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數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不能只在外圍打轉(zhuǎn)！

數(shù)字化轉(zhuǎn)型這個(gè)熱潮席卷了整個(gè)制造業(yè)，但是，通常各個(gè)專(zhuān)家們講的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，仔細(xì)琢磨起來(lái)，似乎都只是終端生產(chǎn)企業(yè)的工廠為對(duì)象，就是在工廠的整體集成方面進(jìn)行數(shù)字化的—這也使得機(jī)器制造商對(duì)數(shù)字化比較困惑。因?yàn)?，這個(gè)數(shù)字化似乎跟自己并沒(méi)有關(guān)系，但可能跟自己制造機(jī)器這個(gè)車(chē)間有關(guān)-但是，對(duì)于裝備制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)字化似乎與它們的核心業(yè)務(wù)關(guān)系并沒(méi)有那么直接，當(dāng)然，提升工廠水平是需要的，但它們似乎更為關(guān)心自己的產(chǎn)品-機(jī)器，如何推進(jìn)數(shù)字化.

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數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景

幾種常見(jiàn)場(chǎng)景

產(chǎn)生這個(gè)的背景的確在于“轉(zhuǎn)型”的需要，對(duì)于中國(guó)過(guò)去數(shù)十年的制造業(yè)而言，主要是一個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)品的問(wèn)題，比如買(mǎi)來(lái)成型類(lèi)設(shè)備，生產(chǎn)出零部件然后進(jìn)行組裝，第二種是引進(jìn)成套產(chǎn)線如LCD生產(chǎn)線，進(jìn)行生產(chǎn)，這里存在幾個(gè)轉(zhuǎn)型需求：

① 對(duì)于成套產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，引進(jìn)時(shí)主要為了某種產(chǎn)品，但是，隨著時(shí)代的變化，這些產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)時(shí)了，例如，當(dāng)年的英雄筆、中華鉛筆、電視機(jī)、空調(diào)這類(lèi)，因?yàn)?，?dāng)工藝變化了，原來(lái)的產(chǎn)線已經(jīng)不勝任了，而我們只是買(mǎi)來(lái)了生產(chǎn)特定產(chǎn)品，因此，這使得我們?cè)谧兓氖袌?chǎng)中無(wú)法適應(yīng)變化而遭遇淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。

② 對(duì)于非成套的工廠，如果我們把離散制造分為“成型工藝”設(shè)備生產(chǎn)零部件，然后后道進(jìn)行組裝，那么，這樣的產(chǎn)線的問(wèn)題就在于，需要將原來(lái)手工、大量耗費(fèi)人工的產(chǎn)線改為連續(xù)的自動(dòng)組裝線。這個(gè)轉(zhuǎn)型的目的在于通過(guò)數(shù)字化運(yùn)營(yíng)管理提升效率。 

③ 對(duì)于原有的粗放型管理，現(xiàn)在隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，錙銖必較，因此，需要通過(guò)數(shù)字化對(duì)其進(jìn)行透明化、可視化，以獲得改善的方向，向運(yùn)營(yíng)管理要效率的問(wèn)題。

在這幾個(gè)轉(zhuǎn)型中，第一種情況就是要把原來(lái)成套引進(jìn)產(chǎn)線改為能夠自適應(yīng)新生產(chǎn)的柔性模式，并對(duì)其進(jìn)行改造，第二種情況則是對(duì)后道進(jìn)行機(jī)器人、輸送技術(shù)的連線（生產(chǎn)物流）來(lái)提升效率，第三種則意味著通過(guò)數(shù)字化來(lái)改變整體公司的管理水平。

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現(xiàn)在的數(shù)字化聚焦

似乎都在外圍打轉(zhuǎn)

但是，新形勢(shì)下我們遇到的問(wèn)題，可能不是數(shù)字化轉(zhuǎn)型能解決的，因?yàn)椋覀冃枰伎家韵聨讉€(gè)問(wèn)題：

① 卡脖子一般都卡在了哪里？仔細(xì)分析問(wèn)題，我們覺(jué)得是芯片被卡脖子了，但是，再仔細(xì)解析問(wèn)題是制造芯片的設(shè)備和材料被卡脖子了，因?yàn)槿绻@些掌握在我們手里，那就沒(méi)有辦法卡芯片這個(gè)最終產(chǎn)品的脖子，因此，所謂的卡脖子—都是在制造設(shè)備這方面的問(wèn)題，而不是具體最終那個(gè)產(chǎn)品的問(wèn)題。

就像半導(dǎo)體行業(yè)，如果你有設(shè)備-那么就可以生產(chǎn)-這個(gè)時(shí)候，我們說(shuō)通過(guò)數(shù)字化來(lái)提升效率，確保良品率是有意義的，但是，現(xiàn)在設(shè)備就不在我們這里，如果不賣(mài)給我們?cè)O(shè)備和材料，那就無(wú)法生產(chǎn)，而如果掌握設(shè)備，才能在這個(gè)基礎(chǔ)上去進(jìn)行數(shù)字化集成。

圖4-半導(dǎo)體工藝制程及關(guān)鍵設(shè)備

② 工藝問(wèn)題能不能繞開(kāi)？-如果解決問(wèn)題都在外圍，邊緣解決問(wèn)題，那么，就不是真正的解決問(wèn)題，而只是延緩了，或者看上去解決了問(wèn)題，而實(shí)際問(wèn)題被繼續(xù)拖延，就像病人診斷錯(cuò)誤，然后給出了錯(cuò)誤的治療方案。裝備的工藝才是關(guān)鍵，這些問(wèn)題不解決，還是只能大量進(jìn)口設(shè)備、采購(gòu)材料，最終產(chǎn)品的高額利潤(rùn)仍然是不在你的手里，生產(chǎn)是可以生產(chǎn)的，但是，賺錢(qián)都不是你的—這并沒(méi)有改變數(shù)十年來(lái)的格局啊！因此，工藝技術(shù)掌握在自己手里還是必要的。這個(gè)路不能避開(kāi)。

③ 為什么掌握設(shè)備工藝才能真正完成轉(zhuǎn)型？

（1）因?yàn)閿?shù)據(jù)在設(shè)備上，而如果人家不給你開(kāi)放，你也拿不到數(shù)據(jù)，如何數(shù)字化轉(zhuǎn)型？很多搞數(shù)字化的都談到這個(gè)話題。一個(gè)討論的維度是這些設(shè)備是進(jìn)口的，他們并未開(kāi)放所需的數(shù)據(jù)，而缺乏必要的數(shù)據(jù)，那么你的采集、分析和應(yīng)用就殘缺不全。第二個(gè)維度是由IT廠商主導(dǎo)數(shù)字化，可能缺乏由原有的設(shè)備控制系統(tǒng)提供商來(lái)進(jìn)行的便利，畢竟數(shù)據(jù)可以在內(nèi)存里直接訪問(wèn)這件事情可能對(duì)于IT廠商還是缺乏條件的。

（2）優(yōu)化的結(jié)果也要設(shè)備執(zhí)行，可是設(shè)備卻沒(méi)有執(zhí)行能力怎么辦？現(xiàn)在數(shù)字化在制造現(xiàn)場(chǎng)遇到的很多問(wèn)題就是下行數(shù)據(jù)下發(fā)的問(wèn)題--這同樣是一個(gè)普遍的問(wèn)題。在印刷廠，數(shù)字化系統(tǒng)如ERP/MES都不能被有效的下發(fā)，那就無(wú)法完成自主執(zhí)行—這個(gè)問(wèn)題怎么解決？那數(shù)字化轉(zhuǎn)型的意義又在哪里？在很多領(lǐng)域都是IT和OT事實(shí)上兩張皮，并不能真正做到“自主決策并自主執(zhí)行”--在表面上看，似乎實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但在本質(zhì)意義上卻并未真正融合。

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歸根結(jié)底

要解決設(shè)備的數(shù)字化轉(zhuǎn)型

綜合上面所述，結(jié)論就是要真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，必須在工藝設(shè)備上下功夫，就像大飛機(jī)，肯定不能否認(rèn)把各個(gè)零部件組裝起來(lái)這個(gè)“工程”本身的難度—因?yàn)?，集成的過(guò)程本身就是一種工程創(chuàng)新。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)、航電、液壓系統(tǒng)這些關(guān)鍵零部件還是別人的。但是，零部件如發(fā)動(dòng)機(jī)，它本身也是一個(gè)集成過(guò)程啊！因此，設(shè)備本身的工程集成也是技術(shù)含量不低的工作。

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裝備的數(shù)字化

包含哪些方面的工作？

       裝備這個(gè)行業(yè)長(zhǎng)期被大家忽視，郭老師之前在一次在線會(huì)議及他的文章中都提到非常重要的觀點(diǎn)，高科技最終是要完成高品質(zhì)的產(chǎn)品，因此，我和郭老師回復(fù)，是這樣的，并非什么芯片就是高科技—如果這個(gè)芯片只是90nm制程，在目前也算不上高科技。或者高鐵、船舶就是高端制造業(yè)—高端不高端不是由行業(yè)決定的，而是由在這個(gè)行業(yè)里它的橫向比較來(lái)評(píng)價(jià)的，就像你不能認(rèn)為伺服電機(jī)就是高端的，而是動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、穩(wěn)定性有一個(gè)衡量指標(biāo)才能被稱(chēng)為高端的，因?yàn)楫惒诫姍C(jī)、步進(jìn)電機(jī)也有做的非常高端的。

     如果我們這些基本的常識(shí)性問(wèn)題都尚未厘清，那么，我們對(duì)制造業(yè)的認(rèn)知就是偏差很大的。所謂失之毫厘謬以千里。

裝備的數(shù)字化其實(shí)包含了幾個(gè)方面：

① 裝備的數(shù)字化設(shè)計(jì)

      這里就必須提到工業(yè)軟件的問(wèn)題，CAD/CAE這些軟件都很貴嗎？這就是個(gè)認(rèn)知問(wèn)題，記得好幾年前，我和L老師談到建模仿真的重要性，以及我們?cè)诤芏囗?xiàng)目中通過(guò)這種建模仿真如何降低研發(fā)成本。L老師問(wèn)了我一個(gè)拷問(wèn)靈魂的問(wèn)題“你說(shuō)建模仿真這么好，為什么國(guó)內(nèi)很多都不大用呢？”—我倒也在那一瞬間想明白了，建模仿真軟件主要解決在測(cè)試驗(yàn)證環(huán)節(jié)的成本節(jié)省問(wèn)題，因?yàn)槲锢淼臏y(cè)試驗(yàn)證代價(jià)非常高，像風(fēng)動(dòng)測(cè)試、材料的測(cè)試等。那一瞬間想明白了，因?yàn)槲覀兊难b備是復(fù)制那些已經(jīng)被歐美廠商驗(yàn)證過(guò)的機(jī)械與控制系統(tǒng)。因此，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)需測(cè)試驗(yàn)證的問(wèn)題-這個(gè)時(shí)候，CAD/CAE/仿真軟件的價(jià)值就發(fā)揮不出來(lái)，而僅僅是用于繪圖，那么，你一定會(huì)覺(jué)得這個(gè)軟件很昂貴—但是，如果你真正是自主研發(fā)的創(chuàng)新裝備，這些軟件會(huì)大量節(jié)省你的成本，甚至可能那個(gè)軟件的成本無(wú)非是幾次材料測(cè)試的成本。

圖6-建模仿真的優(yōu)點(diǎn)

       數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，它主要是通過(guò)知識(shí)復(fù)用—其實(shí)，是把已有的行業(yè)知識(shí)給封裝了，降低了大家開(kāi)發(fā)的成本。因此，它的核心作用是為了降低成本，所以，在邏輯上，它不會(huì)是一個(gè)高昂的成本，因?yàn)?，如果你自己去做這個(gè)軟件，成本大概比你買(mǎi)要高很多倍。因?yàn)槟惴窒淼氖乔叭舜罅康慕?jīng)驗(yàn)、知識(shí)--如果你知道知識(shí)的價(jià)值，你才會(huì)理解軟件的價(jià)值。

     在很多行業(yè)，機(jī)器本身的參數(shù)都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)獲得的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)國(guó)外為什么要花費(fèi)代價(jià)去做這些建模工作，因?yàn)?，這是一個(gè)長(zhǎng)期可用的問(wèn)題。由于國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)規(guī)模往往比較大，通過(guò)規(guī)模效應(yīng)來(lái)降低成本，這使得即使一次測(cè)試可以長(zhǎng)期生產(chǎn)，那么在測(cè)試過(guò)程中的浪費(fèi)就會(huì)忽略不計(jì)。就像有一次和彈簧機(jī)的用戶(hù)談到為什么不建模仿真做機(jī)器，他說(shuō)這個(gè)需求在國(guó)內(nèi)并不大，因?yàn)閲?guó)內(nèi)有很多產(chǎn)業(yè)集群，他們就只生產(chǎn)某些固定的產(chǎn)品-低壓開(kāi)關(guān)里的彈簧，或者僅生產(chǎn)圓珠筆里的彈簧，機(jī)器并不需要各種產(chǎn)品變化，一次調(diào)校就會(huì)生產(chǎn)很久，甚至一年都是這個(gè)產(chǎn)品。

       但是，歐美他們做這個(gè)因?yàn)槭袌?chǎng)小，客戶(hù)需求千變?nèi)f化，因此，他們必須進(jìn)行適配性工藝建模，以讓機(jī)器能夠生產(chǎn)非常差異化的產(chǎn)品的能力—因此，從需求和實(shí)際行動(dòng)兩個(gè)視角來(lái)看，數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件—這個(gè)最近幾年都在熱議的工業(yè)軟件話題，其背后邏輯就是我們的制造業(yè)需要轉(zhuǎn)型，通過(guò)提供更為個(gè)性化的產(chǎn)品來(lái)贏得市場(chǎng)。通過(guò)創(chuàng)新—需要意識(shí)到，創(chuàng)新是代價(jià)很高的，來(lái)獲得市場(chǎng)，而這個(gè)創(chuàng)新，如何降低成本，需要通過(guò)數(shù)字化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)—關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)，都沒(méi)有必要講了，因?yàn)橛刑嗟娜酥v，但背后的邏輯要梳理清楚。

② 裝備具有的數(shù)字化集成能力

        數(shù)字化轉(zhuǎn)型的意義在于，利用數(shù)字化能力，數(shù)字化能力最大的優(yōu)勢(shì)是“靈活性”，即，企業(yè)的戰(zhàn)略永遠(yuǎn)在于解決企業(yè)如何在VUCA的環(huán)境下勝出，通過(guò)數(shù)字化來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的高效，決策的高效來(lái)快速應(yīng)對(duì)變化，那么，這個(gè)制造工廠也要有能力去執(zhí)行企業(yè)的戰(zhàn)略—如何去在變化中生產(chǎn)客戶(hù)需要的高品質(zhì)產(chǎn)品？

2.1物理建模-提升機(jī)器的生產(chǎn)應(yīng)變能力

       建模就是把各種可能性進(jìn)行建模，形成一個(gè)內(nèi)部的算法，在輸入各種變量（材料特性、規(guī)格等）然后自動(dòng)為其計(jì)算出在邏輯任務(wù)、運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)方面的調(diào)節(jié)，以勝任新的生產(chǎn)變化。

       通過(guò)軟件的配置，形成新的生產(chǎn)任務(wù)，但是，制造業(yè)的這個(gè)軟件與機(jī)器之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，使得這個(gè)需要大量的測(cè)試驗(yàn)證，那么仿真就要解決各種情形下的系統(tǒng)匹配性，是否達(dá)到所需的生產(chǎn)能力。建模也包括兩種主要的方式，機(jī)理和數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)建模

       物理建模是提供顯性知識(shí)，但是，機(jī)器生產(chǎn)中，影響品質(zhì)、成本的還包括很多隱性知識(shí)，需要通過(guò)學(xué)習(xí)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)律的挖掘—這樣可以進(jìn)一步挖掘機(jī)器的潛能。而事實(shí)上，在哲學(xué)意義上來(lái)說(shuō)，世界的本質(zhì)是非線性的，或者我們發(fā)現(xiàn)的世界規(guī)律僅僅是滄海一粟，這也是AI發(fā)展的原因-基于演繹法不怎么創(chuàng)造新的知識(shí)，而歸納法可以，這就是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的力量-但是，我們現(xiàn)在的更多問(wèn)題可能是還沒(méi)有把更為經(jīng)濟(jì)、更為好用的物理建模還沒(méi)有搞清楚，就要去用AI來(lái)解決問(wèn)題，但是，那樣就很容易被物理建模打敗--因?yàn)樗娴母?jīng)濟(jì)。感覺(jué)目前的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，還沒(méi)有到那種需要拼天賦的階段。

2.3數(shù)字化連接

        機(jī)器在數(shù)字化工廠將作為一個(gè)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)源，以及任務(wù)終端執(zhí)行者，因此，它必須與數(shù)字化系統(tǒng)具有交互能力，這個(gè)包括網(wǎng)絡(luò)與通信，為了提高效率，需要對(duì)信息進(jìn)行建?！蕴嵘O(shè)備被集成到產(chǎn)線中的工程便利性，例如OPC UA的各個(gè)行業(yè)信息模型，就提供了信息快速采集、配置的能力。

③ 制造工廠的裝備集成能力-邊緣計(jì)算

       當(dāng)裝備進(jìn)入工廠后，裝備具有了連接能力，且具有下上而下任務(wù)解析執(zhí)行能力，這個(gè)時(shí)候，還有一個(gè)層面的問(wèn)題，需要通過(guò)數(shù)字化來(lái)實(shí)現(xiàn)，即，調(diào)度與協(xié)同問(wèn)題。

在設(shè)備連線后的上一個(gè)層級(jí)，車(chē)間或工廠級(jí)，需要協(xié)同，那么，這就有幾個(gè)問(wèn)題必須解決：

（1）邊緣層架構(gòu)的數(shù)字化應(yīng)用：人們都把任務(wù)聚焦在了MES/ERP這些問(wèn)題，但是，新形勢(shì)下的工廠，要提高效率，仍有很多任務(wù)是跟工藝相關(guān)的，例如，識(shí)別產(chǎn)品問(wèn)題的快速質(zhì)量迭代，邊緣架構(gòu)在于設(shè)置一個(gè)全局量，這個(gè)問(wèn)題無(wú)法在單一設(shè)備解決，除非這個(gè)產(chǎn)線由單一源頭供應(yīng)商提供，但同樣也要構(gòu)建這個(gè)計(jì)算架構(gòu)。

      設(shè)備有些問(wèn)題可以本地解決，但有些問(wèn)題卻要和別人協(xié)作-在協(xié)作層，同樣需要數(shù)字化能力來(lái)對(duì)生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)進(jìn)行快速編排-這個(gè)可以通過(guò)OPC UA的信息協(xié)同和任務(wù)編排進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，例如可以通過(guò)邊緣層的任務(wù)編排軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)軟件具有一定的實(shí)時(shí)性，例如對(duì)缺陷分析，并對(duì)引發(fā)缺陷的多個(gè)機(jī)器進(jìn)行分析推理，以明確是哪個(gè)機(jī)器來(lái)進(jìn)行調(diào)整，那么，這里就會(huì)出現(xiàn)信息被快速獲取，實(shí)時(shí)計(jì)算（不一定是微秒級(jí)），

圖9-數(shù)字化協(xié)作的通信規(guī)約

       其實(shí)，OPC UA核心是解決協(xié)作中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)問(wèn)題，像一個(gè)手機(jī)工廠，包括了注塑、鈑金、電子、包裝、機(jī)器人、物流、視覺(jué)各種連接需求，而傳統(tǒng)在垂直行業(yè)的信息模型如Automation ML、PackML、EUROMAP、MTConnect、AutoID等都需要用統(tǒng)一框架來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，否則，就又遇到大量的工程編程的接口連接問(wèn)題。

（2）人工智能的角色

       在全局調(diào)度這一層，那么智能化相對(duì)來(lái)說(shuō)，比在機(jī)器層面更有價(jià)值，因?yàn)?，機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)于不確定性、模糊型問(wèn)題，但數(shù)據(jù)量大，且不影響實(shí)時(shí)控制方面的任務(wù)還是比較適合的-因?yàn)?，?shí)時(shí)任務(wù)，有時(shí)候不太允許慢慢的數(shù)據(jù)積累的過(guò)程，因?yàn)榇鷥r(jià)高，且不安全等因素需要考慮。總體來(lái)說(shuō)，裝備的數(shù)字化，是一個(gè)必須關(guān)注的方向。

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工業(yè)裝備的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)參考

其實(shí)，就現(xiàn)在的局面來(lái)說(shuō)，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域來(lái)做數(shù)字化轉(zhuǎn)型，其優(yōu)勢(shì)顯著，最重要在于，物理模型、數(shù)據(jù)源、領(lǐng)域知識(shí)是優(yōu)勢(shì)，至于選擇AI工具--這是工具的問(wèn)題，對(duì)于裝備制造商而言，AI是工具，對(duì)AI提供商，AI才是產(chǎn)品，因此，問(wèn)題需要什么樣的工具-很早前曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)“自動(dòng)化是解決問(wèn)題的行業(yè)”，我要知道問(wèn)題，然后選擇工具而已。

以貝加萊為例，工業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的智能應(yīng)用，其實(shí)還是很方便的，只在原有的閉環(huán)控制增加觀測(cè)器，對(duì)整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)成本函數(shù)去約束其過(guò)程收斂到最優(yōu)。

圖10-實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用的軟硬件框架

1.Hypervisor技術(shù)的PC，Hypervisor是一種分割CPU多核處理器的技術(shù)，例如現(xiàn)在的i7處理器為多核處理器，可以讓其中一個(gè)核運(yùn)行Windows/Linux程序，做圖像處理、或者運(yùn)行學(xué)習(xí)程序、數(shù)據(jù)庫(kù)，本身具有256GB的CFast卡來(lái)提供歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，另外幾個(gè)核做RTOS的任務(wù)，包括數(shù)據(jù)采集，和指令下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行。

2.對(duì)于長(zhǎng)周期訓(xùn)練數(shù)據(jù)，或更大的容量需求，則可以通過(guò)OPC UA或MQTT送到邊緣計(jì)算或云端進(jìn)行訓(xùn)練，再下發(fā)到控制計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行執(zhí)行，通過(guò)文件讀取或OPC UA。

3.AI的模型與控制的模型在內(nèi)部融合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算與控制協(xié)同，由于控制系統(tǒng)本身有大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，以及軟件中間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這些都可以在內(nèi)存里被直接讀取，數(shù)據(jù)源最近。而PID調(diào)節(jié)過(guò)程直接進(jìn)行調(diào)節(jié)。