中国制造业企业智能化路径研究报告：挑战与发展趋势

中国智能制造之路——中国制造业企业智能化路径研究报告2019年智能制造的“何为”与“为何”1智能制造系统的构成要素2中国制造业企业智能化路径分析3中国智能制造面临的挑战与发展趋势4第四次工业革命的核心工业强国的制造业战略核心均指向“智能制造”人类的每一次工业革命都会开创一个崭新的时代，随着互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的不断发展，第四次工业革命也已悄然兴起。为了抓住新工业革命的历史机遇，美国、德国、日本等发达国家相继部署制造业发展战略，中国也在2015年推出了“中国制造2025”战略规划。尽管各国“再工业化”战略的规划路径和逻辑不尽相同，但其核心皆是“智能制造”，都将发展智能制造作为本国确立制造业竞争优势的关键举措，并提出了相应的发展路线。来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。美、德、日、中四国制造业发展战略中国制造业规模虽大但基础薄弱，要以“创新驱动、质量为先”为原则，以智能制造为主攻方向，走“2.0”补课、“3.0”普及、“4.0”示范的发展道路，通过“三步走”在较长的时间内逐步实现制造强国的战略目标美国创建了“国家制造业创新网络”，由美国商务部、国防部等部门出资，在全国范围内建立制造业创新中心，旨在构建制造业“产政学研”联合的基础平台并形成创新智能制造生态体系先进制造业国家战略计划中国制造2025“工业4.0”战略德国在汽车工业和自动化工程方面的强大优势的基础上，大力发展和应用信息物理系统（CPS），旨在提升制造业智能化水平，以智能工厂、智能生产、智能物流为三大主题工业价值链计划日本通过建立顶层的框架体系，让不同的企业通过接口链接组成日本制造的联合体王国，充分利用其发达的物联网和机器人技术促进制造业发展“何为”智能制造企业实现生产、管理、服务、产品智能化的全新生产方式“智能制造”这一概念最早由美国学者P.K.Wright和D.A.Bourne在其著作《ManufacturingIntelligence》中出现，他们将智能制造定义为机器人应用制造软件系统技术、集成系统工程以及机器人视觉等技术，实行批量生产的系统性过程。工信部出台的《智能制造发展规划（2016-2020年）》中，将智能制造定义为基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。艾瑞认为，智能制造是通过新一代信息技术、自动化技术、工业软件及现代管理思想在制造企业全领域、全流程的系统应用而产生的一种全新的生产方式。智能制造的应用能够使制造业企业实现生产智能化、管理智能化、服务智能化与产品智能化。智能制造的内涵产品智能化生产智能化管理智能化服务智能化ERP、MES、PLM等管理软件的应用使制造业企业的管理更加准确、更加高效、更加科学通过数控机床、工业机器人等生产设备的应用，融合物联网、大数据等技术，使生产过程可视、透明、可控、高效把传感器、处理器、储存器、通信模块、传输系统融入产品，使产品具备感知、通信能力，可追溯、可识别、可定位以产品智能化为基础，依托产品自身的可感知、可识别属性，拓展后续服务，从生产性制造向生产服务型制造转型来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。智能制造的起源与演变起源：数字化制造成长：网络化制造目标：智能化制造智能制造代表着先进制造技术与信息化的融合，尽管概念提出至今仅30年的时间，但智能制造的起源可以追溯至上世纪中叶，其发展与演进可以大致分为三个阶段：从上世纪中叶到90年代中期的数字化制造，以计算、通讯和控制应用为主要特征；从上世纪九十年代中期发展至今的网络化制造，伴随着互联网的大规模普及应用，先进制造进入了以万物互联为主要特征的网络化阶段；当前，在大数据、云计算、机器视觉等技术突飞猛进的基础上，人工智能逐渐融入制造领域，先进制造开始步入以新一代人工智能技术为核心的智能化制造阶段。但受限于人工智能技术的发展水平与制造业应用尚未成熟，目前的“智能制造”还远未达到“自适应、自决策、自执行”的完全智能化阶段，智能化制造仍是未来的主要发展目标。来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。数字化网络化智能制造的演进与发展1952年美国帕森斯公司与MIT合作研发世界第一台数控铣床1958年美国卡尼特雷克公司开发第一台可自动更换刀具的数控加工中心1961年美国Unimation公司生产的第一台工业机器人在通用汽车安装运行1971年英特尔推出微处理器1974年美、日等国相继研制出以微处理器为核心的计算机数控机床1967年美国出现多台数控机床连接而成的柔性制造系统1988年P.K.Wright和D.A.Bourne首次提出“智能制造”概念70年代中期至80年代中期CAD/CAM出现并呈融合趋势，计算机辅助设计/制造软件空前繁荣1989年万维网被发明90年代初ERP/MES等系统相继出现，逐渐衍生出CRM/SCM/SRM等信息化系统1992年诞生了用于PLC的以太网和传输控制协议/因特网协议（TCP/IP）连接智能化1999年Ashton首次提出物联网的概念2000年以波音、雷神、BAE等公司为代表的美英国防航空巨头组建了Exostar，探索国防航空行业的供应链网络协同2006年OPC独立架构协议发布，工业通信系统具备了安全远程通信基础2013年GEPredix工业互联网平台正式上线2013年海尔沈阳冰箱互联工厂投产未来发展目标13.015.617.018.219.620.221.440.248.954.059.564.468.974.432.532.031.430.630.429.428.82627282930313233010203040506070802010201120122013201420152016制造业增加值（万亿元）GDP总量（万亿元）制造业增加值占比（%）中国“为何”需要智能制造智能制造是中国制造业转型升级、提质增效的必由之路来源：国家统计局。近年来，中国的经济发展已由高速增长阶段逐步转入高质量发展阶段，政府更加关注于优化经济结构、转换增长动力。制造业是供给侧结构性改革的主要领域，尽管制造业增加值在全国GDP总量中的比重呈下降态势，但以制造业为代表的实体经济才是中国经济高质量发展的核心支撑力量。2015-2016年，中国制造业增加值的同比增速仅为3.5%和5.9%，原料、土地、人力资源等生产要素成本的不断上涨使制造业本就不高的利润率很难提升。提高质量效益、转变生产方式是中国制造业必须要解决的问题，而发展智能制造正是中国制造由大到强的必由之路。2010-2016年中国制造业增加值及其占GDP总量的比重用户“为何”需要智能制造B端用户需要智能装备与材料、C端用户需要智能产品与服务来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。制造业的产品种类繁多，从高端制造装备、航天飞机到家用电器、食品饮料等，用户既有工业、建筑业、服务业等领域的企业，也包括最普通的消费者，我们可以把智能制造的需求方简单分为“B端用户”和“C端用户”两种类型。智能制造能够为B端用户带来准确性、适用性、耐用性更加符合自身生产要求的冶金、钢铁、石化等原材料；能够为B端用户生产拥有感知环境、互联互通、远程可控等特性的智能装备，推动B端用户的智能化发展。对于C端用户来说，智能制造能够实现消费者对商品的个性化、定制化需求，并持续提供更加优质、更加智能的产品。智能制造对用户的核心价值智能制造B端用户C端用户通过网络协同制造等新型生产模式，使产业链上游供应商精准、快速地生产出自身需要的原材料、元器件等生产资料从智能装备制造商处购入可追溯、可识别、可联网的生产设备，推动自身生产经营的数字化、网络化、智能化进程制造企业通过大数据、云计算等技术洞察市场需求，指导设计研发，能够为消费者提供更符合预期、智能水平更高的产品智能制造厂商能够提供满足不同消费者个性化、定制化需求的智能3C产品、智能家电、智能穿戴设备、服装乃至食品饮料等消费品制造业企业“为何”需要智能制造降低生产成本、提高生产效率、重塑生产方式来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。减少物料浪费，减轻仓储压力；降低产品的不合格率，减少因产品质量造成的损失；通过数控机床、柔性产线、工业机器人等生产设备的应用，降低劳动力需求，减少人工成本大幅优化生产过程，改善生产工艺，加快生产速度；科学合理排产，提升设备利用率；提高生产执行精度，提升产品质量实现大规模定制、智能产品远程运维、网络协同制造等多种新型生产方式，使企业快速响应市场需求，拓展商业模式，增加收入及利润来源降低生产成本提高生产效率重塑生产方式智能制造对企业的核心价值对制造业企业而言，构建智能制造系统的核心价值主要体现在降低生产成本、提升生产效率和重塑生产方式。基于生产现场数据与生产工艺、运营管理等数据的综合考量，企业能够实现更精准的供应链管理和财务管理，减少物料浪费，减轻仓储压力，降低运营成本；通过对“人、机、料、法、环、测”各环节数据的全面采集和深度分析，企业能够发现导致生产瓶颈与产品缺陷的深层次原因，不断提高生产效率及产品质量；引入高度柔性的以数控机床、机器人为主的生产设备，企业可以实现多品种、小批量的新型生产方式，推动生产模式由大规模生产向个性化定制生产进化。智能制造的“何为”与“为何”1智能制造系统的构成要素2中国制造业企业智能化路径分析3中国智能制造面临的挑战与发展趋势4智能制造系统的基本构成来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。智能“神经系统”的基本架构智能制造系统=自动化设备+智能“神经系统”智能制造是一种可以让企业在研发、生产、管理、服务等方面变得更加“聪明”的方法，我们可以把制造智能化理解为企业在引入数控机床、机器人等生产设备并实现生产自动化的基础上，再搭建一套精密的“神经系统”。智能“神经系统”以ERP（企业资源计划系统）、MES（生产过程执行系统）等管理软件组成中枢神经，以传感器、嵌入式芯片、RFID标签、条码等组件为神经元，以PLC（可编程逻辑控制器）为链接控制神经元的突触，以现场总线、工业以太网、NB-IoT等通信技术为神经纤维。企业能够借助完善的“神经系统”感知环境、获取信息、传递指令，以此实现科学决策、智能设计、合理排产，提升设备使用率，监控设备状态，指导设备运行，让自动化生产设备如臂使指。MES系统相当于中枢神经系统中的脊髓，向上连接ERP，向下连接PLC或其他控制系统，负责整个生产过程的控制传感器、RFID标签等组件是整个系统的神经元，负责收集生产环境、物料流向、在制品状态等数据并上传ERP系统相当于中枢神经系统的脑部，负责制定计划，调配资源，提供决策支持PLC是中枢神经系统与神经元之间的突触，负责信息的采集与转发，并直接控制生产设备与产线现场总线、工业以太网等通信设备是神经纤维，负责整个系统的数据、指令的传输工作，是系统运作的基本保障中枢神经——ERP+MES来源：艾瑞咨询研究院自主研究及绘制。打通ERP与MES的数据流是生产过程数字化的基础ERP系统是企业最顶端的资源管理系统，强调对企业管理的事前控制能力，它的核心功能是管理企业现有资源并对其合理调配和准确利用，为企业提供决策支持；MES系统是面向车间层的管理信息系统，主要负责生产管理和调度执行，能够解决工厂生产过程的“黑匣子”问题，实现生产过程的可视化和可控化。ERP与MES两大系统在制造业企业信息系统中处于绝对核心的C位，但两大系统也都存在着比较明显的局限性。ERP系统处于企业最顶端，但它并不能起到定位生产瓶颈、改进产品质量等作用；MES系统主要侧重于生产执行，财务、销售等业务不在其监控范畴。企业要搭建一套健康的智能“神经系统”，ERP与MES就如同“任督二脉”一般，必须要将两者打通，构成计划、控制、反馈、调整的完整系统，通过接口进行计划、命令的传递和实绩的接收，使生产计划、控制指令、实时信息在整个ERP系统、MES系统、过程控制系统、自动化体系中透明、及时、顺畅地交互传递并逐步实现生产全过程数字化。ERP与MES的职能与集成ERPMES物资资源管理人力资源管理财务资源管理信息资源