智能制造發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

孔凡國，俞雯瀟

（五邑大學 智能制造學部，廣東 江門529020）

0 引 言

當前，國內(nèi)外的各制造業(yè)企業(yè)不僅要面對來自消費者日益增長的物質(zhì)需求，更要應(yīng)對資源和環(huán)境等帶來的挑戰(zhàn)。因此，依靠現(xiàn)有的制造技術(shù)水平是不足以滿足消費者對物質(zhì)的需求及應(yīng)對環(huán)境所帶來的負面影響。為了妥善處理這類問題，解決制造業(yè)面臨的瓶頸，就必須對制造工業(yè)進行一場科技改革[1]。隨著科技的不斷進步，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等為主的新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展[2],各種現(xiàn)代化、智能化技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在制造業(yè)上，推動著制造業(yè)不斷創(chuàng)新發(fā)展，同時也成為新工業(yè)革命強有力的推動力量。智能制造作為新工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，其不僅在發(fā)展理念上有著重大的改變；在制造方式上更是通過融合了ICT技術(shù)來實現(xiàn)制造的智能化。當然，新一代的制造技術(shù)還處于發(fā)展和不停探索階段，但其對制造業(yè)的發(fā)展路徑、體系及產(chǎn)業(yè)形態(tài)已經(jīng)產(chǎn)生根本性跨越，并推動著制造業(yè)邁向新的時代[3]。

1 國內(nèi)外智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 德國

工業(yè)4.0概念是由德國在漢諾威工業(yè)博覽會上最先提出來的，它指的是第四次工業(yè)革命，在此次工業(yè)革命中，以智能化為主的智能通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和云計算服務(wù)平臺被研制出來[4]，并投放于智能制造產(chǎn)業(yè)中。不僅如此，德國還專注于對智能遙感、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等方面的研究。將其與通信系統(tǒng)和云計算平臺相結(jié)合可以對制造業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)進行集成和分析[5]，通過數(shù)據(jù)分析及反饋信息可以對各個制造部位進行實時監(jiān)控，確保生產(chǎn)制造的每個環(huán)節(jié)順利進行。

數(shù)據(jù)的精確分析和處理是智能制造的關(guān)鍵所在，工業(yè)4.0的目標就是通過一系列的現(xiàn)代化技術(shù)對制造機械實施精確控制，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對生產(chǎn)制造過程進行遠程控制和生產(chǎn)管理[6]。

1.2 美國

2012年，美國通用電氣公司（GE）提出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）概念，在該理念中將智能制造設(shè)備、數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)人員作為未來制造業(yè)的關(guān)鍵要素，以實現(xiàn)人機結(jié)合的智能決策。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由三部分組成，分別是智能設(shè)備、智能系統(tǒng)和智能決策[7]。它可以被認為是數(shù)據(jù)與軟硬件之間的互通橋梁，還可以分析和處理來自智能設(shè)備的數(shù)據(jù)，為智能決策提供數(shù)據(jù)上的支撐。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最大的潛力是通過將自身組成部分與制造機器、材料、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等整體進行集成，得到最后的智能決策，最終實現(xiàn)智能制造。

1.3 日本

在德國工業(yè)4.0計劃的影響下，日本于2015年啟動了與工業(yè)4.0相對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)價值鏈促進會（IVI），即通過互聯(lián)網(wǎng)將所參與不同的企業(yè)連接起來，且參與此次計劃的企業(yè)大都是本行業(yè)的佼佼者。利用政府提供的平臺，各企業(yè)相互合作，將網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與工業(yè)制造相結(jié)合來推動“智能工廠”的實現(xiàn)。此外，IVI還在基于企業(yè)自然合作前提下提倡兩個基本原則：關(guān)聯(lián)制造和可變標準。前者是依靠智能化連接的工廠來處理過剩資源，達到不浪費、充分利用資源的目的；后者提出的是一種自適應(yīng)模式，在外部條件發(fā)生變化時可以自動進行自我調(diào)整以適應(yīng)當前變化。無論是以智能化方式利用過剩資源還是一種可變化的自適應(yīng)模式，都是在發(fā)展智能制造過程中所必備的。

1.4 中國

為了提升中國制造能力，將中國由制造大國變?yōu)橹圃鞆妵袊鴩鴦?wù)院在2015年頒布了一項針對國內(nèi)制造業(yè)為期10年的計劃《中國制造2025》。在此計劃中明確了中國制造業(yè)的下一步指導(dǎo)思想和戰(zhàn)略目標，其中包括以下9項任務(wù)：1）全面增加國內(nèi)制造業(yè)創(chuàng)新能力；2）促進信息和工業(yè)化的深度融合；3）加強基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)能；4）發(fā)展中國質(zhì)量品牌建設(shè)；5）推廣環(huán)保制造；6）推進重點領(lǐng)域的突破；7）推動制造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和重組；8）推進面向服務(wù)的制造和生產(chǎn)行業(yè)；9）增加國際制造業(yè)的參與。

近年來，在國家出臺支持制造業(yè)轉(zhuǎn)型的政策后，中國在智能制造方面取得了不少的進展。云制造作為一種先進、前沿的制造方式，最早也是由中國提出的，且其諸多成果被國際學術(shù)界所引用和認可[8]。此外，中國在無人駕駛汽車、工業(yè)機器人、增材制造等關(guān)鍵領(lǐng)域也取得突破性進展，初步形成了智能制造標準體系[9]，為國際智能制造業(yè)做出了重大貢獻。

2 智能制造關(guān)鍵技術(shù)

科學技術(shù)是社會發(fā)展的根本動力，進入21世紀以來，隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平的不斷進步和突破，推動著制造業(yè)進入了一個新的發(fā)展階段：智能制造。其從根本上提高了生產(chǎn)和利用效率，極大地解放了人類的體力和腦力。而使得智能制造系統(tǒng)越來越強大的則是新一代的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、云制造、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)指的是電力、軟件、傳感器等事物所連接的一個網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)世界。在物聯(lián)網(wǎng)中，各種物體都嵌入了傳感器或其它電子設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)下進行數(shù)據(jù)的采集和交換[10]。物聯(lián)網(wǎng)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)設(shè)施提供物理現(xiàn)實對象和計算機系統(tǒng)的高級連接，并實現(xiàn)對傳感器采集數(shù)據(jù)的分析，提高制造的質(zhì)量和效率。將物聯(lián)網(wǎng)用于制造業(yè)相當于給制造系統(tǒng)裝配了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這為開發(fā)人員實現(xiàn)智能制造提供了制造信息集成基礎(chǔ)。

2.2 Cyber-Physical系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）是物理對象和軟件進行緊密聯(lián)系的計算協(xié)作系統(tǒng)，同時也可以訪問互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)及提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)。CPS涉及多門學科知識，其應(yīng)用也涉及多個領(lǐng)域，尤其在制造業(yè)中，CPS與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等密切相關(guān)，是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。雖然目前對CPS的研究還處于起步階段[11]，但學術(shù)界和工業(yè)界早已將其作為重點研究領(lǐng)域，也將其視為發(fā)展制造業(yè)的有力競爭手段。

2.3 云制造

云制造是一種創(chuàng)新型制造方法，是指在物聯(lián)網(wǎng)、面向服務(wù)技術(shù)支持下將制造資源轉(zhuǎn)化為可共享和一種以客戶為中心的先進制造模式[12]。它利用按需訪問和分布式制造方式實現(xiàn)最優(yōu)資源加載響應(yīng)和提高產(chǎn)品制造效率，同時它也涵蓋了產(chǎn)品從設(shè)計、制造、測試到維護整個生命周期。因此也被稱為一個集智能生產(chǎn)和管理的制造系統(tǒng)。在云制造中，利用虛擬化技術(shù)將生產(chǎn)資源上傳到云服務(wù)系統(tǒng)中，利用相關(guān)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對上傳的資源進行分類和封裝，并提供用戶訪問和調(diào)用資源等各項服務(wù)[13]，實現(xiàn)資源的共享和流通。同時也促進云制造的發(fā)展，為智能制造提供技術(shù)上的支持。

2.4 大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)指的是因其范圍廣、規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而無法在一定時間內(nèi)用常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法進行處理的數(shù)據(jù)集合。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)的獲取無處不在，大數(shù)據(jù)來源于生活中的方方面面。因此，需要特殊的技術(shù)和方法對大數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析，從中提取出有價值的數(shù)據(jù)。在此背景下，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)逐漸形成。雖然利用現(xiàn)代化工具（例如智能傳感器）可以很方便獲取到數(shù)據(jù)，但要實現(xiàn)智能制造需要對產(chǎn)品開發(fā)的每一個環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)進行有效處理，以便在確定的開發(fā)環(huán)節(jié)中獲取到正確的信息[14]。因此大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的關(guān)鍵就在于數(shù)據(jù)能否被正確處理和利用，這對實現(xiàn)智能制造是至關(guān)重要的。

3 智能制造發(fā)展趨勢

智能制造正在發(fā)展，它所帶來的既是機遇更是挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)現(xiàn)在的制造業(yè)向未來的制造業(yè)轉(zhuǎn)變是一項艱巨且持久的任務(wù)。由于對未來的技術(shù)和發(fā)展水平的不確定性，因此很難準確把控智能制造的走向。但盡管如此，我們還是可以依據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展方向及制造業(yè)的一些特征對智能制造的發(fā)展趨勢做如下幾點概述。

3.1 材料和工藝

新材料和新工藝的開發(fā)促進了產(chǎn)品的設(shè)計和制造，為產(chǎn)品的發(fā)展帶來創(chuàng)新性，同時也為智能制造打開了一扇新的大門。制造創(chuàng)新在很大程度上依賴于材料的可獲取性及新工藝的出現(xiàn)。一般情況下，由于材料的開發(fā)周期要長于產(chǎn)品開發(fā)周期，所以應(yīng)加快對材料的研發(fā)；而新工藝的出現(xiàn)將會加大材料、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造和設(shè)備的整合。但考慮到材料的種類和工藝的數(shù)量龐大，以及材料和工藝的信息與數(shù)據(jù)的微觀結(jié)構(gòu)、性能、功能和組成。面對如此大量的信息，需要相關(guān)領(lǐng)域的工作人員進行有效挖掘和分析，并通過互聯(lián)網(wǎng)將關(guān)鍵信息傳遞給相關(guān)部門，以加速材料和工藝的發(fā)展創(chuàng)新，為進一步推動智能制造做準備。

3.2 預(yù)測工程

預(yù)測工程是制造業(yè)在解決預(yù)期方案領(lǐng)域的最新研究方向之一，也將是未來制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。它帶來的是對制造過程及設(shè)備未來狀態(tài)的預(yù)測，而在傳統(tǒng)制造業(yè)上對數(shù)據(jù)進行采集分析、對產(chǎn)品進行質(zhì)量監(jiān)控等主要是針對制造的過去。預(yù)測工程提供了一種高保真模型，利用此模型可以在一定程度上預(yù)測未來狀態(tài)。顯然，如果在制造業(yè)中能夠提前預(yù)測到生產(chǎn)力、產(chǎn)品質(zhì)量和運輸狀況等關(guān)鍵信息，就能提前做出決策防患于未然。此外，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和效率的同時降低設(shè)備維護的成本，開發(fā)相應(yīng)的智能維護模型是至關(guān)重要的。目前，已研究出一種利用歷史數(shù)據(jù)時間行為的深度遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可用于預(yù)測缺陷的擴展和估算出機械設(shè)備或零部件的剩余使用壽命[15]，以便知道何時應(yīng)該維護或更換已報廢的零部件。

對于目前已有的預(yù)測工程來說，主要存在兩點還有待在未來進一步發(fā)展：其一，在制造業(yè)當中用于實際工程應(yīng)用的預(yù)測分析種類還不多，很多需要進行工程預(yù)測的環(huán)節(jié)都因為缺少相關(guān)預(yù)測方法而無法執(zhí)行；其二，現(xiàn)有的預(yù)測方法在精度上還有待優(yōu)化和提高。

3.3 資源共享

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，制造業(yè)也變得越來越數(shù)字化和虛擬化，且許多創(chuàng)造性技術(shù)也將在虛擬空間中進行。雖然對于專有技術(shù)的實體制造可以得到知識產(chǎn)權(quán)的保護，但在數(shù)字化空間里的資源可能是高度透明的，這就允許企業(yè)間可以相互共享資源。目前，共享資源模式已在其它行業(yè)中取得了階段性成功，例如：為緩解交通壓力減少私家車出行的共享汽車和共享單車，還有住宿服務(wù)領(lǐng)域的Airbnb等共享行業(yè)。因此，在未來的智能制造領(lǐng)域也將會出現(xiàn)共享制造設(shè)備、軟件、知識及共享協(xié)作建模等共享模式[16]。

在制造業(yè)中除了制造設(shè)備之外，運輸也是一種很重要的資源，且任何制造都離不開運輸。運輸可分為兩類：外部運輸，主要是指向公司提供供應(yīng)服務(wù)和公司產(chǎn)品對外分銷服務(wù)；內(nèi)部運輸，主要是指材料在生產(chǎn)流程中的運輸。從制造的角度來看，無論是外部運輸還是內(nèi)部運輸都是一種非增值活動。而運輸?shù)木嚯x是相對固定的，因此，引發(fā)了一種可降低運輸成本的想法，即共享運輸：一種利用互聯(lián)網(wǎng)將制造與供應(yīng)和分銷連接組成的運輸網(wǎng)絡(luò)，可同時為多家供應(yīng)端和配送提供一個最優(yōu)解決方案。資源共享的利用無疑是推動制造業(yè)發(fā)展的重要因素之一。

3.4 可持續(xù)制造

制造業(yè)在給世界經(jīng)濟帶來飛速發(fā)展的同時，也導(dǎo)致了許多環(huán)境問題。并且隨著人口的日益增長和消費水平的提高，人類將面臨更嚴重的社會環(huán)境壓力[17]。因此當前全球化所面臨的最大挑戰(zhàn)是既要滿足世界人口不斷增長的物質(zhì)需求，同時又要確保人類在環(huán)境、經(jīng)濟和社會上的可持續(xù)發(fā)展。為了應(yīng)對這個巨大的挑戰(zhàn)，迫切需要將制造業(yè)朝著可持續(xù)化制造方向發(fā)展。

可持續(xù)制造是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標在制造業(yè)實施的結(jié)果[18]，是一種以節(jié)約自然資源，努力將制造產(chǎn)生的污染物降到最低，且在經(jīng)濟上是可行的生產(chǎn)過程[19]。因此實現(xiàn)制造業(yè)的可持續(xù)性對可持續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的。雖然可持續(xù)制造理念已被廣大群眾所接受，但對制造商而言仍然要面臨許多挑戰(zhàn)：投資成本高、回報周期長及在實踐層面上缺乏技術(shù)性指導(dǎo)[20]。因此要完成可持續(xù)制造從理念到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變還任重而道遠。

4 結(jié) 論

智能制造是制造業(yè)的一場新革命，它是制造技術(shù)與前沿ICT相融合的新典范；但盡管如此，對于開始是應(yīng)用于其它領(lǐng)域的前沿技術(shù)，如大數(shù)據(jù)或CPS，必須要結(jié)合制造業(yè)的特點和要求進行應(yīng)用和發(fā)展。為了實現(xiàn)智能制造，從物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、CPS到增材制造、全息圖等各個領(lǐng)域的尖端技術(shù)都應(yīng)用于制造業(yè)的開發(fā)和研究。此外，智能制造所遵循的并非僅僅只在經(jīng)濟效益上產(chǎn)生效果，如降低成本和提高生產(chǎn)率，更應(yīng)該創(chuàng)造出新價值，不斷為社會做貢獻。同時還必須堅持以人為本，以社會為導(dǎo)向的先進理念，實現(xiàn)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。