工業化以來，制造行業在技術應用及管理模式上也經歷了幾次變革，每一次變革都帶來了工業化水平的大幅提升，體現到車間層面的技術應用管理，則大致經歷了手工作業、機械生產、流水線大批量生產、電子信息技術應用與自動化生產。從制造業的發展階段角度，當前的制造企業發展也正處于從第三階段向第四階段的過渡時期，即從電子信息時代到智能制造時代的過渡階段。

在第三階段，電子信息技術的應用使制造過程自動化控制程度進一步大幅度提高，機器能夠替代手工作業，不僅僅是一些體力勞動，還有一些腦力勞動。通過各種信息化系統（控制技術和管理系統）的應用，極大改善及優化了生產車間流程和管理效率，在資源優化、提高效率和輔助決策等方面充分發揮了信息化的優勢。

數字化車間建設是實現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。通過數字化車間的建設，充分發揮信息技術、工業技術的優勢，以降本提質增效、快速響應市場為目的，在對生產工藝、生產組織、生產過程控制等環節優化管理的基礎上，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，實現精細、精準、敏捷、高效地管理與控制。

1. 數字化車間標準化

在《GB/T 37393-2019 數字化車間 通用技術要求》、《GB/T 37413-2019 數字化車間 術語和定義》中對數字化車間的定義、體系結構、基本要求、車間信息交互、數字化技術要求等內容進行了說明。在《GB/T 37393-2019 數字化車間 通用技術要求》中提到，數字化車間是運用精益生產、精益物流、可視化管理、標準化管理、綠色制造等先進的生產管控理論和方法設計而建造的信息化車間，具有精細化管控能力，是實現智能化、柔性化、敏捷化的產品制造的基礎。數字化車間作為智能制造的核心單元，涉及信息技術、自動化技術、機械制造、物流管理等多個技術領域。

圖1 數字化車間體系結構圖

數字化車間的體系結構如圖1所示，分為基礎層和執行層，管理層應在數字化車間之外。基礎層主要包括制造設備及生產資源，參與生產過程，執行生產、檢測、物流等任務；執行層主要包括車間計劃與調度、生產物流管理、生產過程質量管理、設備管理、工藝執行與管理功能模塊，對生產過程中的各類業務、活動或相關資產進行管理。

根據數字化車間體系結構，主要數據包括：

（1）生產計劃/車間訂單及其運行結果反饋。

（2）作業計劃及其執行反饋。

（3）作業執行指令及其執行反饋。

（4）工藝要求的檢驗指令及質量控制數據反饋。

（5）檢驗參數及其檢驗數據反饋。

（6）車間訂單的物料需求及配送反饋。

（7）原材料的入庫、出庫等庫存數據。

（8）設備運維計劃與設備運行數據等，產生的主要數據流如圖2所示。

圖2 數字化車間數據流示意圖

數字化車間的基本要求包括資產和制造過程數字化要求、網絡化要求、系統化要求、集成化要求和安全性要求。

（1）數字化要求

數字化車間的資產和制造過程信息應數字化，包括制造設備數字化、生產信息的采集、生產資源的識別、生產現場可視化和工藝設計數字化。

（2）網絡要求

數字化車間應兼有互聯互通的網絡，可實現設備、生產資源與系統之間的信息交互。

（3）系統要求

數字化車間應建有制造執行系統或其他的信息化生產管理系統，支撐制造運營管理的功能。

（4）集成要求

數字化車間應實現執行層與基礎層、執行層與管理層系統間的信息集成。

（5）安全要求

數字化車間應開展危險分析和風險評估，提出車間安全控制和數字化管理方案，并實施數字化生產安全管控。

數字化車間制造運行管理涵蓋車間計劃與調度、工藝執行與管理、生產過程質量管理、生產物流管理和車間設備管理模塊，各功能模塊的基本要求：

（1）能與數據中心進行信息的雙向交換。

（2）應具有信息集成模型，通過對所有相關信息進行集成，實現自決策。

（3）模塊間應能進行數據調用。

（4）模塊能與企業其他管理系統（如ERP、PDM）實現信息雙向交互。

2.數字化車間的規劃實施

數字化車間的規劃實施要結合企業自身特點，切合實際，因地制宜，精益思想貫穿始終，以信息技術和工業技術應用為手段，以改善工藝流程、降本增效、提升質量水平和柔性能力為目標，切實提高企業的技術和管理水平。

數字化車間的業務范圍會涉及到機加工、裝 配、質檢、物流、維修保養和管理等環節，數字化車間是一個整體性的解決方案，建設范圍應該整體系統性考慮，應用到業務鏈的每一個環節，這樣才能發揮各個環節的聯動作用，提高整體水平。

數字化車間是信息技術與工業技術的融合，即IT和OT的融合，通過數字化設備、數控機床、自動檢測儀器、自動化技術、自動識別技術、AGV、立體倉庫、工業網絡、SCADA、MES、APS、WMS等技術和系統的應用，通過信息技術的數據采集、數據傳輸與存儲、工業大數據分析、監控與預測等技術的應用，實現對數字化設備的控制及各個業務環節的聯動。

因此，數字化車間建設是一項復雜的系統工程，要先規劃，后實施，即先進行成熟度評估、業務需求分析、藍圖規劃、方案設計與實施路徑規劃，然后進行分步實施，如圖3所示。

圖3 數字化車間建設過程

《GB/T 39116-2020智能制造能力成熟度模型》對車間制造、物流等環節定義了成熟度模型、成熟度等級、能力要素和成熟度要求，企業通過成熟度模型對自身的現狀業務能力進行評估與識別差距，分析業務需求，對標行業最佳實踐，找準數字化車間規劃的抓手?；谄髽I數字化戰略與成熟度評估結果，進行數字化車間藍圖規劃，為數字化車間建設制定目標、業務藍圖、系統藍圖、系統邊界、數據流等規劃內容，是數字化車間建設成為全局性共識，確保目標達成。數字化車間建設不是一蹴而就，要根據藍圖規劃，結合企業業務能力，設計解決方案，并綜合分析技術可行性和財務可行性制定實施路徑，以指導后續的實施落地工作。

數字化車間的規劃與實施過程中，要注意以下幾個方面：

（1）以問題為導向，明確要解決的主要問題，比如生產成本高，產品質量問題多等，需要從實際情況出發的分析問題，切不可盲目照搬和教條主義。

（2）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。

（3）設備互聯互通很重要，設備聯網、數據采集能為數字化車間管理提供實時可靠、準確、客觀的數據。通過設備的互聯互通，將車間的數控機床、工藝設備、物流設備、機器人等數字化設備實現程序集中管理、數據采集、狀態監控、數據分析，將設備由單機控制模式升級為數字化、網絡化、智能化的工作模式。

（4）車間網絡建設是聯接車間中的各項業務，使之互相協作的保障，建設工業以太網網絡，比如PROFINET，以用于支持工業現場設備、模塊、系統等之間的通信和數據傳輸。

（5）信息化與業務深度融合，促進業務協同，通過制造信息系統中的計劃、調度、物流、質量、設 備、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、可視化看板、精細化管理。

（6）重視精益生產管理理念、工具的應用，包括價值流分析、標準作業、精益布局與物流、TPM、防錯防呆等。

（7）除了數據采集，數據在業務運行中的應用很關鍵，數據在流動中增值。車間各工位、各種設備都集成于信息系統中，人、機、料、法、環、測各環節的數據相互融合，有序流動，精準數據分析有效地支持管理決策，實現透明化管理。

3. 數字化車間建設后的收益

數字化車間建設后，通常會在以下幾方面有一定幅度的業務收益，但在不同行業不同制造企業的收益是不同的，各有側重：

（1）制造數據量提高15%~60%。

（2）生產效率提高10%~30%。

（3）生產過程透明度30%~70%。

（4）生產周期降低10%~40%。

（5）生產管理成本減少15%~25%。

（6）產品準時交貨率提高15%~40%。

4. 結論

數字化車間成為制造企業車間的建設方向，數字化車間的建設要結合企業自身特點，應該能應對多品種小批量生產，通過從現場各生產單元與設備采集數據上傳至制造信息系統，以實現生產的規劃、管理、診斷和優化。通過透明化生產管理，可以快速地發現并減少生產過程中的操作等浪費，提高生產效率；可以跟蹤監控生產全過程，在生產過程中快速檢驗并管控不良品，減少質檢工作量，提高成品質量；可以自動化執行工藝操作，采集設備運行數據、人員績效數據等，監控設備裝備，提高員工工作效率。因此，數字化車間建設需要既切合實際生產，又能降本增效、提升質量水平和管理水平。