探寻数字化转型的奥秘

    经过30年的发展，通过引进、吸收和消化的模式，借助低成本优势和得天独厚的内需市场，我国已成为制造大国，有些高精尖产品已达到或超越国际先进水平，成为国之重器。然而近年来，随着劳动力和原材料成本的升高、外汇变化造成的出口压力以及产能过剩等问题的出现，“中国制造”开始面临巨大的机遇与挑战，通过数字化转型升级改进工厂生产方式、寻求产业升级机会已经成为了企业管理者的普遍共识。

    然而实际上这并不容易，根据埃森哲公司CEO Pierre Nanterme先生的论断，数字化转型失败是2000年以来很多全球财富500强陨落的主要原因。未来十年，还将有40%的财富500强企业因为数字化转型不成功而被淘汰出局。麦肯锡的研究报告也指出，50%的企业在试图向数字化转型的过程中会以失败而告终。

    对此，作为德国工业4.0的领导者，西门子一直致力于在数字化领域不断创新推动中国制造业转型升级，不仅在成都建立了数字化转型的典范---西门子工业自动化产品成都生产研发基地（SEWC），还于近日在京开放了西门子工业4.0创新实验室。在参观过程中，Siemens PLM Software全球高级副总裁兼大中华区董事总经理梁乃明向大家详细介绍了西门子如何将数字化技术贯穿于完整的产品生产过程，实现软硬件一体化无缝集成，并结合在工业自动化、流程及软件和数据分析方面卓越的专业知识与经验，帮助中国企业进行数字化转型，使生产过程更加灵活、高效，并缩短产品上市时间。

图1 Siemens PLM Software全球高级副总裁兼大中华区董事总经理梁乃明

    数字化转型，工业4.0挑战的核心要素

    从第一次工业革命至今，每一次都带来了企业生产模式翻天覆地的变化。尽管第四次工业革命的概念以及是否到来还有待讨论，发生在中国制造业的实际情况却是：产品复杂性提高，但是交期越来越短、人工越来越贵，因而使得能够完成过去需求的传统生产线，在遭遇机台故障、零件短缺、产线缺工时造成的亏损也越发惊人，更遑论少量多样的客制化需求对一条龙式生产线带来的挑战，以及为了满足喜新厌旧的消费者而快速缩短的商品生命周期，更压缩着企业研发到量产的时间。

图2 工业4.0的历史演变

    因此，梁总表示这也是西门子将第四次工业革命定义为今天开始的原因，因为企业现在需要以更好的质量、更高的生产和能源效率、更大的灵活性、更快的创新来应对多变的市场需求。在梁总看来，数字化转型回归根本仍然是企业生产速度、灵活性、效率、质量以及安全的提升。此外，数字化也将带来新的商业模式和企业运营模式。例如，大部分汽车行业的整车企业会转化为移动服务的提供商，根据结果付费的经营模式，大数据和互联的世界也会彻底改变企业的运营模式。同时，技术的快速发展，使其应用成本迅速降低，也会加速企业的数字化转型。

    对于许多的中国制造企业而言，梁总表示在数字化建设的道路上更多的是将其投资应用在最新的单项技术，例如设计研发数字化，而缺乏横向集成。这就好比木桶原理中的实际性能是由短板所决定的，而并对非最长的那一块。因此，制造业的创新密码在于真正构建数字化企业，重新思考每一个业务环节。基于此，西门子推出了全面的数字化产品组合，将硬件、软件、工业技术专长和数据结合在一起，推动现实世界与虚拟世界的融合。

    虚拟和现实，生产全过程的数字化映射

    一直以来，西门子自身也在推进数字化转型的进程，通过打通贯穿设计与工程、自动化与运营、维护与服务整个价值链的数据，实现闭环，从而提高生产率，缩短上市周期，提高柔性与灵活性，提升设备绩效。梁总介绍Siemens PLM Software隶属于西门子，作为全球领先的产品生命周期管理(PLM)软件和生产运营管理(MOM)软件、系统与服务提供商，Siemens PLM Software拥有超过1,500万套已发售软件。在数字化转型中，Siemens PLM Software致力于推动虚拟与现实的融合，通过数字化双胞胎（digital twin），帮助企业以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，来模拟其在现实环境中的行为。制造企业通过搭建整合制造流程的生产系统数字双胞胎模型，能实现从产品设计、生产规划、生产工程到生产制造以及服务的全过程数字化。

    1、产品设计

    研发设计作为首要环节，西门子不仅将数字化设计工具诸如CAD、CAE应用在越来越苛刻的工业环境和移动终端中，还通过建立数字双胞胎模型，使任何零部件在被实际制造出来之前，都可以预测其成品质量，识别是否存在设计缺陷，比如零部件之间的干扰，设计是否符合规格等。找到产生设计缺陷的原因，在数字双胞胎模型中直接修改设计，并重新进行制造仿真，查看问题是否得到解决。

图3 通过 3D 仿真技术，实现技术创新

    2、生产规划

    随着产品制造过程越来越复杂，制造中所发生的一切需要进行完善的规划。而一般的过程规划是设计人员和制造人员基于不同的系统独立工作。设计人员将产品创意提交给制造部门，由他们去思考如何制造。这样容易导致产品信息流失，使得制造人员很难看到实际状况，增加出错的几率，一旦设计发生变更，制造过程很难实现同步更新。在数字化生产规划中，所需要制造的产品、制造的方式、资源以及地点等各个方面可以进行系统地规划，将各方面关联起来，实现设计人员和制造人员的协同。一旦发生设计变更，可以在数字双胞胎模型中方便地更新制造过程，包括更新面向制造的物料清单，创建新的工序，为工序分配新的操作人员，在此基础上进一步将完成各项任务所需的时间以及所有不同的工序整合在一起，进行分析和规划，直到产生满意制造过程方案。

图4 实现生产系统与物流流程的最佳仿真、可视化、分析与优化

    3.生产工程

    生产工程也是复杂的制造系统中重要的工作，借助数字化的手段企业可以设计出包含所有细节信息的生产布局，包括机械、自动化设备、工具、资源甚至是操作人员等各种详细信息，并将之与产品设计进行无缝关联。例如通过虚拟的SIMATIC控制器PLCSIM Advanced可用于在完全虚拟的环境中测试生产单元或机器，大大提高了制造业务的敏捷度和效率。

图5 机电一体化工程与虚拟调试

    4.生产制造

    通常由于产品的复杂多样，生产过程需要在诸多机器、人、工具和材料之间进行协调，西门子将每一个过程清单代表一个完整的蓝图，每个单独的产品都在如图所示的单独系统中。SIMATIC IT MES使用Bill of Process来驱动设施智能自动化生产并和操作员进行交互，完成来自虚拟世界的最佳实践。

图6 通过MES和TIA，协同实现最佳个性化产品生产

    5、服务

    面对企业制造服务化的趋势，西门子推出了Minsphere工业云平台和Omneo产品绩效智能分析系统，制造企业可将其作为数字化服务，例如预防性维护、能源数据管理以及工厂资源优化的基础。设备制造商及工厂建造者可以通过该平台监测其设备机群，实时采集设备的运行数据，并进行机器学习和智能分析，从而提供预测性维护服务，缩短设备停工时间，并践行新的商业模式。

图7  MindSphere–西门子工业云

    如同制造流程一样，机械的设计生产同样可以受益于数字化。梁总表示通过Teamcenter可以实现机械设计、设备仿真、自动化工程、虚拟调试到机械服务全过程，达到一个协同、创新、设计、制造、执行的统一平台。

图8 针对机器制造商的整体方案，实现从机器设计到机器服务的横向集成

    综上，西门子的解决方案覆盖了产品设计、工艺规划、生产工程、生产执行和服务整个价值链，可以支撑企业业务的持续转型。而在企业的数字化转型过程中，数字化主线(Digital Thread)贯穿始终，每个过程都由数字双胞胎模型（Digital Twin）支撑。西门子的数字化企业软件套件覆盖了从设计、软件开发、仿真、数字制造、数据分析、服务、自动化和制造执行，形成了完整的产品家族。

图9 西门子数字化企业软件套件

    创新实验室，数字化生产的典范缩影

    谈到数字化生产的实际应用，梁总表示大家首先想到的可能是西门子工业自动化产品成都生产研发基地（SEWC）。截至目前为止，西门子成都工厂都可以称得上是全球最先进的电子工厂之一，也是西门子自身数字化转型的典范。而这次参观的北京西门子工业4.0创新实验室则更像是一个它的缩影。西门子工业4.0创新实验室通过模拟咖啡机生产过程为大家展现如何搭建数字化的桥梁，完成现实世界与虚拟世界的融合。此外，梁总表示西门子工业4.0创新实验室作为一个沟通平台，也更方便与前来参观企业的交流，为他们提供自动化、电气化、数字化产品资讯以及相关支持、培训和售后服务，来支持其在数字化制造方面的业务发展。在参观中，西门子工业4.0创新实验室将咖啡机的生产分为了工艺规划和仿真、生产控制和执行、零件生产、检测和分析、装配和调试五大流程：

    1、工艺规划和仿真主要展示了装配工艺、零件工艺、NC编程、机器人仿真、虚拟调试、产线设计、物流仿真、质控计划；

    2、生产控制和执行主要包括先进排程、制造执行（SIMATICIT）、制造执行（CAMSTAR）、车间作业调度；

    3、零件生产主要包括工具管理、零件加工和三维打印；

    4、检测和分析环节主要包括手工检测和自动检测与分析

    5、装配和调试主要包括物联网、装配执行、无纸化生产、人机协调和质量分析。

图10 西门子工业4.0创新实验室全貌（右上）及各生产流程

    值得一提的是，梁总在沟通中还强调了人才储备对于企业数字化转型的重要性。梁总表示事实上许多中国企业在人才培养、组织架构上仍不成熟，从而缺少对工业4.0的必要支撑。目前，大多数企业并未把数字化转型视作核心事务，而只是一种象征性的举动，导致工业4.0 战略策略的狭窄和短视。总体而言，从人才培养到研发、管理、制造和供应链等各个方面，要做好踏上数字化转型的征程，我们还有很多准备工作要做。未来，西门子将携手中国企业一起，在数字化转型的道路上不断探索、演进。

    小结

    和具有较强工业基础的德国不同，中国制造业面临着工业2.0和工业3.0的跨期叠加，甚至还有发达国家再工业化与新兴发展中国家的“双向挤压”。但从去年开始，我们也看到了“中国制造2025”、智能制造、十三五规划、“互联网+”战略的推出，越来越多的传统制造企业开始转型升级，开启了迈向数字化的征程。相信通过向西门子等领先制造企业学习，中国完全有可能通过数字化与工业化的完美融合，实现制造能力的跃升，率先构建起4.0时代的智能生产力。