1.2.3 美国国家标准化技术研究院的智能制造生态系统模型

智能制造的生态系统由产品、生产制造和经营业务三个维度构成，分别形成各自的生命周期，如图1-9所示。

产品维度（有时又称产品为工程技术维度）始于产品设计阶段，终于产品的生命周期终止，这是产品的生命周期维度；生产制造系统维度聚焦于制造系统的设计、使用、运行操作和去投运（Decommissioning），这是生产制造系统的生命周期维度；经营业务维度着重于供应链功能和客户关系及与客户互动。

这三个维度围绕着通常被称为“制造金字塔”的机械装备和生产线、工厂和企业的垂直集成，通过在其维度中的应用功能软件的集成，执行各自的功能，发挥各自的作用，从而完成工厂层的先进控制以及工厂层和企业层的优化决策。这些系统的组合和协同支撑着制造软件系统形成相互作用和依存的生态系统。在这三个维度中的每一个维度内的紧密集成，以及这三个维度之间的紧密集成，将会形成快速的产品创新周期、更有效的供应链以及制造系统的灵活性的崭新局面，从而使自动化的优化控制、生产高质量产品所需要的决策和按照市场要求提供客制化产品等目标有可能得以同步实现。

为此需要建立以下各个系统之间的无缝连接和双向信息流动：

● 在产品生命周期和制造系统生命周期之间。

● 在供应链管理商与制造厂、客户和分销商之间。

● 在供应链管理活动和设计管理活动之间。

● 在生产工程活动与生产运营活动之间。

● 在ERP、MES/MOM活动与控制系统之间。

还要建立以下系统的无缝连接和信息流动：

● 由制造运营系统到工艺流程设计活动。

● 由生产工程、运营活动到产品设计活动。

● 由产品工程活动到生产工程活动。

● 由产品使用到产品设计。

一个企业的可持续竞争力取决于它在以下四方面的能力：成本、交付期、灵活性和产品质量。智慧制造系统/智慧工厂就是力图运用先进的技术，推动制造系统内和制造系统之间数字化信息的快速流动和广泛应用，以期使上述四方面的能力最大化。在德国工业4.0长期规划的同时，美国正在不遗余力地为在其制造业谋求长期竞争力的改善，通过构建智慧制造系统/智慧工厂，在推行生产的灵活性和敏捷性、生产的质量和生产的效率诸方面，获取前所未有的效益和提升企业的长期竞争力。特别是智慧制造系统/智慧工厂充分发挥应用信息技术和通信技术的作用，通过智能软件的运用在优化人力资源、优化材料利用和优化能源效率的基础上，按市场和客户所要求的时间，生产出他们所需要的或定制的高质量产品，以便能够快速地响应市场需求的变化和供应链的变化。

不同于其他基于制造技术的各类范式，智慧制造系统/智慧工厂定义了一种下一代生产制造全景式的愿景，其各方面能力的增强，建立在正在涌现和发展中的信息技术和通信技术之上，在此基础上，使它能将以前已经有了很好应用的制造范式进一步综合集成，全面满足提质增效、优化运行、加快交货期、改善环境保护的要求。

智慧制造系统/智慧工厂综合集成了以下8种制造范式：精益制造、柔性制造、可持续制造（绿色制造）、数字化制造、云制造、智能制造（Intelligent Manufacturing）、全能制造（Holonic Manufacturing）和敏捷制造。

①精益制造。精益制造着重于利用一套精益分析工具识别和消除制造系统中各种类型的浪费。所依赖的技术是：工作流程的优化技术、实时监控和可视化技术及流程的杠杆提升技术（Process Leveling）。

②柔性制造。柔性制造利用将机械装备和工具以及材料处理装备集成整合的系统，在计算机的控制下，其产品生产的数量、生产流程以及产品型号均可以按需求加以变化。所依赖的技术是：模块化技术、可操作性技术和面向服务的架构。

③可持续制造。创建可持续制造重点考虑：对环境的负面影响最小，节能，将自然资源的消耗降至最低的水平，并充分提升产品质量、保证人身安全。所依赖的技术是：先进的材料技术、可持续发展流程的度量和测量技术、监测与控制技术。

④数字化制造。数字化制造是在整个产品的生命周期内运用数字化技术来改善产品、生产流程和企业效益，以削减制造的时间和成本。所依赖的技术是：3D建模技术、基于模型的工程技术和产品生命周期管理。

⑤云制造。云制造是一种基于云计算和面向服务架构（Service-Oriented Architecture，SoA）的分布式、网络化制造范式。所依赖的技术是：云计算、物联网（Internet of Things，IoT）、虚拟化技术、面向服务技术和高级数据分析。

⑥智能制造。智能制造是基于人工智能的智能化生产制造，可在人工干预最小的情况下自动适应环境的变化以及流程要求的变化。所依赖的技术是：人工智能、先进的传感和控制、优化技术和知识管理。

⑦全能制造。全能制造将智能体(agent)应用于动态的且为分布式制造的流程，以确保其进行动态而连续的变化。所依赖的技术是：多智能体系统、分布式控制和基于模型的推理和规划。

⑧敏捷制造。敏捷制造利用有效的流程、装备和工具以及培训，使制造系统能快速地响应客户的需求和市场的变化，而仍能控制成本和质量。所依赖的技术是：协同制造技术、供应链管理和产品生命周期管理。

智慧制造系统/智慧工厂的特征是：制造企业的每一个组成部分都实现了可互操作特性的数字化，从而提升了产率；设备的连接和分散的智能，保证了小批量产品制造的实时控制和灵活性；协同的供应链管理，确保对市场的变化和供应链的突然失效具有快速响应的能力；综合优化的决策，确保了能效和资源利用的效率；先进的传感器数据采集和大数据分析贯穿整个产品生命周期，以实现快速的创新周期。

制造策略和综合竞争策略之间存在着正面的紧密关系。为了达到综合竞争目标，制造系统应该根据严格的竞争策略（包括成本控制和质量、交货期、创新、服务的差异化以及环境友好型可持续生产等策略）发展一系列的能力。这就是智慧工厂和智慧制造系统的关键能力。

智慧工厂和智慧制造系统的关键能力包括：敏捷性能力（Agility）、质量能力（Quality）、生产率能力（Productivity）和可持续性能力（Sustainability）。

①敏捷性能力。在由客户设计或设想的产品和服务推动的市场变化的情况下，形成持续且不可预测的竞争环境。将工厂应对这种竞争环境的生存和发展能力，定义为敏捷性能力。

智慧工厂和智慧制造系统的敏捷性主要建立在：基于模型的工程能力、供应链集成以及具有分散智能的柔性制造系统的基础之上。而传统的衡量敏捷性的尺度是：及时交货、由一种产品转产另一种产品的切换时间、订货周期变更的工程时间以及新产品导入率。现在又增加了一个新的尺度：由于供应链变化而产生的延迟。

②质量能力。传统的质量尺度是用最终产品如何满足设计规范来反映的，包括：产出、客户拒收/产品召回和材料核准/召回。而对于智慧工厂/智慧制造系统，质量还包括产品的创新性和客制化的内容。客制化/个性化的指标是：产品系列/变型产品、每种产品的可选项以及个性化选项。

③生产率能力。制造系统的生产率被定义为生产输出与被用于制造过程的输入之比。生产率可以进一步再拆分为劳动生产率、材料利用率和能效。一般来说。随着生产规模的增加，生产率也随之增加。但是，对于智慧工厂/智慧制造系统来说，客户定制的个性化（或者说客制化）是一个重要指标。因此衡量生产率还需要增加对客户需求的响应能力的尺度。

④可持续性能力。随着成本和交货期、响应时间已经成为制造业生产率的推动因素，可持续发展能力就显得日益重要了。不过什么是可持续发展能力尚未形成定论，远非如成本和交货期、响应时间那么成熟，只能说到目前为止这是一个相当活跃的研究领域。与制造的可持续发展能力密切相关的因素有：对环境的影响（如对能源和自然资源的影响）、安全、职工的福利健康和经济的耐久生存能力。