Mar 13,2018

面向可重构和微服务的 可穿戴产品智慧工厂

歌尔股份有限公司成立于2001年,2008年5月深圳证券交易所上市,股票代码002241,是国家重点高新技术企业、国家技术创新示范企业,是虚拟现实与智能硬件领域全球领先企业。

     2016年9月,工业和信息化部、国家发改委联合印发《智能硬件产业创新发展专项行动(2016-2018年)》(以下简称《专项行动》)。《专项行动》特别提到“提升高端智能硬件产品有效供给”,支持企业面向消费者运动、娱乐、社交等需求,加快智能手表、智能手环、智能服饰、HMD等穿戴设备的研发和产业化,提升产品功能、性能及工业设计水平,推动产品向工艺精良、功能丰富、数据准确、性能可靠、操作便利、节能环保的方向发展。在国家积极推动制造业转型升级关键时期,歌尔可穿戴产品智慧工厂的建设将成为行业发展的基石。在满足企业自身发展需要的同时,本项目的实施具有积极的行业示范、引领、推动国内经济转型等重大意义。


一、项目概况
1.   项目背景
智能可穿戴产品未来将保持30%左右的高速增长,然而整体制造能力不能满足行业高速增长、变化快的要求。消费者对于产品的外观、功能和售后定制服务提出了更多复杂的需求,大批量生产的产品趋同已不能适应消费升级的需求。成本压力大、招工困难给可持续发展带来严峻挑战。升级现有制造模式,打造柔性化、数字化和智能化的生产体系适应消费者个性化日益提升的需求以及市场快速变化的趋势尤为迫切。
2. 项目简介
本项目面向离散型智能制造和大规模个性化定制,建立了包含头戴式显示器(HMD)、智能手表、智能手环等可穿戴产品智慧工厂软硬件协同解决方案,包含七条产线改造、两套系统、两大平台和三套标准/规范草案。
3. 项目目标
本项目重点基于虚拟现实及其交互腕带类产品产线改造优化,建立一套面向可穿戴产品的智慧工厂软硬件解决方案,包括七条产线改造优化,其中四条HMD产线、一条智能手表产线、两条智能手环产线;两套系统部署,包括一套自动仓储系统、一套能源控制系统;两大平台建设,包括一套3D虚拟工厂仿真平台和一套大数据聚合云平台;三套标准/草案的形成,包括一套制造服务标准草案、一套智能可穿戴检测标准、一套智慧工厂建设实施规范草案。标准化组件通过重构一方面可面向同行业实现部署和服务,另一方面可面向个人消费者提供定制微服务。


二、项目实施概况
1. 项目总体架构和主要内容
歌尔参考工业互联网体系架构,制定了工业互联网总体方案,从网络、物理系统、数据、安全和应用5个方面进行了规划,如下图:


图1 歌尔股份智能工厂总体方案
 
Ø  网络包括整体网络架构规划和现场工业网络规划
Ø  物理系统包括装备智能化改造和构建柔性产线
Ø  数据包括信息纵横集成打通、建立虚拟工厂和工业大数据平台
Ø  安全包括网络、设备、控制、数据和应用安全
Ø  应用包括智能化生产和个性化定制

2. 网络互联架构
1)网络互连体系是各类设备、系统的连接与数据集成的基础。网络架构进行扁平化建设,分为企业工业网、企业办公网、企业外部网络三部分,每部分通过防火墙进行互联安全隔离。工业网线体之间采用防火墙(带VPN功能)隔离,减少相互之间通讯冲突,产线的独立调试运维、复制、快速部署。AGV、PDA、传感器(温度/湿度等)通过工业WIFI技术进行海量接入,进行性能参数的数据采集,以及实时控制。智能穿戴产品通过运营商的3G、4G网络实现海量智能穿戴产品的接入,通过云平台进行数据采集,支撑信息化系统的建设。

图2 歌尔股份网络方案规划图
 
2) 网络应用支撑体系分为厂外工业云和工厂云,PLM/ERP/MES/WM等IT系统部署在工厂云,电商平台、CRM、消费数据分析部署在厂外工业云,提供面向客户、终端用户的服务。
3. 数据架构和应用
1)依托智能设备、网络和集成技术,实现设备、系统的连接与数据集成。数据集成遵循单一数据来源的原则,基于标准数据模型,实现产品研发&工艺规划(PLM)、企业资源计划(ERP)和制造运营(MOM)的数据高效协同与集成,基于先进传感和PLC技术,实现制造运营与可穿戴自动化产线(装配设备、检测设备、物流设备等)的数据闭环。
2)基于信息流的集成,通过建模仿真技术建立虚拟工厂,指导物理工厂。歌尔工业互联网平台是以全数字化集成的软件系统为核心,具有“全面感知、设备互联、数字集成、智能预测”等特点的制造平台,虚即虚拟工厂的模拟生产,实即实体工厂的产线运行。实体工厂的产线、设备等资源通过先进传感技术等,实现全面状态感知和数据采集。通过实体工厂与虚拟工厂互联互通,实现实体物理制造过程和资源的虚拟映像,完整模拟从需求到产品、从订单到交付的物理制造全过程,“虚”能够指导“实”的建立,“实”为“虚”提供准确验证。
如下图,虚拟工厂主体要素包含以下几个部分:产品/工艺研发、供应链、生产制造三个业务要素。产品/工艺研发业务要素是需求到产品的核心,依据实际的产品需求,通过PLM实现对3D模型、初始BOM的制作及物料主数据和器件库的管理;同时将产品3D模型、BOM及物料主数据传递至仿真平台,通过对设计仿真验证分析,实现对产品设计的优化。使用产品设计图纸、BOM及仿真分析数据,通过工艺管理平台进行工艺设计和仿真,并输出工艺文件传递至PLM与ERP。研发设计及工艺设计过程中,通过仿真平台实现力学、射频、热分析、气密性、胶水粘胶/脱胶等产品仿真,装配公差、装配干涉分析等工艺仿真,为产品提供虚拟数据依据。

图3 歌尔股份虚实协同智慧工厂示意
 
供应链业务要素是订单到交付的核心,依照工艺文件通过PLM实现对产品初始BOM结构化,同步将结构化的BOM数据、物料数据传递至ERP,用于执行物料采购、库存管理、排产管理等。ERP根据产品数据、订单信息及生产计划生成备料计划,并将备料计划传递至WMS,生成仓库作业计划指导物料分拣及产线物料供应,WMS将执行结果反馈到ERP。
制造业务要素是订单到交付的核心,ERP将BOM、生产计划、工艺文件等信息传递至MES,MES与虚拟产线结合,实现对生产过程各个环节的模拟。MES收集并整合生产过程数据,传递至PLM与ERP,实现产品设计与制造过程的优化。
以上三个业务要素的无缝融合,完成产品在虚拟工厂的制造过程模拟,通过模拟不断优化制造过程的瓶颈工序、节拍、物流规划等,对实体工厂的HMD、智能手表、智能手环三类产品生产线改造、提升和优化进行指导。
3)建设工业大数据平台,通过数据分析实现了设计、生产、管理、营销等方面的优化,工业大数据包括企业的经营管理活动和生产制造活动,跟互联网大数据不同,不在于数据的海量,专注于数据的准确、全面、真实、可靠。通过工业大数据的分析和应用,可预测需求和制造、整合产业链和价值链,通过用户价值缺口,发现和管理不可见问题,为用户提供定制化的产品和微服务。鉴于工业大数据在智能制造中的核心地位,歌尔制定了未来三到五年的信息化战略规划,并对企业内的数据分析做了顶层设计,规划了大数据平台,采集B2B领域的工业大数据和B2C领域的互联网大数据。企业对大数据的驾驭和掌控,其核心并不在于拥有多大规模的数据,而在于是否能够对来自于企业内外部多样化信息源的涌流数据进行敏捷持续的捕捉和整合,并通过深度分析开发其商务价值。
图4 歌尔股份大数据蓝图
 
歌尔大数据平台是面向产品研发、生产制造、供应链、财务管理、营销管理、质量管理和战略管理的全方位的工业大数据平台,结合歌尔的实际业务需要,在各业务领域中识别了七个领域亟需且能快速产生价值的应用场景。

4. 安全及可靠性
2016年歌尔通过ISO27001体系认证,遵循体系要求,从14个控制域、35个控制目标、113个控制措施进行了规划和实施,制定了40个流程和制度,并每半年进行一次安全审计,实现了被动查事件到主动抓风险的转变。歌尔工业互联网的安全架构参考ISO27001管理体系的标准,建立信息安全组织和流程。在安全技术架构方面,在物理、设备、网络、控制、应用、数据方面设计了网络隔离、病毒防护、入侵防御等访问控制措施,并将所有信息安全事件进行统一的分析和存储、关联分析和预警,将信息安全事件的处置从事后提前到事中,结合大数据的分析实现事前预警,如下图。

图5 歌尔股份工业互联网安全架构

5. 其他亮点
基于工业互联网平台,未来歌尔主要打造两种应用模式。
(1)智能化生产模式。从生产端切入,基于自主MES系统,通过PLM、ERP、MES、SCADA和可穿戴产品自动化产线的集成,实现产品研发、工艺规划、生产制造和供应链等的高效协同,打造高度柔性化、数字化、智能化的生产模式,如下图。


图6 歌尔股份智能化生产模式
 
(2)个性化定制模式。未来基于与企业客户的协同研发平台,通过SuperBOM构建、电商平台和CRM系统实施实现个性化定制模式。如下图所示。

图7 歌尔股份个性化定制模式


三、下一步实施计划
歌尔工业互联网平台遵循“总体规划、分步实施”的原则进行建设,总体规划即统一顶层设计,充分借鉴工业互联网产业联盟发布的《工业互联网体系架构》,确保顶层设计不会偏离方向;分步实施即问题牵引,从歌尔及行业面临的问题入手,展开总体技术路线和各个系统平台的详细设计,以避免设计、实施与应用脱节,总体计划分三个阶段。
1) 2017.06-2017.12:完成各模块的论证与设计工作
2) 2018.01-2018.12:完成各实验线的建设
3) 2019.01-2019.12:完成智能制造标准体系建设及定制微服务推广


四、项目创新点和实施效果
1. 项目先进性及创新点
1)标准先进性及创新
通过该项目的实施,将形成多个标准体系,可用来指导行业发展。
Ø  制定《可穿戴产品制造服务标准》;
Ø  制定《可穿戴产品智慧工厂建设实施规范》草案;
Ø  制定智能可穿戴产品检测标准草案,包括《虚拟现实头戴式显示设备通用规范》、《头盔显示器舒适度测试方法》、《头盔显示器安全测试方法》、《手势交互系统标准》。
2)技术先进性及创新
Ø  短板装备:突破核心技术、系统集成、填补空白、建立智能可穿戴装备成套生产线;
Ø  虚实协同:通过工厂仿真(车间、产线、工艺等)形成数字化孪生体,实现虚实实时动态映射优化;
Ø  数据融通:工艺平台、供应链平台、MES和自动化设备数据流全融通,订单到客户协同;
Ø  整子抽取:可穿戴产品制造行业基于PROSA的整子抽取与整子网络的建立;
Ø  定制微服务:面向可穿戴产品制造商的整子微服务以及面向消费者大规模个性化定制服务。

2. 实施效果
项目在标准和技术方面的先进性决定了未来的高可成长性,实施成功将为整个消费电子行业树立标杆,同时形成的标准和解决方案面向行业输出,提升我国电子信息行业竞争力。
Ø  经济效益:
可穿戴产品智慧工厂建设项目达产后,将实现年产智能穿戴产品390万只(台)的产能,预计实现年产值近50亿元,年利税近10亿元。预计未来通过个性化定制模式激发市场潜力及解决方案输出拉动全球千亿产值。
Ø  社会效益:
核心短板装备国产化贡献:通过与国际国内核心装备供应商密切合作,打造智能可穿戴产品成套生产线;
产业链上下游辐射:以可穿戴产品带动上游零部件供应商如控制器和下游软件开发商、服务商如PLM和仿真软件,提升产业链整体的智能制造水平,为终端客户提供更优质的个性化定制服务;
竖立标杆、带动行业整体发展:将成为可穿戴行业智慧工厂标杆,形成可重构产线和系统整子,面向行业输出微服务定制解决方案,提升我国电子信息行业竞争力;
人才培养:培养一批智能制造的核心人才队伍。