智能工廠綜述與發展趨勢探討

何冠泯

摘 要：當前我國制造行業面臨著轉型升級，各國競相發展的智能制造儼然成為熱點。智能制造大背景下的智能工廠，以形成集高度自動化、產品個性化和生產智能化為一體的制造系統為研究和實踐方向。簡要介紹智能工廠的基本內容及特征，對其中的關鍵技術和應用進行了闡述，并且分析了智能工廠的發展現狀和對未來發展趨勢作出了展望。

關鍵詞：智能工廠;智能制造;柔性制造

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.06.093

1 智能工廠簡述及特征

智能工廠以智能制造為背景，在中國制造2025、德國工業4.0、美國先進制造業等國家戰略的大環境下，為了使得工業生產更加可控，更少人控，高效高質，綠色低耗而提出的適應智能化、數字化的新工廠。智能工廠通過監控技術和物聯網技術來加強生產信息管理服務，是未來生產制造領域的一大發展趨勢。

智能工廠具有自主、自動化特性，對于生產更趨向于個性化，同時分工明確且具有自我學習能力，其自主性體現在，對實時環境進行自主感知、判斷、分析，進而做出規劃的能力。在大規模生產中，智能工廠在信息物理系統（CPS）和物聯網的支持之下，將整個工業系統有機結合，實現生產按照既定的規劃高度有序地進行。個性化體現在產品可以根據具體需求意愿進行生產制造，通過對原料進行分析、設計并給出相應的解決方案，借助于整體可視技術和仿真模擬技術來進一步演示制造過程，從而達到個性化的目的。自行排除故障并進行維護是智能化自我學習能力的具體體現，人機交互在智能工廠中依然必不可少，由少量的人工中心進行監控與控制，通過工廠與控制臺的數據交換、反饋，最終達到批量高效生產的目的。圖1展示了智能工廠的體系架構。

2 智能工廠關鍵技術與應用

2.1 智能工廠的關鍵技術

智能工廠的有效運作有賴于各類資產的相互關聯和中央控制系統的集中控制。工廠資產即工廠設備，如各類機床（銑床、車床等）、管道、容器等等。中央控制系統包含數字化供應網絡堆棧和制造執行系統等。智能工廠建設中所需的關鍵技術有柔性制造、人工智能、智能機器人技術、大數據、云計算等等。

（1）柔性制造（Flexible Manufacturing System）。

柔性制造系統，是指由一個傳輸系統聯系起來的一些設備，通過傳輸裝置和其他連接裝置將工件送到各加工設備，使工件加工準確、迅速和自動化。柔性制造系統包含中央計算機控制機床和傳輸系統，有時可以同時加工幾種不同的零件?；谶@種技術，即可在無人參與操作的情況下，實現機器對于原材料的加工以及接下來機器與機器間的工作對接和自主進行工具、零件的裝卸。

（2）人工智能（Artificial Intelligence）。

人工智能作為計算機科學的一個分支，目的在于了解智能的實質，并生產出一種類似于人類智能的方式進行思考決策的智能機器。人工智能由不同的學科領域組成，如機器學習、計算機視覺、神經生理學、信息論等等，2016年被稱為人工智能發展元年，近些年在深度學習支持下，人工智能取得了較大的發展，也廣泛的應用于各個領域中，推動了各個領域的智能化進程。在AI技術的支持下，智能工廠能夠自行進行分析、推測和學習補充，滿足在智能制造趨勢下的高效、個性化的生產要求。

（3）智能機器人技術。

智能機器人現如今還沒有一個全世界統一的定義，但根據其在智能工廠中的功能劃分為交互型機器人和自主型機器人。交互型機器人可以根據指令做出相應的動作，但仍需要人為的操作;而自主型機器人則無需人的干預，在不同環境中能夠自行實時地感知識別外部環境變化，從而調節自身參數并進行決策。今后，智能機器人不僅會大量運用到工業生產中，而且也會普及到醫療、生物、制藥、農業等領域中，甚至會不斷深入人們的日常生活中，使得生產和生活更加智能便利。

（4）大數據（Big Data）和云計算（Cloud Computing）。

大數據（big data）指無法在一定時間范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合，是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力來適應海量、高增長率和多樣化的信息資產。云計算（Cloud Computing）是基于互聯網相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。兩項技術相輔相成，大數據中蘊含眾多的信息，只有利用云計算才能快速有效地計算和處理這些海量數據，挖掘利用大數據中的信息，這兩項技術的潛在價值無可估量。

2.2 智能工廠的應用

智能工廠的具體建設需要根據企業自身的發展需求而定，應用智能工廠無疑會在生產效率、質量、安全以及成本方面帶來益處。傳統重型制造業如冶金煉鋼等，在過去并沒有考慮客戶的個性需求，而是生產共性產品，追求產品數量的粗放式發展，導致了高耗能、高污染、產能過剩和低效益等問題，智能工廠的解決方案將有利于解決這些問題。例如煉鋼中的全程反饋自動化煉鋼技術，即在轉爐冶煉過程中，能實時反饋爐內信息，并能依據反饋信息進行動態調整，而傳統的副槍矯正模型，并不能實時反饋連續的過程信息。該技術中的全程反饋和根據數據自行規劃調整技術則體現了機器自主運行的優勢，減省了人工操作。

隨著“互聯網+”的不斷推進，中國工業化和信息化的融合越來越深，在交通運輸領域，中國制造2025中指出的“先進軌道交通裝備”和到2025年努力實現“智能化中車”的目標，要形成一個從產品、裝備、生產、管理到服務的完備體系，即智能制造所包含的生產體系。該體系的形成離不開智能工廠及其所依托的信息和物理技術，可見，在體系尚未成形時大力發展信息技術及其相關的新興技術，從而促進智能工廠到智能制造的發展，對當今我國的工業生產及制造業由大到強的進展大有裨益。

3 智能工廠發展趨勢

3.1 國內外發展現狀

當前，我國制造企業正面臨巨大的轉型壓力，由于國內勞動力成本的迅速攀升、行業產能過剩、企業間競爭激烈、客戶日益增長的個性化需求等因素，迫使制造企業需要從低成本競爭策略轉向建立差異化競爭優勢。與此同時，物聯網、智能機器人、增材制造、機器學習、計算機視覺等新興技術的快速發展，為制造企業推進智能工廠建設提供了良好的技術支撐。目前，國內實際上達到數字化水平的企業只占少數，也只有極少數的企業達到了智能工廠水平。國際上，美、日、德、法、韓、印等國都在積極建設智能工廠的過程中，目前尚未有完整意義上的智能工廠，一些技術先進的企業，如西門子、艾默生、施耐德等已發展出了一系列較為典型的智能工廠雛形與服務，在國際上具有較大的影響力和較強的競爭力。

如今各國正致力于以技術創新引領產業升級，更加注重資源節約和可持續發展，智能化、數字化已成為全球制造業的發展必然趨勢，智能制造的發展也必將成為各國競爭的焦點和工業生產所必備的技術。未來，智能工廠和智能制造的發展必將促進如AI、CPS等先進技術的發展，進而形成智能工廠完備的生產體系。

3.2 未來發展趨勢

分散與集中共存、人機共融和虛實結合將成為未來智能工廠生產的主要特征。未來的智能工廠將會比現有的自動化工廠更加的自動化，甚至是智能化和無人化，會將人類從現有繁雜而重復的工作中解放出來，有更多的時間充實提升自己來從事富有創造性的工作，同時智能工廠也會更加的個性化，甚至做到根據每個客戶的不同喜好和需求來生產相應的產品，讓生活中的各類產品不再是千篇一律，而是更具個人特色與藝術美感，使得人們的生活豐富多彩和具有藝術氣息。

4 結語

在日新月異的今天，智能工廠只會是我們邁向數字化、智能化社會的一塊基石和臺階。但是伴隨著各類智能信息處理技術的不斷發展，依托現有技術的智能工廠未來將朝著產品個性化、生產高度自動化與自主化的方向發展，但隨著某些技術的跨越式發展或者新興技術的出現，智能工廠的發展趨勢將會發生重大的變化，也必將會令人類的生活更加的便捷高效、豐富精彩和舒適健康，推動社會的發展與繁榮。

參考文獻

[1]佚名.工業4.0時代的智慧工廠有多完美？[J].智慧工廠，2018，（05）：24-25.

[2]姚立根，王學文.工程導論 ：Introduction to engineering[M].北京：電子工業出版社，2012.

[3]于艷華，宋美娜.大數據（3）[J].中興通訊技術，2013，19（03）：57-62.

[4]趙興芝，臧麗，朱效麗，譚鳳華.云計算概念、技術發展與應用[J].電子世界，2017，（03）：193-194.

[5]田陸，胡志剛，徐祖宏.智能工廠設計及智能制造關鍵技術[C].第十一屆中國鋼鐵年會論文集——S02.煉鋼與連鑄，2017.

[6]張泉靈，洪艷萍.智能工廠綜述[J].自動化儀表，2018，39（08）：1-5.

[7]孫柏林.未來智能裝備制造業發展趨勢述評[J].自動化儀表，2013，34（1）：1-5.

[8]王天然，庫濤，朱云龍，等.智能制造空間[J].信息與控制，2017，46（6）：641-645.