全球數字製造時代_風聞

摘要：本文推送的是Engelbert   Westkämper在Digita Manufacturing In The Global era發表的題Digital Enterprise Technology的文章。全球製造業時代正在來臨。數字化製造是歐洲製造的願景和基於知識生產的戰略議程的核心戰略之一。它是由信息和通信技術的應用和標準化以及對全球網絡運作效率的日益增長的需求所推動的。人工製造的環境是動盪不安的，需要對製造系統進行單獨的調整。製造工程的範圍很廣，從網絡到過程，從實時到長期操作。未來工程和製造管理的工具是數字化和分佈式的。本文的主要觀點是戰略方面以及研究開發的潛力和需求。

這是社論前沿第S1306次推送

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引言

製造業是我們經濟的支柱。超過2700萬人受僱於23萬家公司。這些產業的增加值在歐洲約為13億歐元。製造業有着悠久的傳統，它的作用是為經濟和繁榮創造價值。但現在，全球化和技術的內部變化帶來了巨大的變化。80多年前，泰勒創立了以科學為基礎的範式。製造業:“用科學的方法分析基本工序上的製造業工作有利於公司及其工人的經濟效率”(泰勒，1983)。今天，所謂的“泰勒主義”仍然是今天製造業實踐的主導範式。方法已經改變，幾乎所有的過程都使用計算機。製造業正在走向知識和數字時代。

驅動力與挑戰

全球通訊網絡以及電子和信息系統的擴散過程是人們生活、經商和製造的環境的特徵。本世紀的製造業是一個網絡化的信息世界——企業內部和外部的信息，並與市場的所有參與者聯繫在一起。

2.1生產和消費的遷移

除了經濟方面，信息的快速全球轉移和開放市場是改變全球製造業結構的主要驅動力。將20世紀最後幾十年的製造業與我們現在的實際情況進行比較。顯然，新的要求正在推動製造業領域的全球變化:

遷移工業產品生產和消費的發展中地區，

動盪的環境和影響因素——只有穩健和轉型的企業才能生存，

在全球質量水平上建立工程和製造的全球網絡。

生產和消費向全球製造業，特別是向增長中經濟體的轉移加速。圖1顯示了從Triade到發展中國家的總體發展情況。

移民創造了價值和繁榮，並在起源失業。在技術方面，我們注意到技術和質量的均等化，以及加速創新的新挑戰。為增加價值而進行的創新可以通過生產新產品和新工藝來解決失業問題。

在這個世紀，創新是由基礎知識驅動的，可以利用數字製造系統將製造業轉變為基於知識的新泰勒主義。

2.2製造業發展目標

新技術和製造結構的適應性是我們未來的挑戰。歐盟倡議將未來的需求作為目標：

（1）歐洲製造業的競爭力——

為了在動盪的經濟環境中生存，

為了補償技術的遷移和消費，

為了擁有更多更好的工作，

穩定經濟成果(增長)，

確保福利和社會生活水平。

（2）在製造技術方面發揮領導作用——

支持創新產品和平台，

以全球標準引領製造業，

確保人類和社會工作標準。

（3）環保產品和製造——

以減少環境損失，

改變有限資源的消耗，

使每種產品在其生命週期內的效益最大化。

所有這些目標都集中在製造業的創新上。他們需要公司內部的創新文化來快速實施和永久地轉變製造結構。

2.3適應動盪環境的變化

靈活性可以給公司帶來巨大的客户優勢和市場導向的遷移，因為現在的公司結構通常只能在一定程度上適應。製造的外部因素和內部因素都在發生着永久性的變化，需要在操作、組織和結構上進行動態的變化，如圖2所示：

這些問題與信息系統中涉及財產佔有結構、人員資源結構和建立方法結構的時變有關。適應性有一個時間方面。這不是管理部門是否準備改變的問題，而是必須由管理部門的所有負責人為之長期努力的問題。進行變更的關鍵因素是所需的時間和涉及的費用。

數字化製造，實現智能化生產

3.1歐洲製造平台“製造”與全球合作

歐洲技術平台是一個新引入的概念，旨在將所有感興趣的利益相關者聚集在一起，制定一個共同的長期願景，創建路線圖，確保長期融資，並實現一個連貫的治理方法。專門為製造業設計的技術平台將動員和集中關鍵數量的研究和創新工作，制定以任務為導向的計劃，並採取行動，為在該領域積極經營的企業提供實際利益。

歐盟的“製造未來”計劃的目標是在2020年實現製造業的願景。就像泰勒的觀點一樣，願景的基礎是科學和技術在整體網絡化製造中得到實現，並朝着可持續發展和福利的方向管理。宏利未來計劃分為四個層面:全球、歐洲、國家和地區。

圖3顯示了“製造未來”的主要方向和戰略方向——遵循製造新時代的CIRP模型。其重點是商業模式、先進的工業工程和高附加值的新興技術(圖3)。

研究產生的知識必須通過有效的研發和教育轉化為應用。所有這些支柱都考慮到了IT和網絡化製造的充分可用性。因此可以説，這一舉措是面向未來的數字化製造。

產品工程、生產流程和工業企業管理需要一個共同的基礎，以實現歐洲製造業的目標，並實現2020年遠景的最大協同作用。這一框架從一個側面反映了工業領域以及工程生產過程和企業管理研究的需要。

3.2製造範式

以下的論文是對全球範圍內的製造遠景和研究發展的貢獻。

面向生命週期

製造業的新範式是以產品在其整個生命週期內的優化和價值創造為導向的。這包括瞭解產品的需求和使用(定製)、製造、產品就近服務和回收。基本的信息和通信技術被用來跟蹤產品從工程到使用壽命的整個過程。這種理解使製造商能夠遵循每種產品的生命週期，並使每種產品的效益最大化。

製造業的成功因素主要基於各層次的高多樣性和高技能人才。新的發展將改變技術產品生命週期中未來工作的結構。

可持續的商業

為了管理和優化生命週期，有必要開發新的業務模型。激活和增加價值的商業模式必須轉變製造商和用户之間的傳統關係。生命週期的可持續業務考慮到對環境和自然資源的消費以及社會工作標準的責任。

可持續經營的另一個方面是:將利潤最大化，越來越多的公司在短期內開展業務，只投資於研發。他們中的許多人認為，與政府或供應商的研發責任，未來的商業模式將考慮甚至長期的製造業戰略研發作為可持續業務的一部分。

全球網絡

過去的製造工藝是在一條直線上連接在一起的;如今，這些流程通常是跨越多個公司和國家的複雜製造網絡的一部分。通過使用製造網絡，可以將製造過程集成到動態的、合作的製造網絡和增值網絡中，並在必要時將其從這些網絡中移除。

高效的網絡需要基於全球通信標準的工程和物流網絡的標準和管理系統。

新興技術和製造工程

製造技術正在朝着提高效率和克服現有技術限制的新方向不斷發展。共同的目標是總結如何通過激活技術的理論潛力，以創新的解決方案來節省時間、材料和能源，從而克服製造方面的限制。

製造業技術潛力的快速激活是製造業和用户在廣泛的產業領域競爭中取得優勢的前提。克服現有限制的主要潛力如下:

高性能技術流程(時間、精度、成本)

減少能源和材料消耗

減少時間，提高機器的利用率

減少廢物及排放(清潔製造)

零缺陷製造

有多種新的製造技術，有望克服現有的限制。

理論邊界是由自然(物理、化學、生物)定律定義的，通過研究和實驗可以提高技術解決方案的利用率、影響因素和工藝的功能性。對流程的瞭解是提高效率的主要成功因素，除了傳統的目標，如時間、成本和質量，還有一些具有更高的未來影響，如減少能源消耗和材料。另一個有趣的方面是將功能集成到部件和組件中的效率，這似乎可以通過表面技術實現。方法是經濟效率的支柱也是很重要的。

沒有達到工藝的技術極限。克服現有技術的侷限性，實現複雜系統的高質量、零缺陷、高精度、高生產率和高可靠性。這些目標必須通過激活材料、過程和認知的潛能來實現。對過程的基本理解和對關鍵領域的評估可以激發高水平生產的潛力。這包括為高端產品製造低價值的零部件。

製造工程本身是創新制造的關鍵技術。工程師在數字和虛擬環境中工作。他們需要高度開發的工具，如CAD/CAM，數字產品和數字製造。工業產品和工藝的開發和創新是以經驗為導向的實驗，經驗是可靠性的基礎。在以知識為基礎的行業，“經驗成本”——生產力和時間的損失——可以通過對所有制造過程建模來降低。

新泰勒主義融入數字製造

泰勒在80多年前定義了製造管理的基本範式。泰勒組織特徵的組織模式，幾乎所有的製造過程和系統。泰勒主義根據基本過程來劃分人類的工作。人類的工作是通過使用MTM或REFA等基本的新方法來詳細規劃的。全球汽車和其它行業的運營公司使用這種方法來計算、比較和標準化全球流程。

這種方法與基於知識的製造、網絡製造或自我組織和自我優化原則的社會技術系統範式相矛盾。即使將知識集成到機器和系統中，也不能與人類工作的詳細過程規劃相結合。因此，製造商需要一種新型的泰勒主義，它考慮到動態變化和適應，具體的人類技能和網絡合作的要求。歐洲一項新的生產標準考慮了各地區的社會文化。

製造業成功的因素主要與各級人員的多樣性和技能有關。在未來的工廠中利用這些能力將對經濟至關重要。在對製造業各個方面進行研究的幫助下，儘快調整結構將是至關重要的。在實際條件下快速評估變化。監測滿足市場需求的成功情況，交流知識是增長的關鍵。

4.1創新制造——資源和流程的適應

專家們討論了新制造概念的可靠性和潛力，這些概念是基於產品中新技術的集成及其在生產領域的實現。

智能製造的願景是在高性能參數領域運行的整體系統，由高技能工人管理。它們可以通過插頭和生產進行調整，並連接在數字和可視工程和IT管理中。

這一願景的某些方面現在將被解釋為適應性製造重組新的和創新的過程，使用智能的組合和產品和製造系統的靈活配置，以克服現有的過程限制，並轉移製造技術使用全新的主題或製造相關的主題。

自適應製造考慮功能(或自適應)材料和智能製造技術的工程和製造。

自適應製造包括自動化和機器人領域。機器人作為人類的助手，混合裝配，服務機器人。

自適應製造包括集成認知信息處理、信號處理和生產控制的新方法的自動化的新解決方案，通過高速信息和通信系統。

工廠是由製造工程在數字化環境下所適應的產品

工廠是複雜的、長壽命的產品，必須適應市場、生產計劃和技術的需要。

為了適應資源和在早期階段的優化，公司需要在製造工程方面具有新的和先進的能力，在數字化環境中運作，並使用工具來適應資源和流程。在規劃過程中有7個層次的結構必須適應。他們都在進行永久性的改變。

​集成製造系統的基礎是一個系統理論概念，它允許對複雜的技術系統進行建模。圖7顯示了描述複雜技術和組織過程的基本概念，這些過程似乎適合描述裝配系統。該系統由相互關聯的獨立元素組成。在裝配系統中，這些部件可能是工作場所或其他技術設備。相互關係是物質和信息流動的結果。裝配系統的單個元素，例如裝配工作場所，可以是一個子系統，該子系統又由其他元素組成。在這一點上已經很清楚，協作機制和接口是可配置性的決定性特徵。利用現代信息和控制技術，幾乎所有的元素都可以連接到一個。

4.3先進製造工程

製造系統的變更過程是在基本的基礎上規劃的。例如，對構造的更改將直接導致流程和文檔的更改。對於執行操作或機器的員工，這將導致移動、位置或功能等基本流程的更改。這也影響到數字工具和個人工作站的裝配和人體工程學設計。相應的上級具有管理和優化功能。

數字化製造使用了廣泛的工程和規劃工具。軟件、信息和通信技術，以儘可能快和有效地將新技術集成到製造過程中。研究的主要領域是工業工程綜合工具的開發和製造的適應性，考慮到系統的可配置性。

數字製造是未來最重要的技術。它要求:

分佈式數據管理

過程工程工具

用於表示和圖形界面的工具

參與、協作和網絡化工程

與現實的界面

工程是一項關鍵技術。在德國製造業，大約16%的員工是工程師。他們需要工具來進行有效的工作，以便加快工程過程和同時進行工作。數字和虛擬製造能夠支持製造商的工作，如果這些工具接近現實，並與製造業聯繫在一起。

研發由全數字化工程的願景和產品全生命週期動態行為的多尺度模型驅動。通過這種方式，似乎有可能激活利用潛力，優化使用壽命，減少環境污染。目前，與數字化工廠/製造相關的開發活動集中於工廠、生產工廠、新物流系統和製造流程的規劃。Delmia和Tecnomatix提供了兩個先進的數字工廠/製造概念，其他公司的一些解決方案也可以。這些都基於一個類似的概念:各種軟件工具由一箇中央數據管理系統相互聯網，該系統構成各自軟件供應商的產品範圍內的綜合解決方案的核心。這項工作的目的，是確保所有規劃結果都是最新的，並可隨時提供給獲授權的用户。有了這些概念，並利用大量的模擬應用/系統，一個虛擬的、可擴展的系統構成了一個高端可視化規劃結果的平台，從而促進了不同專家之間的跨學科交流，儘管在專業術語上存在差異。

4.4實時工廠

每個人都知道，智能製造系統也可以連接到通信技術網絡，以確保實時適應。對於未來的新技術，如RFID、MES、無線、網格計算等，從這裏可以看到實時工廠或智能工廠的願景，它有可能進入網絡、工廠、製造部門和集成在無處不在的信息供應中的系統。我們稱之為“智能工廠”。由於這些發展，結構正在改變公司的製造和使用整體生產系統。這為製造商和用户開闢了新的潛力。由於服務原因，它們提供的機器和設備仍在信息技術網絡內，用於監測操作狀態(遠程存在)和在調整和優化操作時進行技術諮詢。

總結

本演講基於全球製造業和驅動力的挑戰。全球製造業時代受到經濟和技術因素的影響，以增強對動盪環境的動態創新和適應能力。數字化製造是適應網絡工程、控制、監督和管理的現代化工具和技術的關鍵。歐洲製造平台(製造未來)已制定了“製造業邁向未來製造業”的願景。

考慮到市場和創新的動態性，當工廠被視為可伸縮的產品時，工業工程在快速適應和複雜性方面具有關鍵作用。優化系統、數據管理和知識是工程師及其工作面臨的新挑戰。它將在一個由全球信息系統連接的數字世界中完成。這是製造業的新時代——數字化製造。