利用物联网实现工业4.0：在不断发展的制造工厂中优化业务流程

1.简介

在过去的几十年里，制造工厂发生了一场数字革命，尤其是在采用新的数字工具进行公司和业务流程管理方面。今天，我们正在参与现实世界和虚拟世界的不断融合，这可以被视为我们工业经济所有部门创新和变革的主要驱动力。此外，信息和通信技术（ICT）的逐步建立以及利用现代技术收集不断增长的数据的可能性正在有力地改变公司的概念。因此，工业场景中的第一个变化对应于先进的数字化过程，该过程与基于互联网和面向未来的技术（例如，包括智能对象–SO）相结合，导致工业生产的新范式，即工业4.0。这一新概念的命名也是因为这一波变革被视为现代历史上的第四次工业革命，它促进了工厂作为模块化和高效制造系统的愿景，在这个系统中，产品控制着自己的制造过程。工业4.0与工业物联网（IIoT）范式密切相关，后者仍处于探索阶段。目前，似乎没有明确的解决方案可以弥合物联网和遗留系统之间的差距，这些解决方案通常用于制造业。然而，有许多使用案例和物联网部署提供了快速回报，并使制造商能够从几个角度实现数字化转型：效率、自动化、以客户为中心、竞争优势，以及跨制造价值链使用数据所提供的优势，从而成为新的收入来源；这无疑代表了制造业数字化转型的一个关键方面Ustundag和Cevikcan（2018年）在行业中，有很多机会利用物联网连接物理世界和数字世界，从各种资产（如机器、生产资产和与生产过程没有严格关联的各种其他对象）收集数据，生成一个如Borangiu等人（2019）和Civerchia等人（2017）如前所述，即使在这种情况下，创新过程也是一个重要因素，因为在以制造业为导向的公司中，我们通常倾向于考虑实物商品和产品，而制造商的更大机会来自于网络物理系统（CPS），寻找新的服务经济模式和信息机会。

在这项工作中，我们按照工业4.0范式描述了创新和数字化过程，并在合作公司中实施，以提高其在整个部门的“绩效”，通过在业务流程中引入现代技术来控制质量和生产计划任务。该过程完全由帕尔马大学的一个跨学科工程经济学分支things2i指导，尤其涉及两个应用程序：第一个，表示为SmartFactory（智能工厂）已开发用于改进生产监控和控制质量活动。第二个应用程序，表示为智能规划器是一个基于Web的工具，旨在支持生产计划人员在合作公司的生产线上安排生产订单的复杂活动。最后，我们将讨论基于物联网的已开发系统评估。

本文的其余部分组织如下。第2节概述了企业资源规划（ERP）和数字化采用的相关工作。第3节描述了合作公司及其内部业务组织。第4节详细概述了为提高质量控制部门的绩效而采取的创新措施。第5节详细描述了目标公司启动的数字化过程的第二阶段，第6节概述了未来的发展。最后，在第7节中得出结论。

2.最新技术

在表征公司演变过程的不同技术中，ERP的采用是最重要的技术之一，因为它可能对整个生产过程产生重大影响。几项研究强调，公司根据其规模，以不同的方式实施ERP，并且必须面对异构问题。同时，还证明了采用ERP带来的好处因公司规模而异：Mabert等人（2001年）总的来说，小公司从制造业和物流业的更好表现中获益，而大公司在金融领域表现出改进和收益。无论公司规模如何，理解和优化业务流程都是快速变化环境中的一个成功因素，就像前面强调的场景中的一种。Mabert等人（2003年）改进了ERP的定义，强调它允许更好地管理资源、集成流程和加强数据完整性，同时还必须包括会计、财务、销售和分销、人力资源的集成模块，基于将企业与客户和供应商联系起来的通用体系结构的物料管理和其他业务功能。此外，ERP允许跨职能领域的流程无缝集成，改进了工作流、各种业务实践的标准化、改进了订单管理、准确的库存核算和更好的供应链管理。因此，正如所强调的那样雷蒙德（1990）ERP的采用对公司的生命周期有不同的影响，因此涉及到业务的不同方面和层次的干预，从高层（如电子商务）到低层（如厂内供应链管理）。达文波特（1998）分析了引入ERP对运营方的影响，强调不同规模的公司在实施过程中往往会遵循不同的行为。特别是，大企业和小企业在一系列问题上存在差异，包括：（i）导致工厂采用ERP系统的动机；（ii）采用的系统类型；（iii）有效采取的实施战略；以及（iv）与ERP一起运行的系统的定制和重新设计程度。此外，Ein Dor和Segev（1978）和Yap（1990）强调即使在采用ERP的结果方面也存在一些差异，特别是在公司本身的结构变量（例如，行业类型、规模和组织结构）之间的关系及其对各种运营的影响方面，组织规模是与创新、研发支出和市场力量相关的最常见问题。因此，斯旺森（1994）这表明，小公司在实施新技术方面往往落后于大工厂，也采用不同的做法，而大型制造商更有可能成为信息技术创新的早期采用者，也更适合由内部IT办公室处理所有网络操作。

在选择ERP系统时必须记住的其他方面包括：（i）软件安装复杂性——然而，这通常只是过程的一部分，因为成功的ERP实施不仅仅涉及复杂的软件和先进的计算技术；（ii）指导公司实施ERP的动机；（iii）要实施的企业资源规划类型以及由此产生的系统配置；（iv）制造公司采取的实施策略；（v） ERP开发人员所需的定制程度；以及（vi）采用ERP所需的实施成本，以及由此产生的投资收益和回报。基于这些其他方面(格雷万，1984年;Harris和Katz，1991年)指出较小的公司更有可能改变其流程以适应系统，而较大的公司则更有可能定制系统。这导致了这样一个事实，即对系统的任何更改都可能产生重大影响。通常，修改会导致更高的成本、更长的实施时间和更复杂的实施。

另一个关键点是数字化或数字化转型过程，这一点在过去十年中引起了人们的关注，也是公司演变过程的特征，被认为是改变社会和商业的主要趋势之一，因为数字化由于在运营环境或组织中采用数字技术而导致公司发生变化。Parviainen等人（2017）和Zimmermann等人（2016）强调数字化带来的变化可以覆盖不同的工厂级别，例如（i）流程级别（通过减少手动步骤和采用新的数字工具来简化流程），（ii）组织级别（以新的方式提供新的服务和现有的服务，并摒弃过时的做法），（iii）业务领域层面（改变生态系统内的价值链和角色），以及（iv）社会层面（例如，改变工作类型）。Huberty（2015）和Quinton和Simkin（2016）激励这样一个事实，即用基于软件的解决方案取代纸面和手动流程，可以自动、快速地收集可以挖掘的数据，以更好地了解风险原因和流程性能。最后，Iivari等人（2016）和Wank等人（2016）强调数字化过程必须配备的用户界面的重要性，在这些界面上，数字化过程性能的实时报告和仪表盘允许管理者在问题变得关键之前解决问题。

3.真正的制造工厂：进化之前

本文所述活动的工厂目标成立于20世纪70年代末，代表了一家重要的独立热塑性软管制造商，适用于中、高压和超高压。公司总部（HQ）和生产工厂位于意大利，在那里生产和组装热塑性软管。然后，通过相关分销商网络，将生产的软管分发到世界各地65个不同的国家。公司每年的工作量可以用超过1300万米（4200万英尺）的软管来评估，这些软管是为不同的工业行业制造的，例如：叉车液压系统、空中平台、起重机、移动设备、救援工具、高压下水道喷射、燃气和供水、喷漆市场、，以及空调和制冷。例如，利基市场还覆盖了用于空气透气管理系统的软管，以及需要耐高温或耐腐蚀流体的应用。

更详细地说，截至目前，公司活动主要集中在四个主要领域：

•液压的液压应用的热塑性软管；

•工业工业用热塑性软管；

•多螺旋超高压（UHP），带高压软管（高达4000巴/58000磅/平方英寸）；

•GOMAX公司对应于由空调和制冷用热塑性软管和配件组成的生产线。

公司产品和服务所遵循的高质量标准在国际上取得了成功，并促使公司不断关注技术创新和现代研究，以不断改进生产和组织活动的各个阶段。

公司的生产活动分为7个部门，在这7个部门中执行单个生产阶段。因此，每个热塑性制品都是通过几个连续的部门生产的，这些部门在几个制品的生产过程中以不同的配置共享。此外，每个部门都有一个或多个可以同时工作的行。

在公司经营和参与本工作相关活动的主要参与者主要有以下三个。

•生产调度经理（PSM）：他们负责控制和组织工厂所有生产线的生产计划，并考虑到（i）所需的库存政策和（ii）客户的佣金和订单。

•质量检查员（QI）：负责直接在工厂生产线上对产品和半成品进行连续检查。每个合格中介机构被分配到一组行，公司生产的每个项目都有一组预定义的检查，应执行这些检查以确保符合质量标准。因此，在制造活动期间，合格中介机构根据PSM定义的日志时间表在生产线之间移动，以检查生产过程。

•线路操作员（LO）：他们负责按照日程安排准备和激活生产线上的生产机器。一些生产线需要一个专用的LO才能工作，而在其他情况下，一个LO可以同时管理几个生产线。当生产线上的机器处于活动状态时，LO必须进行测量以监控生产，并对软管进行“自我”质量检查，然后由QI进行验证。

本文所描述的数字化过程对制造过程感兴趣的方面主要有两个，即：制造过程监控和生产计划管理。下文详细描述了数字化引入之前，目标公司这两个方面的管理。

3.1. 制造过程监控

为了维护和保证客户生产产品的质量水平不断提高，该公司制定了制造过程中应遵守的精确协议。更详细地说，在PSM为每行定义了时间表之后，要生产的每件物品都被分成一组N个生产订单（MO），生产过程中涉及的每个部门一份。然后，将每个MO分配给工厂中的特定行。这样，在生产线上工作的LO就可以在他/她负责的生产线上执行日常活动（即MO列表）。公司定义并在其活动期间制定的生产监控协议最初是通过使用打印在纸上的MO表格（MOF）来执行的。尽管公司中的每个部门都有MOF的特定布局，但在输入信息类型和节数方面，可以找到一组常见的节。其中一些部分是描述性的，旨在显示制造过程的一些重要信息（即配置、测量、定制）；另一些则是输入部分，要求有人（在LO、QI或PSM中）插入一些数据或度量。初步分析活动中确定的可能剖面类型如下所述，并在图1.

这个标题节不需要任何输入，只需通过标题、开始日期和订单字母数字代码，在所有可用的类型中标识MOF类型。这个生产订单描述部分是文档的另一部分，不需要LOs的任何输入，因此包含描述订单完成和机器配置所需步骤的文本信息列表。这个材料清单第节包含LO在制造过程中应使用的原材料的名称和数量：根据MO的类型，本节可能在某些方面有所不同，例如列表的结构和显示的详细信息。然而，总体材料清单要求在生产线上工作的LO以生产过程中使用的材料批次代码的形式书写，以便追踪材料的使用情况。这个进度日志该部分由联络人填写，以便填写轮班期间生产的软管产品数量。这是因为完成任务单可能需要多次轮班，有时甚至需要几天；通过这一部分，LO可以检查和跟踪订单的开发状态，并通知LO在下一个班次开始工作。这个质量检查第节包含生产过程中进行的数据调查结果，以验证产品是否符合要求的标准。本节根据MOF类型有不同的布局，因为不同的生产物品需要特定的质量检查。此外，本节由LO和QI定期填写。最后其他输入中的节图1用于指示其他和更具体的文档部分，这些部分仅存在于某些类型的MOF中，并用于包括特定生产任务所需的附加质量检查、附加描述部分或附加输入。通常，这些部件对应于打印的额外纸张，并直接提供给操作员。在图1，显示了填写的MOF的一些示例。

由于其内部结构，大多数MOF布局可以在一张纸上打印，而在其他情况下，需要更多数据的单个MOF应打印在更多页面上，最多4页。公司为监控生产过程而采用的协议考虑了以下日常步骤。

1.每天早上，PSM员工打印与当前工作日计划的MO相对应的MOF。

2.将打印好的MOF分发给所有工厂部门的主管。然后，主管在每个部门的生产线上细分MOF。

3.每个LO开始工作，并在轮班期间填写主管收到的所有MOF。

4.每个合格中介机构开始其工作，并在各条线之间移动，定期完成MOF的质量部分。

5.晚上，各部门主管收集与完成的MO相对应的MOF，并将其交付给PSM员工。

6.最后，PSM工作人员手动扫描所有纸张并存储获得的数字图像，其中输入仅为手写。

3.2. 生产计划管理

与生产计划相关的工作对合作公司来说是一项极其重要且耗时的任务，因为它强烈影响后续活动的结果和绩效。一方面，规划应满足客户的要求，另一方面，应尽量有效地利用生产线上的机器和人力资源。这项活动由PSM员工执行，时间窗口约为2个月。在本文描述的分析开始时，生产计划是通过使用基于Excel的电子表格进行管理的，根据具体部门的不同，有不同的布局和协议。此类电子表格的示例如所示图2，其中每行表示部门中的一条生产线，而每列表示一个工作日。将要生产的热塑性软管项目及其所需数量（以米为单位）放置在Excel单元格内（其交集表示在特定工作日和特定生产线上规避订单）。为了提高每条生产线的生产率，每条生产线每天可以生产一件以上的物品。

可以很容易理解，对于PSM来说，这个手动过程非常复杂且耗时，因为它需要考虑几个因素，例如下面几节中解释的那些因素，并且在数据插入过程中可能会出现错误。

3.2.1. 待生产项目

活动规划中必须考虑的第一个方面与必须生产的物品（即物品）有关。处理这项任务需要考虑几个因素，例如：（i）客户要求的订单数量；（ii）公司希望维持的最低库存货物数量；以及（iii）生产线的工作量，因为在不中断生产和保证连续性的情况下安排活动是可取的。

3.2.2. 机器特性和配置

该公司在其经营活动的几年中，逐步收购了不同的机器，这些机器在效率和工作速度方面具有异构特性。因此，同一物品可能需要不同的生产时间，这取决于其特定的生产线和相应的机器：新的可以工作得更快，而旧的可能需要更多的时间。此外，每件商品都有合适的（最佳）生产速度。考虑到这一因素，PSM必须经常对历史数据进行研究，以找到特定产品的最后生产线和生产速度。

3.2.3. 工人可用性

由于生产线始终由LO管理，因此计划活动必须考虑每个工作日内工人的可用性。与工人的假期、许可、疾病和缺勤相关的信息存储在外部软件中，在计划过程中，每次必须执行计划过程任务时，都必须对其进行检查。更详细地说，PSM应该知道每个工作日和工厂部门的可用小时总数。通过这种方式，可以在活动规划期间在生产线上分配人时。

3.2.4. 配置和设置延迟

如前所述，公司可以依赖分布在各个部门的多台机器，具有不同的性能。为了开始生产，每台机器必须配置并装载生产计划所需的特定数量的原材料。此活动在这里表示为启动延迟，可能需要0到150分钟，并且每次需要重新启动生产线上的机器时都必须重复。需要处理的其他方面是设置延迟，包括原材料应替换为其他原材料时引入的所有延迟。例如，由于这里分析的公司可以生产不同颜色的软管，如果生产计划从有颜色的物品转变为有颜色的产品颜色_A类到一篇有颜色的文章颜色_B类，生产线上的LO必须执行以下操作：（i）清空机器中的热塑性有色残留物颜色_A类; （ii）清洁机器，清除以下痕迹颜色_A类; （iii）用新的热塑性材料装载机器颜色_B类; （iv）设置机器以开始生产。这种操作可能需要长达4小时的时间，这意味着可能发生有害的（就浪费的时间而言），相当于正常工作班次的50%。如果PSM忽略计划活动中的启动和设置延迟，生产率可能会显著降低。因此，尽可能减少这些设置时间，尽可能保持具有类似特征（例如颜色和材料）的物品的生产连续性，这一点非常重要。

在规划过程结束时，PSM填写了一个Excel文件，用于预定义的时间段（通常为1个月）。为了与生产部门共享计划，PSM必须手动将计划订单逐一插入公司的ERP系统。此外，每周计划的副本打印在纸上，供每个生产部门的主管使用。当生产计划因客户的延迟和/或紧急要求而修改时，也会发生同样的行为。

3.3. 走向工业4.0：要改变什么

即使合作伙伴公司的活动得到了很好的组织和协调，但考虑到生产工作量的逐渐增加，通过纸张进行的生产管理也会出现一些延迟，而且无法扩展。此外，从管理的角度来看，规划阶段变得非常耗时，因为它需要考虑大量的细节，并深入了解生产部门的特点。由于这些原因，总部管理层决定启动数字化进程，以逐步消除效率低下现象并简化流程。该公司已经配备了一个需要扩展和集成的ERP系统，以便管理仍涉及纸张使用的方面。下文总结了已确定的主要问题和要求。

考虑到制造过程监控活动，该公司强调了几个问题，其中最重要的是管理生产计划更新的困难。事实上，如果订单需要修改，执行此更改需要遵循以下步骤：（i）PSM在公司ERP中更新订单，并生成新的MOF版本；（ii）打印POF的新副本；（iii）将纸质表格发送给相关部门的联络人。如果相关生产订单已经开始，则此操作可能需要一个小时或更长时间。发现的另一个重要弱点是，与生产检查和监控相关的数据是手写的，并存储为图像，因此不可能在生产后分析中利用这些数据，或者更简单地说，无法使用自动化工具在文档中执行搜索和分析。此外，数据手写容易出错，更改和检查极为困难（例如，如果LO或QI在书写批号或厚度测量时出错）。最后，考虑到打印、分发、表格填写、数据收集和扫描等所有步骤，整个公司的POF管理所需的时间非常长。事实上，在合作公司中，有一位专门从事这项活动的员工。因此，该公司有兴趣启动数字化进程，以期用跨平台智能应用程序取代纸张，供参与生产监控任务的所有参与者使用，尤其是通过使用移动设备，表格——在不可能使用PC的情况下（例如，靠近工厂生产线），它代表了一种可行且高效的解决方案。

相反，考虑到生产计划活动，公司强调的主要问题之一是无法以现实的方式计算特定生产线上生产物品所需的时间。这是因为生产时间的计算只能考虑第3.2节中强调的所有方面：这要求PSM从不同的数据源和软件（例如，包括公司ERP库存水平；确定可用LO的外部软件；生产线上的历史机器数据，以定义要使用的正确生产速度；等等）。这种方法不可扩展，因为它使PSM浪费了大量时间，并且需要对生产过程有深入的了解。此外，在这种情况下，有效处理生产请求更新显然很困难，因为生产计划中的每次修改（例如，订单从一天推迟到下一天）都会强烈影响相邻订单在同一行的时间安排，因为可能会产生新的启动或设置延迟。出于这个原因，该公司正在寻找一种能够管理所有这些异构数据源的新工具，从而自动执行定义订单持续时间所需的计算，并将可能的延迟通知PSM。由things2i开发的工业4.0工具向PSM隐藏了规划的复杂性，使得这项任务对于不了解生产流程和机器所有详细信息的员工来说也很容易管理。

在图3总结了数字化进程之前从规划阶段到有效生产的数据流。

4.生产监控创新

本节所述创新过程的主要目标是在生产监控中采用智能和数字应用程序取代纸页制造的MOF，从而实现：

•快速简便地收集与生产相关的数据；

•消除与打印扫描过程相关的成本；

•通过采用移动设备（例如平板电脑），促进不同部门的QI和LO的工作；

•有效管理生产过程中的更新和更改，并应对不断增加的工作量。

为了遵守这些要求，基于Web的智能应用程序，表示为SmartFactory（智能工厂）已设计和开发。SmartFactory应用程序是跨平台的，因为它是在不同的平台（即PC和移动平板电脑）上使用的，并且旨在与公司it和ERP系统集成。

4.1. 数据数字化

该过程的第一阶段致力于深入分析公司不同部门中使用的MOF布局，以描述要收集的数据的性质和结构，并设计能够有效存储此类数据的连贯数据库基础设施。该公司已经依赖于ERP系统，在该系统中保存要生产的订单：在此基础上，生成MOF并打印在纸张上。新的SmartFactory应用程序旨在与更新后的数据库结构交互，以存储用户收集的新数据。更详细地说，数据数字化过程中涉及的新实体，如图4，可以描述如下。

•生产线：工厂中活跃的生产线已在ERP中描述，以定义其数字等效表示。

•操作员分配：即使公司的ERP系统中已经存在LO列表，SmartFactory应用程序也需要知道与每个LO可以访问的部门相关的授权信息。

•生产订单布局：每个生产任务单属于特定的部门，并分配给特定的行。这唯一地标识了POF的结构，因此，ERP中列出了构成POF的可能部分，以允许SmartFactory应用程序工作。

•质量检查输入：合格中介机构在质量检查期间插入的数据结构。

•物料清单输入：包含LO插入的一组信息，以便跟踪生产过程中（原）材料的使用情况。

•工作进度输入：LO提交的数据，涉及每个生产订单的工作进度。

•LO质量检查输入：与LO注释相关的一组信息，在生产过程中，LO反过来执行质量检查。

•LO特定输入：反映LO需要插入MOF的信息，例如订单进展状态，以及其他特定于特定订单的信息。

•注释：授权工厂用户（LO、QI和PSM）可以添加到订单中的附加注释。

4.2. SmartFactory应用程序

SmartFactory应用程序是根据合作公司的要求设计的，目标是使用Android平台和屏幕尺寸有限的智能设备（尤其是平板电脑）。

在需求分析和部署期间，首先遇到的问题是登录过程，需要对用户访问应用程序及其不同的内部功能进行身份验证和授权。事实上，SmartFactory应用程序提供了两种不同的登录方式。

第一种登录模式是为PSM保留的，他们可以从办公室PC访问应用程序，并希望通过已经用于访问公司网络资源的相同凭据访问SmartFactory应用程序。公司已经通过使用Windows Active Directory（AD）范例来管理身份验证、授权和记帐（AAA）策略。由于这种方法，SmartFactory的登录模块必须与公司的AD交互，将提交的用户凭据发送到AD模块，以检查加入的用户是否被授权访问公司的资源。

第二种登录模式是专门为LOs设计的，他们在公司的AD中没有集中的证书，并且通过使用平板电脑在移动中访问SmartFactory，只能使用他们的个人近场通信（NFC）徽章获得授权，这些徽章已经在公司中用于访问建筑物。由于这一限制，SmartFactory的登录模块需要包含一个基于NFC的服务，该服务仅适用于移动设备。通过依赖基于AS400的公司ERP中启用的NFC徽章列表，当LO启动SmartFactory应用程序并将其NFC徽记放在平板电脑附近时，SmartFactory检索编码到NFC卡中的LO用户ID（UID），将其转发给Web服务（WS），Web服务反过来验证UID是否存在于ERP中，最终，授权用户登录SmartFactory应用程序。

登录阶段后，SmartFactory会将用户重定向到单独的主页，根据用户的角色进行自定义。更详细地说，应用程序是在不同的模块中构建的，每个角色定义了用户的相关数据可见性；然后，在每个特定模块中，允许每个用户执行不同的操作（即只读-RO和读写-RW）。下面详细介绍SmartFactory应用程序的每个模块。表1总结了为每个角色激活的模块。

这个生产订单管理模块（MOMM）允许用户查看和管理与MO相关的数据，具体来说，它表示纸质MOF的数字翻译。从预先存在的ERP对订单进行数据检索后，MOMM构建完整的表单视图，将当前部门订单所需的所有部分连接起来。与打印在纸上的表单不同，在SmartFactory应用程序中，单个生产订单的视图是为当前用户个性化的，只允许在他/她的严格能力范围内进行交互。事实上，LO只允许查看（i）“材料列表”部分、（ii）“进度日志”部分和（iii）自定义的“质量检查”部分。此外，在应用程序中，LO仅查看启用其工作的部门中的活动订单。完成后，MO对行中的LO隐藏。相反，合格中介机构只允许查看可编辑的质量检查部分，这些部分可能因部门而异。最后，由于PSM视图被视为类似于主管视图，因此它们可以以RW方式与MOF的所有部分进行交互，以处理活动订单和已完成订单。需要强调的是，对于某些可用角色来说不可编辑的部分不会被隐藏，而是以RO模式显示。通过这种方式，与制作相关的所有参与者总是被告知插入的输入。在图5，我们展示了SmartFactory应用程序中的MOF示例，以及MOMM如何更改三个不同用户角色中每个角色的可视化。

视图外观是与合作伙伴公司合作设计的，目的是突出问题并减少错误。事实上，如果LO或QI插入的值不符合商品标准（即软管厚度小于或大于所需厚度），则数据以红色突出显示，以提醒用户。

公司启动的数字化进程所需的一个基本特征是能够以简单的方式找到感兴趣的数据。因此，SmartFactory包括一个制造订单研究模块（MORM），对于QI和PSM实时查找与生产订单相关的数据，同时对历史数据进行搜索都很有用。更详细地说，该模块为用户提供了一组输入参数，用于过滤订单和查看生产期间提交的输入。另一个功能允许查找使用了原材料批次的所有MO。

在设计与ERP连接的应用程序时要考虑的另一个重要方面是确保用户可以接受的定制程度。因此自定义模块（CM）已包含在SmartFactory中，以便允许用户，尤其是PSM自定义订单视图的某些方面。例如，PSM需要自定义第3.1节中定义的MOF描述中部分文本的颜色，以便突出显示一些重要的生产步骤。由于颜色规则可以频繁更改，PSM可以通过SmartFactory界面中的CM自主管理颜色规则。

最后监管模块（SM）允许PSM验证是否存在与生产订单相关的问题。该模块管理SmartFactory中的特定页面，其中显示需要PSM监督的订单。为了确定此类问题，需要检查的数据已经与合作公司一起确定。

SmartFactory应用程序的总体架构（参考前面介绍的模块及其交互）如所示图6.

4.3. 技术和实施

SmartFactory应用程序是用PHP、HTML5和JavaScript语言编写的单租户Web应用程序。源代码的结构是按照Model-View-Controller（MVC）模式组织的，这是一种软件开发方法，旨在将应用程序逻辑与可视化表示和数据交互分离。更详细地说，组成SmartFactory工具的主要实体如下。

•模型：用于表示数据结构并与数据库交互。它们通常包含检索、插入和更新数据库表中的数据所需的几种方法。

•视图：用于向应用程序用户显示内容。它们通常包含不同的面向Web的片段代码（特别是利用HTML、JavaScript和CSS语言），这些代码组合在一起构成应用程序的完整用户界面（UI）。

•控制器：用于实现应用程序的逻辑。它们充当模型、视图和处理HTTP请求和生成网页所需的任何其他资源之间的中间实体。

为了保证一定程度的互操作性，新数据库已包含在合作伙伴公司的AS400安装中，并通过基于PHP的开放数据库连接（ODBC）驱动程序进行访问。

4.4. 主要优点

SmartFactory应用程序已经开发，并在第一阶段测试和设置后逐步引入合作伙伴公司。经过一年的首次使用，可以得出一份关于获得的好处、优势和可能的改进的报告。第一个也是更实际的效果是节省时间，因为表单不再打印在纸上，也不再手动扫描。由于SmartFactory允许同时访问MOF，允许QI、LO、，和PSM在不相互干扰的情况下输入和查看同一生产订单上的数据（而在数字化过程之前，必须共享MOF纸张，PSM在直接进入生产线或等待订单完成的情况下无法查看插入的数据）。另一个需要考虑的重要方面是通过所采用的数字化革命获得的结构化数据的数量，这些数据是连续收集的，可以用于实时监控生产状态，也可以作为进一步分析和统计的基础。我们还要求合作公司确定并量化与引入SmartFactory相关的积极方面。这些访谈的结果如下：

•SmartFactory应用程序中的可见数据始终是最新的；

•减少纸张消耗：避免了每年打印50000页和扫描50000个填充页，每年节省约220个工作小时和不可忽略的存储错误量；

•处理活动的数字日志；

•生产历史的数字可追溯性；

•减少错误和不符合项，量化后每年节省10000至20000欧元；

•提高公司在数字化方面的专业知识。

从设计角度来看，SmartFactory的模块化体系结构使应用程序本身易于扩展。事实上，新的功能可以集成到现有的模块中，也可以集成新的模块外部网络，如果制造过程中出现新角色或用户。在表2，总结了一年期间（即2017年11月1日至2018年10月31日）通过SmartFactory应用程序收集的输入量。

5.生产计划创新

5.1. 基于Web的生产计划工具

在生产监控活动数字化的第一阶段结束后，创新过程继续分析并包括合作公司的生产计划部门。数字化工作第二阶段的主要目标是取代基于电子表格的方法，引入一种专门针对公司特点设计的新规划工具，从而实现：

•在同一窗口中合并并显示PSM规划活动所需的所有信息；

•加快生产规划过程；

•隐藏所有必须填写的文档、规划分配计算之间交叉点的复杂性，并减少PSM在日常活动中所需的工作量；

•实现与公司ERP系统的后续模块（即生产和SmartFactory应用程序）的集成。

为了满足这些要求，一个基于Web的智能规划工具，表示为智能规划器已设计和开发。SmartPlanner应用程序仅由PSM通过PC使用，应与公司IT和ERP系统集成。

5.2. 数据数字化

规划活动目前由高素质员工负责，他们对公司从供应办公室到销售部门的整个工作流程的所有管理机制都有深刻的了解。因此，对PSM之后的规划程序进行全面分析的第一步是不可避免的要求。这项工作旨在获得关于PSM思维方式及其优先级的全面观点，从而突出公司不同部门之间的差异，以及PSM希望最大化的变量。之后，设计了另一个ERP扩展，以存储与规划活动相关的所有数据，这些数据尚未在公司的ERP系统中注册。更详细地说，涉及的新实体如下。

•设置延迟：描述规划活动期间应考虑的可能延迟。

•生产线：可用生产线（对应生产机械）及其相关延迟的描述。

•计划任务单：表示计划订单的事件列表，即在特定工作日内生产指定给生产线的特定数量的物料。

•轮班计划：每条生产线上每个工作日分配的小时数。事实上，PSM定义了生产班次必须持续多长时间：通常，每个班次可以假设值在8、16或24小时之间。

在图7，总结了SmartPlanner应用程序的数字化实体。

5.3. SmartPlanner应用程序

SmartPlanner应用程序的开发目前正在进行中，以实现合作伙伴公司所需的所有功能。如前所述，该应用程序仅针对PSM；因此，在登录阶段，它被重新使用SmartFactory登录模块的Microsoft AD连接器本身。此外，用户PSM通过其PC访问应用程序，因此遵循了单页Web应用程序范例。此外，设计阶段强调了以下所述模块的必要性。

这个计划建议模块（SSM）负责访问ERP系统，以便检索并向PSM显示要生产的物品列表。该清单由公司ERP系统每天晚上更新，并不完整，因为它没有考虑PSM的优先级；然而，它代表了工作的起点。该模块还为用户提供了计划（生产中）建议列表中尚未出现的项目的可能性，以及计划特殊事件的可能性，例如预期/意外的生产停止（即机器维护或故障）。

这个轮班管理器模块（SMM）旨在管理与LO轮班相关的所有信息。SMM包含两个主要组件：（i）人员连接器，检索特定天数范围内感兴趣部门的可用小时数，向合作公司采用的外部WS请求数据，以管理所有员工的存在；和（ii）轮班自定义程序，允许PSM修改部门中可用的小时数。这是必要的，因为PSM可能决定将LO从一个部门移动到另一个部门，以处理高工作负载或人员连接器组件中尚未保存的意外事件。

这个计划活动模块（PEM）是SmartPlanner应用程序的核心模块，负责管理作为周组织日历制作的图形用户界面（GUI）以及与PSM的交互。如所示图8GUI允许PSM在基于日历的视图上拖放生产订单，在该视图中，以类似于电子表格结构的表示方式，列显示工作日，而行表示受计划活动影响的部门中的生产线。因此，这里将MO视为日历上的事件，日历中还包含其他类型的信息，例如班次、工作时间、维护事件等。PEM还负责计算MO事件放置在特定单元格（对应于特定工作日和特定生产线的交叉点）后的有效持续时间。计算时考虑到：（i）软管的要求长度；（ii）生产线速度，从ERP中检索分析历史数据；（iii）特定日期的计划轮班时间；以及（iv）配置和设置延迟。

最后生产经理模块（PMM）负责存储PSM插入的数据，并管理与公司ERP系统的交互，以便将计划的事件转移到生产系统，使数字MO在SmartFactory应用程序中也可见。

在图8，显示了所描述的模块及其交互。我们注意到，所采用的技术与第4.3节中描述的用于开发SmartPlanner应用程序的技术相同。

5.4. 预期优势

如前所述，SmartPlanner应用程序目前正在开发中，预计推出后将具有以下优势。最重要的优点之一是节省了不同方面的时间：第一个优点是减少了PSM直接用于MO调度活动的小时数，但重要的是还要考虑减少培训一名致力于活动规划的新人所需的时间。事实上，SmartPlanner应用程序隐藏了与MO工期计算相关的所有方面，并以单一视图向用户提供了所有必需的信息，从而大大简化了PSM的工作，使公司也可以将此活动分配给其他人，并将学习阶段减至最少。最后，规划过程的完全数字化和自动化使得所有感兴趣的用户都可以使用完整的公司计划。

作为另一个讨论和评估点，我们要求合作公司确定并量化其与规划活动相关的当前成本（就这项活动所花费的时间而言，涉及规划办公室每天必须执行的所有不同任务），以及SmartPlanner工具完全集成后的预期收益。这些访谈强调的好处如下。

•目前，“手工”计划活动每天大约需要10小时。由于引入SmartPlanner工具，合作伙伴公司估计计划活动所用小时数减少了20%左右（每年约500小时）。这种减少主要是因为SmartPlanner工具可以自动将任务单从计划员直接发送到生产部门。因此，PM不再需要手动将MO添加到ERP系统，从而减少数据输入活动中的错误。此外，合作公司希望将节省的时间用于具有更高价值的不同活动（例如，通过在出现错误和疑问时提供更及时的帮助来改进客户关怀支持）。

•最后，合作公司预计内部与数字化方面相关的知识。

6.下一步：引入物联网

在过去几年中，以物联网为重点的研究工作最近允许在几个工业应用场景中引入这些技术和范式，从而产生了工业物联网（IIoT）的概念，它强烈影响着行业管理和业务流程。合作公司启动的数字化和创新过程，如前几节所述，为新的创新奠定了坚实的基础，例如引入物联网技术，以实现更精细的生产监控，从而提高制造技术的生产力和质量，以及引入基于分布式账本的技术，以提供活动和产品的可扩展可追溯性。的工作Alaba等人（2017）介绍了物联网在行业中的发展，提供了当前物联网的关键使能技术、研究趋势和挑战。为IIoT确定的第一项基本技术是RFID技术，它允许微芯片通过无线通信将识别信息传输给阅读器。因此，RFID阅读器和标签在制造过程中主要用于识别、跟踪和监测任何物体。另一项重要技术是无线传感器网络（WSN），它主要使用互连的智能传感器在工业环境中进行传感和监测。此外，还包括许多其他异构技术和设备，从条形码和智能手机，到社交网络，以及云计算Belli等人（2015年,2016)相反，Shrouf等人（2014）将工作重点放在可持续发展的角度上，提出基于物联网技术的智能工厂能源管理方法，并遵循不同的步骤。

关于分布式账本技术在工业场景中的应用，分析块链概念自引入以来米勒（2018）它允许在分散和分布式的账本上存储和共享从多个面向物联网的工业机器中获取的相关数据，业务网络的参与者可以访问这些账本。在IIoT中，区块链对公司及其客户都很有用。在以下情况下公司最终产品的每个组件都可以从购买到包含在最终产品中，从而提供完整的可追溯性，并允许更容易的仓库库存。在以下情况下客户，区块链可以让他们知道购买商品的状态，在出现问题时，更容易提醒公司可能有很多失败的商品。引入面向区块链的方法带来的另一个好处是预防和预测制造工厂设备的故障，从而预测性维护概念。更详细的信息，如Teslya和Ryabchikov（2017），传感器将检测可能导致操作员受伤或故障的条件；然后，基于阈值的决策应用将用于检测趋势并促进主动维护，在故障发生之前采取行动（能够创建模拟实际生产线操作的数字孪生模型）。面向商业智能（BI）的分析应用将提高可靠性，优化维护，并使运营人员能够更准确地了解资产性能。因此，这些事件可以记录在链块内，便于外部监管实体进行快速准确的检查和认证，因为这些存储操作必须防篡改，因此不需要实时执行约束（众所周知，与区块链的交互需要时间来确认（在许可或无许可的区块链中）。

7.结论

拟议的工作描述了一家真正的制造公司在帕尔马大学（University of Parma）旗下分拆的things2i s.r.l.的指导下进行翻新的过程。该过程始于两年前，目前正在进行中，重点关注公司管理的两个主要方面。第一阶段的工作是通过引入SmartFactory（智能工厂）是一个基于Web的智能应用程序，现在部署在公司中，由与生产相关的不同角色（即LO、QI和PSM）访问。SmartFactory克服了公司最初用于执行相同活动的纸张的使用。该过程的第二阶段目前正在进行中，仅针对公司的PSM，与生产线调度相关。这项工作的结果，表示为智能规划器是一个基于Web的工具，用于帮助组织生产，隐藏估计生产订单持续时间所需的复杂计算。合作公司中引入的变化带来了显著的优势和改进，包括：（i）考虑到节省的时间和使用的材料，显著降低了成本；（ii）更好更好地控制产品质量；（iii）对供应链问题和生产错误进行实时检测和反应的可能性；（iv）大大减少规划活动所花费的时间；以及（v）由于生产线的非生产性设置时间最小化，优化了资源使用。

SmartFactory和SmartPlanner带来的优势证明了合作伙伴公司所做的努力和投资是合理的，从而实现了非常快速的投资回报。所提供的实际应用程序显示了如何通过连续和渐进的步骤，从通常的业务流程管理概念过渡到即将到来的工业4.0。

作者贡献

LB、LD和GF在以下方面做出了重大贡献：起草文章并对其进行批判性修改，以及最终批准提交的版本。AM和PM修改并批准待提交的手稿的最终版本。每一位作者都已阅读并同意手稿中的内容。手稿和其中的材料还没有也不会提交到其他地方出版。

基金

LD的工作也得到了帕尔马大学Iniziative di Sostegno alla Ricerca di Ateneo项目“多层信息处理的多接口物联网系统”（MIoTYMIP）项目的部分资助。

利益冲突声明

作者声明，该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。

致谢

things2i s.r.l.的所有员工都要感谢Transfer Oil s.p.A.，尤其是Massimo Conti、Moris Bandini、Barbara Badini、Marco Palermo、Luca Gambardella、Marco Brunelli、Corrado Chezzi和Fabio Rametta，感谢他们在本工作中解释的工业4.0方法的定义和开发方面提供的支持。

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