危机和战争导致的供应链中断、临时取消或变更订单、订单批量越来越小以及产品越来越个性化的趋势，是当今许多制造企业普遍面临的现象。与此同时，为了在全球竞争中生存，企业需要提高生产效率。信息物理矩阵生产系统为数量减少、变型多样性增加和客户需求可预测性较低等市场变化提供了答案。这是斯图加特的弗劳恩霍夫研究机构IPA（制造工程与自动化研究所）与IWU（加工机械和加工技术研究所）在德国国家工程院委托编制的有关信息物理矩阵生产系统实施的报告中共同发现的。

图1 矩阵生产系统可以用来成功满足市场日益增长的需求，例如，越来越多的变型、产品的频繁变化以及难以预测的客户需求

什么是矩阵生产系统？

“矩阵”一词最初来自数学，用于描述物体按行和列进行的矩形排列。生产工程师将矩阵理解为所谓的过程模块的棋盘状排列。过程模块可以是自动站、手动站、混合站或线段。过程模块可以自由访问，单独进行逻辑规划，并通过灵活的物料流进行连接。与传统流水线生产相比，矩阵生产系统还允许回流。但是，过程模块基本上仍然按流程排列。某些过程可以在每个过程模块中执行。通常，这些过程模块也是冗余规划的。 

矩阵生产系统的一个决定性特点是操作顺序的灵活性。这意味着不会预先明确订单将如何在生产系统中运行，也不会预先确定产品的必要过程步骤将在哪个过程模块中执行。因此，操作顺序是临时确定。例如，如果单个过程模块关闭，其他过程模块也可以启动，或者可以稍后执行过程。在矩阵生产系统中，产品可以手动或自动运输。 

灵活高效

传统生产线通常会在进行更改（例如集成新产品变型或产品数量发生变化）时达到极限 ，缺乏灵活性。例如，无法适应周期时间差，并且新产品变型的集成也很困难。另一方面，单个工作站非常灵活，但效率不高。 

矩阵生产系统可以实现高生产率的灵活生产。不同的产品变型在一个生产系统中制造或组装，不会造成大量的浪费。单位数量发生波动时，可以在不同的产品变型之间取得平衡。作为重新配置的一部分，通过添加或删除生产模块，还可以对产量进行调整。新产品变型和新技术可以毫不费力地融合在一起。在矩阵生产系统中，生产人员的利用率得到了优化。共享生产资源也可以提高工厂的利用率，因此自动化更容易带来回报。 

图2 可访问以下网址免费下载德国国家工程院报告“信息物理矩阵生产系统的实施”

www.ipa.fraunhofer.de/matrix-expertise

信息物理网络

模块的信息物理网络支持矩阵生产系统。在虚拟空间中，有一个映射生产过程和制造模块的数字孪生。例如，可以用它优化物流、员工利用率和机器利用率。然后将仿真结果用于控制真实物理模块。 

多年来，弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所一直在研究矩阵生产系统。近年来，他们成功跃入工业实践。 

成功案例证明了机遇

实施矩阵式生产的成功例子，例如在半导体行业、电子产品生产或汽车行业（报告中对此进行了解释），表明在转换到矩阵式生产系统时，可以实现对现有生产系统的改进。在许多使用矩阵生产系统的公司中，解决方案已经高度成熟。例如，这可以通过生产单元的模块化结构、数字孪生的实施水平、自动化运输系统的使用和过程的可重构性来衡量，使生产能够快速适应不断变化的市场需求。报告的一个结论是，矩阵生产系统能够在面对困难的市场需求时实现经济生产，不同行业有着不同生产过程的公司已经部分或甚至完全实施了这些系统。

缺少针对中小企业的完整解决方案

目前缺少市场现成的完整解决方案。矩阵生产系统的个别解决方案在市场上获得，但没有包括集成在内的完整套餐。使用新模块化系统的公司通常自己开发。而无力负担自身技术开发的中小企业则被甩在了后面。单个解决方案必须以高昂的成本集成到一个整体系统中。弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所解决了这个问题。 

矩阵生产系统提供了巨大的机会。基本上，它们在需要高灵活性和高生产效率的场所都非常有潜力。使用矩阵式生产系统，可以成功满足市场的不同需求，例如不断增加的变型多样性、频繁的变化和难以预测的客户需求等。 

矩阵为装配系统的设计、规划和控制打开了新的自由度。“精益生产线设计”中常见的规划方法不能一对一地转移到矩阵生产中。只是拆开以前连接的站点，将特殊设备外包给二级站点，还远远不能挖掘这种潜力。因此，弗劳恩霍夫制造工程与自动化研究所开发了面向过程的方法来规划矩阵生产系统。