--【導(dǎo)讀】--
評價指標以生產(chǎn)層、車間/工廠層、企業(yè)層、企業(yè)協(xié)同層為核心構(gòu)建，從而建立遞階層結(jié)構(gòu)模型進行分析。
智能制造評價體系構(gòu)建背景
隨著新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，全球正孕育興起以智能制造為代表的新一輪工業(yè)革命。世界主要工業(yè)發(fā)達國家紛紛加緊謀篇布局，支持和推動智能制造發(fā)展，以重塑制造業(yè)競爭優(yōu)勢。為搶占新一輪產(chǎn)業(yè)競爭制高點，國務(wù)院發(fā)布《中國制造2025》，并明確將智能制造作為主攻方向。
為推動智能制造發(fā)展，工業(yè)和信息化部組織開展了智能制造試點示范專項行動、智能制造專項、智能制造標準化體系建設(shè)等一系列工作，在培育智能制造新模式、夯實發(fā)展基礎(chǔ)、帶動關(guān)鍵軟硬件產(chǎn)品突破、激發(fā)企業(yè)積極性和內(nèi)生動力等方面取得了顯著成效。國內(nèi)企業(yè)紛紛加大智能制造發(fā)展力度，積極建設(shè)智能生產(chǎn)線和智能車間/工廠，發(fā)展智能制造新模式。
智能制造系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵要素
1. 智能制造的內(nèi)涵
智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。
2. 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)
智能制造系統(tǒng)架構(gòu)是一個通用的制造體系模型，其作用是為智能制造的技術(shù)系統(tǒng)提供構(gòu)建、開發(fā)、集成和運行的框架；其目標是指導(dǎo)以產(chǎn)品全生命周期管理形成價值鏈主線的企業(yè)，實現(xiàn)研發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)的智能化，通過企業(yè)間的互聯(lián)和集成建立智能化的制造業(yè)價值網(wǎng)絡(luò)，形成具有高度靈活性和持續(xù)演進優(yōu)化特征的智能制造體系。
智能制造系統(tǒng)劃分為4層：生產(chǎn)線層、車間/工廠層、企業(yè)層和企業(yè)協(xié)同層。
（1）生產(chǎn)線層
生產(chǎn)線層是指生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備及其控制系統(tǒng)，主要由OT網(wǎng)絡(luò)、傳感器、執(zhí)行器、工業(yè)機器人、數(shù)控機床、工控系統(tǒng)、制造裝備、人員/工具等組成。
（2）車間/工廠層
主要是指制造執(zhí)行系統(tǒng)及車間物流倉儲系統(tǒng)，主要包括OT/IT網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、資產(chǎn)管理系統(tǒng)AMS、車間物流管理系統(tǒng)LMS、倉庫管理系統(tǒng)WMS、物流與倉儲裝備等。
（3）企業(yè)層
企業(yè)層是指產(chǎn)品全生命周期管理及企業(yè)管控系統(tǒng)，主要包括產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)PLM、IT網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)CRM、計算機輔助技術(shù)CAX、企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)ERP、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)SCM、商務(wù)智能系統(tǒng)BI等。
（4）企業(yè)協(xié)同層
企業(yè)協(xié)同層是指由網(wǎng)絡(luò)和云應(yīng)用為基礎(chǔ)構(gòu)成的覆蓋價值鏈的制造網(wǎng)絡(luò)，主要包括制造資源協(xié)同平臺、協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造、供應(yīng)鏈協(xié)同、資源共享、信息共享、應(yīng)用服務(wù)等。
3. 智能制造的關(guān)鍵要素
（1）生產(chǎn)線層
能夠反映生產(chǎn)線層智能制造發(fā)展水平的關(guān)鍵要素主要包括柔性生產(chǎn)、數(shù)據(jù)采集、人機交互、機器間通信。其中，柔性生產(chǎn)是指生產(chǎn)線能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品或部件種類以及在不同產(chǎn)品或部件之間切換所花費的時間和成本；數(shù)據(jù)采集是指生產(chǎn)線集成了傳感和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集生產(chǎn)設(shè)備、物料、半成品和產(chǎn)成品的狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸給生產(chǎn)控制系統(tǒng)；人機交互是指人員和生產(chǎn)設(shè)備之間的信息通信方式，包括固定的交互界面、生產(chǎn)監(jiān)測與控制系統(tǒng)、移動終端等；機器間通信是指生產(chǎn)設(shè)備之間的信息通信方式，包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、M2M等方式。
（2）車間/工廠層
能夠反映車間/工廠層智能制造發(fā)展水平的關(guān)鍵要素主要包括數(shù)據(jù)處理、通信網(wǎng)絡(luò)、物流與倉儲管理。其中，數(shù)據(jù)處理是指對采集到的設(shè)備狀態(tài)、物料信息等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析和評估，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動規(guī)劃和控制；通信網(wǎng)絡(luò)是指 車間/工廠內(nèi)的信息通信網(wǎng)絡(luò)，包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式和規(guī)則、獨立且互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)服務(wù)器、全互聯(lián)的信息技術(shù)整體解決方案等；物流與倉儲管理包括智能物流與倉儲設(shè)備、倉儲管理系統(tǒng)WMS以及車間內(nèi)物流管理系統(tǒng)LMS。
（3）企業(yè)層
能夠反映企業(yè)層智能制造發(fā)展水平的關(guān)鍵要素主要有智能決策支持、基于模型的系統(tǒng)工程、企業(yè)內(nèi)縱向集成。其中，智能決策支持包括自動排產(chǎn)和動態(tài)調(diào)度、供應(yīng)鏈管理、訂單和質(zhì)量管理以及決策支持等；基于模型的系統(tǒng)工程包括基于標準的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)定義、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品模型傳遞和關(guān)聯(lián)維護；企業(yè)內(nèi)縱向集成包括制造執(zhí)行系統(tǒng)MES與企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP的集成、制造過程控制系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的集成。
（4）企業(yè)協(xié)同層
能夠反映企業(yè)協(xié)同層智能制造發(fā)展水平的關(guān)鍵要素主要有跨企業(yè)資源共享、全價值鏈的關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化。其中，跨企業(yè)資源共享是指企業(yè)之間通過共享平臺和共享規(guī)則，實現(xiàn)創(chuàng)新、研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、服務(wù)、信息等資源的共享；全價值鏈的關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化是指企業(yè)間設(shè)計、供應(yīng)、制造和服務(wù)等關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的并行組織與協(xié)同優(yōu)化，以及制造服務(wù)和資源的動態(tài)分析和柔性配置。
智能制造評價指標構(gòu)建
1. 指標選取和分解
根據(jù)以上對生產(chǎn)線、車間/工廠、企業(yè)和企業(yè)協(xié)同4個層級智能制造關(guān)鍵要素的分析，提煉出生產(chǎn)線、車間/工廠、企業(yè)、企業(yè)協(xié)同四個層級的智能制造一級評價指標，并進一步細化為二級指標，得到各層級的智能制造評價指標。
（1）生產(chǎn)線層
生產(chǎn)線層級智能制造評價指標體系，包括4個一級指標：柔性生產(chǎn)、數(shù)據(jù)采集、人機交互、機器間通信。每個一級指標又分解為若干個二級指標，各指標含義說明如下：
▲ 生產(chǎn)/產(chǎn)品柔性
考察生產(chǎn)線的生產(chǎn)作業(yè)柔性與產(chǎn)品柔性，包括產(chǎn)品混合比、延遲交貨比例、柔性生產(chǎn)滯后時間、滯后率等。
▲ 響應(yīng)柔性
考察柔性生產(chǎn)的反應(yīng)時間與反應(yīng)成本，主要考察范圍覆蓋生產(chǎn)線的各個工序、設(shè)備/工作單元，包括加工、裝配、檢測的工序及其設(shè)備的柔性分析。
▲? 數(shù)據(jù)采集實時性
考察生產(chǎn)線實時采集生產(chǎn)設(shè)備、物料、在制品、半成品、產(chǎn)成品等數(shù)據(jù)的能力，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的響應(yīng)時間、準確率。
▲ 數(shù)據(jù)采集的范圍
考察生產(chǎn)線采集相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的范圍和程度，主要包括數(shù)據(jù)采集點的數(shù)量、數(shù)據(jù)采集覆蓋率等。
▲ 人機交互方式
考察生產(chǎn)線上生產(chǎn)人員與生產(chǎn)設(shè)備信息通信的方式，包括固定的交互界面、集中式或分布式的生產(chǎn)監(jiān)測與控制系統(tǒng)、移動交互終端、可穿戴設(shè)備等。
▲? 人機交互程度
考察生產(chǎn)設(shè)備是否能夠全方面、深度地感知生產(chǎn)人員的需求和指令。
▲ 機器間通信方式
考察生產(chǎn)設(shè)備之間開展信息通信的方式，主要包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、機器可連接到互聯(lián)網(wǎng)、機器間直接通信M2M等。
（2）車間/工廠層
車間/工廠層智能制造評價指標體系（如表2所示），包括4個一級指標：數(shù)據(jù)處理、通信網(wǎng)絡(luò)、信息集成、物流與倉儲管理。每個一級指標又分解為若干個二級指標，各指標含義說明如下：
▲ 數(shù)據(jù)處理的實時性
考察車間/工廠實時分析和挖掘生產(chǎn)數(shù)據(jù)的能力，即數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的響應(yīng)時間。
▲ 數(shù)據(jù)利用水平
考察車間/工廠通過分析和挖掘所采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)開展生產(chǎn)過程優(yōu)化和控制的能力。
▲? 數(shù)據(jù)可視化
考察車間/工廠利用電子看板、智能報警管理系統(tǒng)、智能操作指導(dǎo)系統(tǒng)等對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行可視化管控的能力，可通過收集或檢測對可視化便捷性與實時性等獲取指標評價數(shù)據(jù)。
▲? 車間/工廠通信網(wǎng)絡(luò)類型
考察車間/工廠內(nèi)各部門的信息通信方式，包括通過郵件和電話溝通、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式和規(guī)則、建立了相互獨立且互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)服務(wù)器、整體的IT解決方案等。
▲ 物流管理系統(tǒng)LMS
考察車間/工廠內(nèi)物流管理系統(tǒng)LMS的智能化水平，可通過收集或檢測LMS的運輸訂單管理和計劃排程、運輸設(shè)備資源管理、運輸線路管理、人員管理、客戶管理、成本核算、作業(yè)跟蹤、財務(wù)管理等功能的實現(xiàn)情況來獲取指標評價數(shù)據(jù)。
▲ 倉庫管理系統(tǒng)WMS
考察車間/工廠內(nèi)倉庫管理系統(tǒng)WMS的智能化水平，可通過收集或檢測LMS的管理單獨訂單處理及庫存控制、基本信息管理、貨位管理、貨物流管理、收貨管理、揀選管理、盤點管理、移庫管理等功能的實現(xiàn)情況來獲取指標評價數(shù)據(jù)。
▲ 物流與倉儲裝備智能化水平
考察輕型高速堆垛機、超高超重型堆垛機、高速智能分揀機、智能多層穿梭車、智能化高密度存儲穿梭版、高速托盤運輸機、自動化立體倉庫、高速大容量輸送與分揀成套裝備、車間物流智能化成套裝備等物流與倉儲裝備的智能化水平。
（3）企業(yè)層
企業(yè)層智能制造評價指標體系（如表3所示），包括3個一級指標：智能決策支持、基于模型的系統(tǒng)工程、企業(yè)內(nèi)縱向集成。每個一級指標又分解為若干個二級指標，各指標含義說明如下：
▲ 自動排產(chǎn)和動態(tài)調(diào)度
考察企業(yè)資源計劃系統(tǒng)ERP的自動排產(chǎn)和動態(tài)調(diào)度能力，包括根據(jù)訂單自動制定排產(chǎn)計劃；根據(jù)訂單自動制定排產(chǎn)計劃同時生成物料供應(yīng)計劃；當(dāng)訂單與企業(yè)產(chǎn)能不匹配時可自動優(yōu)化排產(chǎn)；在緊急情況下能進行動態(tài)調(diào)度和優(yōu)化。
▲ 供應(yīng)鏈管理
考察企業(yè)供應(yīng)鏈管理水平，包括能夠?qū)崿F(xiàn)供應(yīng)商在指定時間直接供貨到生產(chǎn)現(xiàn)場；能夠按照客戶要求，實現(xiàn)產(chǎn)品精準配送；構(gòu)建了基于信息系統(tǒng)的覆蓋全國甚至全球的供應(yīng)和分銷網(wǎng)絡(luò)。
▲ 訂單全過程跟蹤
考察企業(yè)應(yīng)用信息化、智能化手段實現(xiàn)訂單全過程跟蹤的能力，實現(xiàn)了研發(fā)設(shè)計、物料采購、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品銷售等全過程的訂單跟蹤。
▲ 產(chǎn)品質(zhì)量可追溯
考察企業(yè)對于產(chǎn)品質(zhì)量的追溯能力和水平，實現(xiàn)了研發(fā)設(shè)計、物料采購、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品交付等全過程的產(chǎn)品質(zhì)量追溯。
▲ 可實現(xiàn)的決策支持內(nèi)容
考察企業(yè)的智能決策支持系統(tǒng)可實現(xiàn)的內(nèi)容，包括合同、收入、成本、利潤等對比分析和決策，客戶價值和信用決策，產(chǎn)品盈利和市場趨勢決策，研發(fā)生產(chǎn)和經(jīng)營管理的決策，預(yù)測預(yù)警，風(fēng)險管控決策等。
▲? 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)定義
可分為以下幾個水平等級：有二維圖紙定義規(guī)范，且可自動批量導(dǎo)入產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)PLM；有三維模型定義規(guī)范，且可成套自動導(dǎo)入產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)PLM；有工藝規(guī)劃定義規(guī)范，且可成套自動導(dǎo)入產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)PLM。
▲ 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理
考察企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理覆蓋的范圍，包括產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造、市場銷售、物流配送、維護服務(wù)等環(huán)節(jié)。
▲ 產(chǎn)品模型傳遞和關(guān)聯(lián)維護
考察產(chǎn)品模型在不同環(huán)節(jié)之間傳遞和關(guān)聯(lián)維護的實現(xiàn)程度，實現(xiàn)產(chǎn)品信息在產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造、市場銷售、物流配送、維護服務(wù)等環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)維護和一致性管理。
▲ 制造執(zhí)行系統(tǒng)MES向企業(yè)資源系統(tǒng)ERP自動上傳信息
考察企業(yè)MES系統(tǒng)可自動向ERP 系統(tǒng)上傳生產(chǎn)能力、計劃執(zhí)行、設(shè)備狀態(tài)、物料信息、制造環(huán)境及訂單狀態(tài)等信息。
▲ 企業(yè)資源計劃ERP向制造執(zhí)行系統(tǒng)MES自動下達指令
考察企業(yè)ERP系統(tǒng)將生產(chǎn)任務(wù)、物料清單BOM等自動下達到MES 的情況。
（4）企業(yè)協(xié)同層
企業(yè)協(xié)同層智能制造評價指標體系（如表4所示），包括2個一級指標：跨企業(yè)資源共享、全價值鏈的關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化。每個一級指標又分解為若干個二級指標，各指標含義說明如下：
▲ 跨企業(yè)信息資源共享
考察企業(yè)之間開展信息共享的方式，包括建立企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間信息交換的接口，建立或采用統(tǒng)一的信息交互標準和規(guī)范，實現(xiàn)企業(yè)間信息的實時交互和共享。
▲ 跨企業(yè)制造資源共享
考察企業(yè)之間開展制造資源共享的情況，實現(xiàn)企業(yè)間創(chuàng)新資源、設(shè)計能力、生產(chǎn)能力和服務(wù)能力的共享。
▲ 關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化
包括企業(yè)間研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)計劃、物料供應(yīng)、倉儲管理、生產(chǎn)制造、市場銷售、物流配送、維護服務(wù)的協(xié)同以及企業(yè)間訂單全過程可追溯。
▲ 資源和服務(wù)的柔性配置
考察整合社會的制造需求和資源，開展制造服務(wù)和制造資源的動態(tài)分析和柔性配置情況。
2. 權(quán)重系數(shù)的確定
考慮到評價指標大多為定性指標且需要通過專家經(jīng)驗來確定各指標之間的相對重要程度，因此我們采用定量與定性相結(jié)合的層次分析法來確定各評價指標的權(quán)重系數(shù)。下面以企業(yè)層智能制造評價指標體系為例，說明權(quán)重系數(shù)確定的過程。
（1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型
根據(jù)表3，可以得到企業(yè)層智能制造評價遞階層次結(jié)構(gòu)模型。
（2）構(gòu)造判斷矩陣
選取16位智能制造領(lǐng)域的專家，經(jīng)過三輪打分與反饋，專家意見逐步趨于一致，得到各層的判斷矩陣：
第一層的判斷矩陣A，第二層判斷矩陣A1、A2、A3分 別為：
（3）計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量
應(yīng)用MATLAB軟件，計算得到以上判斷矩陣的最大特征根和特征向量，并對特征向量進行歸一化處理，就可得到各評價指標相對于上一層評價指標的權(quán)重向量，結(jié)果如表6所示。
（4）判斷矩陣的一致性檢驗
考慮到二階矩陣總是一致陣，因此判斷矩陣A3的一致性無需檢驗。下面分別計算判斷矩陣A、A1、A2的一致性指標CI和一致性比例CR，結(jié)果如表7所示。
由于各判斷矩陣的一致性比例均小于0.1，因此可以認為所有矩陣的一致性均是可以接受的，從而得到企業(yè)/層智能制造評價指標的權(quán)重系數(shù)（如表8所示）。同理，可得到生產(chǎn)線層、車間/工廠層、企業(yè)協(xié)同層的智能制造評價指標權(quán)重系數(shù)。
3. 評價模型
（1）指標的無量綱化處理
評價指標包括定量指標和定性指標，下面分別介紹其評分方法和無量綱化處理。
① 定量指標
對于定量數(shù)據(jù)，首先要確定其該指標可能取的最大值和最小值。最大值為實現(xiàn)智能制造后該指標能夠達到的最優(yōu)值，最小值為尚未開始實施智能制造時該指標的取值，最大值和最小值均為固定數(shù)值。然后，應(yīng)用式（1）對原始數(shù)據(jù)進行 無量綱化處理：
其中，xi為評價指標 i 的原始得分，xmax為評價指標 i 可能取的最大值，xmin為評價指標 i 可能取的最小值，xi’為無量綱化處理后評價指標 i 的得分，其取值區(qū)間為 [0，100]。
② 定性指標
采用專家打分法來對定性指標進行評分，由專家根據(jù)評價指標的數(shù)據(jù)采集情況進行打分。然后，應(yīng)用式（2）進行無量綱化處理：
（2） 其中，xij為第 j 個專家對評價指標i的打分，n 為參與打分的專家數(shù)量，xmax為所有專家對評價指標 i 打分中的最大值，xmin為所有專家對評價指標 i 打分中的最小值，xi’為評價指標 i 的得分，分值區(qū)間為[0，100]。
（2）評價得分計算模型
對指標進行無量綱化處理后，就可應(yīng)用加權(quán)平均模型（式（3））來計算具體的評價得分。
其中，θ 為企業(yè)智能制造評價得分，αi為第 i 個一級指標的權(quán)重系數(shù)，βj為第 j 個二級指標的權(quán)重系數(shù)，xj為該企業(yè)第 j 個二級指標的得分，i=(1…m),? ?j=(1…n)。
