我們正處于一個舊IT走向新IT的變革時代，工業4.0的概念興起于德國，現在我們大家普遍認為其是一次科技革命，或者說是一次新技術革命。工業4.0的目的是通過應用物聯網等技術提高德國的制造業水平，建立具有適應性、資源效率及人工智能的智能工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶以及合作伙伴。

無論產業界或者學術界如何解讀工業4.0，它的本質都是數據，這些數據包括了智能產品的數據、企業運營的數據、產業鏈上的數據、企業外部數據等等。這些數據串起來工業4.0的生態圈。

四大主題構建工業4.0的核心業務

我們步入工業4.0的時代，實現由“自動化”向“智能化”的轉變。通過CPS（Cyber-Physical Systems）網絡實現人、裝備和產品的實時連通、相互識別和有效交流，為消費者定制“個性化”的商品，并且提供及時、高效的服務。

工業4.0的四個主題：智能工廠、智能生產、智能物流和智能服務。智能工廠側重點在于企業的智能化生產系統以及制造過程，對于網絡化分布式生產設施的實現；智能生產側重點在于企業的生產物流管理、制造過程人機協同；而智能物流作為制造企業非常重要的資源節點，其側重點在于通過互聯網、物聯網，整合物流資源，充分發揮現有的資源效率；智能服務作為制造企業的后端網絡，其側重點在于通過（服）務聯網結合智能產品為客戶提供更好的服務，發揮企業的最大價值。

1)智能工廠是傳統制造企業發展的一個新的階段。

它是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務，清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控率、減少生產線上人工的干預、即時正確的采集生產線數據，以及合理的生產計劃與生產進度，并加上綠色制造的手段，構建一個高效節能的、綠色環保的、環境舒適的人性化工廠。未來各個工廠將具備統一的機械、電器和通信標準。以物聯網和服務互聯網為基礎，配備傳感器、無線網絡和RFID通信技術的智能控制設備可以對生產過程進行智能化監控。由此，智能工廠可以自主運行，工廠之間的零部件與機器可以互相交流。

智能工廠是由軟件操控，進行資源整合，發揮各環節的最大效率。智能工廠中的機器將全部由軟件控制，工人只需要操作計算機就可以完成生產，進一步解放了工廠中的工人，整體看來，它就是一個擁有高度協同性的生產系統，包括實時監控、自動化管理、流程控制、能源監控等等。收集及整合整個智能工廠的業務數據，通過大數據的分析整合，使其全產業鏈可視化，達到生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和質量最優化的目的。

2)智能生產是由用戶參與實現“定人定制”的過程。

智能生產的車間可以實現大規模定制，對生產的柔性要求極高。鑒于此，生產環節要廣泛應用人工智能技術、采用一體化的智能系統，智能化裝備在生產過程中大展拳腳。工廠的工人和管理者可以通過網絡對生產的每一個環節進行監控，實現智能化管理。

一體化的智能系統是由智能裝備和人類專家組成的，在制造過程中進行智能化的活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等，通過人與智能裝備的合力共事，去擴大、延伸和部分取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化。與傳統制造相比，智能生產具有自組織和超柔性、自律能力、自學習能力和自維護能力、人機一體化、虛擬現實等特性。

3)智能物流以客戶為中心，促進資源優化配置。

根據客戶的需求變化，靈活調節運輸方式，應用條碼、RFID、傳感器、全球定位系統等先進的物聯網技術，通過信息處理平臺，實現貨物運輸過程的自動化運作和高效率優化管理，從而促進區域經濟的發展和資源的優化配置，方便人的生活。

4)智能服務促進新的商業模式，促進企業向服務型制造轉型。

智能產品+狀態感知控制+大數據處理，將改變產品的現有銷售和使用模式。增加了在線租用、自動配送和返還、優化保養和設備自動預警、自動維修等智能服務新模式。

工業4.0背景下，MES被重新定義

我們可以把智能工廠比作一個人，工業軟件就是這個人的神經系統。其中，在制造板塊，MES的作用尤為重要。

按照AMR所給予的定位：MES服務于工廠生產執行層的信息系統，位于企業經營層的計劃系統與生產過程的直接工業控制系統之間。該定位將企業的運作劃分為三個層次，分別是：計劃層、執行層和控制層。其中：計劃層就是MRPⅡ或ERP等經營管理信息系統。控制層包括DCS、PLC、NC/CNC或SCADA中的一個系統或這幾種配置的組合，以及各種儀器設備等；介于兩者之間的是執行層，MES（制造執行系統）。

介于企業的“計劃層”和制造“設備層”之間，對企業生產計劃進行“再計劃”，“指令”生產設備“協同”或“同步“動作，對產品生產過程進行及時的響應，使用當前確的數據對生產過程進行及時調整、更改或干預等處理。

采用雙向直接的通訊，在整個企業的產品供需鏈中，即向生產過程人員傳達企業的期望（計劃），又向有關的部門提供產品制造過程狀態的信息反饋。

既不同于類似于ERP的企業運營系統，也不同于企業的過程控制系統，使用MES的經驗表明，它既能提高按時交貨的能力，改善物料的流通性能，由能減少企業內部沒有附加值的活動。

在工業4.0背景下，推動智能制造，構建智能工廠、智能生產、智能物流和智能服務體系，我們需要對MES重新進行定義，主要從以下幾個方面進行說明：

1)MES深度融入企業運營環節

智能工廠中的機器將全部由軟件控制，工人只需要通過MES現場的操作計算機或者移動終端就可以完成生產，MES結合企業運營的其他工業軟件構建一個高度協同性的生產系統，對企業的設計、采購、銷售、計劃、制造和運維服務各個環節，對每一個與制造相關的指令能夠精確調度、發送、跟蹤和監控該指令影響生產的過程，成為實現車間制程智能化的基本技術手段。MES收集及整合整個智能工廠的業務數據，通過工業大數據的分析整合，使其全產業鏈可視化，達到生產最優化、流程最簡化、效率最大化、成本最低化和質量最優化的目的。

伴隨著制造企業的發展，未來制造企業勢必也是一個軟件公司，軟件系統的應用也會越來越多，MES就會成為制造企業運營的基石。

重新定義的MES的位置與其他業務板塊同等重要，以網絡化和扁平化的形式對企業的生產計劃進行“再計劃”，“指令”生產設備“協同”或“同步“動作，對產品生產過程進行及時的響應，使用當前確的數據對生產過程進行及時調整、更改或干預等處理。

針對大規模定制的需求可以實現柔性排程和調度

采用多向直接的通訊，在整個企業的產品供需鏈中，即向生產過程人員傳達企業的期望（計劃），又向有關的部門提供產品制造過程狀態的信息反饋，還要告知車間底層裝備之間加工的法則，彼此的加工狀態。

既不同于類似于ERP的企業運營系統，也不同于企業的過程控制系統，使用MES的經驗表明，它不再單純只針對制造過程進行優化，可以延伸至企業運營的其他的板塊，縮短產品的研發周期，提高生產效率，降低單元的產品的制造成本，提高產品的不良率和能源利用率。

2)MES的業務應用范圍更加深入

傳統MES的作用就是實現企業的連續信息流。并通過對信息的傳遞和處理，對訂單下達到產品完成的整個生產過程優化管理。MESA歸納了MES的十一個主要功能模塊，包括工序詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文檔控制、產品跟蹤和產品清單管理、性能分析和數據采集等模塊。通過MES這些模塊的有效協作，可以起到溝通企業計劃層和控制層，憑借信息技術提供精確的實時數據，并最終達到優化管理活動和生產活動的目的。而在現實當中，各不同行業企業可以根據行業特點和企業實際，開發適合自身情況的多種功能模塊。

從MESA的定義也可以看出，提供精確的實時數據是一個優秀的MES的優勢所在。MES對數據提供的實時性要明顯高于ERP，如果說控制層提供的實時時間系數為1，那么，MES的時間系數為10，ERP的時間系數為100。但是，重新定義的MES的核心優勢不僅僅在于提供實時數據，而且需要對實時指令進行準備的自學習和柔性調度，也就意味著MES的時間系數也變成了1。

工業4.0下MES的發展趨勢

MES是智能制造在智慧工廠范疇內的承載主體，實現“物理工廠”的“信息領域”的投影。在智能制造工業互聯網的背景下，MES有哪些改變呢？

1、傳統的集成向過程融合發展

從未來的需求來看，尤其是在B2P的商業模式下，制造企業必須能夠快速處理大量的單件制造及特別制造的方式，同時全球化驅動的分散性協同制造成為主流，這就導致了傳統設計、計劃到生產模式的反應遲緩，嚴謹的 PLM、ERP、MES的集成流程太過到剛性。

取而代之的是一種新的方式是設計、計劃和生產緊密協作、并行執行，基于同樣的需求、物料、產能等數據，PLM設計結束之前，柔性生產計劃即可快速下達，MES實時開始生產執行，同時實現良好的反饋機制。這種柔性協同也對系統間設計 BOM、生產BOM、數據、模型等一致性和靈活性提出了更高的要求。

2、傳統的數字管理向智能管理發展

MESA組織給出MES功能模型的定義，強調生產過程“生產、質量、消耗及績效”的業務管理。近十年來MES的發展，也是參考這個功能模型的定義，集中在業務數據采集、業務數據傳遞和業務統計。通過業務過程的數字化，建立了協同工作平臺，并在此基礎上進行數據分析與統計，基本實現了全面的數字化和透明化管理。

但在實施MES的過程中都能深切感受到客戶對MES智能化期望較高：希望能夠采用APS自動實現作業任務編排，希望系統能夠根據過程變化自動調整計劃，希望自動調整工藝參數來確保質量最佳。但事實上，傳統基于單據作業模式的MES，在數據分析與處理上并沒有下太多的功夫。

在工業4.0時代，生產變化及靈活性更高，生產要素須自動配置，必然要求在生產全過程的數字化的基礎上，增加智能優化方法。工廠的智能化分為兩個層次：

一個層次是實現微觀層面的智能優化。比如在工序層面的控制中，在區域協調優化中采用智能化技術。或者在某一個專業領域，如設備的狀態預測、質量預警及生產預警。

另一個層面是宏觀層面，根據生產過程中各要素的數字化，形成計劃、排產、質量控制、過程跟蹤的閉環反饋，采用智能優化算法進行協同優化。

3、傳統的車間管理向工廠運營平臺發展

工業4.0時代的MES，或許將重新定義，在協同制造方面超越目前內部組織范疇，而擴展至與供應商和客戶的連接；在制造智能方面將不限于收集、分析與展現，而將進一步實現現場實時分析、協同智能決策，及時調整制造執行過程；在業務領域層面，將擴展智能裝備的性能監測與維護、綠色制造的能源管理等內容。在制造執行(Manufacturing Execution) 系統將躍變為卓越制造(ManufacturingExcellence)系統。

4、傳統的結構化數據向工業大數據平臺發展

中國制造雖然有環境因素、資源因素，但最重要的因素來看，差在哪呢？分析認為，主要差在“軟實力”方面。雖然在硬件層面我們也有明顯的差距，但有大量數據比較得出，即使一樣建設的生產線（如汽車生產線，我國的效率仍然和鄰國日本差一大截，因此不能把責任推到基礎硬件層面。

工業4.0時代，技術的發展為數據的產生（物聯網）、存貯、分析（云技術）、使用（移動互聯）更加方便。因此也可以說，工業4.0的變革是數據驅動型的變革。這個“軟實力”提升的主要驅動力是“數據”的利用。

MES傳統上處理各類業務單據，數據僅限于結構化的數據，很多企業在此基礎上，也開展了商務智能（BI）的建設與利用，但總體上還在有限的數據范圍內進行事后分析。

今天的物聯網（包括設備、物料等IIOT及人工作業過程中的HIOT）將產生大量的實時信息，都是表征了生產過程的全息影像。這些數據在采集、管理、分析與可視化方面，技術上正在逐步可行。

5、傳統的功能套件向模型驅動發展

在技術實現上，傳統的MES在逐步開發及實施的過程中，功能一點點增加，最終形成覆蓋工廠管理需要的一個功能套件集合，即我們常見的套裝軟件。但這種套裝軟件從設計本質上是以職能管理為核心的，以軟件系統為中心的。在工業4.0時代，面向以客戶為中心價值傳遞，以產品為中心的制造資源重組的要求時，傳統的MES是無能為力的。

有調查表明，在MES系統建成的三年內，50%的工藝（模型）將會或多或少隨著生產的持續改進而調整，在工業4.0時代的定制時代這種變化更加劇烈。這就要求MES系統必須是一個可適應、可擴展的系統，其技術的主要特點是采用模型驅動技術來構架系統。將ISA95相關的、在制造業通用功能以組件的方式，而各廠不同的、適應各自管理及工藝流程的、不同應用系統集成的部分，將通過可配置的模型平臺來實現，如下圖所示。當工藝流程發生變化時，只需在線修改模型，而不需調整功能組件，從而實現系統的適應性。

6、傳統的視窗界面向虛擬現實發展

從人機協同的角度來看，計算機技術發展到今天，主要存在兩個問題沒有很好解決。一是計算機的現場應用，一是信息的展示方法。試想，通過鍵盤、鼠標的信息錄入方法完全是要求人們去適應計算機的需要，采用視窗操作界面，也是今天的計算機操作系統的展示信息的手段。這些都是以計算機為核心，或者說以系統為核心的思想。

在工業4.0時代，物聯網技術引發數據海量增加、設備智能化及自主化管理，這些變化將人從“操作員”的角色逐步提升到“監控者及決策者”，人機交互的方式必須更加自然、實時、聚焦要點。

虛擬現實及增強現實技術可以有效解決這一點。在工業4.0時代，虛擬世界將與現實世界高度融合。通過計算、自主控制和聯網，人、機器和信息互相聯接，融為一體，所有的生產數據將被全部整合到工廠虛擬現實管理系統中。

利用三維可視化技術將生產場景真實展現出來，生產數據實時驅動三維場景中的設備，使其狀態與真實生產場景一致，從而讓管理者充分了解整個生產場景中各設備的運行狀況，達到監測、查看、分析的目的。

工業領域的創新發展是推動科技創新、經濟增長和社會穩定的重要力量。但與此同時，市場競爭也在變得愈發激烈。

智能制造的整體解決方案實現虛擬生產和與現實生產環境的融合，采用創新的工業軟件、自動化技術、驅動技術及服務，讓MES深入企業運營應用過程中，促進企業縮短產品的研發周期，提高生產效率， 為企業發展提供技術支持。