系统、智能决策分析系统、质量管控系统、PRM系统以及基于企业信息化总线的ESB、工业互联网。具备智能工厂雏形的开关数字化车间，最终搭建出一个GIS自动化装配线，如图17所示。

图16 智能制造数字化车间

图17 GIS隔离开关自动装配线

通过搭建中低压输配电装备试验验证平台虚拟仿真系统，对整个中低压行业进行了产线仿真，如图18所示。该系统不是孤立的，它可以进行一个交互式漫游，在虚拟环境下遍历整个系统。虚拟仿真平台也可以应用在一些工作环境比较危险的行业，比如石油勘探行业、煤矿行业等，通过虚拟环境下进行仿真建设，能够展示整个生产过程中实际的动态变化，如图19所示。

图18 中低压输配电装备智能化工厂试验验证平台虚拟仿真系统

图19 智能化工厂试验验证平台虚拟仿真系统

同时，也搭建了SCARDA系统、MAX系统、ERP系统等进行深度集成融合，获取生产的进度和计划，如图20所示。

图20 中低压输配电装备智能化工厂试验验证平台虚拟仿真系统

通过中低压输配电智能化工厂仿真系统的搭建，可以看到通过虚拟仿真系统的搭建，建立了和物理车间一致的双胞胎模型进行生产计划、物联网配送、分析生产的瓶颈和物流堵塞，为生产线改造提供了重要的决策数据。不仅仅是在中压，在高压、超高压、特高压里面也运用了相关技术，车间在运用仿真系统时，变压器的体积非常大，那么生产节拍、物流就显得尤为重要，所以在虚拟环境下进行车间仿真建设，大大地节省了资源，提高了效率。如图21所示。

图21 某电气企业虚拟生产仿真平台建设

过去的三维装配可能是应用场景相对比较具体一些，现在三维装配行业包括烟草机械装配、医疗、电力很多场景都可以看得到。一些比较特殊的行业可以在三维装配的指导下现场进行作业，如图22所示。建设基于MBD的三维工艺设计和仿真平台的建设，通过搭建平台快速派生出钣金工艺，以及三维装配详细工艺的编制，如图23所示。

图22工厂三维虚拟装配技术

图23基于MBD的三维工艺设计与仿真平台建设

MES系统实现了销售、计划、生产、物流一体化计划体系；实现了供应、质检、生产全面质量管理；强调了车间/产线间的协同制造，实现了设计与制造一体化作业指导。

图24 MES系统建设

大数据技术不仅是在生产制造环节，在实验、运维环节中也有比较重要的应用。图25是基于大数据开关设备状态和城市电网的应用，通过大数据分析系统可以预测寿命评估、电网关键变电站的停电模型。通过海量数据进行预测，调整检修计划。

图25 质量大数据系统—电网企业的大数据分析案例

同样，物流传送系统也是智能工厂的重要内容，如图26所示。

图26 制造过程在线监测系统

在制造过程中，SCARDA系统的应用，如图27是与中亚厂家做的一个制造设备的在线监控系统，包括车间环境的监测、温湿度、加工任务的监测、设备状态监测以及特殊工位的详细信息监测，每个设备的实时运行状态，以及工位运行的信息，包括故障预测和查询的信息,针对它的单体设备、生产车间层、厂房层、工厂层进行统一的规划。同时也对产品在智能化方面进行远程监测。

图27 设备运行状态监测系统建设

在三峡、向家坝等重点工程运用了在线监测系统后，专家在西安、常州、北京就可以给三峡上的设备进行远程诊断、解决问题，如图28所示。所以现在的产品逐渐地在向智能化、远程诊断系统发展。

图28 在线监测和远程诊断系统—智能化产品—智能制造

智慧能源管理系统使工厂、车间层面用能效率达到提高。配电工厂的智慧能源管理系统的建设会考虑高耗能的企业，企业建设智慧能源管理系统的迫切性非常强。如图29变压器生产企业搭建了智慧能源管理系统，企业一年的能耗就节约了将近两千多万，同样企业的人员人数降低了，企业的人员巡检、工矿的环境也大为改善。通过智慧能源管理系统的搭建以后，也把很多工艺师傅解脱出来，工作环境也得到了明显改善。

图29 智慧能源系统建设

通过智能工厂建设，显著提升了公司生产效率、产品质量和成本控制，全方位提升公司在超高压、特高压开关产品的研发、制造、服务能力，市场竞争力和盈利能力大幅度提升。

智慧工业园区以智能工厂为内核，包括现在数字化生产线、数字化实验室、智能化检疫设备、工业互联网、智能立体仓库、机器人等智特征、元素。智慧工业园区以商务办公区为主体，建立楼宇智能、绿色建筑、智慧安防、大型会议室共享等公共设施。同时，未来的智慧化园区也要体现出智慧的特征，整个的理念、文化也要跟上。围绕“工业互联网+协同制造”一条主线；夯实“建设一个智慧工业园区（数字化、网络化、智能化）”一个基础；通过“世界领先的整体解决方案+制造技术”和“世界领先的工业生态+生产服务”两翼齐飞；实现“数字化创新工业集团向转型升级”一个目标。国家也组织了大量的企业、行业院所制定通用性标准，如图30所示，企业通过国家制定的标准、草案可以很好地评价自身工厂的坐标，也会指导下一步建设智能工厂的参考。

图30 智能制造行业标准

标准制定也需要实验验证平台的搭建，来验证标准的正确性，如图33、34所示。国家希望通过标准的制定来引导整个行业的健康稳定的发展，通过标准的参考使掉队的企业进行坐标评价和下一步制定智慧工厂方案的参考。像中电压输配电厂家里面，它一共有16个工艺选取大概7个工艺，框架上线、集中装配、机构箱体连接、实验和重点下线的工艺部分，以及体验智能工厂的仓储区、数控加工区和生产指挥调度中心。

图31 智能化共产试验验证平台建设

图32智能制造标准化试验验证平台数字双胞胎模型

图33 为西电宝鸡电气验证现场，通过标准和实验验证专项的建成，指导了“中低压输配电装备智能制造新模式”项目的实施和建设；是相关标准草案进行验证的集成平台；作为具有先进性的实验室环境，支持对行业的智能化共厂乃至智能制造的持续研究探索和对外展示，为后续智能制造技术的研究、标准制定、应用实施等提供试验环境，指导智能化工厂建设，最后试验验证平台为起点，为智能化工厂在行业的示范建设和复制推广奠定基础；作为实际案例，为智能制造新模式提供样板，并不断的更新优化，融合智能制造的新理念、新技术，不断提升智能领域的核心技术水平，积极响应国家智能制造2025的号召，带动西部地区的制造业快速发展。

图33 西电宝鸡电气验证现场

四、中小企业转型应对策略建议

中小企业占到市场企业的80%以上，所以中小企业如何数字化转型是关系到未来制造业发展的重要方向，中小型企业需要明确数字化转型意识。中小企业有资金、人才、建设周期长等短板，很难和大型企业同台竞争，它需要的不仅仅是技术人才，还需要很多管理知识。不过中小企业机制灵活、意识强，拥抱未来的数字化信心十足。

中小企业转型应对策略需要做到以下四点：1）规划设计：做好智能制造顶层蓝图规划，结合行业特征和企业业务自身，进行统筹规划，视情况分步实施。2）务实高管：求实务实是适合企业自身的发展，制定高度定制化的方案规划，走出误区。3）关注政策标准：标准是服务和带动行业创新发展的关键，一开始就多关注、参考和通用行业的智能制造标准指南。4）人才实践：数字化与发展的方向是增强人的技能，进行人机协作，培育适应未来工厂人才。建立工厂人才培训体系，培养精益管理人才、高技能人才、智能制造人才。建立专业化精益管理体验式培训中心，提供精益管理人才培训服务，如图34所示。

图34 精益管理人才培训服务

如图35西电智慧工业园区为电力装备数字化转型实践。 聚焦数字化、智能化业务，制定智能工厂解决方案并实施，使传统工厂改造升级，依托物联网、大数据搭建智能设备，为未来工厂寻找智慧答案。

图35 电力装备数字化转型实践

作者简介  

史亚斌，博士，中国西电西高院智能制造工程设计所所长，西安智能制造与数字经济产业联盟常务副理事长。中国电机工程学会人工智能委员会委员，工信部智能制造专项负责人，陕西省政府决咨委改革组秘书，中国通信工业协会专家委员，中国智能制造百人会专家委员。

主持完成3项国家智能制造专项，制定多项行业智能制造应用标准；参与多个行业制造产业规划、陕西省及西安市装备制造业发展规划；智造百强2018“创新人物”。

来源：学会秘书处

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