大数据背景下工业4.0的重新定义

毫无疑问，我们眼下正处于一个旧IT走向新IT的变革时代，工业4.0的概念兴起于德国，现在我们大家普遍认为其是一次科技革命，或者说是一次新技术革命。工业4．0的目的是通过应用物联网等技术提高德国的制造业水平，建立具有适应性、资源效率及人工智能的智能工厂，在商业流程及价值流程中整合客户以及合作伙伴。

无论产业界或者学术界如何解读工业4．0，它的本质都是数据，这些数据包括了智能产品的数据、企业运营的数据、产业链上的数据、企业外部数据等等。这些数据串起来工业4．0的生态圈。

1、四大主题构建工业4．0的核心业务

未来10年，我们将步入工业4．0的时代，实现由“自动化”向“智能化”的转变。通过CPS（Cyber－Physical Systems）网络实现人、装备和产品的实时连通、相互识别和有效交流，为消费者定制“个性化”的商品，并且提供及时、高效的服务。

工业4．0的四个主题：智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务。智能工厂侧重点在于企业的智能化生产系统以及制造过程，对于网络化分布式生产设施的实现；智能生产侧重点在于企业的生产物流管理、制造过程人机协同以及3D打印技术在企业生产过程中的协同应用；而智能物流作为制造企业非常重要的资源节点，其侧重点在于通过互联网、物联网，整合物流资源，充分发挥现有的资源效率；智能服务作为制造企业的后端网络，其侧重点在于通过（服）务联网结合智能产品为客户提供更好的服务，发挥企业的最大价值。

1）智能工厂是传统制造企业发展的一个新的阶段。它是在数字化工厂的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务，清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控率、减少生产线上人工的干预、即时正确的采集生产线数据，以及合理的生产计划与生产进度，并加上绿色制造的手段，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。未来各个工厂将具备统一的机械、电器和通信标准。以物联网和服务互联网为基础，配备传感器、无线网络和RFID通信技术的智能控制设备可以对生产过程进行智能化监控。由此，智能工厂可以自主运行，工厂之间的零部件与机器可以互相交流。

智能工厂是由软件操控，进行资源整合，发挥各环节的最大效率。智能工厂中的机器将全部由软件控制，工人只需要操作计算机就可以完成生产，进一步解放了工厂中的工人，整体看来，它就是一个拥有高度协同性的生产系统，包括实时监控、自动化管理、流程控制、能源监控等等。收集及整合整个智能工厂的业务数据，通过大数据的分析整合，使其全产业链可视化，达到生产最优化、流程最简化、效率最大化、成本最低化和质量最优化的目的。

2）智能生产是由用户参与实现“定人定制”的过程。智能生产的车间可以实现大规模定制，对生产的柔性要求极高。鉴于此，生产环节要广泛应用人工智能技术、采用一体化的智能系统，智能化装备在生产过程中大展拳脚。工厂的工人和管理者可以通过网络对生产的每一个环节进行监控，实现智能化管理。

一体化的智能系统是由智能装备和人类专家组成的，在制造过程中进行智能化的活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等，通过人与智能装备的合力共事，去扩大、延伸和部分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。与传统制造相比，智能生产具有自组织和超柔性、自律能力、自学习能力和自维护能力、人机一体化、虚拟现实等特性。

3）智能物流以客户为中心，促进资源优化配置。根据客户的需求变化，灵活调节运输方式，应用条码、RFID、传感器、全球定位系统等先进的物联网技术，通过信息处理平台，实现货物运输过程的自动化运作和高效率优化管理，从而促进区域经济的发展和资源的优化配置，方便人的生活。

4）智能服务促进新的商业模式，促进企业向服务型制造转型。智能产品＋状态感知控制＋大数据处理，将改变产品的现有销售和使用模式。增加了在线租用、自动配送和返还、优化保养和设备自动预警、自动维修等智能服务新模式。

2、工业4.0背景下，MES被重新定义

从目前的市场热度及反应来看，大家对于工业4．0的认识存在严重的重硬轻软现象，无论是各种展会或者媒体宣传的示范线，表象上都是生产装备。我们可以把智能工厂比作一个人，工业软件就是这个人的神经系统。其中，在制造板块，MES的作用尤为重要。

按照AMR所给予的定位：MES服务于工厂生产执行层的信息系统，位于企业经营层的计划系统与生产过程的直接工业控制系统之间。该定位将企业的运作划分为三个层次，分别是：计划层、执行层和控制层。其中：计划层就是MRPⅡ或ERP等经营管理信息系统。控制层包括DCS、PLC、NC／CNC或SCADA中的一个系统或这几种配置的组合，以及各种仪器设备等；介于两者之间的是执行层，MES（制造执行系统）。

介于企业的“计划层”和制造“设备层”之间，对企业生产计划进行“再计划”，“指令”生产设备“协同”或“同步“动作，对产品生产过程进行及时的响应，使用当前确的数据对生产过程进行及时调整、更改或干预等处理。

采用双向直接的通讯，在整个企业的产品供需链中，即向生产过程人员传达企业的期望（计划），又向有关的部门提供产品制造过程状态的信息反馈。

既不同于类似于ERP的企业运营系统，也不同于企业的过程控制系统，使用MES的经验表明，它既能提高按时交货的能力，改善物料的流通性能，由能减少企业内部没有附加值的活动。

在工业4．0背景下，推动智能制造，构建智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务体系，我们需要对MES重新进行定义，主要从以下几个方面进行说明：

1）MES深度融入企业运营环节

智能工厂中的机器将全部由软件控制，工人只需要通过MES现场的操作计算机或者移动终端就可以完成生产，MES结合企业运营的其他工业软件构建一个高度协同性的生产系统，对企业的设计、采购、销售、计划、制造和运维服务各个环节，对每一个与制造相关的指令能够精确调度、发送、跟踪和监控该指令影响生产的过程，成为实现车间制程智能化的基本技术手段。MES收集及整合整个智能工厂的业务数据，通过工业大数据的分析整合，使其全产业链可视化，达到生产最优化、流程最简化、效率最大化、成本最低化和质量最优化的目的。

伴随着制造企业的发展，未来制造企业势必也是一个软件公司，软件系统的应用也会越来越多， MES就会成为制造企业运营的基石。

重新定义的MES的位置与其他业务板块同等重要，以网络化和扁平化的形式对企业的生产计划进行“再计划”，“指令”生产设备“协同”或“同步“动作，对产品生产过程进行及时的响应，使用当前确的数据对生产过程进行及时调整、更改或干预等处理。

针对大规模定制的需求可以实现柔性排程和调度

采用多向直接的通讯，在整个企业的产品供需链中，即向生产过程人员传达企业的期望（计划），又向有关的部门提供产品制造过程状态的信息反馈，还要告知车间底层装备之间加工的法则，彼此的加工状态。

既不同于类似于ERP的企业运营系统，也不同于企业的过程控制系统，使用MES的经验表明，它不再单纯只针对制造过程进行优化，可以延伸至企业运营的其他的板块，缩短产品的研发周期，提高生产效率，降低单元的产品的制造成本，提高产品的不良率和能源利用率。

2）MES的业务应用范围更加深入

传统MES的作用就是实现企业的连续信息流。并通过对信息的传递和处理，对订单下达到产品完成的整个生产过程优化管理。MESA归纳了MES的十一个主要功能模块，包括工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集等模块。通过MES这些模块的有效协作，可以起到沟通企业计划层和控制层，凭借信息技术提供精确的实时数据，并最终达到优化管理活动和生产活动的目的。而在现实当中，各不同行业企业可以根据行业特点和企业实际，开发适合自身情况的多种功能模块。

从MES的定义也可以看出，提供精确的实时数据是一个优秀的MES的优势所在。MES对数据提供的实时性要明显高于ERP，如果说控制层提供的实时时间系数为1，那么，MES的时间系数为10，ERP的时间系数为100。但是，重新定义的MES的核心优势不仅仅在于提供实时数据，而且需要对实时指令进行准备的自学习和柔性调度，也就意味着MES的时间系数也变成了1。

基于中国制造企业的特定现状，我们整理了适合中国制造业的8大MES应用模块，1大核心支持平台和客户化定制平台：

序号模块名称模块描述备注

1生产计划管理A．支持中国制造企业的ERP不同的应用情况：a）根据制造企业的ERP应用情况，基于ERP中的主生产计划，在MES中基于生产资源进行工单排程，转化为车间的生产任务。b）直接应用ERP系统中的生产工单，在MES系统中进行排序，确定最终的生产任务。B．根据工单排程结果形成可执行工单，对可执行工单进行任务派工，生成派工单。下发至车间制造终端、智能装备。

2生产执行过程管控A．实时数据采集B．在制工单监控C．智能装备与人之间的指令调度D．智能装备与智能产品之间的参数协同E．生产数据统计分析

3制造现场管理A．异常闭环管控（制造业务、智能装备）B．精益可视化看板C．产品制造与工艺数据协同化管控D．智能产品身份识别

4物流调度A．结合供应商的制造进度、配送进度调度生产任务B．厂内精益化物流体系建设

5质量管理A．质量管理体系深入应用B．在制品、原材料和产成品的质量管控C．数据档案归结，为智能服务提供数据支撑

6设备管理A．智能装备资产生产周期监控（TPM）B．智能装备运行参数调度C．智能装备运行状态监控

7制造资源管理A．制造资源（工装、模具、刀具、夹具、量具等）生命周期监控B．制造资源库存数据协同

8人力资源A．人力资源绩效B．人力调度与装备协同优化

9核心业务支撑平台A．集团级业务支持B．通过多级建模机制完成业务扩展C．参数（调度、规划、分发）自定义D．图形化业务、网络、应用的监控和运维服务支持

10客户化定制体系A．图形化自定义研发体系B．业务级的研发体系

MES的数据将是企业未来的核心竞争力，数据转化为企业的知识，MES也是一个知识管控和传承平台；

MES将在业务活动中加入更多的人工智能的算法，模拟专家的智能活动，部分取代人工操作的内容，并具有自组织能力，实现人、装备和资源的一体化过程优化；

MES将依据和制定智能工厂中的管控指标，数据通讯和调度协同之间更加的精细化和准确；

MES通过智能数据的挖掘和分析，建立企业、工厂、车间，甚至工作中心、工作单元的数据模型，随时适应制造环境和制造流程的改变；

MES建立约束和规则触发机制，在不同的业务操作或者环境中，约束其行为，或者触发某些业务操作。

3）MES未来的市场效益

MES除了解决企业的“信息孤岛”问题，起到承上启下、连左通右的功效，通过对即时生产数据采集，达到对生产现场的实时控制，及为管理层提供精细的决策支持；通过实时指令调度其他生产资源，提高生产效率；通过对实时生产数据的采集和分析，从而达到优化生产排程、合理调配生产资源、改善生产工艺，提高产品质量和及时处理客户投诉等问题。MES主要体现一下几点作用：

1．生产数据的即时采集（ERP为事后录入采集），通过实时数据采集，大大减少了ERP等系统数据录入时间。

2．对生产数据的即时查询、历史查询和精细化数据分析。

3．不良产品追溯管理，一方面即时处理不良产品维修并及时改进减少不良产品；另一方面，当已销产品出现不良现象时，及时追溯相关批次，并准确召回不良批次，提高了服务质量，并减少召回成本。

4．收集工艺参数，优化工艺数据，提高产品研发周期

5．改进生产工艺，提高产品质量。

6．提高生产效率，监控生产工人生产状况，提高工作积极性（说明：在实际生产中，往往生产车间为了降低自身工作量而舞弊。）

7．准确追溯到不合格供应商，减少不必要的损失。

8．合理调配生产资源：人员、物料、生产线等。

9．按时交货，建立良性的供货关系。

10． 为降低成本提供有力的数据来源。

11． 实现零库存管理，提高企业资金流的运转。

12． 与能源监控协同调度制造装备，提高能源利用率

13． 统一标准和时刻，归结统计单元产品的制造成本，优化分析，达到降低的目的

工业领域正在全球范围内发挥越来越重要的作用，是推动科技创新、经济增长和社会稳定的重要力量。但与此同时，市场竞争也在变得愈发激烈。客户需要新的、高质量的产品，要求以更快的速度交付根据客户要求而定制的产品。此外，还必须不断提高生产力水平。只有那些能以更少的能源和资源完成产品生产的企业，才能够应对不断增长的成本压力。

智能制造的整体解决方案实现虚拟生产和与现实生产环境的融合，采用创新的工业软件、自动化技术、驱动技术及服务，让MES深入企业运营应用过程中，促进企业缩短产品的研发周期，提高生产效率，降低单元的产品的制造成本，提高产品的不良率和能源利用率。

作者：艾普工华市场＆咨询总监 杨凯