黑灯工厂作为智能制造技术高度集成的具体呈现，随着数字化、智能化技术的不断推进与演变，智能制造评价标准与要求也愈发严格，灯塔工厂应运而生。自2018年起，由世界经济论坛（WEF）和麦肯锡咨询公司从全球上千家制造企业中，共同遴选的最有科技含量和创新性的工厂称作“灯塔工厂”（Lighthouse Network），更被赞誉为“世界上最先进的工厂”，是兼具榜样和引领意义的“数字化制造”和“全球化4.0”示范，可以说代表了目前全球制造业领域智能制造与数字化发展的最高水平。
“灯塔工厂”为人们展示了驱动全球经济增长的最新生产方法，引领数字化智能制造能力上升到全新高度。“灯塔工厂”充分运用自动化、工业物联网（IIOT）、数字化、大数据分析、第五代移动通信技术（5G）等，应用规模处于世界最前沿，在业务流程、管理系统、工业互联网应用等方面广泛创新，是具备快速响应市场需求、创新运营模式、践行绿色发展的全新生态。截至2022年，全球共有114家灯塔工厂，其中中国拥有42家，是世界上拥有最多“灯塔工厂”的国家。本文从中遴选3个不同行业的灯塔工厂，从体系架构、部署实施、关键技术等方面进行剖析。
三一重工作为一个高度离散型制造企业，面对企业多品种、高效率、高质量、低成本方面的压力与挑战，作为国内首家重型工程机械制造企业入选世界灯塔工厂，工厂充分利用数字孪生、柔性自动化生产、规模化的IIoT与人工智能技术，建立了数字化柔性设备制造系统，实现了工厂产能扩大123%、生产率提高98%、单位制造成本降低29%的目标。
18号工厂打通了从产品设计→工艺→工厂规划→生产→交付的核心流程，构建了全三维环境下的数字化工厂建模平台与工业设计软件，实现了产品全生命周期管理系统的应用；在多车间协同制造环境下达到计划与执行一体化、物流配送敏捷化、质量管控协同化目标，实现混流生产与个性化产品制造，以及人、财、物、信息的集成管理。此外，自动化立体库、自动上下料等智能设备的运用，以及设备的智能化改造，实现物与物、人与物之间的交互与连通，驱动部门业务协同与各应用深度集成。18号厂房智能工厂总体结构图如图1所示。
工业物联网与智能产线。工厂通过机器换人实现了生产过程自动化与效率提升，搭建了工业生产物联网，以网络为纽带将设备接入工业网络平台，基于物联网平台集成现场设备数据、生产管理数据和外部数据，实现设备运行数据采集、自动控制，运用机器学习、人工智能等大数据分析与挖掘技术，建立产品、工艺、设备、产线等数字化模型，提供生产工艺与流程优化、设备预测性维护、智能排产等新型工业应用。工业生产物联网应用结构图如图2所示。
MES和ERP无缝集成。将MES系统与ERP系统进行集成，实现了产品到全寿命周期管理，从客户下达订单到生产制造、产品交付以及售后保障的全周期信息化，实现了制造现场与客户的实时互通。客户的个性化需求可以第一时间到达计划、制造、商务等有关部门，制造人员可以直接按照客户要求进行快速生产和交付，客户也可以随时了解所购买设备的生产进度。SANY MES系统结构图如图3所示。
生产控制中心PCC。厂房建设有PCC生产控制中心，中心通过对生产过程中到设备、物料、辅助生产资源等信息采集，并实现PDM/ERP/CRM/MES等系统间集成，达到订单执行与生产现场的集中管理与调度。PCC系统结构图如图4所示。
基于三维仿真的数字化规划。厂房通过对整个生产工艺流程建模，在虚拟场景中试生产，进一步优化规划方案。在规划层面的仿真模型可以在实验过程中进行产能分析与评估，预测未来可能的市场需求，动态模拟生产系统的响应能力；在装配计划层面的仿真模型中，通过仿真实验进行节拍平衡分析，优化现场调度，规划最优的装配任务和资源配置。基于三维仿真的数字化规划应用图如图5所示。
公共资源精细化管理。公共资源定位系统(见图6)通过物联网技术实现对在制品、叉车、人员、设备资源的实时定位、追踪与监控，实时获取物料和运输工具的状态和位置等信息，并可以通过对这些信息的分析实现对物料的高效调度；综合运用WSN、RFID和GPS等多种定位技术，满足不同制造资源的定位需求，在满足不同的业务需求的同时，实现基础设施的共用，达到减少重复建设、提高基础设施利用率的目的。
智能化立体仓库和物流运输系统（见图7）。智能化立库和物流运输系统可以完成产品、半成品、装配线及部装线所需物料的拣选、暂存、配盘任务，结合AGV实现物料自动配送至各个工位。仓储模式采用自动化立体仓库存储(主要储存中小件为主)+平面仓库储存(主要储存大件等其他特殊物资)+垂直升降库存储(主要储存小件为主)，配合全自动化的AGV小车，改变将近总量30%的物料种类的储存和出入库作业模式，有效地提高了整个系统的作业能力。
SPC质量在线号智能工厂通过GSP、MES、CSM及QIS的系统集成与整合应用，实现了涵盖产品全生命周期的质检数字化。在总装及部装线质检员全面应用工业级平板电脑和PDA，实现了图形化质检，可以快速、准确定位质检部位及质检标准，质检项图形化率达到90%以上，质检电子化率100%。SPC系统结构图如图8所示。
美的集团作为我国家电行业的领头企业，具有较大规模效益、较高创新能力、较强发展水平，运用数字化产品、软件与解决方案，实现了贯穿研发、制造、采购等方面的全价值链数字化运营，建立了研究一代、储备一代、开发一代的研发模式，并在工业仿真的支持下，针对工厂的新品开发、工厂布局、精益生产等方面，提前发现产品问题以及生产瓶颈，减少试制试产周期，从而提升整体产能。劳动生产效率提高28%，单位成本降低14%，订单交付期缩短了56%，实现了从自动化工厂向端到端互联价值链的转型升级。
工厂以精益生产为基础，自动化数字化运营为主题，基于数字孪生的中控运营管理系统，以MES系统为核心的智能工厂架构，利用MES+SCADA实施获取生产、物流、设备状况等现场数据，实现生产过程透明化，结合DMS系统对异常情况进行异常预警、快速响应、及时处置、闭环改善的问题反馈处理闭环机制，全面打造智能制造先进生产体系，将MES与ERP、WMS等系统集成，构建贯穿研发、生产、加护、采购、运维、管控等全价值链数字运维体系，实现端到端的全价值链体系集成。
工厂基于数字孪生技术的中控运营指挥系统，通过MES+SCADA系统，实时准确地获取涵盖生产、品质、物流、设备等现场数据，实现生产过程即时透明化的管理，利用日常运营平台DMS实现了设备实时监控、异常快速响应、及时预警、及时处理、闭环改善机制。其钣金车间是拥有冲压、焊接、喷涂、柔性加工等完整钣金加工技术的精益工厂，利用APS平台实现了月度产销规划资源的前瞻性配置，通过T+3订单拉动，优化车间排产，极大降低了半成品库存，提升设备产能利用率。同时，工厂供应链系统实现了端到端数字化采购，通过SRM供应商管理智能寻源优质供方，根据工艺、材质、规格等参数定义物料核价模型，结合历史数据与行情进行动态定价与采购。
此外，工厂立足“全价值链卓越工厂”的框架，通过低成本的精益自动化、产品标准化、工业研究突破，凭借数字化技术实现自动化系统以及IT系统的深度融合，打造柔性自动化生产的智能工厂，供应采购效率提升14%，订单交付周期缩短56%，产品品质指标提升15%，渠道库存下降40%，内部综合效率提升28%，能耗下降15%，制造综合效率提升33%，协同能力促使生产计划效率提升83%。
数智化设备的应用。工厂从原材料输送、余废料回收、质检、搬运、装车等过程运用了大量数字化和自动化设备，实现了生产效率提高与人力成本降低。QMS品质系统应用了5G+AI+云计算等技术手段，通过机器视觉质检与AI深度学习，智能识别与控制关键质量要素，为灯塔工厂提供智能化支持。
数字孪生技术的应用。工厂以MES系统为核心的智能工厂架构，实现了端到端全价值链系统间集成。当前整个工厂已实现200多项业务场景等数字化，MES系统可以生产业务及品质数据实时采集，并与ERP、WMS等系统进行集成，实现生产执行管理实时透明化。同时，WMS系统实现了自动叫料、自动配送、全物流场景透明化；能源管理系统实时监控采集能源消耗数据，形成各种维度的能耗数据分析，供管理层参考决策；设备管理系统实时监控与分析设备运行状态以及工艺参数，可以提前预警异常，降低设备运营管理风险。
物联网技术的应用。美的工业互联网品牌“美擎”，具备了大数据、工业仿真、智能排产、智能互联等核心能力，整合了6 000余个工业机理模型、800余个微服务组件，可以分为能力层、应用层、商业层、产业层。其中“能力层”通过库卡机器人、美的云提供云基础设施等，将这些“能力”向美的合作伙伴开放；“应用层”则包括营销领域、研发领域、智能制造领域、管理领域；“商业层”引入八大矩阵，在模具、智慧物流、智慧楼宇等方面实现商业赋能；“产业层”则通过自有的工业互联网平台联合汽车等产业，打造专属行业的工业互联网平台。美的工业互联网平台整合了机器人、自动化、IoT等工业能力，帮助企业实现业务转型释放潜在价值，为我国工业互联网平台发展提供了重要的实践参考。5G+工业互联网数据采集图如图9所示。
宝钢股份作为唯一入选灯塔工厂的中国钢企，由于其流程型企业特质，宝钢提出来四个一律的原则(作业一律机器、操控一律集中、运维一律远程、服务一律上线”架构，即智能装备、智能工厂和智慧互联+数据驱动，广泛应用人工智能和高级分析技术，在基于高级分析技术的生产规划、工业物联网优化流程、预见性维护设备、基于AI的视觉检测、智能物流等5个用例表现突出，使其在数字时代依然保持行业竞争力。
该企业管理架构覆盖了智慧计划、智慧生产、智慧设备管理、智慧质量管理和智慧物流五大模块，具体包括可以满足个性化定制需求的大数据自动生产计划编制系统，它可以根据需求预测与自主分析可以实现智慧计划，结合智慧生产功能，生产效率提升83%；其先进的工业物联网技术实现智能排程的智慧生产模块，通过智慧排产可以使材料和质量成本显著下降。其智慧设备管理模块包括设备状态智能诊断和预见性维护的智慧设备管理功能，通过采用移动式5G摄像头和智能5G安全帽实现危险作业远程监管，提高了安全管理效率工具寿命提高30%。其代替传统人工经验的AI表面质量线检测系统，基于深度学习技术进行缺陷特征提取和分类的智慧质量管理模块，大幅提高钢板表面缺陷识别精度，劳动效率提升70%。其智慧物流功能模块作为实时追踪、高度自主的智慧物流系统，可以实现无人操作和物流自动规划，显著降低物流成本。工业互联网实施架构如图10所示。
宝钢股份以精准、实时、高效的数据采集互联体系为纽带，研发出“纵向到底、横向到边、端到端集成”的制造系统，将营销、采购、研发、制造等公司核心业务作为数字化、智能化转型切入点，构建一个“全要素、全业务、全流程”的智能化动态管理系统，进而持续优化资源配置、提高工作效率、提高决策精准性，实现“作业自动化、管理智能化、决策智慧化”的精细化深度运营。在公司层面，通过新一代双中台信息化变革推进经营中心、营销中心、采购中心、研发中心、运行中心等5大中心建设，实现公司多基地一体化经营管理；在基地层面，通过智慧物流、智慧质量、智慧设备、智慧能环、智慧安保等5大平台建设，专业化管理，破墙穿洞，提升效率；在工厂层面，通过智能炼铁、智能炼钢、智能热轧、智能厚板、智能冷轧等智能工厂建设，在工序层面实施岗位一律机器人、操作一律集中、运维一律远程，使产线无人化、少人化。
机器人。宝钢股份遵循四个一律的原则，从现场2条200米长的生产线可以发现，工厂已实现了机器人作业和行车无人化，基本实现了机器换人，每条生产线名工人进行检。
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