数字化企业发展研究

□周挺

上海联宏创能信息科技有限公司 上海 200126

1 时代背景

在大数据时代，数字化已成为企业的宝贵资产。从国家政策层面上看，我国已经有多个文件涉及企业数字化的进程。而在美国、欧洲、日本等发达国家和地区，早已提出了加快数字化进程的相关计划。领先一步的企业，在数字化问题上已经成为传统企业转变为数字化企业的先锋。企业应该从四个方面重点推进数字化进程：①自上而下推行企业数字文化；② 分阶段向数字化转型；③创新基于企业数据基础的商业模式；④构建以客户为中心的敏捷数字化供应链体系。

2 我国制造型企业现状

我国制造型企业采用传统研发模式，普遍存在以下问题：

（1）设计和工艺部门没有统一的三维设计工具，导致设计数据类型繁多，实现数据交互非常困难；

（2）缺乏统一的三维设计规范与标准，不利于数据的管理和交流，工作效率较低；

（3）没有规范的产品生命周期管理，缺乏有效的知识和信息管理平台，产品开发流程不完善，数据安全得不到有效保证，缺乏有效的设计任务规划、分配和评审环节；

（4）没有工艺仿真验证，工艺的合理性及优化装配路线等只有在实物加工时或加工后才能得到验证；

（5）没有虚拟仿真环节，物理验证消耗成本大，很多质量问题无法提前预见，严重的甚至会导致批量召回。

3 西门子数字化企业集成解决方案

所谓数字化企业，是指那些由于使用数字技术，改变并极大拓宽自身战略选择的企业。数字化企业具有自身的战略特点，建立了一种企业模式，能够以新的方式创造并捕捉利润，建立新的、强大的客户和员工价值理念。更重要的是，数字化企业应当具有独特性。

我国工业全面数字化转型已成必然趋势,借鉴西门子数字化企业集成解决方案，为数字化转型创造了技术上的先决条件。在离散工业和过程工业的各个领域，西门子正携手客户推进数字化转型升级。无论企业何种规模，何种行业，落地工业4.0的时机已经成熟。

西门子是全球领先的技术企业，170年来不断致力于卓越的工程技术、创新、品质、可靠和国际化发展。西门子业务遍及全球，专注于电气化、自动化和数字化领域。作为世界最大的高效能源和资源节约型技术供应商之一，西门子在高效发电和输电解决方案、基础设施解决方案，以及工业自动化、驱动和软件解决方案等领域占据领先地位。西门子还是影像诊断设备，如计算机断层扫描和磁共振成像系统，以及实验室诊断和临床信息技术领域领先的供应商。

西门子作为全球数字化顶级供应商，其数字创新平台能为数字化企业在软件方面奠定基础。这一平台可以在产品性能、产品开发和生产运营等方面培养持续的创造力。

西门子数字化企业集成解决方案支持企业从产品设计、生产规划、生产工程、生产实施直至服务的各个环节打造一致、无缝的数据平台，形成基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像。西门子形象地称之为数字化双胞胎，完整真实地再现整个企业，从而帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试，在生产过程中也可以同步优化整个流程，最终实现高效的柔性生产，并快速创新上市，锻造企业的持久竞争力。

西门子持续将新组织和新技术高效地融入其行业领先的数字化企业软件套件中，帮助企业为产品和生产线创造全面、精确的数字化双胞胎，占据行业优势。

4 数字化企业发展路径

总结我国制造企业在数字化转型时的经验，一般会经历设计数字化、装配数字化、生产过程数字化、管理数字化几个阶段，最终实现数字化智能工厂。鉴于我国制造业现状，推荐按以下路径进行数字化转型：

（1）逐步引入西门子数字化企业软件套件，应用于产品研发的各个阶段，并制定应用标准和规范；

（2）将产品三维模型打造为传递下游生产活动所需详细信息的恰当载体，企业所有部门和团队都使用三维模型作为信息传递途径；

（3）将所有流程数据通过生产生命周期管理软件进行管理，确保数据的安全性和可靠性，将虚拟仿真过程提前；

（4）在数字化制造技术的帮助下，设计和工艺人员在生产生命周期管理统一的虚拟平台上进行产品设计、工艺设计、仿真与模拟验证；

（5）引入本地化技术支持，贴合企业实际需求，进行知识库定制、模板制作、工艺流程定制及二次开发等。

西门子数字化产品套件支持制造企业产品开发全过程，但是企业的需求远不止于此，如何更好地将数字化软件与企业当前的需求结合起来，进行流程化、标准化、信息化的协同开发，这才是重点。

针对企业数字化转型过程中所面临的难题和痛点，进行深入剖析，提出立足企业现状、基于西门子工业软件产品的效率倍增数字化转型服务。

效率倍增指基于西门子软件平台的深度数字化应用服务，结合用户企业产品的特点和需求，帮助用户实现真正基于三维的研发，建立真正的虚拟数字研发流程体系和数据包规范。效率倍增的核心是根据企业业务流程和产品特点，基于MBD（Model Based Definition）规范，构建企业级模型产品知识体系，对市场和客户需求、生产过程中的信息进行数据化处理，成为可统计、可计算、可分析的数据。同时对制造环节实现知识结构化，与信息数据对称，逐步取代人在制造过程中的重复性工作，帮助企业实现敏捷、精准的设计制造。最终建立以数字化模型为基础、以数字化流程为效率、以物料清单为核心、以上下游协同为关键的制造全过程。

按企业的业务场景，具体分为以下版块：基于MBD的快速研发设计、基于MBD知识工程的工程设计、基于MBD的仿真行业应用、基于MBD的工装仿真设计、基于MBD的模具快速设计、基于MBD的结构化工艺设计、基于MBD的工艺仿真优化、基于MBD的制造规划设计、基于MBD的质量规划工程、面向企业的增材制造应用、面向企业的数字化服务。

5 基于MBD的设计工艺一体化解决方案

MBD指用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息，详细规定三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法。MBD使三维实体模型成为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以二维工程图纸为主、以三维实体模型为辅的制造方法，使集成化的三维数字化实体模型成为生产过程中的主要依据，对数据管理及设计下游的活动，包括工艺规划、车间生产等产生重大影响。应用基于MBD的设计工艺一体化解决方案，企业逐渐实现三维数字化产品定义、三维数字化工艺开发和三维数字化数据应用，形成一个完整且基于MBD的三维数字化设计、工艺、制造技术应用体系。

5.1 汽轮机公司

某汽轮机公司作为机械工业100强和全国三大汽轮机制造基地之一，现有总资产逾120亿元和7 000余名员工，专业技术人员2 500余名，中高级人员占48%，主要生产设备2 500余台，其中大、精、稀设备和数控机床500余台。

经过40年的建设发展，该公司现已具备了各等级火电汽轮机、核电汽轮机开发研制和批量生产的综合实力。自建立以来，公司已累计生产各种类型机组660余台，国内市场占有率超过25%，产品遍及全国各地，并出口马来西亚、印度尼西亚、伊朗、孟加拉国、巴基斯坦等国，产品质量、技术水平和使用性能均受到国内外用户的普遍好评。

该公司在数字化制造方面起步较早，已经在部分车间成功实现了数控机床联网的工作。尽管如此，在数字化制造方面还存在很多问题，目前比较突出的问题表现如下：

（1）设计平台不统一，数据格式不统一，数据交换困难，很难实现协同办公，重复工作量大；

（2）技术准备流程较长，工作流程几乎为单线条模式，设计数据传递到工艺、采购、生产等部门的流程长；

（3）零件三维模型重用性差，同一个零件，设计部门要建模，工艺部门要建模，重复劳动量较大。

针对该公司在数字化转型过程中存在的比较突出的问题，对叶片谱系归纳总结，梳理叶片工程设计业务流程，建立叶片参数化要素库，实现模块化驱动，为叶片智能快速设计做好准备。开发叶片知识设计平台，实现叶片的自动创建、智能编辑等设计工作，极大地提高了叶片设计的工作效率。

具体实施效果如下：

（1）统一了软件平台，使数据沟通没有障碍；

（2）建立完整的叶片三维设计规范，规范了叶片的设计流程；

（3）开发基于知识工程的叶片设计、工艺一体化平台，实现叶片全三维设计和工艺设计，完全实现数据重用；

（4）利用叶片结构化知识模板技术，实现叶片三维模型自动创建；

（5）基于产品知识体系，实现叶片尺寸自动标注；

（6）自动生成叶片三维结构化工艺；

（7）帮助企业建立了基于叶片三维模型的设计、工艺知识体系。

通过效率倍增数字化技术服务，该公司叶片分厂建立了快速设计、快速工艺一体化平台，叶片设计、工艺编制效率提升了80%，交货期缩短了20%。该公司研发了统一平台，协助梳理叶片需求数据化，建立基于叶片三维模型的结构化知识体系，从而实现基于MBD的叶片敏捷精准化制造。由此，该汽轮机公司向数字化转型迈出了坚实的一步。

5.2 仪器仪表公司

某仪器仪表公司成立于1999年，其前身是1965年从上海、江苏、辽宁等地内迁的热工仪表总厂，是20世纪60年代国家重点布局的三大仪器仪表制造基地之一，主要生产和经营工业自动化仪表及控制装置。工业自动控制装置制造业跨装备制造和电子信息两大领域，其整体发展水平不仅体现国家的综合科技实力，而且维系着国民经济可持续发展和国家经济安全，是高新技术改造传统产业、推进新型工业化、实施智能制造、实现产业升级，以及促进节能减排、环境保护、转变经济发展方式的重要支撑，是21世纪大国竞争的基础性、战略性产业。

该公司在数字化转型的道路上十分坎坷，目前比较突出的问题表现如下：

（1）缺少三维产品设计，产品可靠性低；

（2）手工搭建物料清单，与模型、图纸没有关联，错误率及返工率高；

（3）订单选配参数不统一，产品系列多，导致设计冗余度高，产品零部件通用性低；

（4）二维工艺编制较粗糙，且仅有零件通用工艺，无法指导现场生产。

采用基于MBD的设计工艺一体化解决方案，帮助该公司解决了上述问题，具体表现在对球阀阀体部件类别归纳总结，梳理球阀选型设计业务流程，建立阀体部件及各个零部件的参数化模板，实现产品级模块化驱动，为阀体部件智能装配做好准备。开发知识设计平台，根据工程物料清单实现阀体部件和管道附件的智能装配、智能工程图等设计工作，极大地提高了搭建物料清单和球阀设计的工作效率，降低返工率。开发工艺平台，根据产品模型实现快速搭建和重用产品零件工艺。

具体实施效果如下：

（1）采用规范标准和统一平台，实现了知识驱动、经验积累，以及没有障碍的数据沟通；

（2）建立完整的球阀三维设计规范、二维制图规范、检查规范，规范了产品的设计流程；

（3）开发基于球阀产品的工程设计、工艺一体化平台，实现球阀全三维设计和快速工艺，完全实现数据重用；

（4）基于客户订单及产品参数信息进行判断，快速搭建产品物料清单数据结构，利用产品工程物料清单及产品结构化知识模板技术，实现阀体部件和管道附件的三维模型智能装配；

（5）快速生成球阀零件的三维结构化工艺；

（6）帮助该公司建立了基于球阀三维模型的工程设计、工艺知识体系。

通过效率倍增数字化技术服务，该公司建立了球阀自动搭建物料清单、快速设计和快速工艺一体化平台，球阀物料清单搭建、设计，以及工艺编制效率提升了80%，交货期缩短了20%。该公司建立了协同设计平台，梳理客户标准产品参数信息，快速搭建产品物料清单，并实现基于球阀产品级的三维模型库快速设计，建立三维结构化工艺，进而实现基于MBD的球阀敏捷精准化制造。由此，公司走上了更可靠、更高效的数字化转型之道。

6 基于MBD的仿真行业应用

6.1 电机

电机设计是一个复杂的多物理场问题，涉及的领域包括电磁、结构、控制、流体和温度等。随着新材料、新工艺及各种电机新技术的发展，电机设计的要求越来越苛刻，同时精度要求越来越高，传统的设计方法和手段已经不能满足现代电机设计的要求，必须借助于现代仿真技术才能解决设计中的各种问题。

通过数字化仿真软件，可以分析电机组件的静态刚度和强度、冲击刚度和强度，以仿真来验证客户设计方案的合理性。

6.2 汽车零部件

从智能电子、信息娱乐、电信到高级软件等领域，车辆制造商正在为今天的消费者不断推出突破性的创新科技。同时，面对日益增长的燃料费用和严峻的环境问题，汽车制造商需要重新设计汽车系统，包括空气动力学、发动机、传动装置、车身、乘客舒适性及电气电子系统等。

数字化仿真软件针对汽车零部件进行静态刚度和强度分析、动态刚度和强度分析、模态分析、多体动力学分析及疲劳分析，通过仿真验证客户设计方案，确认零部件失效的原因，并验证改进方案。

7 基于MBD的模具快速设计

注塑模具企业目前大多采用三维数据设计，部门之间流通的数据格式根据企业信息化水平的不同，部分基于三维数据，但更多的是基于二维数据，即工程图传递。如质检部门基于工程图进行检测，加工和装配部门也基本全部基于二维图纸。这与企业硬件设备的配置有直接关系，可见二维工程图在模具企业中依然具有比较重要的作用，对模具企业的设计和制造周期有较大影响。

某企业是中国最大的汽车线束生产企业之一，为国内各大整车制造商供货。该企业承接各种线束接插件的模具设计、制造、生产业务，其产品质量获得客户广泛认可。该企业是外商在中国的全资子公司，在10年前就已经开始采用三维设计软件进行模具设计，软件应用水平在当时处于行业领先水平。但是随着我国模具企业的飞速发展，国家对企业信息化建设的重视，越来越多的模具企业通过对软件的定制开发实现软件深层次的应用，并取得了显著的成效，使设计效率和质量都有了很大提高，竞争力大大加强。而该企业仍然延续着十几年前的软件应用方式，水平还一直停留在原始状态，相对而言竞争力明显减弱，导致在利润方面也越来越没有优势。

针对该企业的现状，定制了系统化的专用制图环境，以及可灵活使用的工程图工具，具体包含模具属性快速填写工具、零部件属性快速填写工具、工程图批量创建工具、视图自动摆放工具、外形尺寸自动标注工具、标题栏自动填写工具、尺寸格式工具、尺寸序号工具、尺寸上色工具、尺寸加粗工具、尺寸版本号标注工具、技术要求快速填写工具、自动物料清单表输出工具、批量打印工具等。

通过效率倍增数字化技术服务，该企业的设计制图效率提升了80%，人力成本大大降低。

8 基于MBD的质量规划解决方案

质量安全问题一直是制造型企业最关注的问题之一，即使是世界上著名的大型汽车制造商，也会存在各种各样的质量问题，严重时甚至要进行整车召回。随着汽车的不断普及，各种质量问题频出，小则为车身附件、电器、发动机、变速器问题，大则为断轴门事件、刹车门事件，严重威胁人民群众的生命安全。

质量成本问题也长期困扰着汽车制造企业，例如：对于不良的变速器定位设计，在设计阶段发现，只需要几个小时时间的检查和修改；而若在试生产阶段发现，则要花费10万～25万美元的成本；如果在量产阶段发现，将是百万美元级别以上的成本，同时还要承担延期、召回、信誉受损等影响。可见，只有在设计阶段发现问题，才能把质量控制在好的质量成本区，否则质量成本就会处于坏的区域，对于企业而言，损失将是相当严重的。

制造偏差问题会严重影响产品的功能、可装配性、外观和舒适性。以汽车装配举例，车门关闭力太大、风噪异常、发动机盖周边配合不良、轮胎漂移、牵引异常、前大灯匹配困难等都是由制造偏差所引起的问题。

西门子提供了五种基本工具来作为解决方案：可视化平台上的三维公差分析和变异仿真工具、NX三坐标编程工具、尺寸规划和验证工具、纠正和预防方案管理、特征管理。

通过效率倍增数字化技术服务，对三维公差分析和变异仿真工具、三坐标编程工具进行集成研发，对其它工具的功能进行优化，以提高五种工具的使用效率及使用质量，为企业带来定制化的质量解决方案，帮助企业解决质量安全、质量成本和制造偏差问题。

9 总结

我国正在加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。通过西门子工业软件，进行完整的数字化产品组合，推动现实世界与虚拟世界的融合，可以在智能制造、智能基础设施和可持续能源领域实现数字化发展，引领数字化领域的技术创新。笔者对近年来数字化企业的发展进行了研究，为相关行业提供技术参考。