智能工厂规划设计 课件 第1章 绪论

智能工厂规划设计1-绪论01CONTENT工业革命历程及驱动因素第一轮产业革命概述工厂的重要性及发展历程工厂规划设计的重要性与发展历程02030401工业革命历程及驱动因素1.工业革命历程及驱动因素工业革命是人类社会漫长发展进程中非常重要的组成部分每一次工业革命都对人类社会产生了深远的影响，从民主政治、工商经济、多元社会的现代化组合视角来看，工业革命所带来的是深层次的结构变革，而不仅仅是通过高新技术革新引领生产力提升而已。接下来围绕革命的历史背景、技术驱动、产业格局等方面展开介绍。1.1第一次工业革命1.工业革命历程及驱动因素珍妮纺纱机瓦特蒸汽机机器生产工厂第一阶段棉花以及棉纺织产品第二阶段煤炭、钢铁棉布由于其优良性能，在17世纪晚期成为欧洲服饰与家装的重要商品19世纪40年代，棉纺织产品的全球市场发展接近极限，市场竞争激烈，增长乏力全球市场主要围绕煤炭、钢铁这类资本货物展开随着机器生产越来越多，原有的动力如：畜力、水力和风力等已经无法满足需要1785年瓦特制成的改良型蒸汽机，提供了更加便利的动力，推动了机器普及和发展面对市场需求，传统的生产模式无法满足要求，需要新的技术以及组织管理方式“工厂”开始走向历史舞台，某种程度上讲，工厂带来了一个全新的世界，改变了人类生活与全球环境。第二阶段工厂1.2第二次工业革命1.工业革命历程及驱动因素第二次工业革命早期，钢铁已然超越纺织工业成为工业发展的核心。革命性的技创新①发电机的发明使得人类步入电力驱动时代，它不仅带来了照明，还带来了可以更加精准驾驭的动力，电力的使用使得人类可以制造更加精密的产品，可以以更加标准、低成本的方式为生产、生活提供动力。②内燃机的发明动力装备变得更加高效紧凑，从而引发了交通运输装备的“进化”，汽车、飞机开始蓬勃发展。③石油化工行业的兴起内燃机的大规模普及引发了对燃料的巨大需求。合成塑料、人造纤维等化合物，而不再依赖于动物油脂，化工行业也开始蓬勃发展并成为人类工业体系中的基石。技术的飞速发展，驱动着大量产业发展到空前的规模，工业系统越来越复杂，组织管理的模式也随之发生变化。其中最为突出的无疑是“福特主义”或者“大规模制造系统”，它在科学管理的基础上进行了更多创新性的探索，例如在汽车生产过程中，让车辆流动起来，依次经过多个专业化分工的装配作业站位，此种流水线装备大大提升了装配作业的效率，并保证了较为稳定的作业质量。1.2第二次工业革命1.工业革命历程及驱动因素主要工业国家的工业产值全面超越农业产值第一次世界大战减少了约20%的产值，阻碍了国际贸易的开展一战结束后经济虽然有所回升但又快速崩溃下探第二次世界大战产业的格局发生了一定改变，部分传统产业继续萎缩（如采矿），机电产品、化工、电子产业等则快速成倍的发展，世界经济进入一段繁荣期。两次世界大战后世界格局相对稳定，现代社会治理结构得到一定的重塑，为工业革命的继续发展创造了良好的基础。1.3第三次工业革命1.工业革命历程及驱动因素部分专家倾向于将20世纪

50年代至今的工业发展阶段定义为第二次工业革命的延续。人类基础设施能源交通通信能源的消费方式是驱动深层次革命的关键支撑工业革命快速发展的五大支柱向可再生能源转型将每一大洲的建筑转化为微型发电厂，以便就地收集可再生能源在每一栋建筑物以及基础设施中使用氢和其它存储技术，以存储间歇式能源利用互联网技术将每一个大洲的电力网转化为能源共享网络将交通运输工具转向插电式以及燃料电池动力车JeremyRifkin《第三次工业革命》1.3第三次工业革命1.工业革命历程及驱动因素第三次工业革命延续了第二次工业革命产业结构发展的趋势，科学技术主导的新型产业持续快速发展，并取得了相当庞大的规模。第一台电子计算机冯·诺依曼计算机电子计算机的应用提供强大的算力，并革命性地改变了传统的工作方式丰田生产系统随后，互联网技术以及移动互联网技术的发展，拉动了传统行业的转型升级，航天航空技术、原子能技术、生物医药工程等也在快速发展。管理革命管理的工业化进程形成了相关的专业研究领域，如运筹学、质量管理体系、精益生产体系、供应链管理、企业架构等丰田公司通过应用精益生产系统，建立持续改进的组织与文化，通过消除浪费、连续生产，极大地提升了生产效率并改善了企业的利润水平。02新一轮产业革命概述2.新一轮产业革命概述2.1新一轮产业革命的背景与驱动因素新一轮产业变革趋势与面临挑战2.新一轮产业革命概述2.1新一轮产业革命的背景与驱动因素人类社会发展环境变化趋势2、老龄化城市化是工业革命的典型产物，是所有国家工业化进程的必然结果。部分地区的城市化并不能完全代表其工业化程度，如非洲的部分国家，凭借能源出口支撑经济发展，从而实现“城市化”，但这种城市化的基础并不牢固，高失业率、单一的产业结构均对其持续发展带来挑战。3、城市化伴随着人口增长与经济发展，人类社会需要大量的资源以支撑生产、生活等相关活动，期间会产生各种形式的污染物，对土地、空气、水源等自然环境要素造成污染。4、环境变化1、全球化双刃剑有利于促进全球范围下的资源优化配置，通过广泛的分工协作提升经济系统的效能。对发展中国家形成挑战，加剧经济发展的不均衡性，甚至部分国家被动参与到“全球化”进程中。人类生产生活环境得到了极大的改善（如饮食安全、医疗条件等），平均寿命不断延长。伴随寿命增长的是低生育率的普遍现象，在发达国家尤其突出，从而共同造成人口结构的改变。人类工业化进程的持续推进经济社会快速发展破坏生态环境威胁人类生存每年约有670万人死于空气污染20-30年内缺水人口可达15-20亿人……2.新一轮产业革命概述2.1新一轮产业革命的背景与驱动因素竞争是全球化发展的必然产物，进入21世纪，全球化的竞争将会是全方位的，涉及产品功能与性能、成本、产能、供应链稳定性等方方面面，同时贸易保护、技术封锁等不确定性因素将会依然存在。全球激烈化竞争产品的丰富性、技术的快速迭代使得产品的生命周期不断被压缩，以快速适应需求趋势的改变，这在消费电子等高科技产品市场更加突出。更短的产品生命周期，对于研发、制造等环节的压力无疑是巨大的，需要整个系统具备足够的敏捷性与柔性。更短的产品生命周期城市化创造了庞大的消费者群体，而消费者的需求、喜好、经济承受能力各异，对于产品的多元化需求较为突出。多元化的市场需求造成产品成本上升的因素较多，包括人力成本、原材料成本、运营成本等。全球化背景下，跨国企业的海外生产基地其他向成本较低的区域转移，大多拥有更低人力成本的地区则往往不具备相对稳定的社会环境、完善的供应链体系等基础条件。成本的上升伴随着世界主要经济体碳中和相关战略的提出与执行，对于制造系统的可持续、绿色环保等方面的要求将越来越高。可持续与绿色制造制造业面临的巨大挑战2018年碳排放占比统计工业制造业、电力与热力行业94%65.93%其他6%其他34.07%市场需求创造更多细分市场的发展机遇对制造企业的经营发展带来挑战如何更高效地满足多元需求2.新一轮产业革命概述2.2全球主要经济体产业转型升级战略2.新一轮产业革命概述2.2全球主要经济体产业转型升级战略中国制造2025（1）制造业现状与国家三步走战略“中国制造2025”三步走战略（2）中国制造业转型升级的必要性中国制造业转型的加速发展是内外部双重驱动因素的综合作用结果，也是必然趋势。2.新一轮产业革命概述2.2全球主要经济体产业转型升级战略中国制造2025中国制造业转型升级的驱动因素（3）中国制造业转型升级面临的问题产业变革是一个集成多学科领域知识与技术交叉融合的系统工程，也是一个持续推进的过程，因此产业变革的过程必然会遇到较多问题。2.新一轮产业革命概述2.2全球主要经济体产业转型升级战略中国制造2025产业差异与试点困境一些龙头企业和骨干企业已经初步探索了数智化转型的路径并取得了一定成效，但无法形成可规模化推广复用的规范和标准。转型方法大部分企业在转型过程中往往忽略了系统性规划的重要性，侧重从短期投资回报或局部瓶颈角度考虑转型升级，缺少长期的系统性的方法。人才培养基础劳动力红利减弱，而智能制造人才的需求与供给之间存在明显缺口，创新型人才和组织的培养成为制造业转型的关键挑战。其他除了上述四个主要问题外，还面临智能制造解决方案供应商的社会责任差异化、资金约束、产业政策导向与支持、企业自身条件不足等多方面的问题。意识理念忽略了企业生产运营管理问题及转型升级需求的重要性，造成了资源投入的浪费与转型升级效果不佳等现象。2.新一轮产业革命概述2.2全球主要经济体产业转型升级战略中国制造2025（4）企业数智化转型基本实施策略与路线1、企业数智化转型基本实施策略策略解读问题导向，价值驱动以问题为导向，不盲目追求技术的先进性，需要综合考虑转型升级的效益与收益。整体规划，阶段实施在整体顶层规划下才能做到系统性集成规划与阶段性实施的协调和统一。管理为核，技术赋能以企业生产与运营管理活动为核心，通过新一代信息技术与先进制造技术的深度融合促进生产与运营管理的变革与创新。夯实基础，保障升级扎实的数字化基础，如信息技术基础设施、网络安全、数据存储与云计算设施等，以及健全的保障体系，如全价值链的精益体系与流程优化、智能制造标准体系等。学科交叉、产教融合信息技术与制造技术的多元交叉与深度融合催生很多新业态、新模式和新岗位，推动了供给侧新工科建设以及产教融合发展，交叉学科背景下复合型人才的培养能够有效满足企业数智化转型与高质量发展需求。持续发展，保持优势在双碳背景下，企业应借助数字化技术，规划并逐步建立绿色低碳优势，破解经济增长与可持续发展的矛盾。（4）企业数智化转型基本实施策略与路线2、企业数智化转型基本实施路线2.新一轮产业革命概述2.2全球主要经济体产业转型升级战略中国制造2025制造企业数智化转型升级实施路线03工厂的重要性及发展历程3.1工业革命前的工厂3.工厂的重要性及发展历程工业革命前人类社会的主体依然是传统的农业社会特点：总体规模大，单体规模小绝大部分的制造都是以作坊、家庭为单位进行工业革命后“大规模制造”工厂出现，服务于宗教、皇权、军事等领域，工匠必须集中作业才能够完成相应的生产任务，由政府部门、工匠协会负责协调管理工程。唐宋时期的军器监“给造军器之名物及军器作坊、弓弩院诸务、诸季料藉”“作坊式制造”普遍使用的是人力，对于集中生产的工厂，通常以水力作为主要的动力方式工厂的主流动力来源被蒸汽机所取代3.1工业革命前的工厂3.工厂的重要性及发展历程鉴于工业革命前的“工厂”大多服务于“封建政权”，因此“工厂”大多也是由政权的相关责任部门负责规划、设计与建造。龙江造船厂布局示意图始建于明朝洪武年间的龙江船厂，由工部-都水司负责督建与管理船厂的布局根据造船工艺而定船厂分为前后两厂，分别有水道通向龙江，根据造船工艺需要，厂区内还设有完整的配套生产体系，诸如蓬作、旗作、细木、鼓作、铜作、铸作、舱作、铁作、索作、缆作、箍桶作等类作坊。欧洲早期的工厂，大多也遵循以工艺为核心的设计原则；18世纪后，动力源逐步成为工厂规划设计的核心要点，工厂的选址、结构设计与工艺布局均围绕动力源展开。如约翰·洛姆在英国德比郡创建的水动力丝织厂就是根据其在意大利皮埃蒙特学习的纺织机技术并结合德文特河的水力资源而设计、建造的。3.2工业革命时期的工厂3.工厂的重要性及发展历程工业革命时期里，人类社会完成了由农业社会向工业社会的伟大转变。人类社会发展历程中主要经济体GDP占比示意图工厂作为工业生产的主体，源源不断的输出现代社会运行与发展所需的产品，某种程度上“工厂”、“工业制造”定义了我们所熟知的现代社会，改变了人类的生活方式与品质、改变了生态环境、改变了人类社会与环境之间的交互关系、改变了国际格局与人类文明的发展走向。18世纪初托马斯·科切特就在英国德比郡尝试建立丝织厂，但均告失败。约翰·洛姆于1721年才成功建立人类历史上首个水力驱动机械的纺纱工厂（人类工业进程的首个工厂），开启工业化生产的序幕。3.2工业革命时期的工厂3.工厂的重要性及发展历程第一次工业革命纺织业在工业革命爆发之初及其后的数十年，纺织业无疑是工业革命的核心支柱型产业，而其中棉纺织行业则居于核心主导地位，大部分进入工业革命的国家均以棉纺织行业起点，包括英国、德国、美国等。城市化进程煤炭行业钢铁行业城市化的加速激发了煤炭行业的发展，1840年英国的煤炭消费占到整个西方世界的2/3，大量的技术创新也在不断涌现，包括蒸汽机（纽卡门发动机）、铁路等。铁路的发展激发了钢铁行业的快速工业化，钢铁冶炼的庞大需求又反向激发煤炭行业的发展。在棉纺织产品增长乏力时，成为工厂制造的主要产品。3.2工业革命时期的工厂3.工厂的重要性及发展历程第一次工业革命动力特征第一次工业革命早期

工厂的主要动力来源于水力大部分的工厂都修建在水力资源丰富的区域，由水车驱动动力织机等设备进行生产。18世纪末期蒸汽机成为工厂动力来源大量工厂采用旋转式蒸汽机作为工厂动力源，工厂的选址不再受限于水力分布，甚至可以直接修建于劳动力丰富的城镇、港口之中。创建动机追求商业利益，属于典型的投资行为。例如纺纱厂的创建是源于纺织品需求快速增长背景下，纺纱效率与织布效率不平衡的能力缺口，如果能够高效、高品质的生产纱线（尤其是纬纱），则必将从中获利。工厂的管理模式相对原始粗放，关注的重点更多还是在装备与技术本身，管理科学处于酝酿发展阶段。工厂的规划设计一般由掌握制造工艺、生产设备原理的工程师与建筑设计师配合完成，工艺依然是驱动工厂规划设计的核心主线。3.2工业革命时期的工厂3.工厂的重要性及发展历程第二次工业革命动力特征主要动力来源为电力

工厂的生产设备大多由电力驱动进行生产，包括机床、传输设备（传送带）等。由于电力的传输特性，工厂的工艺布局可以采用更加灵活、更加符合制造工艺的方式进行设计，同时工厂的环境也得到了充分的改进，噪音、排放都得到了有效的控制。创建动机由商业利益驱动资产阶级与无产阶级之间的关系没有发生实质性的改变，但伴随着无产阶级的不断壮大，以工会为主要形式的工人组织开始出现，并在当时的社会环境下形成了相当规模的影响力，其中以钢铁行业尤为引人注目。工厂的管理模式科学化管理，利用系统化、科学性的思维方式管理工厂，通过观察、记录、研究，不断改进生产系统，推动生产效率的提升。工厂的规划设计规划设计方法得到总结，考虑机械装置布局、物料流动等因素；钢筋混凝土结构开始应用于工厂的建造。3.2工业革命时期的工厂3.工厂的重要性及发展历程第三次工业革命动力特征电力依然是工厂的主要动力来源

大部分的生产设备、辅助设施都是由电力驱动的。这个阶段的主要发展趋势是电力来源发生变化，伴随着各国双碳战略的提出与部署，工厂开始寻求新的能源解决方案，包括采用清洁的电力来源。创建动机由商业利益驱动伴随着劳动保护法、健康保险、失业保险、养老金等社会与工厂福利制度的发展与健全，工人可以感受到更强的“安全感”，而这种安全感来源于相对公平的待遇与劳动保障。工厂的管理模式基础工业工程相关的科学化管理方法开始不断拓展边界，与系统工程、运筹学、信息技术管理等专业进行融合。工厂的规划设计工厂规划建设按照工业门类也进行了相应的细分，如石油工业、冶金工业、机械制造、食品工业等，不同行业会采用不同的标准、方法开展相关规划与建设活动。3.3未来工厂的发展趋势3.工厂的重要性及发展历程物联网5G人工智能协作机器人云计算边缘计算……数字化智能化通信、交通、能源三个领域的深度变革是新一轮工业革命的主要领域通信的变革已领先于交通与能源领域，尤其是能源领域，在过去的50年内并未发生革命性的变革01领域变革电力凭借其便捷性以及成熟的基础设施基础，将继续作为工厂的主要动力来源，并且目前绝大多数制造装备均为电力驱动，暂时没有较为突出的替代型动力来源。02能源动力未来的工厂管理体系，将更多依赖于数据，大量的管理决策将通过模型辅助或者交由系统自动完成，这一点在自动化程度较高的工厂将更加突出。数据也将作为一类重要资产进行管理。03管理体系04工厂规划设计的重要性与发展历程4.工厂规划设计的重要性与发展历程4.1工厂规划设计的重要性工厂的定义为：“Placewherevalueiscreatedbythemanufactureofindustrialgoodsbasedondivisionoflabourwhileutilizingproductionfactors.”定义中包含几个关键的要素：Place（空间）：工厂生产活动相关的空间要素的抽象集合，不仅局限在工业企业的自有工厂，还会扩展至更大尺度的生产网络协作。Value（价值）：价值包括两个层面：1、根据市场需求，创造并传递价值；2、工业企业需要通过经营活动获取利润以支撑企业的持续发展。Industrialgoods（工业品）：工业品是工厂价值创造的主要载体，即最终被客户感知到的价值的主体。严格意义上，其还包括围绕工业品的相关服务。Divisonoflabour（劳动分工）：价值创造的过程是复杂的，涉及一系列的操作以及专业门类，需要分工协作。Productionfactors（生产要素）：价值创造需要一系列的生产要素作为支撑，包括人员、厂房、设备、物料、辅助设施等。4.工厂规划设计的重要性与发展历程4.1工厂规划设计的重要性工厂规划设计的重要性（1）通过工厂规划，指导工厂合理安排劳动分工与生产要素，更高效的创造价值，降低风险工厂规划不一定是在新建工厂（Greenfield）时才会需要，既有工厂（Brownfield）的改造中也需要。只要生产要素与劳动分工不满足价值创造的要求，我们就需要对生产系统进行调整。工厂规划不仅仅涉及到固定资产，如厂房的规划设计、设施设备的布局规划等，还包括生产系统运作的相关要素，如流程体系、信息系统规划等。工厂规划可以在制造网络、园区、车间、工作单元等不同的层级进行，Place（空间）的概念是抽象的，并不具象化为某一类具体的工厂。工厂的新建、改造往往涉及大规模固定资产投资，缺乏良好的规划可能会导致投资失败，无法达到预期的建设效果，进而影响价值的创造与企业自身发展。（2）工厂规划设计可以形成可复用的企业资产，夯实基础能力工厂规划设计一般会以项目的形式组织开展相关工作，其项目周期从目标设定开始一直到工厂的实际投产。工厂规划设计可以帮助企业全面、系统审视自身的体系，并通过可复用“构建块”的整理对相关业务过程与资源要素进行定义，支撑企业相关运作过程的转型。4.工厂规划设计的重要性与发展历程4.2工厂规划设计的发展历程VDI-5200标准关于工厂规划定义的要素框架：“Systematic,objective-oriented

processforplanningafactory,structuredintoasequenceofphases,eachofwhichisdependentontheprecedingphase,andmakesuseofparticularmethodsandtools,andexten