'製造業數字化轉型的實戰路線圖'
轉載本文需註明出處：微信公眾號EAWorld，違者必究。
中國在2015年發佈製造強國戰略第一個十年的行動綱領《中國製造2025》，這是中國部署全面推進實施製造強國的戰略文件。
按照《中國製造2025》的戰略，中國正加快推動新一代信息技術和製造技術融合，核心是智能製造，重點發展智能裝備和智能產品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平。
從業務和技術層面看，製造業數字化轉型的內涵是實現整個製造業價值鏈的智能化，貫穿研發、工藝規劃、生產製造、採購、倉儲、營銷、服務等各個環節，在產品的設計、製造、使用的生命週期中，實現產品的持續創新，通過將軟件以雲服務的方式提供，實現應用軟件隨需而變，通過應需設計，實現個性化設計，通過數字設計與製造一體化，實現定製化生產，通過融入智能感知設備，實現產品性能持續改進。即：
IT基礎設施服務：基於智能傳感器、邊緣計算建設智能感知系統，基於虛擬化、雲計算技術構建it基礎設施服務；
個性化設計：通過互聯網獲取用戶個性化需求，通過靈活柔性組織設計、製造資源和生產流程，實現低成本大規模定製；
智能化生產：實現從單個機器到產線、車間乃至整個工廠的智能決策和動態優化，顯著提升全流程生產效率、提高質量，降低成本；
服務化轉型：通過對產品運行的實時監測，提供遠程維護、故障預測、性能優化等服務，推動產品的設計優化，實現企業的服務化轉型；
數字化管理：通過設計、生產、售後環節的資源共享，實現業務協作、工作協同等為主線的協作平臺，並實現製造業務的全流程監控和管理。
我們按照上面的總體目標，沿著設計、製造的核心流程，深入探討製造業數字化轉型的路線圖。
1.如何構建制造業數字化轉型的IT基礎設施？
製造業數字化轉型的前提是通過智能傳感器、邊緣計算等，構建感知系統，捕獲感知工廠底層數據：
基於工業互聯網，實現車間設備、產線、工廠、產業鏈的互聯互通，實現互聯工廠；
基於物聯網技術，實現物理世界數字化標識、提升數控設備及數字化工藝的 比率；實現設備、流程、工藝、人員的數字化。
而後，製造業數字化轉型需要強健的IT基礎設施支撐，包括彈性的IaaS雲計算平臺、三維設計SaaS雲計算平臺等。
如何構建彈性的IaaS雲計算平臺？
首先，採用服務器、網絡、存儲虛擬化技術，構建底層的計算資源池、網絡資源池和存儲資源池，然後，通過雲資源管理平臺將池化的資源以服務化的方式向外提供。
最佳實踐是，服務器虛擬化架構可以採用ESXi、Hypervisor或者KVM，存儲虛擬化架構可以採用集中式存儲或者分佈式存儲，網絡虛擬化架構可以採用SDN，雲資源管理平臺可以採用vCloud、Axure或者Openstack，實現自動化、一站式的IT基礎設施服務交付。
最佳實踐的另一種場景是，以雲計算平臺為基礎，採用docker構建容器雲，快速向用戶交付基礎設施服務。
如何構建三維設計SaaS雲計算平臺？
三維設計SaaS平臺支撐個性化設計等業務場景，它的核心目標是將三維設計軟件在圖形加速系統的輔助下以服務的方式提供給設計人員使用，關鍵技術是共享高性能GPU、三維圖形加速和遠程虛擬桌面。
技術實現原理是，三維圖形加速軟件通過對OpenGL圖形庫的重新封裝，實現本地用戶調用遠程GPU資源，多個用戶同時共享GPU資源，配合遠程虛擬桌面，設計人員共享使用三維設計軟件，提高設計協同能力，設計部門可進行協同研發同一產品，解決了地理跨度的難題。
技術實現過程是，三維設計軟件的應用主機接收客戶端發來的請求，進行高性能的數據計算，生成2D圖形，三維圖形加速軟件所在的渲染主機利用本地的圖形處理卡對命令進行3D數據計算和渲染服務，完成3D渲染任務，渲染主機得到的最終圖形通過遠程虛擬桌面傳輸到客戶端。
最佳實踐是， 服務端採用高性能圖形工作站作為計算資源，DCV三維圖形加速軟件提供專業的3D數據計算和渲染服務，Inventor、Alias等三維設計軟件進行高性能的數據計算，遠程虛擬桌面可以採用realvnc，客戶端通過瀏覽器、DCV endstation、RealVNC client訪問SaaS平臺，獲取DCV渲染的3D圖形結果。
另一種場景是，採用Autodesk公司的Fusion雲計算平臺構建三維設計雲計算服務。
2.如何進行個性化設計和智能製造？
個性化設計和智能製造要求在概念階段，充分考慮個性化需求，以用戶體驗為中心，重塑企業的設計、製造模式，精準行動，敏捷運營，生態協同與組織賦能，將工業自動化和信息化高度整合，即整合網絡信息和物理系統，構建基於資源、信息、物品、人相關聯的信息物理系統（CPS，Cyber-Physical system）。
業務模式是在設計信息、生產信息、用戶使用及反饋信息高度智能化集成的基礎上，通過智能化方式產生需求，設計師基於基礎設計數據進行智能化的用戶參與式設計，然後，將設計直接轉變為生產信息並執行，完成智能化的柔性生產。緊接著，為用戶提供產品的浸入式體驗進行營銷，最終通過智能互聯的智能產品為用戶提供產品即服務式的後服務，完成產品的完整生命週期。
那麼如何進行個性化設計呢？
個性化設計的業務過程是，設計師根據訂單進行數據建模、設計，通過仿真模擬或者3D打印，以真實的觸摸和感覺獲得反饋對設計進行驗證，開發和改進產品創意，自由地進行設計迭代。這個過程中需要貫徹標準化、系列化、模塊化的思想，以支持大批量客戶定製或產品個性化定製。
技術實現過程呢？
首先，企業需要使用面向研發設計服務的SaaS雲計算平臺，通過平臺提供的CAD設計、CAE仿真及CAM工藝設計、Inventor、Alias等整套設計流程的軟件服務，同時利用PDM、PLM管理研發設計過程，基於正向產品研發，進行產品的概念設計，建立產品的三維數字化模型；
然後，產品的全三維數字化模型貫穿產品的設計、製造環節，建立虛擬數字化樣機，深入應用虛擬仿真、拓撲優化技術；從生命週期的維度將各個環節的信息進行集成，如三維模型為工藝設計、製造過程所利用，PLM、ERP、MES、WMS等系統實現無縫對接。
個性化設計最佳實踐的一種場景是，應用分析工具，根據零部件的承載進行應力分析和拓撲優化，通過拓撲優化來確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，並在滿足功能和性能要求的基礎上，從多種結構優化的方案中找到功能和性能要求相同但重量更輕的結構，從而實現輕量化的創新設計。然後，再利用3D打印將這些複雜結構製造出來，從而實現整個創新過程。
3D打印的最佳實踐是，通過FDM、PolyJet、立體光固化成型、激光燒結、金屬粉末層熔融等技術路徑，採用工程塑料、高性能塑料、光敏樹脂、金屬（鈦、鈷）等材料進行產品模型打印。
然後，如何智能化生產？
製造企業基於產品設計，結合工廠三維設計及物流仿真工具，系統地規劃整條生產線上工業機器人的工作路徑和工作節拍，驅動智能工業機器人進行柔性製造。
業務過程是，產品設計被傳輸到備料部門後，由備料部門對產品所需材料進行備料，並將材料加載至智能生產線，生產線上的智能機器人訪問網絡信息和數據，自主切換生產方式和更換生產材料，在智能生產線上實現個性化定製的工藝傳遞，機器人根據產品設計和工藝要求進行智能裝配，完成生產。
3.如何服務化轉型？
服務化轉型包含兩個部分，一是通過物聯網、大數據、雲計算、人工智能等新一代技術將企業服務由設備生產銷售向設備維護和診斷等服務轉移，實現企業商業流程和商業模式的轉變，幫助用戶“用好設備、管好設備”，提高設備利用效率、降低企業管理成本；二是開展智慧營銷，為消費者體驗設計完整的流程，通過數據的智能化採集、挖掘和分析，構建具有認知性的數字化體系。
依賴物聯網、雲計算技術的發展，通過在產品上安裝傳感器，收集產品運行數據，對產品進行性能、質量實時監控，工程技術人員將更加充分了解當前產品的運行狀況，從而對預防性維護等服務進行分層，將其作為額外的服務提供給客戶，過渡到真正的產品即服務。
智慧營銷的最佳實踐是，基於數據的洞察與分析，實現對核心客戶群體人員數量、消費頻次、消費頻率的精準統計，為消費者提供個性化和智能化的服務，拓展進店營銷等前沿應用，通過數據分析、人工智能等數字化技術打造營銷推廣系統。
4.如何數字化管理？
製造企業數字化管理的內涵是建立生產管控系統和運營管理系統，實現設計協同、計劃協同、供應協同和工廠協同，智能排產和智能調度。
數字化管理的技術內涵是應用信息化系統，根據業務需求和策略，進行生產過程鏈全生命週期管理等內容，實現製造企業的設計、排產、生產、銷售、服務等管理活動。
技術實現是，整合生產環節各類製造資源、支持用戶在線開展生產計劃及任務管理，根據設計文件、設備信息，進行生產派工；管理生產訂單、採購物料、物料及零部件出入庫、質量報表等；生產過程中，設備情況、加工進度可在線查看，並通過在線質量管理，保證最終產品符合要求；實現生產至銷售各環節的管理，幫助企業從雲端獲得標準業務流程管理規範，提升業務實踐能力。
最佳實踐是，建設生產管控系統和運營管理系統，包括ERP、製造企業生產過程執行系統（MES）、進階生產規劃及排程系統（APS）、主數據管理（MDM）、人力資產管理系統（HCM）、客戶關係管理系統（CRM）、企業資產管理系統（EAM）、供應商關係管理系統（SRM）、業務流程管理系統（BPM）等系統，滿足企業生產製造過程中的資源管理、生產執行管理、資源數據採集管理等主要需求，實現生產執行過程的管理、生產資源保障以及生產過程中的設備、人、物的管理。
總體而言，製造業數字化轉型是一個完美的閉環，包括智能感知、智慧決策、智能生產、智能服務、智慧分析（事後）、深度學習等過程。
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中國在2015年發佈製造強國戰略第一個十年的行動綱領《中國製造2025》，這是中國部署全面推進實施製造強國的戰略文件。
按照《中國製造2025》的戰略，中國正加快推動新一代信息技術和製造技術融合，核心是智能製造，重點發展智能裝備和智能產品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平。
從業務和技術層面看，製造業數字化轉型的內涵是實現整個製造業價值鏈的智能化，貫穿研發、工藝規劃、生產製造、採購、倉儲、營銷、服務等各個環節，在產品的設計、製造、使用的生命週期中，實現產品的持續創新，通過將軟件以雲服務的方式提供，實現應用軟件隨需而變，通過應需設計，實現個性化設計，通過數字設計與製造一體化，實現定製化生產，通過融入智能感知設備，實現產品性能持續改進。即：
IT基礎設施服務：基於智能傳感器、邊緣計算建設智能感知系統，基於虛擬化、雲計算技術構建it基礎設施服務；
個性化設計：通過互聯網獲取用戶個性化需求，通過靈活柔性組織設計、製造資源和生產流程，實現低成本大規模定製；
智能化生產：實現從單個機器到產線、車間乃至整個工廠的智能決策和動態優化，顯著提升全流程生產效率、提高質量，降低成本；
服務化轉型：通過對產品運行的實時監測，提供遠程維護、故障預測、性能優化等服務，推動產品的設計優化，實現企業的服務化轉型；
數字化管理：通過設計、生產、售後環節的資源共享，實現業務協作、工作協同等為主線的協作平臺，並實現製造業務的全流程監控和管理。
我們按照上面的總體目標，沿著設計、製造的核心流程，深入探討製造業數字化轉型的路線圖。
1.如何構建制造業數字化轉型的IT基礎設施？
製造業數字化轉型的前提是通過智能傳感器、邊緣計算等，構建感知系統，捕獲感知工廠底層數據：
基於工業互聯網，實現車間設備、產線、工廠、產業鏈的互聯互通，實現互聯工廠；
基於物聯網技術，實現物理世界數字化標識、提升數控設備及數字化工藝的 比率；實現設備、流程、工藝、人員的數字化。
而後，製造業數字化轉型需要強健的IT基礎設施支撐，包括彈性的IaaS雲計算平臺、三維設計SaaS雲計算平臺等。
如何構建彈性的IaaS雲計算平臺？
首先，採用服務器、網絡、存儲虛擬化技術，構建底層的計算資源池、網絡資源池和存儲資源池，然後，通過雲資源管理平臺將池化的資源以服務化的方式向外提供。
最佳實踐是，服務器虛擬化架構可以採用ESXi、Hypervisor或者KVM，存儲虛擬化架構可以採用集中式存儲或者分佈式存儲，網絡虛擬化架構可以採用SDN，雲資源管理平臺可以採用vCloud、Axure或者Openstack，實現自動化、一站式的IT基礎設施服務交付。
最佳實踐的另一種場景是，以雲計算平臺為基礎，採用docker構建容器雲，快速向用戶交付基礎設施服務。
如何構建三維設計SaaS雲計算平臺？
三維設計SaaS平臺支撐個性化設計等業務場景，它的核心目標是將三維設計軟件在圖形加速系統的輔助下以服務的方式提供給設計人員使用，關鍵技術是共享高性能GPU、三維圖形加速和遠程虛擬桌面。
技術實現原理是，三維圖形加速軟件通過對OpenGL圖形庫的重新封裝，實現本地用戶調用遠程GPU資源，多個用戶同時共享GPU資源，配合遠程虛擬桌面，設計人員共享使用三維設計軟件，提高設計協同能力，設計部門可進行協同研發同一產品，解決了地理跨度的難題。
技術實現過程是，三維設計軟件的應用主機接收客戶端發來的請求，進行高性能的數據計算，生成2D圖形，三維圖形加速軟件所在的渲染主機利用本地的圖形處理卡對命令進行3D數據計算和渲染服務，完成3D渲染任務，渲染主機得到的最終圖形通過遠程虛擬桌面傳輸到客戶端。
最佳實踐是， 服務端採用高性能圖形工作站作為計算資源，DCV三維圖形加速軟件提供專業的3D數據計算和渲染服務，Inventor、Alias等三維設計軟件進行高性能的數據計算，遠程虛擬桌面可以採用realvnc，客戶端通過瀏覽器、DCV endstation、RealVNC client訪問SaaS平臺，獲取DCV渲染的3D圖形結果。
另一種場景是，採用Autodesk公司的Fusion雲計算平臺構建三維設計雲計算服務。
2.如何進行個性化設計和智能製造？
個性化設計和智能製造要求在概念階段，充分考慮個性化需求，以用戶體驗為中心，重塑企業的設計、製造模式，精準行動，敏捷運營，生態協同與組織賦能，將工業自動化和信息化高度整合，即整合網絡信息和物理系統，構建基於資源、信息、物品、人相關聯的信息物理系統（CPS，Cyber-Physical system）。
業務模式是在設計信息、生產信息、用戶使用及反饋信息高度智能化集成的基礎上，通過智能化方式產生需求，設計師基於基礎設計數據進行智能化的用戶參與式設計，然後，將設計直接轉變為生產信息並執行，完成智能化的柔性生產。緊接著，為用戶提供產品的浸入式體驗進行營銷，最終通過智能互聯的智能產品為用戶提供產品即服務式的後服務，完成產品的完整生命週期。
那麼如何進行個性化設計呢？
個性化設計的業務過程是，設計師根據訂單進行數據建模、設計，通過仿真模擬或者3D打印，以真實的觸摸和感覺獲得反饋對設計進行驗證，開發和改進產品創意，自由地進行設計迭代。這個過程中需要貫徹標準化、系列化、模塊化的思想，以支持大批量客戶定製或產品個性化定製。
技術實現過程呢？
首先，企業需要使用面向研發設計服務的SaaS雲計算平臺，通過平臺提供的CAD設計、CAE仿真及CAM工藝設計、Inventor、Alias等整套設計流程的軟件服務，同時利用PDM、PLM管理研發設計過程，基於正向產品研發，進行產品的概念設計，建立產品的三維數字化模型；
然後，產品的全三維數字化模型貫穿產品的設計、製造環節，建立虛擬數字化樣機，深入應用虛擬仿真、拓撲優化技術；從生命週期的維度將各個環節的信息進行集成，如三維模型為工藝設計、製造過程所利用，PLM、ERP、MES、WMS等系統實現無縫對接。
個性化設計最佳實踐的一種場景是，應用分析工具，根據零部件的承載進行應力分析和拓撲優化，通過拓撲優化來確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，並在滿足功能和性能要求的基礎上，從多種結構優化的方案中找到功能和性能要求相同但重量更輕的結構，從而實現輕量化的創新設計。然後，再利用3D打印將這些複雜結構製造出來，從而實現整個創新過程。
3D打印的最佳實踐是，通過FDM、PolyJet、立體光固化成型、激光燒結、金屬粉末層熔融等技術路徑，採用工程塑料、高性能塑料、光敏樹脂、金屬（鈦、鈷）等材料進行產品模型打印。
然後，如何智能化生產？
製造企業基於產品設計，結合工廠三維設計及物流仿真工具，系統地規劃整條生產線上工業機器人的工作路徑和工作節拍，驅動智能工業機器人進行柔性製造。
業務過程是，產品設計被傳輸到備料部門後，由備料部門對產品所需材料進行備料，並將材料加載至智能生產線，生產線上的智能機器人訪問網絡信息和數據，自主切換生產方式和更換生產材料，在智能生產線上實現個性化定製的工藝傳遞，機器人根據產品設計和工藝要求進行智能裝配，完成生產。
3.如何服務化轉型？
服務化轉型包含兩個部分，一是通過物聯網、大數據、雲計算、人工智能等新一代技術將企業服務由設備生產銷售向設備維護和診斷等服務轉移，實現企業商業流程和商業模式的轉變，幫助用戶“用好設備、管好設備”，提高設備利用效率、降低企業管理成本；二是開展智慧營銷，為消費者體驗設計完整的流程，通過數據的智能化採集、挖掘和分析，構建具有認知性的數字化體系。
依賴物聯網、雲計算技術的發展，通過在產品上安裝傳感器，收集產品運行數據，對產品進行性能、質量實時監控，工程技術人員將更加充分了解當前產品的運行狀況，從而對預防性維護等服務進行分層，將其作為額外的服務提供給客戶，過渡到真正的產品即服務。
智慧營銷的最佳實踐是，基於數據的洞察與分析，實現對核心客戶群體人員數量、消費頻次、消費頻率的精準統計，為消費者提供個性化和智能化的服務，拓展進店營銷等前沿應用，通過數據分析、人工智能等數字化技術打造營銷推廣系統。
4.如何數字化管理？
製造企業數字化管理的內涵是建立生產管控系統和運營管理系統，實現設計協同、計劃協同、供應協同和工廠協同，智能排產和智能調度。
數字化管理的技術內涵是應用信息化系統，根據業務需求和策略，進行生產過程鏈全生命週期管理等內容，實現製造企業的設計、排產、生產、銷售、服務等管理活動。
技術實現是，整合生產環節各類製造資源、支持用戶在線開展生產計劃及任務管理，根據設計文件、設備信息，進行生產派工；管理生產訂單、採購物料、物料及零部件出入庫、質量報表等；生產過程中，設備情況、加工進度可在線查看，並通過在線質量管理，保證最終產品符合要求；實現生產至銷售各環節的管理，幫助企業從雲端獲得標準業務流程管理規範，提升業務實踐能力。
最佳實踐是，建設生產管控系統和運營管理系統，包括ERP、製造企業生產過程執行系統（MES）、進階生產規劃及排程系統（APS）、主數據管理（MDM）、人力資產管理系統（HCM）、客戶關係管理系統（CRM）、企業資產管理系統（EAM）、供應商關係管理系統（SRM）、業務流程管理系統（BPM）等系統，滿足企業生產製造過程中的資源管理、生產執行管理、資源數據採集管理等主要需求，實現生產執行過程的管理、生產資源保障以及生產過程中的設備、人、物的管理。
總體而言，製造業數字化轉型是一個完美的閉環，包括智能感知、智慧決策、智能生產、智能服務、智慧分析（事後）、深度學習等過程。
關於作者：郭崑山，中國第一代Java程序員，擁有20年IT研發和管理經歷，曾在中科軟事業部任副總經理，曾組織、規劃、設計、研發、落地推廣中國排名前三的Saas石油勘探雲，曾管理一個40人的事業部從年度虧損400萬扭虧至600萬利潤。
關於EAWorld：微服務，DevOps，數據治理，移動架構原創技術分享。