智能制造系統研究及趨勢分析

周艷聰 張 波 王 巖 胡德計 陳 聰

（天津商業大學信息工程學院，天津300134）

1 概述

隨著科技的發展，傳統的信息技術逐步更新換代，人工智能、虛擬現實等高新技術的迅猛發展，重新定義了現有的工業，傳統的制造技術與新興科技相融合，為制造業注入了新鮮血液與活力。高新技術進入現有的制造領域，改造了現有的生產結構，實現現實生產與虛擬管理互聯，將生產制造流程全程網絡化，通過虛擬網絡連通生產、銷售、服務，將傳統的生產制造變成智能制造。智能制造已成為當今各制造大國主要發展戰略，是加快推進中國傳統制造業企業管理創新思維能力不斷發展、提質增效，實現從制造大國向制造強國轉變的重要方法，是國家機械制造業水平的重要標志，是國家的基礎產業和支柱產業。

2 智能制造概述

2.1 智能制造簡介

智能制造將人工智能技術應用于制造業，構成了人機一體化的智能系統。利用人和智能機器合作理念，有效提高生產效率，規范生產流程。由于智能機器具備一定的分析、推理、設計能力，因此不論是在批量產，還是在精細加工方面，都可以順應自如。

2.2 智能制造特征

智能制造與傳統制造相比，有自律、人機一體化、虛擬現實和自我學習維護等特征。自律指智能制造機器有強大的數據支撐系統，運行時可以將環境數據與自身信息相結合，進行分析、判斷并做出最優規劃方案。人機一體化指目前所生產的智能制造機器只具備一定的邏輯推理思維，也可做到圖像思維，但要具備人類的靈感思維，則需要人按照實際情況修改程序，才能使機器具備最大效能。虛擬現實特征指智能機器通過數據采集、影像修復、環境分析、傳感設置、智能模擬等多項技術，可以擬定制造過程與產品特征，給出虛擬制造環境和場景，幫助人們進行分析，并在其上進行學習或決策。自我學習維護特征的指機器可進行數據的主動擴充，從而體現出智能機器的自我學習特征。在機器遇到故障后，會進行自檢排除故障、修復數據，體現出其維護特征。

2.3 我國智能制造戰略

為實現從制造大國向制造強國的快速轉變，李克強總理在2015 年“兩會”的政府報告中提出了“中國制造2025”宏遠計劃[1]，制定了我國未來10 年的長期戰略規劃，旨在提高國家制造業創新能力，實現從制造大國向制造強國的轉變；推進制造業數字化，信息化，產業化；開展人工智能技術、信息技術與制造裝備融合的集成創新；完成企業生產、制造、銷售多層面智能化研究，使我國制造業進入國際領先地位。

3 智能制造的核心技術

智能制造核心技術指在制造的過程中，為了獲取各個制造環節的相關信息，實現動態監控、決策分析以及實時操控通訊而使用的核心技術[2]。為了實現我國“中國制造2015”的偉大構想，需要國家建設或大力發展能夠與中國制造業匹配的相關基礎設施體系與核心技術。

3.1 智能通信技術

隨著數字時代的來臨，手機、電腦成為現代人的常用生活設備。強大的網絡功能、龐大的數據信息，都需要智能通信技術的支撐[3]，才能帶動其正常運轉。互聯網協議IPv6 與傳統互聯網通信協議IPv4 相比，可以容納更多的IP 地址，擴充了數據空間，更新了分配原則，提高了傳輸速率，增加了對流支持，提高了支撐設備的兼容性，為多媒體技術提供了更多的展示空間。

3.2 智能控制系統

智能控制系統在現代化工業制造、項目檢測方面起到了重要作用[4]。通過建設局域網絡系統或是直接安裝相應軟件，可以加強各操作部門間溝通，通過數據共享，動態監測整個生產過程。按照應用工藝不同，智能控制系統可分為可編程控制系統和工控機控制系統兩類。可編程控制系統，在操作時可以通過輸入相應參數，選用不同工藝標準進行生產加工，機器可以自己實現計算、分析、籌劃、檢驗等程序，提高了工件的精度與準度，其操作方便，抗干擾力強。工控機控制系統將工業控制計算機與傳統工業生產運用結合，其操作總體呈線性操作結構，多用于監測環節，通過主控臺數據顯示，工作人員可以實時了解工藝設備、裝備的工作狀態，提高生產的穩定性。

3.3 物聯網技術

物聯網可以將生活中的物件與互聯網相連，并上傳數據信息，進行識別、定位、管理等操作，其核心技術是射頻識別技術[5]。該項技術在各行各業中都得到了廣泛應用。物聯網中的5G技術，通過邊緣計算架起物理世界與網絡世界的高速橋梁，將傳統的數據中心向邊緣側延伸，加速5G 落地。通過搭建全新的網絡拓撲構架，縮短實時周期數據分析時間，從而更好地支撐本地業務的實時智能化處理與執行，滿足了自動化建設中的低延時數據處理要求。

3.4 人工智能技術

人工智能技術的運用愈來愈趨于多元化。據預計，2020 年人工智能市場的復合年增長率將達到44.5%。在生產中，人工智能可以多維度、深層次采集工業數據，匯集生產中的智能要素，優化資源配置，有效協助設計員突破智能生產瓶頸，提高生產質量。當今的人工智能技術以機器深度學習為核心，在視覺、語音、自然語言等應用領域迅速發展，通過三維一體相互轉換，有效提升社會各領域的智能化水平，給傳統領域帶來顛覆性變革。

4 智能制造發展措施

目前，我國制造業整體發展水平還不樂觀。很多設備生產雖然已經達到批量化規模，但一些核心技術仍需創新突破。《中國制造2025》為國家制造業今后的規劃路線、發展思路以及智能制造突破重點提出了明確指導。

4.1 強化教育基礎，提高綜合實力

智能制造的核心在于技術與創新，需要大批量的技術人才。因此，教育部應利用高校人才優勢，明確劃分智能制造的應用方向，加強對外交流，開闊學生眼界，提高學習創新能力。同時可以設立智能制造孵化園，讓學生發揮所學進行實踐，在不斷的創新與改進中突破關鍵技術。

4.2 促進兩化融合，提高使用效率

為落實《中國制造2025》的指導思想，國家應加快現代化產業與傳統加工制造業的融合，利用已掌握技術，加大設備生產，更換智能設備，提高生產力；加強技術人員培訓，提高其綜合實力。對于已經融合轉化的制造廠，要鼓勵其大規模應用互聯網、物聯網設備，提高生產效率，并創新融合模式，加強基礎技術研究，提高自身生產力的同時強化國家工業基礎。

4.3 發展綠色制造，提高持續生產力

在大力發展生產力的同時，仍要走可持續發展道路。發展制造業的同時，注意生態文明建設。可通過引入新型智能環保設備或是工藝流程，在保證產量的同時，提高資源利用率，從根本上降低工業污染的排放。另外，可以用環保材料代替傳統材料，減少不必要的資源浪費，或者在廠內增設工業污染處理設備，助力可持續發展。

5 結論

智能機器具有分析推理、自學習維護等生產特性，投入到生產制造業中，可以帶動整個產業發展，其信息設備技術，也加強了人與人、人與機器、機器與機器的溝通，有極高的應用價值。目前我國智能制造技術應用廣泛，但部分核心技術突破仍是重點，應加強人才培養，從而多層次推廣應用。