如何建设基于智能制造的「可持续制造」模式?

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保护环境是全人类共同的责任,创造可持续发展的新型经济模式是全社会共同关注的热点。碳中和、碳达峰的环保目标,给制造业制定了新的发展方向——可持续制造。

美国经济合作与发展组织(OECD)在一份报告中提出了可持续制造(Sustainable Manufacturing)的理念,并将可持续制造定义为「以对环境和社会负责的方式」管理制造业务的能力。

OECD围绕这套理论构建了一系列标准和程序,而推动可持续制造模式的发展,还需要更加科学的评估方法,帮助制造企业权衡取舍,构建可持续制造体系。

作者|KC Morris

编译|齐健

新冠疫情的爆发凸显了制造业在现代社会中所扮演的重要角色。制造业不仅可以提供保障生活的必需品(食物、日用品、交通、住房),同样也可以提高我们的生活质量。随着社会的发展,人们正在研发更多新型高效制造技术,并以此创造出令人惊叹的产品。但在产品生产的过程中,对环境也会产生一些副作用,因此制造业需要更加重视生产系统管理,降低对环境的负面影响。

经济合作与发展组织(OECD)在一份报告中给出了可持续制造(Sustainable Manufacturing)的定义,可持续制造业是指「以对环境和社会负责的方式」管理制造业务的能力。OECD围绕这套理论构建了一系列标准和程序,但其中很多只触及了表面,我们需要更加科学的评估方法,帮助制造企业权衡取舍,构建可持续制造体系。

毫无疑问,可持续制造需要投入很大的关注,否则整个流程必将是一团乱麻,需要更多参考相关的环境法规,这也是实现可持续发展的关键所在。

保护环境的同时,利用可持续制造也能够使生产流程降本增效,给制造企业带来相应的切实的利益。此外,越来越多的客户和投资人开始关注制造业的社会责任,这也为可持续制造的发展提供了动力。长期以来,数据驱动可持续制造的落地,对于制造企业相对困难,尤其是对那些专注制造,而产品设计能力较弱的中小企业来说。

没有哪种解决方案可以适应所有行业,在提高可持续制造性能的过程中,每个制造企业都是独一无二的。即使是在不同工厂中拥有数条同类生产线的大型制造商,也难以在不同工厂之间直接复用生产经验。每种情况都需要根据工厂的特点与知识库进行定制。

在可持续制造模式的发展过程中,一些早期的标准化工作侧重于管理视角,以帮助企业制定更好的规划,以管理制造设施和其他资源,但这些工作没有解决制造业的核心问题,即将原材料转化为新产品。

制造企业需要一种系统的方法来深入挖掘其运营模式,以找到自己的可持续发展模式。从2015年6月到2016年3月,美国国家标准技术研究所(NIST)举行了一系列行业圆桌会议,并审查了已发表的文献,以更好地研究如何衡量制造流程以及改进需求。作为美国国家标准技术研究所(NIST)的研究人员,研究的方向是制定科学的评估标准,以帮助制造商改进其核心功能,而核心功能是通过制造流程完成的,然而在研究的过程中,唯一得到的结论是:可持续制造领域几乎不存在标准。

「制造过程」一词本身是一个抽象的概念,指的是许多不同类型的过程,每个过程都是独一无二的。我们面临的挑战是创建标准的方法,以有用的方式适用于所有这些流程。我们希望这些标准与新兴技术兼容,以便将模型与新兴的通信、人工智能和其他工具(智能制造)无缝集成。

我们采取的研究方法是对信息技术应用于制造流程的描述或表征的标准进行定义。通过提供描述制造过程的标准方法,我们使这些描述能够自动应用于制造过程中,以适用于更多的行业,实现制造过程中的各种目的。其中,所有的模型都以单元制造过程模型(UMP)的标准形式构建。

一 UMP模型:跨过「蓝图」时代

单元制造过程模型(Unit Manufacturing Process,UMP)是指产品或建筑设计在制造过程中的蓝图。「蓝图」最早应用于19世纪40年代,是以蓝色墨水为底的图纸。其功能是准确复制技术图纸,以便更广泛地共享信息。多年来,随着标准化设计越来越完善,设计阶段可以绘制出多种多样的准确的工程图样。

跨入数字时代以后,设计过程中产生了比标准蓝图所能体现的更多的设计数据。随之产生了计算机辅助设计(CAD),CAD系统被用作三维模型来生成这些图纸。代表这些模型的标准提供了一个信息丰富的主线,3D模型在虚拟空间中被「附加」到该主线中。例如,产品模型数据ISO 10303(又名STEP)标准定义了一个复杂的信息阵列,可以将数字3D表达与产品信息的各种其他视角联系起来,例如PLM及用于整合整个组织数据的其他企业系统中。

来自物理世界的制造过程通过基于图中突出显示的ASTM E3012标准的过程模型在虚拟世界中表示。这些模型可用于相关流程的通信、流程性能优化、流程模拟和生命周期影响估计。B. Bernstein/NIST。

到目前为止,尚无此类表达制造过程的格式。从2013年开始,NIST与标准开发组织ASTM的E60可持续性委员会合作,成立了一个可持续制造业小组委员会——E60.13,引入了一套建模制造流程的标准——UMP模型。2020年,第一批标准集《制造过程环境特征标准指南》(E3012)发布,该标准由Bill Bernstein(NIST)领导定制。

该标准描述了UMP格式。基于最先进的信息技术,UMP模型的设计初衷是集成到智能制造企业,用于收集有关流程的数据,建立知识库,以便于分享这些知识。新型制造流程蓝图不仅是一种通信手段,也是制造流程中的数字模型。它们可以自动评估制造流程的性能,也可以与其他流程模型共同套用在制造流程中,以评估其中的潜在价值和问题。

UMP模型为制造商提供了一种统一而精确的方法来描述其过程,从而实现了:

  • 可靠和可存档的流程通信模式。
  • 建立绩效基线的一种手段。
  • 加速制造流程模拟。
  • 用于制造过程进行环境影响评估的机制。
  • 在分析竞争目标(如制造速度和能源和材料等资源使用),并对其进行权衡取舍时,做出明智的决定。

二 可持续性:找到环保与生产的平衡点

虽然目前尚无法实现全面的可持续制造,但建立相关的标准化是这项工作的起点。有了这些基本的评价体系,制造商和研究人员可以尝试更强的流程把控能力,这将使他们能够更好地控制制造过程,并使他们能够在决策过程中做出更明智的选择。随着ASTM项目标准化工作的开展,可以扩展这些标准,以在定义方面提供更强的能力和更高的精度。

制造业及其供应链对美国环境影响的贡献。该数据显示,在美国76.6%的环境排放来自制造业,其中17%直接归因于制造流程。其余由采矿、公用事业、建筑和农业等上下游产业产生。美国能源管理局预测,到2050年,包括制造流程在内的工业部门的排放量将增加26%,而其他高产部门的排放量将保持稳定或下降。D. Thomas/NIST Manufacturing Cost Guide Tool。

UMP模型的初始组成部分,即「制造过程环境特征标准指南」,并不是一成不变的。模型中收集的知识必须来自多个维度,从专业主题开始,与成型的工程设计和分析应用程序集成。单个UMP模型通过计算表达,集成制造过程的复杂性。同样,它包括数据驱动的研发工作,即对该过程的实证研究。ASTM标准中还记录了对完善的UMP表达至关重要的两个方面——流程改进规划和关键绩效指标:

  • 建立工艺改进项目:《制造工艺可持续性环境方面评估标准指南》(ASTM标准2986),指导制造商推动性能改进工作,包括目标设定、流程识别和使用最先进的排产-流程检查-制造执行,并制定相应的改进计划。该项目由Paul Witherell(NIST)领导。
  • 选择关键绩效指标:可持续制造的目标是平衡环境保护与生产制造之间的矛盾。减少环境影响需要与企业的运营能力、经济和绩效目标共同考虑。《制造过程环境方面关键绩效指标的定义、选择和组织标准指南》(ASTM标准E3096),为如何在企业内部统筹决策,制定合理的可持续发展方案提供了指导。该标准指导制造企业通过综合考虑多种观点,制定符合企业特点的评价标准,从而推进特定流程的项目改进措施,并加速改革落地。这些指标与流程的UMP模型相关联。这项工作由 Shaw Feng (NIST)领导,Michael Brundage (NIST)支持。

综合考虑这些标准,即可支持制造系统的持续改进过程,并为制造企业制定可持续制造的知识库提供标准化模型。

当然,可持续制造的其他方面对制造企业也很重要。到目前为止,ASTM可持续制造小组委员会已经制定了另外两项标准,以解决可持续制造业的不同方面,并正在研究其他标准。在Doug Thomas (NIST)的领导下,已经启动了两项标准化建设工作,其中包括涉及制造业可持续性考虑因素纳入经济分析的领域,为描述用于产品生命周期分析的制造材料提供了更多工艺定义。

参考链接:https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/sustainable-manufacturing-smart-manufacturing

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