經濟學家威廉·拉佐尼克在《車間的競爭優勢》一書中強調指出：“在價值創造過程中，其核心是通過車間生產將原料轉化為產品——這可以稱為生產性轉化。”

在制造型企業，車間處于非常重要的位置。企業價值最終表現在產品與服務上，而車間是企業中將各種圖紙轉變為產品的主要場所，是決定生產效率與產品質量的重要環節，車間往往也是企業中員工數量最多的組織。因此，在很大程度上，車間強則企業強，車間智則企業智。《中國制造2025》中也明確指出：“推進制造過程智能化，在重點領域試點建設智能工廠/數字化車間。”數字化車間建設是智能制造的重要一環，是制造企業實施智能制造的主戰場，是制造企業走向智能制造的起點。

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數字化車間的建設主線

目前，國內外對數字化車間還沒有標準的定義，筆者基于自己的理解，對數字化車間進行如下描述：

數字化車間是基于生產設備、生產設施等硬件設施，以降本提質增效、快速響應市場為目的，在對工藝設計、生產組織、過程控制等環節優化管理的基礎上，通過數字化、網絡化、智能化等手段，在計算機虛擬環境中，對人、機、料、法、環、測等生產資源與生產過程進行設計、管理、仿真、優化與可視化等工作，以信息數字化及數據流動為主要特征，對生產資源、生產設備、生產設施以及生產過程進行精細、精準、敏捷、高效地管理與控制。數字化車間是智能車間的第一步，也是智能制造的重要基礎。

需要指出的是，此處的“數字化車間”，是企業已經熟悉和常用的基本術語，其中“數字化”的內涵包括但是并不限于數字化本身，而是將數字化、網絡化要素集成為一體并在內涵上有所擴大的“數字化”概念，其基本含義與德國工業4.0中的“Smart（智巧）”相對應，與中國工程院提出“數字化網絡化”的智能制造第二范式相對應。本文以下凡是提及“數字化車間”之處，皆采用該術語內涵。

▲圖1 數字化車間架構圖

很多人認為，大量采購和引入數字化設備是建設好數字化車間的前提。這是一個很大的誤解：數字化設備與數字化車間之間既非必要條件，也非充分條件。即便車間中全是數字化設備，如果沒有實現設備的互聯互通，沒有實現生產過程的數字化管理，數據沒有實現真正的有序流動，也不能稱之為數字化車間。相反，即便車間里的設備不全是數字化設備，但經過“三啞改造”，設備被接入信息化系統，生產過程實現數字化、網絡化與智能化（如智能排產、決策支持分析等），對生產計劃、生產資源、生產進度與產品質量等數據在信息化系統中進行有效管理，并可以根據生產需要進行有序流動，也可算是數字化車間。比如，在服裝加工等勞動密集型企業都可以通過數字化、網絡化改造實現車間的數字化管理。

對于數字化車間建設，我們可以參考德國工業4.0中對“智能工廠”的定義：重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現。前半句“智能化生產系統及過程”，指除了包括智能化的機床、機器人等生產設施以外，還包括對生產過程的智巧化管控，站在信息化的角度，就是智巧化的MES制造執行系統。而后半句：“以及網絡分布式生產設施的實現”，是指將生產所用的生產設備與設施（如機床、熱處理設備、機器人、AGV、測量測試設備等各種數字化設備），進行互聯互通、智巧化的管理，實現信息化系統與物理系統的深度融合。目前很多企業實施的設備物聯網（包括傳統的DNC/MDC功能)是其重要的表現形式。

從中可以看到，數字化車間建設有三條主線，一條是以機床、熱處理設備、機器人、測量測試設備等組成的自動化設備與相關設施，實現生產過程的精確化執行，這是數字化車間的物理基礎。

第二條線是以MES為中心的智巧化管控系統，實現對計劃調度、生產物流、工藝執行、過程質量、設備管理等生產過程各環節及要素的精細化管控，這是典型的賽博系統。

第三條主線是在互聯互通的設備物聯網基礎上，并以之作為橋梁，聯接起賽博空間的MES等信息化系統與機床等物理空間的自動化設備，構建車間級的CPS系統，實現了賽博與物理兩個世界的相互作用、深度融合。

三條主線交匯，實現數據在自動化設備、信息化系統之間按照人的意愿進行有序流動，將整個車間打造成軟硬一體的系統級CPS，最終實現高效、高質、綠色、低成本的生產模式，提升企業競爭力。

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精益思想要貫穿始終

如果說設備、MES、CPS等三條主線是“實線”的話，精益生產則是數字化車間建設的一條“虛線”，要貫穿數字化建設的始終。

1）精益生產，智能制造的重要指導思想

精益生產是管理學史上重要的實踐成果之一，深刻地影響著汽車工業，乃至全球制造業。精益生產基本思想和追求的管理目標，并沒有隨著智能制造的發展而落伍，恰恰相反，精益思想是企業進行智能制造體系構建的重要指導思想之一。

在此，筆者總結出五條可以指導智能制造建設的精益思想原則。

① 關注客戶價值

精益生產強調，流程中所有環節的輸入與輸出都應當用客戶價值這個標尺去衡量。在前端要打通客戶真實需求之間的接口，在企業內部，以客戶需求來定義自己的產品與服務。如果系統不能滿足客戶對高質、高效、低成本、高滿意度的要求，即便是設備或技術非常先進，也不能算是一個成功的智能制造項目。

② 識別并消除浪費

企業在實施智能制造系統之前，應當對流程中各種浪費進行梳理與改善。精益生產中將制造過多過早、庫存、搬運、等待、不必要的作業、不必要的動作以及不良品流竄這七種形式，歸納為七大浪費，這七大浪費是企業生產效率不高、盈利能力不足的根源，需要不斷進行完善與消除。如果這些問題沒解決，就直接實施智能制造，很可能是用系統的方式把浪費固化下來，既喪失了改善的機會，又增加了不必要的投入。

比如，沒有對庫存過多的浪費進行改善，就投入大量財力物力去建設智能化的立體倉庫；沒有對動作浪費進行改善，就引進機器人或機械臂去從事這些本屬于浪費的動作，這些都造成了很大的浪費。

③價值的快速流動

精益生產強調價值流的快速流動，包括物理布局工藝流程化，信息傳遞自動化，以及人、產線設備、倉儲物流之間高效協同化。如果在物理布局上有大量斷點存在，就會給智能制造的排產與調度帶來了更大復雜度。

在系統整體運轉的過程中，盡可能多地消除停滯和等待，需要將人、產線設備、倉儲物流之間的相互協作機制、信息傳遞機制、防錯與糾錯機制，在統一的系統框架內進行設計與建設。

④高度柔性與適應性

精益生產的柔性是指通過快速切換（SMED）的實施與改善，實現產線在生產不同型號、不同配置，甚至是不同種類產品時，可以根據需要進行快速切換。

在小品種多批量、客戶需求千變萬化的今天，智能制造建設也必須要考慮產線柔性與適應性等問題，否則就可能造成大量投資的浪費。

⑤盡善盡美原則

精益生產中標準作業、自工序完結、良品條件創建與維持、質量內建、安燈控制、防錯與糾錯機制、變化點管理、全員生產性維持（TPM）等術語之下，都有一套品質維持的理念、原則與方法，這些原則和方法同樣可以指導智能制造的建設。

比如，上下工序之間，設備與零件部之間都需要建立全數良品的加工條件與標準，當條件發生偏離時，應當向相關人員發出異常提醒，甚至停止生產。如果智能制造系統缺少這樣的機制，自動化程度越高，損失往往越大。

2）智能制造，精益生產的有效使能手段

經過幾十年的發展，精益生產已經成為制造業的重要指導思想。在技術快速進步的今天，智能制造又可以很好地促進精益生產的落地與進一步發展。

傳統精益生產目視管理有很多很有效的手段和方法，比如5S管理、安燈、標準作業三票、可視化看板等方法。這些方法可以直觀地提示發生問題的區域、工位、或是機臺、材料等信息，但是要深究問題的根本原因還需要大量的觀察與分析，當變異的條件發生變化時，會給分析帶來很多困難。

而智能制造以數字化、網絡化、智能化等新技術、新手段就可以較容易地解決這些問題。比如：

識別浪費是精益改善的重要組成部分，除了傳統的精益手法，通過設備物聯網系統采集設備稼動率、待機原因等，能夠準確地識別出設備利用等方面的浪費；通過MES系統對物料、工具等進行精益化庫存管理，可以明顯地減少庫存的浪費；通過APS高級排產優化生產計劃，可以減少人員與設備等待的浪費等等。

實現流的生產、均衡化生產是個不斷改善的過程，但在離散制造車間，生產設備動輒上百臺、工序上千上萬項，如何保證這些工序在不同設備上生產的均衡化、流動化？如果只靠人的經驗很難實現這種生產方式，很容易造成設備忙閑不均，造成工序的等待或停滯。通過APS高級排產以及生產過程協同管理等信息化手段，就可以有效解決這些問題，有助于實現產品“流”的生產及生產的均衡化。

品質改善的目的是確保輸出產品品質一致。但由于生產條件各種變化，比如設備故障、熱處理溫度、刀具磨損等，都可能導致產品質量不穩定。通過設備狀態、工藝參數、刀具磨損等的實時監控，就可以快速發現問題，保證生產過程的受控，有效地提升產品品質。

作為重要的使能手段，智能制造不僅可以有助于精益生產的落地，還可以促進精益生產的進一步發展。

看板(Kanban)是精益生產中傳遞信號與控制生產的工具，分傳送看板和生產看板兩種。傳統的看板大多以卡片、紙張等形式存在，通常以手動方式進行填寫。但在智能制造進程中，這些數據可以通過MES等信息化系統在電子屏等數字化終端上實時顯示，具有更強的實時性與自動性。

知識內建與管理也是精益生產中的重要理念。在精益運行良好的企業，都非常重視對知識的管理與傳承。以前主要是靠師傅言傳身教、標準作業文件與流程制度等傳統方式，存在學習時間長、可復制性差等缺點。通過數字化、網絡化、智能化等智能制造新技術、新手段，可以將知識體現在流程與系統中，隱性知識顯性化，對知識的沉淀、傳承、挖掘、使用都具有重要的促進作用。

目前，大眾所熟知的精益生產管理方法與實現手段總結于上世紀八十年代，帶有明顯的時代特征。但事實上，如果現在重新去研究今天的豐田汽車，就會發現其實現方式已經發生了巨大的改變，體現了自動化、數字化、網絡化、智能化等很多最新技術成果。因此，精益生產的理念與手段也應該隨著智能制造的發展而發展。

3）殊途同歸，精益智能共促企業良性發展

雖然精益生產與智能制造是兩個領域的概念，側重點也不盡相同，精益生產主要是強調了生產過程中的管理理念與實現方法，智能制造更側重技術實現，但兩者是相輔相成的關系。

從生產過程來看，精益生產中的很多理念，如生產布局、節拍、后工序拉動、標準作業等，是實施智能制造的基礎。快速切換、減少浪費、可視化生產、均衡化生產、準時化生產、工序流動化等理念，也是智能制造要實現的過程目標。同樣，智能制造中的設備互聯互通、高級排產、過程協同、資源精益化管控、質量過程管控、大數據分析、可視化、預測性維護等方法與手段，都有助于促進精益生產的落地與提升。

從實現的目標來看，智能制造與精益生產也是殊途同歸，實現敏捷、高效、高質、低成本的生產與服務模式是兩者的共同目標。

為體現精益思想與智能制造之間相輔相成、殊途同歸的關系，筆者從智能制造的視角設計了一個智能制造背景下的精益屋，請見圖2。

該精益屋以自動化設備、信息化系統為基礎，以精益思想為主線，以自働化、智能化（含數字化、網絡化）為新時代的支柱，基于5S、生產布局、標準作業、設備TPM等傳統精益理念，在設備互聯互通、高級計劃排產、大數據分析等數字化、網絡化、智能化手段的支撐下，實現自動化、智能化、精益化三者的深度融合，并通過智能化手段更好地促進生產過程的均衡化、柔性化、準時化以及實現消除浪費與持續改進，從而確保企業的質量、成本、交期，構建一個客戶滿意、員工滿意、社會滿意、充滿活力與競爭力的智能化、精益化企業。

圖2 智能制造背景下的精益屋

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數字化車間實施策略

數字化車間建設是一項復雜的系統工程，數字化車間建設可遵循以下實施策略。

1）統籌規劃，服務戰略

智能制造不是企業的目的，企業真正目的是通過智能制造實現降本提質增效，提升企業競爭力。數字化車間建設也要為這個目的服務，從整體上服務于企業經營戰略。

企業要結合自身實際情況，基于企業戰略進行智能制造的設計。比如，要對企業所處行業、企業規模、產品特點、盈利能力、行業地位、發展趨勢以及企業自身基礎、存在問題、實施目標等，進行深入分析并綜合考慮，這些不同的因素決定了企業不同的實施智能制造方法和路徑。

數字化車間建設不僅僅是一系列新技術或新系統的單純應用，既涉及生產自動化系統，又涉及數字化、網絡化等信息化系統，還要考慮計劃調度、生產工藝、物料配送、精益生產、安全環保等各種因素，是一項影響到車間各個層面，甚至是可以影響到企業層面的綜合性工程，一定要有全局的概念與系統的思維。

北京航天航空大學劉強教授有一個著名的智能制造“三不要理論”，即“不要在落后的工藝基礎上搞自動化，不要在落后的管理基礎上搞信息化，不要在不具備數字化網絡化基礎時搞智能化。”劉強教授強調了在智能制造規劃與建設時，也要注意工藝優化、管理優化等方面工作，而不能只盯著自動化、信息化、智能化。

企業在進行數字化車間建設之前，一定要領導出面并持續關注，在企業戰略目標指導下進行系統規劃，逐步厘清企業存在的問題、建設目標、解決思路和實施步驟，調動企業各方資源，通力合作，避免信息化部門或車間等單一部門孤軍作戰，通過工藝優化、組織優化、流程優化、管理優化等工作，為數字化車間建設提供堅實基礎。

2）聚焦痛點，扎實推進

基于降本提質增效、快速響應市場的目的，從車間存在的實際痛點出發，打造一個能解決實際問題的數字化車間管控系統，在工藝、設備、管理以及信息化、網絡化、智能化等各個方面有重點地進行優化、挖掘潛力，最大程度地提升企業生產效率及管理水平。

首先要聚焦痛點。根據痛點明確要解決的主要問題，比如，是生產效率不高，是產品質量不穩定，還是生產過程不透明等，并以問題為導向，制訂相應的解決方案。

其次，還需要分步實施，扎實推進。數字化車間建設有很多階段，其實施順序取決于存在問題、生產特點、企業基礎及資金投入等多種因素，切忌貪大貪全，可從基礎、較易成功的地方著手。比如，從設備互聯互通做起，因為設備通訊、數據采集這些內容都是客觀因素，不太涉及人員、管理等主觀因素，實施的可控性強，成功率高。項目成功后，大家對信息化建設的信心與熱情就會增加，就會主動要求更多的改進與功能擴展。

這時，再在前面成功實施的基礎上，逐漸推進到MES等涉及人員、管理等信息化系統，由于這些系統需要部分變更人員工作習慣及車間生產管理模式，主觀成分較大，甚至會觸動一些人的利益，實施的難度相對較大，可放在設備互聯互通等步驟之后，這也是一種較為務實的做法。當然，基礎好、推進力度大的企業，也可采取同步實施的方式。

3）以人為本，管理取勝

如前所述，本次智能制造不是“機器換人”的過程，而是以自動化、數字化、網絡化、智能化等新理念、新技術手段，幫助人類實現更高效、更高質、更綠色、更低成本的生產與服務。在智能制造時代，人變得更加重要，而不是相反。無論是機器人等設備，還是MES等信息化系統，都要基于幫助人、服務于人這個出發點，而不是簡單地替代人、減少人。另外，無論多么先進的系統，如果不把人的積極性調動起來，系統就不能發揮最大價值，智能制造就不可能取得成功。

在數字化車間建設中，要以人為本，以更好地發揮人的價值為基本出發點。另外，還要充分意識到數字化車間建設的主體與應用對象不同。不像PLM等系統用戶基本上都是年輕的技術人員，數字化車間的主要用戶是人數眾多、文化水平偏低，甚至年齡偏大的車間工人，要充分考慮系統的易用性、便捷性、安全性、環保性等特點，以精益生產為指導思想，以使用者為中心，在流程優化、工藝優化等基礎上，以自動化、數字化、網絡化、智能化為手段，以降本提質增效為目標，以管理優化為突破口，通過數字化車間的建設實現精益化、智能化、高效化的生產模式，為企業智能化轉型升級在車間層面奠定堅實的基礎。

4）效益驅動，落地為王

在數字化車間建設中，既要符合智能制造的理念，有一定的先進性、前瞻性，又要本著務實落地原則。要汲取當年CIMS的經驗與教訓，不要過于理想化，不要過多強調自感知、自決策、自執行、自組織、自學習等所謂高大上技術，企業不是研究機構，應該以創造效益為根本目的。

根據“二八原則”，解決80％的問題，通常只會耗費20％的成本，而剩下的20％卻需要高昂的成本。以前，產品更新換代慢，往往很多年都在重復生產同一款產品，而現在市場變化快速，為了適應日新月異的市場變化和個性化需求，即將建設的系統很可能過幾年就需要更新和調整。系統滿足當前需求并有一定的前瞻性即可，不要過分復雜、不要過于強調先進性，否則，沉重的投資會給企業帶來很大的經濟負擔。

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數字化車間實施效果

通過成功實施數字化車間系統，企業在車間管理方面將會有質的提升，為企業智能化轉型升級奠定良好的基礎。

1)設備互聯，“啞設備”聰明起來

通過設備的互聯互通，將車間的數控機床、熱處理設備、機器人等數字化設備實現程序網絡通訊、數據遠程采集、程序集中管理、大數據分析、可視化展現、智能化決策支持，將設備由以前的單機工作模式，升級為數字化、網絡化、智能化的管理模式。

2)協同生產，讓設備高效地運轉

通過系統中的計劃、排產、派工、物料、質量、決策等模塊，以信息化系統為手段，實現各種信息的共享與協同，做到車間層面精準化計劃、精益化生產、可視化展現、精細化管理，將以前串行生產轉變為并行的協同生產模式，實現“一個流”的生產，工件轉移到設備前，加工程序等技術文檔、工裝夾具等生產資源已經全部準備就緒，大大減少設備的各種等待時間，可明顯提升設備生產效率，降低生產成本，提高客戶滿意度。

3)虛實融合，數據在流動中增值

改變傳統的制造模式，做到虛擬世界與物理世界深度融合，虛實精準映射、相互促進。車間各崗位、各設備都融于整個信息化系統，以數據有序流動為特征，以高效高質生產為核心，人、機、料、法、環、測各環節相互融合，基于數字化、網絡化、智能化的管理系統，使管理者能做到“看得見，說得清，做得對”，實現了生產過程的“Smart”，即敏捷、高效、高質、低成本、綠色、協同的智巧化生產與服務模式。

4) 智能制造，降本提質增效是標尺

通過數字化車間建設，對車間進行全面的科學管控，大幅度提升車間計劃科學性、生產過程協同性、生產設備與信息化系統的深度融合度，并在大數據分析與決策支持的基礎上進行透明化、量化管理，可對企業生產效率、產品質量、生產成本等方面有明顯改善。

以下是數字化車間系統實施后的統計結果：

制造信息量提高15-60%

生產效率提高10-30%

計劃質量提高25-70%

生產透明度20-70%

經濟效益提高10-25%

生產靈活性提高15-60%

生產周期降低15-40%

外協費用降低5-15%

生產準備成本降低15-40%

處理緊急事故的成本降低20-60%

生產管理成本減少15-25%

生產計劃成本降低10-30%

產品準時交貨率提高15-40%

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數字化車間系統選型原則

目前市場上號稱能做數字化車間或MES系統的公司有很多，良莠不齊。企業在系統選型時應從以下幾個方面進行考慮：

1）完整性。很多系統只是停留在生產、庫房、質量等部分模塊上，不能夠對車間進行全方位的管理，這類系統不能稱之為真正意義上的數字化車間或MES系統。

2）先進性。制造企業需要的是一套理念及技術先進的系統，高級排產、數據自動采集、協同制造等都是數字化車間的核心功能，雖有很大的技術難度，但只有真正突破這些技術瓶頸，才能支撐起智能制造的發展需要，才能最大程度地發揮車間的生產潛能，而不僅僅滿足于臺賬的電子化或者簡單的看板管理。

3）成熟性。系統應該是有行業成功案例的成熟產品，并具有良好的靈活性和擴展性。最好是平臺化產品，便于根據企業實際情況進行快速定制開發與系統部署，減少企業的實施風險。

4）專業性。數字化車間系統具有非常明顯的行業背景，除了分為流程、離散兩個大類之外，即便是同為離散行業，也分機械加工、電子組裝、服裝加工等很多類型的行業。用戶要根據自己的行業特點、具體需求來選擇專業的系統。比如，有的系統即便在太陽能領域很成功，但可能沒做過軍工行業，甚至機械加工都沒做過，面對多品種、小批量的軍工等行業，這類系統就很難成功。

5）技術團隊。數字化車間系統需要專業團隊進行二次開發與實施，需要周到、及時、專業的服務，制造企業需要對供應商進行公司實力、服務能力、典型客戶等多方面的考察，確保項目的成功率及將來可持續性的服務。

6）選型人員組成要合理。最好采用“IT為主導，用戶為主體”的方式，IT部門組織交流、調研等活動，并從IT技術方面進行把關；而精通生產管理的使用部門則從功能上、使用方便性等方面進行確認，相互配合，共同完成選型工作。否則，縱然是IT部精挑細選回來的軟件，使用部門感覺不好用，不愿意配合使用，這樣的系統，即便是架構再好，集成性再好，最終還是避免不了失敗的結局。

7）易用性。系統使用界面友好，操作簡單，易學易用，確保車間工人能掌握。

8）性價比高。在滿足使用要求前提下，還要做到價格合理、功能實用，降低企業購置成本。

總之，數字化車間建設要以實際需求為牽引，以經濟效益為驅動，以成功落地為導向。在先進設備的基礎上，在管理方面深挖潛力，充分發揮人的作用，構建數字化、網絡化和適度智能的生產模式，切實做到明顯的“降本提質增效”。并以量化數據為基礎，循序漸進，有效地提升企業的競爭力。比如通過三年時間，能將設備利用率提高一倍，將產品合格率提升一個檔次，就極有可能“確保企業的未來”，這才是比較務實的數字化車間建設原則。