仪器仪表行业是国民经济的重点产业，关系到国防、民生等安全，随着“以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进”新发展格局逐步形成，仪器仪表正在逐步推进国产替代，迎来了新的发展机遇。随着智能制造、智慧水务、智慧燃气、智慧交通、智慧医疗等重点方向的快速发展，仪器仪表向智能化、高端化升级已是不可逆的趋势，传统生产工艺、制造技术和模式已经无法满足仪器仪表智能化和高性能的需求，行业亟需进行智能化转型升级。
面对压力和机遇，为解决仪器仪表行业存在的产品工艺、制造技术、生产模式等共性问题，基于工业互联网平台架构及云制造支撑系统，通过机器视觉、人工智能、机器学习、5G、数字孪生、大数据等新技术的融合应用，解决仪器仪表产品的可靠性、稳定性、智能化需求，以及制造管理过程中广泛存在的制造效率低、劳动密集、管理难度大、管理成本高、质量一致性差、追溯困难、工艺与管理协同性差等相关问题，形成行业解决方案，推动仪器仪表制造企业的智能化转型升级，实现智能工厂、云制造工厂、无人工厂的建设。
1、新模式解决方案研究
工业云制造是基于工业互联网，在新一代人工智能技术引领下，借助新智能科学技术、新制造科学技术、新信息通信科学技术及新制造应用领域专业技术等4类新技术深度融合的数字化、网络化、云化、智能化技术新手段，构成以用户为中心的统一经营的新智能制造资源、产品与能力的服务云(网)，使用户通过新智能终端及新智能制造服务平台便能随时随地按需获取新智能制造资源、产品与能力服务，进而优质、高效完成制造全生命周期的各类活动。
以云制造支撑平台为核心，纵向向下应用5G技术及边缘网关工具与平台进行设备层的数据接入、清洗、存储与应用，并进行深层次车间层面智能工厂规划、智能生产设备、智能检测设备、智能仓储设备、智能物流设备等设备的新型技术与应用开发并提供成套制造模组解决方案；纵向向上基于云制造支撑系统环境，进行企业全业务链管理与应用系统的数据接入与管理场景支撑，实现仪器仪表行业柔性制造、智能制造等相关场景的有效应用；同时基于服务延伸平台横向集成上游设计研发资源、供应商资源及下游客户能源管理平台、用户管理平台等服务资源系统，实现供应商、平台、工厂、用户、服务等供应链全要素的端到端集成；并协同全供应链资源、信息、能力，形成1平台(云制造平台系统)+2基础(感知控制、传感网络)+2延伸(协同延伸、服务延伸)+3模式(智能制造、协同制造、智能服务)的云制造整体解决方案。
1.1 感知控制层解决方案
感知控制层以水表、燃气表等仪器仪表代表性产品工艺为研究对象，基于人工智能、智能机器人、机器视觉、机器学习等相关技术，进行仪器仪表先进制造技术的研究与应用，输出全自动仪器仪表生产线成套装备、智能物流成套装备以及智能仓储成套装备等基础层自动化解决方案。成熟产品主要包含水表组装自动化生产线解决方案、燃气表组装自动化生产线解决方案、机芯自动化生产线解决方案、智能物流解决方案以及智能仓储解决方案。
基于成熟的基础层自动化线体，通过底层 PLC 模块、控制化扩展模块感知设备、环境、产线的数据，并将感知的数据与 SCADA 系统进行对接，进行信息的分级识别，控制生产线的设备进行智能生产。设备通过DNC系统、SCADA系统进行数据交互，接收MES指令让PLC进行控制设备，使设备按照系统下达的生产指令进行生产。将产线的设备运行状态、生产数据、工艺执行、质量情况等生产过程实时数据通过传感网络传输给MES系统进行数据分析与处理，整个过程自动控制，信息运行形成闭环，设备、生产和质量信息实时反馈。
1.2 传感网络层解决方案
传感网络层是将感知控制层中的设备设施、机器人、智能检测设备、智能生产线、仓储系统、物流系统等所有的数据与信息集成上传到管理平台，它是一个安全有效的数据传输通道，由网管系统、网关、5G、无线通信、工业总线等组成。
方案中创新性应用了5G技术以及边缘网关、数据采集平台等实现传感网络层的数据采集、接入、传输与集成。支持主流工业现场通信协议的通信互联，支持工业现场总线、有线网络、无线网络的通信互联，支持“云计算+边缘计算”的混合数据计算模式。
1.3 云制造支撑平台解决方案
云制造支撑平台以工业互联网平台为基础，以云制造支撑系统为运行环境，综合集成基于数字双胞胎的业务智能协同(包括CPLM、CAPP、ERP、MES等)及基于分布式存储的数据智能协同(数据接入、清洗、存储、调用)两大模块，向下对接基础层与传输层集成数据与业务，向上通过API为各类管理场景提供对应支撑，并以云制造平台支撑系统强大的集成能力，实现企业上游供应链资源与下游客户服务的深度集成，实现以全供应链为对象的能力共享、信息互通云制造模式。
1.4 管理层解决方案
管理层基于云制造支撑平台层的相关业务与数据，综合集成PLM、CAPP、ERP、MES、WMS等相关管理系统，对仪器仪表企业产品全生命周期过程中的管理与服务进行支撑，形成智能制造、协同制造以及智能服务三种成熟的管理与制造模式，支撑企业全面的数字化转型与精准的数字化管理。
智能制造模式：智能制造模式集成制造现场自动化及智能装备相关传感设施，基于传感网络层数据采集、数据清洗、数据存储与基于API的场景集成与调用，实现产品制造全流程的过程透明化管理、设备状态实时监控、设备故障预测性维护、质量状态在线监控与预警、全制造链正反向追溯等相关智能化制造管理场景；同时基于企业业务链相关信息系统(PLM、CAPP、ERP、MES、WMS等相关软件)的数据与业务集成，时间覆盖企业全业务链的智能化管理模式。
协同制造模式：协同制造模式是基于云制造的仪器仪表智能工厂系统解决方案产品基于仪器仪表多工厂、多实体、异地制造、集团化管理等相关现状提炼的基于智能制造管理模式的创新模式，该模式基于仪器仪表制造BOM物料存储与拣配、部件协同制造、多厂管理等需求，应用云平台支撑系统相关异构数据与开源API，实现工厂内外部的资源、制造过程、管理过程进行协同化的管理。主要场景包含基于个性化定制的柔性制造、多工序柔性协同制造等相关应用场景。
智能服务模式：智能服务模式是基于云制造的仪器仪表智能工厂系统解决方案产品的重要应用创新点，该模式基于云制造支撑平台内部生产制造数据的集成，对内基于物料编码与条码、二维码、RFID等相关载体进行制造全过程的信息绑定与集成，同时基于以客户定制标准的成品码与制造码的绑定，实现内外部的全生命周期追溯。基于内外部追溯体系，集成对接用户平台与服务平台，实现对客户的增值服务延伸与赋能，具体包括有：产品增值服务、产品状态监控、产品数据接入等相关应用场景。
1.5 用户层解决方案
用户层分为对内与对外两层架构，对内针对车间管理人员使用的PC终端、专用PDA、移动手机等物理设备提供所需的数据和信息，便于车间管理人员进行生产调整和优化，实现高效管理。对外针对企业用户与终端用户，通过物联网技术进行终端设备的数据采集、监控与集成，并通过物联网技术对数据进行分类管理与实时传输，支撑企业用户的用能分析与异构云平台的接入集成，同时支撑终端用户的APP用能分析等相关场景。
2、新模式创新性分析
2.1 基于云制造模式实现仪器仪表企业生产制造的模式创新基于仪器仪表细分行业面临的生产自动化低，招工难；设备协议多且复杂，数据采集困难；设备控制及时性差，设备维护困难且周期长；生产不透明，产品交期无法保障，无法满足客户质量追溯需求等问题。为满足生产透明化、设备可控化以及销售、采购云协同，打造智能工厂目标，基于云制造建设理论，引入边缘制造系统，建设仪器仪表全流程自动化生产线，兼并多设备协议的采集网关，基于5G的边缘数据高速存储、清洗、分析、控制的物联网系统，面向生产资源和过程管理的基于工业互联网平台架构生产过程管理系统，实现设备产线无人化操作，设备远程实时监控和控制，生产过程时实管控，质量信息时时反馈；借助边缘制造系统数据和架构，为后期云销售、云采购打下夯实基础。
2.2 赋能传统仪器仪表企业向服务性制造的转型升级
以云制造支撑平台为核心，综合集成能源管理平台与用户管理平台，帮助仪器仪表企业实现从传统制造到服务型制造的转型。在传统制造过程中，产品制造过程所需的生产性服务性要素在制造和价值创造中的投入增加，成为企业竞争力的关键来源。随着制造价值链不断扩展和延长，仪器仪表制造环节的附加值占比越来越低，研发设计、产品营销、物流配送、产品使用运维等专业化服务的比重越来越高。为了强化市场竞争优势，通过在仪器仪表全生命生产过程中不断融入服务项目，推动产品与服务的融合，建立提供全生命周期活动的制造体系，实现高效、智能、创新的制造新模式。此外，智能仪器仪表制造过程的服务项目也体现在价值链支撑环节，如供应链管理、市场营销等基本价值链环节，柔性制造、网络协同制造、智能制造等创新生产模式的发展给制造企业的价值链长度与业务范围带来更多选择，通过云制造系统的建立，产品生产厂家可以采用一体化或者市场化的方式实现内部生产性服务的效率提升。
2.3 打通线上线下，协同供应链上下游资源，实现仪器仪表企业运营模式创新通过基于云制造的仪器仪表智能工厂新模式实施，结合智能水、燃气表联网功能，能够方便实现终端产品联网上云，集成能源管理系统，充分实现以能源数据为依据的能源消耗评价体系，用户单位计量考核，减少能源管理的成本，提高能源管理的效率。同时，通过对仪器仪表产品运行数据的收集分析，及时了解真实的能耗情况和提出节能降耗的技术和管理措施，向能源管理要效益。另一方面，通过云端集中采集的用户数据，通过大数据分析，跟踪用户能耗使用情况，并对数据实现分析，让数据成为资产，真正发挥数据价值。也为仪器仪表生产厂家理解客户需求，掌握产品特性，精准开发新产品实现创新迭代，按订单销售个性化定制产品提供了有力支持。
3、新模式应用价值及效果
3.1 新模式应用价值
3.1.1 实现传统的“生产型制造”向“服务型制造”转变，催生“产品+服务”新商业模式
我国仪器仪表制造企业大多数处于手工作业为主、辅以少量自动化设备生产，在工业互联网、大数据、物联网、云计算、5G通信等热潮下，中国的仪器仪表市场已经进入了充分竞争阶段，仪器仪表产品本身的智能化和制造过程的智能化已是不可逆转的发展趋势。以用户平台、服务平台、管理平台、传感网络平台、感知控制平台为基础，实现智能仪表及其运行体系的智能计量、智能管理、智能阀控、信息安全、实时远程监控、网络预警等功能，实现智能仪器仪表的研发、设计、制造、销售和维护服务的全生命周期管理服务，改变了传统单一“产品销售”盈利模式，催生“产品+服务”的新商业模式。
3.1.2 助力仪器仪表行业打造智能工厂、云制造工厂、无人工厂
针对仪器仪表行业共性问题，基于工业互联网平台架构及云制造支撑系统，融合应用工业互联网、大数据、物联网、云计算、5G通信、标识解析、数字孪生、人工智能、智能视觉等新技术，形成五域(感知控制、传感网络、管理、服务、用户)三体系(信息体系、物理体系、功能体系)一平台(云制造支撑平台)的整体解决方案，技术水平领先；探索出了仪器仪表典型代表产品智能燃气表、水表、电表等，依托线上线下相结合的商业推广模式，“行业龙头企业+专业解决方案供应商”联合攻关形成典型案例和标杆，然后再向行业复制推广的创新模式。领先的技术水平和创新的推广应用模式，可以实现仪器仪表行业的柔性制造、智能制造、智能服务等相关场景有效应用，能够为仪器仪表行业提供可复制、普适性的智能化转型解决方案。
3.1.3 新模式可用于仪器仪表行业多个典型智能化场景
新模式以仪器仪表生产过程与生产企业为研究对象，以工业互联网平台及云制造支撑系统为核心，输出覆盖仪器仪表全业务链、全要素的整体解决方案产品。本新模式可以应用于仪器仪表企业的多个智能制造典型场景：基于精益生产的整厂规划与仿真，基于数字孪生的现场监测，基于机器视觉、5G等技术研发专业设备解决智能生产问题，基于边缘网关与5G技术的设备层数据集成与处理，基于云平台与“脑舱室站金”实现云制造模式。本新模式可有效促进仪器仪表行业的工艺创新、制造水平的提高、产品的智能化水平提升，提高国产仪器仪表的技术指标、性能参数，提高精度、稳定性和可靠性。
3.2 新模式应用效果
通过项目实施，完成行业内首个燃气表智能化生产车间建设及首个智能水表智能化生产车间，实现了智能水表及燃气表的全流程自动化生产、制造现场设备数据集成与实时监控、制造质量一致性保障及提升、健全产品正反向追溯链，实现了基于云制造支撑系统覆盖全业务链系统的云化部署以及对外部客户能源管理与服务平台的对接集成。
制造过程实现由大规模的人工焊接、人工装配向全自动化、智能化生产方式转变；采用机器人及自动化设备实现生产过程全自动化，生产过程实现实时控制，故障预警和过程可视化，减少意外停机；使用在线检测技术实现工序在线检测，成品在线检测以及检测数据自动上传，依据实时采集的过程数据，建立产品质量追溯系统，达到降低产品不良率；通过与现有的MES系统对接，实现需求对接，多品种(DN15/DN20/DN25)混合排产的柔性化管理，达到降低运营成本；通过设备互联互通，采集生产进度，设备状态等现场信息，建立生产过程数据库，提高生产效率；通过 ERP、PLM、MES 等信息化系统整合，实现经营管理决策的智能优化，最终实现上述经营绩效指标的全面提升。
通过项目建设取得了整体优化等效果主要表现在效率提升、质量提升、成本降低三个方面。其中产能提升32%，在同等产能状况下单条自动化线相对手工作业双班可节约人力98人，人员成本按7.2万/年/人，合计1条自动化线比现手工线可实现双班节省人工成本支出 705.6万/年/线。
4、总结和展望
本文通过对仪器仪表行业存在的产品工艺、制造技术、生产模式等共性问题分析，研究了行业通用化、可复制的基于云制造的智能工厂新模式，形成1平台(云制造平台系统)+2基础(感知控制、传感网络)+2延伸(协同延伸、服务延伸)+3模式(智能制造、协同制造、智能服务)的云制造整体解决方案。未来，将打造基于云制造的仪器仪表智能工厂系统解决方案库，以模块化、标准化解决方案和定制化解决方案为主线，重点推进一批区域性试点示范，树立通过工业互联网平台获取基于云制造的仪器仪表智能工厂系统解决方案，助力企业解决问题的典型案例和标杆。
作者：刘刚、邓劼、景凯 、曾鸣、刘波涛、赖冬
