日本工业价值链参考架构IVRA

《机·智：从数字化车间走向智能制造》读书笔记
作者：朱铎先，赵敏
出版社：机械工业出版社
出版时间：2018-10

1、IVRA

日本“工业价值链参考架构（IVRA-Industrial Value ChainReference Architecture）”是日本版智能制造的顶层架构，该架构同时参考了美国工业互联网联盟的参考框架IIRA和德国工业4.0参考框架RAMI 4.0的内容，从设备、产品、流程、人员的资产视角，质量、成本、交付、环境的管理视角，以及计划、执行、检查、执行的活动视角，组成三维模型，并细分出智能制造单元（SMU），进而提出了智能制造的总体功能模块架构，体现了日本以人为中心、以企业发展为目标，细致而务实的传统思想，形成了日本智能制造的特有范式。

图3-1 日本“工业价值链参考架构（IVRA）”

2、SMU（智能制造单元）

日本工业界普遍认为，智能制造是复杂系统，即“系统的系统（SoS）”，它主要是为了应对产业的多样性和个性化需求，通过通信和联接各种自治的制造单元——如图3-1中的SMU（智能制造单元），可以大幅度提升生产率和整体效率。SMU是构建智能制造大厦的砖瓦，在定位上类似于RAMI 4.0中的“组件”，但是在彼此的通信和联接上，又类似于IIRA中的构建方式，即多个自主SMU互相联接。SMU之间的联接既可以在一家企业内部实现，也可以在企业之间实现。

理解了SMU，就理解了工业价值链中的核心要素。SMU可从资产视图、活动视图和管理视图这三个视角来发现问题、确定问题和解决问题。

1）SMU资产视图展示了制造企业有价值的资产，任何活动的对象都可以被称作资产。

资产分为四大类：

人员资产——人员是企业的宝贵资产。工人在物理世界生产产品，不管其职务是否是管理者，人员都会做决定并给其他人下达指示。
流程资产——制造现场具有宝贵的操作知识，如生产流程、方法和技能。这些生产流程中的知识也是制造资产。
产品资产——制造出的产品和生产中消耗的材料都是资产。最终成为产品一部分的零部件和装配件同样也是产品资产。
设备资产——用于制造产品的设备、机器和装置统称为设备资产。操作设备所需要的物件如夹具、工具和辅料也属于设备资产。

2）SMU活动视图包含了各类人员和设备在物理世界制造现场从事活动、创造价值的成果。

可将这些活动看作一个连续的动态循环，不管一项活动的目的和对象如何，活动视图都是四种基本活动（PDCA）循环的组成部分，即“计划”、“执行”、“检查”和“处置”。

计划——是指编制需要在规定期限或规定时间内完成的工作清单。同时确定行为目标以完成SMU既定任务或目标。
执行——是在物理世界工作现场从事具体活动努力达到某一目标。它可以基于现有目标创建新的资产或更改现有资产的状态。
检查——用于检验计划活动设立的目标是否达成的基本活动。采用分析测量或检测方法确定物理世界是否因执行活动而改变，并在没有实现目标时调查原因。
处置——以检查结果为基础，旨在改变SMU本身体系结构，以补齐当前条件差距，即通过定义理想状态和目标问题修复的任务来提升SMU功能。

3）SMU管理视图展示了资产和活动应关注质量、成本、交付和环境四个方面的管理目的和指标。

视图中的每一个方面都可以独立管理，以及最终是否进行了整体优化。

质量——检测SMU提供的产品或服务性能是否满足客户或外部世界要求。可以讨论各种质量改进方式，如与客户价值有直接关系的产品质量，与产品或服务相关联设备的质量，以及所有与人和方法有关的质量。
成本——检测因SMU提供某种产品或服务而直接和间接花费的财务资源及物品开销的总和。成本的概念包括转变成产品的耗材、为操作设备投入的服务、能耗和维持管理设备的间接财务资源及物品开销。
交付——检测SMU客户要求的产品何时、何地、以何种方式交付到客户手中的准确率指标。对每位客户都应该做到以最优方式交付。
环境——检测SMU与环境协调时，相关活动是否给环境造成过量负担，维持环保的、友好的环境及邻里关系。包括检测有毒物质排放和二氧化碳排放，优化能耗。

图3-2 IVRA中的一般功能模块（GFB）

3、功能模块（GFB）

如何针对一个企业来构建其智能制造模型？从整个制造业角度来看，其实在任何一个企业我们都可以可观察到有若干职能部门在执行若干活动。在企业内部，有需求就有供应，有工程就有知识，因此当“需求/供应流”与“知识/工程流”有交汇时，就可以定义各个层级的相关职能部门，并根据企业的实际运作流程，赋予不同层级具有相应的活动类型和工艺范围。于是，通过“知识/工程流”、“需求/供应流”和“组织层级”这三个维度的交叉，就可以从整体上来对一个企业的智能制造进行建模，构成一个一般功能模块（GFB）的组成部分，参见图3-2。

一个SMU相当于一个或多个GFB，也可对应全部的GFB。这个GFB非常类似RAMI4.0中的由若干不同组件构成的“管理区块”。

工程/知识流：工程/知识流包括了营销和设计、建造和实施、制造执行、维护和维修、研发五类设计资料和工程资料。这些知识需要流动起来，以便各层级人员随时获取。
需求/供应流：需供流是包含多个企业的价值链，包含了总体规划、材料采购、制造执行、销售物流、售后服务五大功能要素。其中材料转化为最终产品，交付给最终客户。

4、赛博映射

有了SMU和GFB，如何构建智能制造模型？我们要尝试把已知的物理模型数字化，并且映射、分派到赛博世界中。

如果按照上述定义来构建一个系统，它能在正确的时间、正确的地点以适当方式提供所需物理信息，物理信息和数据在赛博世界彼此映射、相互关联，SMU内部与人员、实物、行动有关的活动全部有效联接在一起，使数字化内容能在需要的时间和地点进行传输，那么这个系统就是智能制造系统。