全球数字制造时代

摘要：本文推送的是Engelbert   Westkämper在Digita Manufacturing In The Global era发表的题Digital Enterprise Technology的文章。全球制造业时代正在来临。数字化制造是欧洲制造的愿景和基于知识生产的战略议程的核心战略之一。它是由信息和通信技术的应用和标准化以及对全球网络运作效率的日益增长的需求所推动的。人工制造的环境是动荡不安的，需要对制造系统进行单独的调整。制造工程的范围很广，从网络到过程，从实时到长期操作。未来工程和制造管理的工具是数字化和分布式的。本文的主要观点是战略方面以及研究开发的潜力和需求。

这是社论前沿第S1306次推送

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引言

制造业是我们经济的支柱。超过2700万人受雇于23万家公司。这些产业的增加值在欧洲约为13亿欧元。制造业有着悠久的传统，它的作用是为经济和繁荣创造价值。但现在，全球化和技术的内部变化带来了巨大的变化。80多年前，泰勒创立了以科学为基础的范式。制造业:“用科学的方法分析基本工序上的制造业工作有利于公司及其工人的经济效率”(泰勒，1983)。今天，所谓的“泰勒主义”仍然是今天制造业实践的主导范式。方法已经改变，几乎所有的过程都使用计算机。制造业正在走向知识和数字时代。

驱动力与挑战

全球通讯网络以及电子和信息系统的扩散过程是人们生活、经商和制造的环境的特征。本世纪的制造业是一个网络化的信息世界——企业内部和外部的信息，并与市场的所有参与者联系在一起。

2.1生产和消费的迁移

除了经济方面，信息的快速全球转移和开放市场是改变全球制造业结构的主要驱动力。将20世纪最后几十年的制造业与我们现在的实际情况进行比较。显然，新的要求正在推动制造业领域的全球变化:

迁移工业产品生产和消费的发展中地区，

动荡的环境和影响因素——只有稳健和转型的企业才能生存，

在全球质量水平上建立工程和制造的全球网络。

生产和消费向全球制造业，特别是向增长中经济体的转移加速。图1显示了从Triade到发展中国家的总体发展情况。

移民创造了价值和繁荣，并在起源失业。在技术方面，我们注意到技术和质量的均等化，以及加速创新的新挑战。为增加价值而进行的创新可以通过生产新产品和新工艺来解决失业问题。

在这个世纪，创新是由基础知识驱动的，可以利用数字制造系统将制造业转变为基于知识的新泰勒主义。

2.2制造业发展目标

新技术和制造结构的适应性是我们未来的挑战。欧盟倡议将未来的需求作为目标：

（1）欧洲制造业的竞争力——

为了在动荡的经济环境中生存，

为了补偿技术的迁移和消费，

为了拥有更多更好的工作，

稳定经济成果(增长)，

确保福利和社会生活水平。

（2）在制造技术方面发挥领导作用——

支持创新产品和平台，

以全球标准引领制造业，

确保人类和社会工作标准。

（3）环保产品和制造——

以减少环境损失，

改变有限资源的消耗，

使每种产品在其生命周期内的效益最大化。

所有这些目标都集中在制造业的创新上。他们需要公司内部的创新文化来快速实施和永久地转变制造结构。

2.3适应动荡环境的变化

灵活性可以给公司带来巨大的客户优势和市场导向的迁移，因为现在的公司结构通常只能在一定程度上适应。制造的外部因素和内部因素都在发生着永久性的变化，需要在操作、组织和结构上进行动态的变化，如图2所示：

这些问题与信息系统中涉及财产占有结构、人员资源结构和建立方法结构的时变有关。适应性有一个时间方面。这不是管理部门是否准备改变的问题，而是必须由管理部门的所有负责人为之长期努力的问题。进行变更的关键因素是所需的时间和涉及的费用。

数字化制造，实现智能化生产

3.1欧洲制造平台“制造”与全球合作

欧洲技术平台是一个新引入的概念，旨在将所有感兴趣的利益相关者聚集在一起，制定一个共同的长期愿景，创建路线图，确保长期融资，并实现一个连贯的治理方法。专门为制造业设计的技术平台将动员和集中关键数量的研究和创新工作，制定以任务为导向的计划，并采取行动，为在该领域积极经营的企业提供实际利益。

欧盟的“制造未来”计划的目标是在2020年实现制造业的愿景。就像泰勒的观点一样，愿景的基础是科学和技术在整体网络化制造中得到实现，并朝着可持续发展和福利的方向管理。宏利未来计划分为四个层面:全球、欧洲、国家和地区。

图3显示了“制造未来”的主要方向和战略方向——遵循制造新时代的CIRP模型。其重点是商业模式、先进的工业工程和高附加值的新兴技术(图3)。

研究产生的知识必须通过有效的研发和教育转化为应用。所有这些支柱都考虑到了IT和网络化制造的充分可用性。因此可以说，这一举措是面向未来的数字化制造。

产品工程、生产流程和工业企业管理需要一个共同的基础，以实现欧洲制造业的目标，并实现2020年远景的最大协同作用。这一框架从一个侧面反映了工业领域以及工程生产过程和企业管理研究的需要。

3.2制造范式

以下的论文是对全球范围内的制造远景和研究发展的贡献。

面向生命周期

制造业的新范式是以产品在其整个生命周期内的优化和价值创造为导向的。这包括了解产品的需求和使用(定制)、制造、产品就近服务和回收。基本的信息和通信技术被用来跟踪产品从工程到使用寿命的整个过程。这种理解使制造商能够遵循每种产品的生命周期，并使每种产品的效益最大化。

制造业的成功因素主要基于各层次的高多样性和高技能人才。新的发展将改变技术产品生命周期中未来工作的结构。

可持续的商业

为了管理和优化生命周期，有必要开发新的业务模型。激活和增加价值的商业模式必须转变制造商和用户之间的传统关系。生命周期的可持续业务考虑到对环境和自然资源的消费以及社会工作标准的责任。

可持续经营的另一个方面是:将利润最大化，越来越多的公司在短期内开展业务，只投资于研发。他们中的许多人认为，与政府或供应商的研发责任，未来的商业模式将考虑甚至长期的制造业战略研发作为可持续业务的一部分。

全球网络

过去的制造工艺是在一条直线上连接在一起的;如今，这些流程通常是跨越多个公司和国家的复杂制造网络的一部分。通过使用制造网络，可以将制造过程集成到动态的、合作的制造网络和增值网络中，并在必要时将其从这些网络中移除。

高效的网络需要基于全球通信标准的工程和物流网络的标准和管理系统。

新兴技术和制造工程

制造技术正在朝着提高效率和克服现有技术限制的新方向不断发展。共同的目标是总结如何通过激活技术的理论潜力，以创新的解决方案来节省时间、材料和能源，从而克服制造方面的限制。

制造业技术潜力的快速激活是制造业和用户在广泛的产业领域竞争中取得优势的前提。克服现有限制的主要潜力如下:

高性能技术流程(时间、精度、成本)

减少能源和材料消耗

减少时间，提高机器的利用率

减少废物及排放(清洁制造)

零缺陷制造

有多种新的制造技术，有望克服现有的限制。

理论边界是由自然(物理、化学、生物)定律定义的，通过研究和实验可以提高技术解决方案的利用率、影响因素和工艺的功能性。对流程的了解是提高效率的主要成功因素，除了传统的目标，如时间、成本和质量，还有一些具有更高的未来影响，如减少能源消耗和材料。另一个有趣的方面是将功能集成到部件和组件中的效率，这似乎可以通过表面技术实现。方法是经济效率的支柱也是很重要的。

没有达到工艺的技术极限。克服现有技术的局限性，实现复杂系统的高质量、零缺陷、高精度、高生产率和高可靠性。这些目标必须通过激活材料、过程和认知的潜能来实现。对过程的基本理解和对关键领域的评估可以激发高水平生产的潜力。这包括为高端产品制造低价值的零部件。

制造工程本身是创新制造的关键技术。工程师在数字和虚拟环境中工作。他们需要高度开发的工具，如CAD/CAM，数字产品和数字制造。工业产品和工艺的开发和创新是以经验为导向的实验，经验是可靠性的基础。在以知识为基础的行业，“经验成本”——生产力和时间的损失——可以通过对所有制造过程建模来降低。

新泰勒主义融入数字制造

泰勒在80多年前定义了制造管理的基本范式。泰勒组织特征的组织模式，几乎所有的制造过程和系统。泰勒主义根据基本过程来划分人类的工作。人类的工作是通过使用MTM或REFA等基本的新方法来详细规划的。全球汽车和其它行业的运营公司使用这种方法来计算、比较和标准化全球流程。

这种方法与基于知识的制造、网络制造或自我组织和自我优化原则的社会技术系统范式相矛盾。即使将知识集成到机器和系统中，也不能与人类工作的详细过程规划相结合。因此，制造商需要一种新型的泰勒主义，它考虑到动态变化和适应，具体的人类技能和网络合作的要求。欧洲一项新的生产标准考虑了各地区的社会文化。

制造业成功的因素主要与各级人员的多样性和技能有关。在未来的工厂中利用这些能力将对经济至关重要。在对制造业各个方面进行研究的帮助下，尽快调整结构将是至关重要的。在实际条件下快速评估变化。监测满足市场需求的成功情况，交流知识是增长的关键。

4.1创新制造——资源和流程的适应

专家们讨论了新制造概念的可靠性和潜力，这些概念是基于产品中新技术的集成及其在生产领域的实现。

智能制造的愿景是在高性能参数领域运行的整体系统，由高技能工人管理。它们可以通过插头和生产进行调整，并连接在数字和可视工程和IT管理中。

这一愿景的某些方面现在将被解释为适应性制造重组新的和创新的过程，使用智能的组合和产品和制造系统的灵活配置，以克服现有的过程限制，并转移制造技术使用全新的主题或制造相关的主题。

自适应制造考虑功能(或自适应)材料和智能制造技术的工程和制造。

自适应制造包括自动化和机器人领域。机器人作为人类的助手，混合装配，服务机器人。

自适应制造包括集成认知信息处理、信号处理和生产控制的新方法的自动化的新解决方案，通过高速信息和通信系统。

工厂是由制造工程在数字化环境下所适应的产品

工厂是复杂的、长寿命的产品，必须适应市场、生产计划和技术的需要。

为了适应资源和在早期阶段的优化，公司需要在制造工程方面具有新的和先进的能力，在数字化环境中运作，并使用工具来适应资源和流程。在规划过程中有7个层次的结构必须适应。他们都在进行永久性的改变。

​集成制造系统的基础是一个系统理论概念，它允许对复杂的技术系统进行建模。图7显示了描述复杂技术和组织过程的基本概念，这些过程似乎适合描述装配系统。该系统由相互关联的独立元素组成。在装配系统中，这些部件可能是工作场所或其他技术设备。相互关系是物质和信息流动的结果。装配系统的单个元素，例如装配工作场所，可以是一个子系统，该子系统又由其他元素组成。在这一点上已经很清楚，协作机制和接口是可配置性的决定性特征。利用现代信息和控制技术，几乎所有的元素都可以连接到一个。

4.3先进制造工程

制造系统的变更过程是在基本的基础上规划的。例如，对构造的更改将直接导致流程和文档的更改。对于执行操作或机器的员工，这将导致移动、位置或功能等基本流程的更改。这也影响到数字工具和个人工作站的装配和人体工程学设计。相应的上级具有管理和优化功能。

数字化制造使用了广泛的工程和规划工具。软件、信息和通信技术，以尽可能快和有效地将新技术集成到制造过程中。研究的主要领域是工业工程综合工具的开发和制造的适应性，考虑到系统的可配置性。

数字制造是未来最重要的技术。它要求:

分布式数据管理

过程工程工具

用于表示和图形界面的工具

参与、协作和网络化工程

与现实的界面

工程是一项关键技术。在德国制造业，大约16%的员工是工程师。他们需要工具来进行有效的工作，以便加快工程过程和同时进行工作。数字和虚拟制造能够支持制造商的工作，如果这些工具接近现实，并与制造业联系在一起。

研发由全数字化工程的愿景和产品全生命周期动态行为的多尺度模型驱动。通过这种方式，似乎有可能激活利用潜力，优化使用寿命，减少环境污染。目前，与数字化工厂/制造相关的开发活动集中于工厂、生产工厂、新物流系统和制造流程的规划。Delmia和Tecnomatix提供了两个先进的数字工厂/制造概念，其他公司的一些解决方案也可以。这些都基于一个类似的概念:各种软件工具由一个中央数据管理系统相互联网，该系统构成各自软件供应商的产品范围内的综合解决方案的核心。这项工作的目的，是确保所有规划结果都是最新的，并可随时提供给获授权的用户。有了这些概念，并利用大量的模拟应用/系统，一个虚拟的、可扩展的系统构成了一个高端可视化规划结果的平台，从而促进了不同专家之间的跨学科交流，尽管在专业术语上存在差异。

4.4实时工厂

每个人都知道，智能制造系统也可以连接到通信技术网络，以确保实时适应。对于未来的新技术，如RFID、MES、无线、网格计算等，从这里可以看到实时工厂或智能工厂的愿景，它有可能进入网络、工厂、制造部门和集成在无处不在的信息供应中的系统。我们称之为“智能工厂”。由于这些发展，结构正在改变公司的制造和使用整体生产系统。这为制造商和用户开辟了新的潜力。由于服务原因，它们提供的机器和设备仍在信息技术网络内，用于监测操作状态(远程存在)和在调整和优化操作时进行技术咨询。

总结

本演讲基于全球制造业和驱动力的挑战。全球制造业时代受到经济和技术因素的影响，以增强对动荡环境的动态创新和适应能力。数字化制造是适应网络工程、控制、监督和管理的现代化工具和技术的关键。欧洲制造平台(制造未来)已制定了“制造业迈向未来制造业”的愿景。

考虑到市场和创新的动态性，当工厂被视为可伸缩的产品时，工业工程在快速适应和复杂性方面具有关键作用。优化系统、数据管理和知识是工程师及其工作面临的新挑战。它将在一个由全球信息系统连接的数字世界中完成。这是制造业的新时代——数字化制造。