智能工廠全面解讀

智能工廠源自什么？內(nèi)涵是什么？特性是什么？發(fā)展趨勢怎樣……本文全面解讀。

轉(zhuǎn)自：skhynix官網(wǎng) 說起智能工廠，必須從1913年美國福特啟用全廠輸送系統(tǒng)開始講起。這個(gè)項(xiàng)目從1907年開始萌芽，但一直到1913年才正式投入大規(guī)模生產(chǎn)，全新的生產(chǎn)方式開始運(yùn)作后，福特工廠生產(chǎn)一臺(tái)車的時(shí)間由12.5個(gè)工時(shí)減少為5小時(shí)50分鐘。到了1914年夏天，新的流水裝配線已能在1小時(shí)33分鐘內(nèi)完成裝配。并且，隨著流水線工程的不斷完善，福特工廠的工效紀(jì)錄每一天都在刷新，年產(chǎn)量從788輛一路飛升，到了第四年已經(jīng)達(dá)到了73萬輛。 福特生產(chǎn)的汽車也許并未超越當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，但福特生產(chǎn)出的這套生產(chǎn)方式，標(biāo)志著世界工業(yè)史上一個(gè)新時(shí)代，即大規(guī)模自動(dòng)生產(chǎn)時(shí)代的來臨。經(jīng)過100多年的發(fā)展，自動(dòng)化時(shí)代已經(jīng)開始步入了智能時(shí)代，智能生產(chǎn)即將進(jìn)入白熱化階段，智能工廠時(shí)代即將全面來臨。

什么是智能工廠？

曾經(jīng)的自動(dòng)化工廠，在生產(chǎn)過程中，還需要大量硬件工程師的協(xié)助，需要工人24小時(shí)倒班盯生產(chǎn)線，是否會(huì)出現(xiàn)機(jī)器故障。有了智能工廠，及時(shí)的預(yù)警及糾錯(cuò)功能，讓工人們更省心省力，并且在發(fā)展的過程中，智能工廠還會(huì)根據(jù)訂單需求，轉(zhuǎn)變工作模式，對電力、物力及生產(chǎn)力的利用逐漸達(dá)到峰值。智能工廠是現(xiàn)代工廠信息發(fā)展的新階段，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)采用M2M的通信模式（Machine-to-Machine/Man），實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與設(shè)備間的通信。而物聯(lián)網(wǎng)通過Things to Things的通信方式實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備和系統(tǒng)三者之間的智能化、交互式無縫連接。在自動(dòng)化及數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，智能工廠構(gòu)建了一個(gè)高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適的人性化工廠。

在石化、鋼鐵、機(jī)械裝備制造、汽車制造、航空航天、飛機(jī)制造等行業(yè)，智能工廠得到了高度發(fā)展。《中國制造2025》明確提出要推進(jìn)制造過程智能化，在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間，這必將加速智能工廠在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

智能工廠的特性

“智能工廠”的發(fā)展，是智能工業(yè)發(fā)展的新方向。但并不是所有智能工廠都能被稱為智能工廠，如何判斷這個(gè)工廠是否是智能工廠？我們可以從以下五個(gè)特性入手：

1、系統(tǒng)具有自主能力：可采集與理解外界及自身的資訊，并以之分析判斷及規(guī)劃自身行為。
2、整體可視技術(shù)的實(shí)踐：結(jié)合訊號(hào)處理、推理預(yù)測、彷真及多媒體技術(shù)，將實(shí)境擴(kuò)增展示現(xiàn)實(shí)生活中的設(shè)計(jì)與制造過程。
3、協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充特性：系統(tǒng)中各組承擔(dān)為可依據(jù)工作任務(wù)，自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
4、自我學(xué)習(xí)及維護(hù)能力：透過系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)功能，在制造過程中落實(shí)資料庫補(bǔ)充、更新，及自動(dòng)執(zhí)行故障診斷，并具備對故障排除與維護(hù)，或?qū)ο到y(tǒng)執(zhí)行的能力。
5、人機(jī)共存的系統(tǒng)：人機(jī)之間具備互相協(xié)調(diào)合作關(guān)系，各自在不同層次之間相輔相成。

智能工廠的優(yōu)劣勢 據(jù)了解，智能工廠的建立不僅有利于提高資產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量，降低企業(yè)成本，還能營造更更安全的生產(chǎn)過程，保持生產(chǎn)的可持續(xù)性等好處。這主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面： 1、資產(chǎn)效率

智能工廠的每個(gè)方面都會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，通過持續(xù)分析，可以發(fā)現(xiàn)可能需要某種糾正優(yōu)化的資產(chǎn)性能問題。這種糾正功能智能工廠與傳統(tǒng)自動(dòng)化工廠出現(xiàn)明顯差異，自動(dòng)化工廠如果沒有人員干預(yù)，會(huì)一直向前沖，向更高的產(chǎn)能，更多的產(chǎn)品進(jìn)軍，而智能工廠會(huì)根據(jù)實(shí)際需求，調(diào)整機(jī)器的工作時(shí)間，這就像為一群士兵安排了一位將軍。 2、質(zhì)量

智能工廠特有的自我優(yōu)化可以更快地預(yù)測和檢測質(zhì)量缺陷趨勢，并有助于識(shí)別質(zhì)量差的人為、機(jī)器或環(huán)境因素。更優(yōu)化的質(zhì)量流程可以使產(chǎn)品質(zhì)量更高，缺陷和召回更少。工廠內(nèi)配備電子看板顯示生產(chǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，同時(shí)，操作人員可遠(yuǎn)程參與生產(chǎn)過程的修正或指揮。 3、更低的費(fèi)用

傳統(tǒng)上，優(yōu)化流程可以帶來更好的成本效益——具有更可預(yù)測的庫存需求，更有效的招聘和人員配置決策，以及減少流程。更高質(zhì)量的流程還可能意味著對供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合視圖，以及對采購需求的快速，無延遲響應(yīng)，從而進(jìn)一步降低成本。 4、安全和可持續(xù)性

智能工廠還可以為勞動(dòng)保健和環(huán)境可持續(xù)性帶來真正的好處。更大的流程自主性可以減少人為錯(cuò)誤的可能性，包括造成傷害的事故。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間高效的信息互聯(lián)，數(shù)字工廠向“物聯(lián)工廠”升級(jí)，操作人員可實(shí)現(xiàn)獲取生產(chǎn)設(shè)備、物料、成品燈相互間的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，滿足工廠24小時(shí)監(jiān)測需求。智能工廠的相對自給自足可能會(huì)取代某些需要重復(fù)和疲勞活動(dòng)的角色。 5、對制造工藝的改進(jìn)

基于龐大數(shù)據(jù)庫，智能工廠可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘與分析，使工廠具備自我學(xué)習(xí)能力，并在此基礎(chǔ)上完成能源消耗的優(yōu)化、生產(chǎn)決策的自動(dòng)判斷等任務(wù)。

以服裝廠為例，中國縫紉機(jī)械協(xié)會(huì)稱，在自動(dòng)化工廠之上引入TIMS智云1.0智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可以整體提高20%的生產(chǎn)效率，降低30%的次品率，節(jié)省工時(shí)人均8-10天，非正常停機(jī)時(shí)間縮短80%，大大提高了利潤率。

當(dāng)然智能工廠也會(huì)面臨很多問題，最大的問題就是結(jié)構(gòu)性問題和技術(shù)性問題。

目前傳統(tǒng)工業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)均想推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程，但兩者各有弊端：傳統(tǒng)工業(yè)不熟悉軟件開發(fā)，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)缺乏對工藝的了解，不熟悉生產(chǎn)流程及規(guī)范，如何讓兩者快速聯(lián)手，進(jìn)軍智能工廠，是當(dāng)務(wù)之急。 技術(shù)性問題則更難一些，傳統(tǒng)工業(yè)的思考流程與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)存在較大差異。如何實(shí)現(xiàn)制度、生產(chǎn)流程以及每一個(gè)動(dòng)作都可以被系統(tǒng)所管控到，需要工廠將大量數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中。而傳統(tǒng)工業(yè)特別是一些中小型企業(yè)，數(shù)字化進(jìn)程緩慢，或者根本沒有數(shù)據(jù)支持，讓智能化系統(tǒng)無從下手。

智能工廠市場規(guī)模及發(fā)展趨勢

智能工廠是現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)的大勢所趨，是目前實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的高級(jí)優(yōu)化路徑。根據(jù)當(dāng)前各行各業(yè)建設(shè)智能工廠的熱情及擴(kuò)張速度，預(yù)計(jì)未來幾年，中國智能工廠行業(yè)仍然將保持10%以上的年均增速，2024年，中國智能工廠行業(yè)市場規(guī)模突破1.2萬億。

智能工廠將大量運(yùn)用機(jī)器人，這從現(xiàn)代汽車收購波斯頓動(dòng)力可見一斑，在智能工廠中，機(jī)器人帶來的自動(dòng)化和智能化將轉(zhuǎn)化為更智能化的人機(jī)協(xié)同。在技術(shù)層面，智能工廠也可以建立與導(dǎo)入云端，并進(jìn)行云端運(yùn)算與大數(shù)據(jù)分析，例如：CPS技術(shù)可進(jìn)行編程、記憶與儲(chǔ)存能力，并結(jié)合感測器和通訊技術(shù)，嵌入CPS的實(shí)體設(shè)備，連接到網(wǎng)絡(luò)，可讓實(shí)體設(shè)備同時(shí)兼具通訊、精準(zhǔn)控制、遠(yuǎn)程協(xié)同與自主反應(yīng)運(yùn)作。

工廠智能化解決方案

隨著生產(chǎn)設(shè)備逐漸增多、生產(chǎn)過程日益復(fù)雜、人力成本快速上升以及系統(tǒng)管理的要求越來越高等因素，通過智能化手段進(jìn)行設(shè)備的控制管理成為數(shù)字化工廠發(fā)展的主要趨勢。智能工廠包含工廠運(yùn)營管理的五個(gè)方面——制造資源控制、現(xiàn)場運(yùn)行監(jiān)管、物流過程管控、生產(chǎn)執(zhí)行跟蹤、質(zhì)量工作監(jiān)督。

針對這五大方面的難題，許多企業(yè)推出了解決方案。以下列舉了部分企業(yè)為智能工廠數(shù)字化生產(chǎn)提供的解決方案。

中國智能工廠優(yōu)秀企業(yè)

上海通用金橋工廠

上汽通用金橋工廠車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了100%焊接自動(dòng)化。386臺(tái)機(jī)器，卻只需要10多位工人，而每天的產(chǎn)量是80臺(tái)凱迪拉克。這樣的工作效率，全球也數(shù)不出10個(gè)。

阿里巴巴菜鳥無人倉 說起智能工廠，阿里巴巴一定要擁有姓名！菜鳥計(jì)劃建設(shè)國家智能物流骨干網(wǎng)，把中國物流成本占GDP的比重降到5%以下。為此，菜鳥研發(fā)了柔性自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，利用AI技術(shù)，讓大量機(jī)器人在倉內(nèi)協(xié)同作業(yè)，組合成易部署、易擴(kuò)展、高效的全鏈路倉儲(chǔ)自動(dòng)化解決方案。

正大食品無人水餃工廠 幾千平方的廠房里，干凈整潔，機(jī)器24小時(shí)不休息的工作，可是看不到一個(gè)員工。從和面、放餡再到捏水餃，是一條完全干凈整潔的流水線。以前整個(gè)工廠需要200個(gè)工人，現(xiàn)在生產(chǎn)相同的東西用工卻在20人以下，這意味著“無人工廠”壓縮人工可達(dá)90%。

實(shí)施互聯(lián)智能工廠的關(guān)鍵是半導(dǎo)體

要完成智能工廠的轉(zhuǎn)型必須要具備五個(gè)要素：互聯(lián)、優(yōu)化、透明、前瞻和敏捷。這些特征均能幫助智能工廠做出更明智的決策，并協(xié)助企業(yè)讓生成流程更高效精準(zhǔn)。要達(dá)成這五個(gè)要素則對芯片有著更高的要求。傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式無法高效應(yīng)對快速迭代、定制化與碎片化的芯片需求，半導(dǎo)體企業(yè)正在往智能化方向發(fā)展。

下面就從四個(gè)方面來看看未來智能工廠的發(fā)展對于芯片有哪些更高的要求：

1. 物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的提出給智能工廠提供了一個(gè)新的突破口。物聯(lián)網(wǎng)的目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。其設(shè)備的強(qiáng)勁需求對200mm晶圓上制造大尺寸設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)芯片的產(chǎn)量要求正在大幅度增加。為了滿足這一需求，許多晶圓廠都在使用經(jīng)過升級(jí)，重新認(rèn)證的設(shè)備，這些設(shè)備在使用之初是在這些設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)處于領(lǐng)先地位時(shí)引入的。 當(dāng)今的電子產(chǎn)品需要最先進(jìn)的邏輯微處理器，大容量存儲(chǔ)芯片和先進(jìn)的封裝集成。面向物聯(lián)網(wǎng)的高級(jí)邏輯，DRAM、NAND閃存和其他先進(jìn)的半導(dǎo)體器件則在芯片制造，光罩制造和封裝測試上都有更高的要求。 2. 大數(shù)據(jù)分析

離散制造企業(yè)生產(chǎn)線處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，由生產(chǎn)設(shè)備所產(chǎn)生、采集和處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于企業(yè)中計(jì)算機(jī)和人工產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求也更高。在生產(chǎn)現(xiàn)場，每隔幾秒就收集一次數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)很多形式的分析，包括設(shè)備開機(jī)率、運(yùn)行率、故障率、生產(chǎn)率、設(shè)備綜合利用率（OEE）、質(zhì)量百分比等。在生產(chǎn)過程中使用這些大數(shù)據(jù)，就能分析整個(gè)生產(chǎn)流程，了解每個(gè)環(huán)節(jié)是如何執(zhí)行的。 作為信息技術(shù)重要組成部分的半導(dǎo)體傳感器將整合音訊、光線、化學(xué)分析及壓力、溫度感測等子系統(tǒng)，發(fā)展出人體眼睛、鼻子、耳朵、皮膚等感官功能的芯片；再加入對電磁、電力的感應(yīng)與控制能力，將賦予物品一定的“生命力和思想”，使物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)變成可能。 為了處理大量數(shù)據(jù)，企業(yè)需要超快速度和卓越性能的服務(wù)器。在數(shù)據(jù)分析迅速發(fā)展的時(shí)代，具有固定硬件配置的傳統(tǒng)服務(wù)器可能難以為繼。企業(yè)要真正最大限度地發(fā)揮大數(shù)據(jù)的潛力，必須采用靈活的服務(wù)器解決方案。 3. 云數(shù)據(jù)共享

構(gòu)建綠色制造體系，建設(shè)綠色工廠，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)潔凈化、廢物資源化、能源低碳化是智能工廠建設(shè)過程中的一大重要戰(zhàn)略。云數(shù)據(jù)共享可以使工作人員在生產(chǎn)現(xiàn)場快速查詢和下載所需要的生產(chǎn)信息，即時(shí)歸檔保存資料，從而杜絕文件、數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)一步提高生產(chǎn)準(zhǔn)備效率和生產(chǎn)作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)綠色、無紙化生產(chǎn)。 人工智能芯片在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用持續(xù)增長，用于深度學(xué)習(xí)和矢量處理任務(wù)的gpu、FPGAs和asic的新型處理器架構(gòu)正在推動(dòng)蓬勃發(fā)展的AI芯片市場，技術(shù)領(lǐng)域因而成為人工智能芯片的最大市場。預(yù)計(jì)全球半導(dǎo)體行業(yè)總收入將從2018年的4,810億美元增長到2019年的5,150億美元，且增長態(tài)勢有望持續(xù)至下一個(gè)十年。主要市場驅(qū)動(dòng)力量包括現(xiàn)有產(chǎn)品的持續(xù)強(qiáng)化、人工智能產(chǎn)品和5G網(wǎng)絡(luò)等新興技術(shù)的增長。半導(dǎo)體行業(yè)的大部分收入將來自于以存儲(chǔ)和云計(jì)算為代表的數(shù)據(jù)處理類電子以及以無線通訊為代表的通訊電子。 4. 自動(dòng)化生產(chǎn)線/智能機(jī)器人

智能工廠的發(fā)展推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手臂等智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使工廠無人化制造成為可能，而這一切都需要人工智能芯片的加持。 到2022年，人工智能芯片市場在整個(gè)人工智能市場中的占比預(yù)計(jì)超過12%，復(fù)合年均增長率達(dá)到54%。美洲地區(qū)將引領(lǐng)全球人工智能市場，歐洲、中東及非洲地區(qū)和亞太地區(qū)緊隨其后。2022年，美洲地區(qū)將占據(jù)主導(dǎo)市場地位。 人工智能芯片不僅可以部署在云端，還可以應(yīng)用于多種網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備，如智能手機(jī)、無人駕駛汽車以及監(jiān)控?cái)z像頭。應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備的人工智能芯片多為推理芯片，且專業(yè)程度越來越高。到2022年，人工智能推理芯片市場的規(guī)模預(yù)計(jì)將增至20億美元，復(fù)合年均增長率達(dá)到40%。

審核編輯 ：李倩