蒙牛數字化工廠——工業互聯網為食品安全保駕護航
內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司（以下簡稱蒙牛）始建于1999年，總部設在內蒙古和林格爾縣盛樂經濟園區。 作為中國領先的乳制品供應商，蒙牛專注于研發生產適合國人的乳制品，連續10年位列全球乳業20強。
乳品行業面臨成本攀升、一體化協同效率低、市場兩極化競爭激烈等問題，面對時代發展與企業自身轉型升級需求，蒙牛將“雙智”納入公司發展戰略，啟動“智慧供應鏈+智能制造”建設，并獲得工信部智能制造示范項目支持。
一、項目概況
1. 項目背景
智能時代已經到來，智能制造不僅被世界各國視為國家發展戰略，也是企業面臨內外部壓力與競爭，尋求轉型升級的重要選擇。
圖 1 智能制造是國家和企業的發展選擇
乳品行業面臨成本攀升、一體化協同效率低、市場兩極化競爭激烈等問題，面對時代發展與企業自身轉型升級需求，蒙牛將“雙智”納入公司發展戰略，啟動“智慧供應鏈+智能制造”建設，并獲得工信部智能制造示范項目支持。
圖 2 乳品行業面臨的挑戰
2. 項目簡介
2016年，蒙牛啟動了涉及8大業務域、全國56個工廠、88種角色的調研分析，最終明確智能工廠建設目標、藍圖、業務架構與達成路徑。同時，以金華、高科為試點，啟動智能工廠建設，旨在形成模板、凝練模式，打造樣板間。通過IT與OT的融合，依托數采、大數據、知識圖譜等技術，實現管理業務橫向互聯，制造業務縱向集成，數據信息上下互通，使生產過程全面數字化、透明化，指導未來數字化工廠的推廣與復制，為企業管理由“事后”變為“實時”賦能。
圖 3 全產業鏈融合優化
3. 項目目標
在現有局部自動化和智能化的基礎上，打破信息孤島，實現管理業務橫向互聯，制造業務縱向集成，數據信息上下互通，通過建設現代化乳制品智能工廠（先試點、后推廣），實現生產過程透明化、質量管控數字化、成本控制精細化管理，打造乳品行業智能制造新模式工廠，進而推動行業的整體建設。
具體目標包括：
（1）質量管控智能化：質量控制自動化、管理數字化、一鍵式質量追溯；
（2）生產管控智能化：生產數據自動采集、實時監控，有效挖掘改進點；
（3）智能安全云平臺：形成軟硬件一體化的安全管理模式；
（4）生產效率提升、成本降低、不良品率降低。
二、項目實施概況
1. 項目總體架構和主要內容
（1）數字工廠藍圖
以數字化工廠為核心，大數據與互聯互通為基礎，將訂單需求與物料供應、生產制造、倉儲物流、市場分銷有機整合，形成供應鏈管理數據生態圈，實現有效食品安全治理。采用先進的物聯網、大數據、人工智能等技術，對生產執行做到狀態感知、實時分析、自動決策、精準執行，讓生產更高效、質量更安全、過程更可靠、成本更精準、管理更便捷，從而實現透明化生產、數據化管理、一鍵化追溯的數字化工廠。
圖 4 智能制造藍圖
（2）依托的工業互聯網平臺
乳品數字工廠基于申報單位北京智通云聯科技有限公司（以下簡稱智通云聯）的工業互聯網平臺I.Smart，其四層架構如下圖所示：
圖5 工業互聯網平臺I.Smart架構示意圖
I.Smart既符合工業互聯網平臺標準，又凸顯了智通云聯特色。特別是在P層，是三域三中心的架構，除了通用的應用開發域和運營管理域，在技術組件域中知識圖譜、大數據等智能技術作為核心能力形成了三大中心，數據中心，知識中心和業務中心，確保了業務的數據化、數據的知識化、知識的業務化，三大中心的聯動運轉形成的知識圖譜作為行業大腦的核心，支撐了企業全業務鏈（研產供銷服）的數字化，并支撐業務運行的決策支持服務。
2. 網絡、平臺或安全互聯架構
數字化工廠解決方案總體分為四個層面，一是建立智能工廠數據標準體系與運營體系；二是設備數采，優化設備數據采集，結合自動化設備改造，實現設備數采標準化、平臺化；三是打造數據平臺與行業大腦，充分融合設備數采數據，生產過程數據，外部信息系統數據，打破信息孤島，構建乳品行業知識圖譜；四是實現工廠智能輔助決策，利用大數據分析技術，支撐生產效率提升，設備綜合產能分析和工廠關鍵績效指標分析等。
圖6 數字工廠平臺架構示意圖
（1）互通互聯
通過對設備數據的實時采集和系統集成，打通各個生產相關系統，實現數據鏈條貫通，質量管控數據化，對乳品行業標準加工設備聯通率可達100%，實現數據采集率95%以上。例如通過MES系統與LIMS系統以及工廠地磅與設備的對接，實現了奶車從進廠到出廠的全過程管理。
圖7 數據采集融合示意圖
（2）生產過程可視化與管理精益化
實現生產指標動態可視化監控，通過獲取生產實時信息及制約信息，提升生產效率，為降本增效提供有效支撐；生產訂單、原輔料耗用、質檢等信息的動態收集與應用，輔助生產業務協同效率提升、挖掘生產過程改善點。
圖8 生產監控管理示意圖
（3）全產業鏈協同與質量追溯
通過對全產業鏈管理實現原輔料驗收、生產過程管理、成品儲運的信息標識和全程網狀信息追溯。例如對生奶、原輔料、轉序樣品、成品等檢驗結果進行自動化采集，并將檢驗信息數字化、標準化，滿足追溯管理需求。系統可以將追溯時間從一次2小時提升到10秒鐘。
圖9 乳品質量信息收集與追溯示意圖
3. 具體應用場景和應用模式
基于數字工廠架構，在數據驅動的生產執行、監控、管理與輔助決策方面，形成了251個工業APP集。
圖10 乳品生產賦能工業APP集示意圖
在生產運營、經營管理和企業決策等不同層面的具體應用場景以及對應的功能如下圖所示：
圖11 應用場景示意圖
（1）主要場景和功能
在生產執行單位管理場景中，具備原輔料管理、計劃排產、生產執行與監控、生產防錯管理，以及生產統計分析等功能。
圖12 生產執行管理應用場景功能示意圖
在質量管理場景中，具備質量控制、監控、追溯、統計分析等功能。
圖13 質量管理應用場景功能示意圖
在設備管理場景中，具備設備臺賬、設備監控、設備維護、備品備件管理等功能。
圖14 設備管理應用場景功能示意圖
在庫存管理場景中，具備物料識別、出入庫管理、庫存管理等功能。
圖15 庫存管理應用場景功能示意圖
（2）業務優化
收奶
收奶過程自動化，有效幫助控制奶車在廠時間，控制原奶質量，提升收奶效率。
圖16 收奶過程示意圖
預處理
預處理工段實時監控各品相蛋白和干物質平均含量，有效控制原奶成本。
圖17 預處理過程示意圖
防錯
防錯系統實時報警，避免投料、配料、噴碼等錯誤出現，避免質量事故，產生早產奶。
圖18 噴碼防錯系統現場圖
質量監控檢測
通過對質量檢測數據的集成，減輕操作工繁瑣的質檢結果查詢工作量，實時監控半成品/成品檢驗結果，及時發現問題，并實現灌裝機即時停機，避免質量損失和質量事故的發生。
圖19 質量監控與追溯界面
設備維護
智能化生成保養/點檢/大修任務，實時監控任務的執行情況，有效降低設備故障率。
圖20 設備管理維護過程示意圖
管理決策
通過對奶倉，半成品，暫存罐、訂單完成情況、質檢時間等數據的分析，實時體現物料消耗情況，訂單完工率，質檢的綜合時間。綜合分析工廠生產總體情況，即時發現生產改進點，實現生產過程透明化。
圖21 數字工廠可視化大屏
4. 其他亮點
工業互聯網的第一性原理，就是聯接一切可以聯接的工業要素和生態要素。基于知識圖譜智能技術的工業互聯網解決方案，充分發掘事物背后的隱性關系，將隱性關系變成數據，并以可視化的形式展示在人們面前，將“三不”變為“三可”，即將“過去不可見的要素可見，過去不可計算的要素可計算，過去不可聯接的要素可聯接”。如問題解決的經驗、工作機理、專業知識、設備維修的各種屬性等全部變為知識內容可見可察，先可視化，然后再實現聯接、計算等，基于“三不”變“三可”實現更加深入的業務洞察，提高工業要素協同優化配置能力。
三、下一步實施計劃
計劃1：更全面的推廣
蒙牛數字工廠按照業務調研與藍圖設計、試點、推廣的路徑分步實施。目前，已完成高科、金華兩個工廠的試點建設，并于2020年啟動了另外7個工廠的建設。
圖23 數字工廠推進路徑
計劃2：更廣泛的聯接
在試點工廠，以MES平臺建設為核心，通過數采平臺建設，與7類相關設備及系統集成，實現工廠內部的設備互聯、系統互通。
圖 24 項目系統集成示意圖
后續，還將實現集團級的互通互聯。更進一步，未來要建立乳品行業生產物聯網標準規范，建立一體化的數據集成模型、技術協議、接口規范，實現設備和軟件為一體的解決方案，形成行業的工業互聯網平臺。
計劃3：更深入的應用
目前，已經將工業視覺、大數據智能、知識圖譜等人工智能技術在數字工廠建設中進行了應用，未來，將繼續與業務場景結合，實現更加深入的融合應用。例如，在生產排產方面，實現滿足班組人員、機臺設備、物料庫存、生產工藝、現場布局、日歷等各種生產約束條件的自動化工序機臺作業計劃與物料計劃制定；在設備管理維護方面，進一步實現基于知識驅動的預知性維護，提高設備故障預測預警能力、分析問題與解決能力。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）一套方法論與模板指導實施
形成有效支撐乳品數字化工廠建設的方法體系、模型體系以及方法論DAPOSI（音譯“大博士”）。
圖 25 數字化工廠實施方法論DAPOSI示意圖
（2）兩個智能制造范式并行
中國工程院在2018年發布的《中國智能制造發展戰略研究報告》中指出，國內智能制造有“三種基本范式”，第一種范式是基于數字化技術的智能制造；第二種范式是基于CPS技術的智能制造；第三種范式是基于新一代人工智能的智能制造。本解決方案同時應用了第二種范式和第三種范式。
（3）三種人工智能技術融合
基于大數據智能、融合知識與機器學習的交互優化技術、知識圖譜等新一代人工智能技術開發的“基于工業圖譜的工業互聯網平臺”，解決了乳品行業業務過程中產生和需要的多源、多維、異構、海量數據采集與融合的技術問題，實現從采購、生產到銷售的過程一體化集成，貫通了供應鏈、生產過程、營銷、財務等全流程的數據和應用集成，從原奶收料到前處理，從灌包裝到成品倉儲，再到每一箱/盒乳品的追溯，讓食品安全和生產效率這兩個最重要的目標得到了根本性的保證。
2. 實施效果
推廣應用實現了企業的計劃優化、成本降低、業務協同、質量保證與效率提升，僅單包克重一項，每廠每年節約費用200多萬元。
圖 26 數字化工廠應用效益總結
聲明
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