儀器儀表行業是國民經濟的重點產業，關系到國防、民生等安全，隨著“以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進”新發展格局逐步形成，儀器儀表正在逐步推進國產替代，迎來了新的發展機遇。隨著智能制造、智慧水務、智慧燃氣、智慧交通、智慧醫療等重點方向的快速發展，儀器儀表向智能化、高端化升級已是不可逆的趨勢，傳統生產工藝、制造技術和模式已經無法滿足儀器儀表智能化和高性能的需求，行業亟需進行智能化轉型升級。
面對壓力和機遇，為解決儀器儀表行業存在的產品工藝、制造技術、生產模式等共性問題，基于工業互聯網平臺架構及云制造支撐系統，通過機器視覺、人工智能、機器學習、5G、數字孿生、大數據等新技術的融合應用，解決儀器儀表產品的可靠性、穩定性、智能化需求，以及制造管理過程中廣泛存在的制造效率低、勞動密集、管理難度大、管理成本高、質量一致性差、追溯困難、工藝與管理協同性差等相關問題，形成行業解決方案，推動儀器儀表制造企業的智能化轉型升級，實現智能工廠、云制造工廠、無人工廠的建設。
1、新模式解決方案研究
工業云制造是基于工業互聯網，在新一代人工智能技術引領下，借助新智能科學技術、新制造科學技術、新信息通信科學技術及新制造應用領域專業技術等4類新技術深度融合的數字化、網絡化、云化、智能化技術新手段，構成以用戶為中心的統一經營的新智能制造資源、產品與能力的服務云(網)，使用戶通過新智能終端及新智能制造服務平臺便能隨時隨地按需獲取新智能制造資源、產品與能力服務，進而優質、高效完成制造全生命周期的各類活動。
以云制造支撐平臺為核心，縱向向下應用5G技術及邊緣網關工具與平臺進行設備層的數據接入、清洗、存儲與應用，并進行深層次車間層面智能工廠規劃、智能生產設備、智能檢測設備、智能倉儲設備、智能物流設備等設備的新型技術與應用開發并提供成套制造模組解決方案；縱向向上基于云制造支撐系統環境，進行企業全業務鏈管理與應用系統的數據接入與管理場景支撐，實現儀器儀表行業柔性制造、智能制造等相關場景的有效應用；同時基于服務延伸平臺橫向集成上游設計研發資源、供應商資源及下游客戶能源管理平臺、用戶管理平臺等服務資源系統，實現供應商、平臺、工廠、用戶、服務等供應鏈全要素的端到端集成；并協同全供應鏈資源、信息、能力，形成1平臺(云制造平臺系統)+2基礎(感知控制、傳感網絡)+2延伸(協同延伸、服務延伸)+3模式(智能制造、協同制造、智能服務)的云制造整體解決方案。
1.1 感知控制層解決方案
感知控制層以水表、燃氣表等儀器儀表代表性產品工藝為研究對象，基于人工智能、智能機器人、機器視覺、機器學習等相關技術，進行儀器儀表先進制造技術的研究與應用，輸出全自動儀器儀表生產線成套裝備、智能物流成套裝備以及智能倉儲成套裝備等基礎層自動化解決方案。成熟產品主要包含水表組裝自動化生產線解決方案、燃氣表組裝自動化生產線解決方案、機芯自動化生產線解決方案、智能物流解決方案以及智能倉儲解決方案。
基于成熟的基礎層自動化線體，通過底層 PLC 模塊、控制化擴展模塊感知設備、環境、產線的數據，并將感知的數據與 SCADA 系統進行對接，進行信息的分級識別，控制生產線的設備進行智能生產。設備通過DNC系統、SCADA系統進行數據交互，接收MES指令讓PLC進行控制設備，使設備按照系統下達的生產指令進行生產。將產線的設備運行狀態、生產數據、工藝執行、質量情況等生產過程實時數據通過傳感網絡傳輸給MES系統進行數據分析與處理，整個過程自動控制，信息運行形成閉環，設備、生產和質量信息實時反饋。
1.2 傳感網絡層解決方案
傳感網絡層是將感知控制層中的設備設施、機器人、智能檢測設備、智能生產線、倉儲系統、物流系統等所有的數據與信息集成上傳到管理平臺，它是一個安全有效的數據傳輸通道，由網管系統、網關、5G、無線通信、工業總線等組成。
方案中創新性應用了5G技術以及邊緣網關、數據采集平臺等實現傳感網絡層的數據采集、接入、傳輸與集成。支持主流工業現場通信協議的通信互聯，支持工業現場總線、有線網絡、無線網絡的通信互聯，支持“云計算+邊緣計算”的混合數據計算模式。
1.3 云制造支撐平臺解決方案
云制造支撐平臺以工業互聯網平臺為基礎，以云制造支撐系統為運行環境，綜合集成基于數字雙胞胎的業務智能協同(包括CPLM、CAPP、ERP、MES等)及基于分布式存儲的數據智能協同(數據接入、清洗、存儲、調用)兩大模塊，向下對接基礎層與傳輸層集成數據與業務，向上通過API為各類管理場景提供對應支撐，并以云制造平臺支撐系統強大的集成能力，實現企業上游供應鏈資源與下游客戶服務的深度集成，實現以全供應鏈為對象的能力共享、信息互通云制造模式。
1.4 管理層解決方案
管理層基于云制造支撐平臺層的相關業務與數據，綜合集成PLM、CAPP、ERP、MES、WMS等相關管理系統，對儀器儀表企業產品全生命周期過程中的管理與服務進行支撐，形成智能制造、協同制造以及智能服務三種成熟的管理與制造模式，支撐企業全面的數字化轉型與精準的數字化管理。
智能制造模式：智能制造模式集成制造現場自動化及智能裝備相關傳感設施，基于傳感網絡層數據采集、數據清洗、數據存儲與基于API的場景集成與調用，實現產品制造全流程的過程透明化管理、設備狀態實時監控、設備故障預測性維護、質量狀態在線監控與預警、全制造鏈正反向追溯等相關智能化制造管理場景；同時基于企業業務鏈相關信息系統(PLM、CAPP、ERP、MES、WMS等相關軟件)的數據與業務集成，時間覆蓋企業全業務鏈的智能化管理模式。
協同制造模式：協同制造模式是基于云制造的儀器儀表智能工廠系統解決方案產品基于儀器儀表多工廠、多實體、異地制造、集團化管理等相關現狀提煉的基于智能制造管理模式的創新模式，該模式基于儀器儀表制造BOM物料存儲與揀配、部件協同制造、多廠管理等需求，應用云平臺支撐系統相關異構數據與開源API，實現工廠內外部的資源、制造過程、管理過程進行協同化的管理。主要場景包含基于個性化定制的柔性制造、多工序柔性協同制造等相關應用場景。
智能服務模式：智能服務模式是基于云制造的儀器儀表智能工廠系統解決方案產品的重要應用創新點，該模式基于云制造支撐平臺內部生產制造數據的集成，對內基于物料編碼與條碼、二維碼、RFID等相關載體進行制造全過程的信息綁定與集成，同時基于以客戶定制標準的成品碼與制造碼的綁定，實現內外部的全生命周期追溯。基于內外部追溯體系，集成對接用戶平臺與服務平臺，實現對客戶的增值服務延伸與賦能，具體包括有：產品增值服務、產品狀態監控、產品數據接入等相關應用場景。
1.5 用戶層解決方案
用戶層分為對內與對外兩層架構，對內針對車間管理人員使用的PC終端、專用PDA、移動手機等物理設備提供所需的數據和信息，便于車間管理人員進行生產調整和優化，實現高效管理。對外針對企業用戶與終端用戶，通過物聯網技術進行終端設備的數據采集、監控與集成，并通過物聯網技術對數據進行分類管理與實時傳輸，支撐企業用戶的用能分析與異構云平臺的接入集成，同時支撐終端用戶的APP用能分析等相關場景。
2、新模式創新性分析
2.1 基于云制造模式實現儀器儀表企業生產制造的模式創新基于儀器儀表細分行業面臨的生產自動化低，招工難；設備協議多且復雜，數據采集困難；設備控制及時性差，設備維護困難且周期長；生產不透明，產品交期無法保障，無法滿足客戶質量追溯需求等問題。為滿足生產透明化、設備可控化以及銷售、采購云協同，打造智能工廠目標，基于云制造建設理論，引入邊緣制造系統，建設儀器儀表全流程自動化生產線，兼并多設備協議的采集網關，基于5G的邊緣數據高速存儲、清洗、分析、控制的物聯網系統，面向生產資源和過程管理的基于工業互聯網平臺架構生產過程管理系統，實現設備產線無人化操作，設備遠程實時監控和控制，生產過程時實管控，質量信息時時反饋；借助邊緣制造系統數據和架構，為后期云銷售、云采購打下夯實基礎。
2.2 賦能傳統儀器儀表企業向服務性制造的轉型升級
以云制造支撐平臺為核心，綜合集成能源管理平臺與用戶管理平臺，幫助儀器儀表企業實現從傳統制造到服務型制造的轉型。在傳統制造過程中，產品制造過程所需的生產性服務性要素在制造和價值創造中的投入增加，成為企業競爭力的關鍵來源。隨著制造價值鏈不斷擴展和延長，儀器儀表制造環節的附加值占比越來越低，研發設計、產品營銷、物流配送、產品使用運維等專業化服務的比重越來越高。為了強化市場競爭優勢，通過在儀器儀表全生命生產過程中不斷融入服務項目，推動產品與服務的融合，建立提供全生命周期活動的制造體系，實現高效、智能、創新的制造新模式。此外，智能儀器儀表制造過程的服務項目也體現在價值鏈支撐環節，如供應鏈管理、市場營銷等基本價值鏈環節，柔性制造、網絡協同制造、智能制造等創新生產模式的發展給制造企業的價值鏈長度與業務范圍帶來更多選擇，通過云制造系統的建立，產品生產廠家可以采用一體化或者市場化的方式實現內部生產性服務的效率提升。
2.3 打通線上線下，協同供應鏈上下游資源，實現儀器儀表企業運營模式創新通過基于云制造的儀器儀表智能工廠新模式實施，結合智能水、燃氣表聯網功能，能夠方便實現終端產品聯網上云，集成能源管理系統，充分實現以能源數據為依據的能源消耗評價體系，用戶單位計量考核，減少能源管理的成本，提高能源管理的效率。同時，通過對儀器儀表產品運行數據的收集分析，及時了解真實的能耗情況和提出節能降耗的技術和管理措施，向能源管理要效益。另一方面，通過云端集中采集的用戶數據，通過大數據分析，跟蹤用戶能耗使用情況，并對數據實現分析，讓數據成為資產，真正發揮數據價值。也為儀器儀表生產廠家理解客戶需求，掌握產品特性，精準開發新產品實現創新迭代，按訂單銷售個性化定制產品提供了有力支持。
3、新模式應用價值及效果
3.1 新模式應用價值
3.1.1 實現傳統的“生產型制造”向“服務型制造”轉變，催生“產品+服務”新商業模式
我國儀器儀表制造企業大多數處于手工作業為主、輔以少量自動化設備生產，在工業互聯網、大數據、物聯網、云計算、5G通信等熱潮下，中國的儀器儀表市場已經進入了充分競爭階段，儀器儀表產品本身的智能化和制造過程的智能化已是不可逆轉的發展趨勢。以用戶平臺、服務平臺、管理平臺、傳感網絡平臺、感知控制平臺為基礎，實現智能儀表及其運行體系的智能計量、智能管理、智能閥控、信息安全、實時遠程監控、網絡預警等功能，實現智能儀器儀表的研發、設計、制造、銷售和維護服務的全生命周期管理服務，改變了傳統單一“產品銷售”盈利模式，催生“產品+服務”的新商業模式。
3.1.2 助力儀器儀表行業打造智能工廠、云制造工廠、無人工廠
針對儀器儀表行業共性問題，基于工業互聯網平臺架構及云制造支撐系統，融合應用工業互聯網、大數據、物聯網、云計算、5G通信、標識解析、數字孿生、人工智能、智能視覺等新技術，形成五域(感知控制、傳感網絡、管理、服務、用戶)三體系(信息體系、物理體系、功能體系)一平臺(云制造支撐平臺)的整體解決方案，技術水平領先；探索出了儀器儀表典型代表產品智能燃氣表、水表、電表等，依托線上線下相結合的商業推廣模式，“行業龍頭企業+專業解決方案供應商”聯合攻關形成典型案例和標桿，然后再向行業復制推廣的創新模式。領先的技術水平和創新的推廣應用模式，可以實現儀器儀表行業的柔性制造、智能制造、智能服務等相關場景有效應用，能夠為儀器儀表行業提供可復制、普適性的智能化轉型解決方案。
3.1.3 新模式可用于儀器儀表行業多個典型智能化場景
新模式以儀器儀表生產過程與生產企業為研究對象，以工業互聯網平臺及云制造支撐系統為核心，輸出覆蓋儀器儀表全業務鏈、全要素的整體解決方案產品。本新模式可以應用于儀器儀表企業的多個智能制造典型場景：基于精益生產的整廠規劃與仿真，基于數字孿生的現場監測，基于機器視覺、5G等技術研發專業設備解決智能生產問題，基于邊緣網關與5G技術的設備層數據集成與處理，基于云平臺與“腦艙室站金”實現云制造模式。本新模式可有效促進儀器儀表行業的工藝創新、制造水平的提高、產品的智能化水平提升，提高國產儀器儀表的技術指標、性能參數，提高精度、穩定性和可靠性。
3.2 新模式應用效果
通過項目實施，完成行業內首個燃氣表智能化生產車間建設及首個智能水表智能化生產車間，實現了智能水表及燃氣表的全流程自動化生產、制造現場設備數據集成與實時監控、制造質量一致性保障及提升、健全產品正反向追溯鏈，實現了基于云制造支撐系統覆蓋全業務鏈系統的云化部署以及對外部客戶能源管理與服務平臺的對接集成。
制造過程實現由大規模的人工焊接、人工裝配向全自動化、智能化生產方式轉變；采用機器人及自動化設備實現生產過程全自動化，生產過程實現實時控制，故障預警和過程可視化，減少意外停機；使用在線檢測技術實現工序在線檢測，成品在線檢測以及檢測數據自動上傳，依據實時采集的過程數據，建立產品質量追溯系統，達到降低產品不良率；通過與現有的MES系統對接，實現需求對接，多品種(DN15/DN20/DN25)混合排產的柔性化管理，達到降低運營成本；通過設備互聯互通，采集生產進度，設備狀態等現場信息，建立生產過程數據庫，提高生產效率；通過 ERP、PLM、MES 等信息化系統整合，實現經營管理決策的智能優化，最終實現上述經營績效指標的全面提升。
通過項目建設取得了整體優化等效果主要表現在效率提升、質量提升、成本降低三個方面。其中產能提升32%，在同等產能狀況下單條自動化線相對手工作業雙班可節約人力98人，人員成本按7.2萬/年/人，合計1條自動化線比現手工線可實現雙班節省人工成本支出 705.6萬/年/線。
4、總結和展望
本文通過對儀器儀表行業存在的產品工藝、制造技術、生產模式等共性問題分析，研究了行業通用化、可復制的基于云制造的智能工廠新模式，形成1平臺(云制造平臺系統)+2基礎(感知控制、傳感網絡)+2延伸(協同延伸、服務延伸)+3模式(智能制造、協同制造、智能服務)的云制造整體解決方案。未來，將打造基于云制造的儀器儀表智能工廠系統解決方案庫，以模塊化、標準化解決方案和定制化解決方案為主線，重點推進一批區域性試點示范，樹立通過工業互聯網平臺獲取基于云制造的儀器儀表智能工廠系統解決方案，助力企業解決問題的典型案例和標桿。
作者：劉剛、鄧劼、景凱 、曾鳴、劉波濤、賴冬
