智能制造與智能服務(wù)的應(yīng)用研究

(洛陽職業(yè)技術(shù)學院 河南 洛陽 471000)

在世界上的任何一個國家中,制造業(yè)都始終占據(jù)著舉足輕重的國家戰(zhàn)略地位,是直接推動一個國家的發(fā)展和其經(jīng)濟繁榮的最關(guān)鍵經(jīng)濟力量。一個大型國家制造業(yè)的快速發(fā)展程度和水平往往直接決定著一個大型國家在世界上制造業(yè)中占據(jù)的重要地位,是一個大型國家綜合國力的重要組成體現(xiàn)。迄今為止,制造業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)歷了一個漫長而又復(fù)雜的發(fā)展過程,從一開始的個人與集體機械化生產(chǎn)到后來的手工機械化制作,到后來的機械化生產(chǎn)再到人工控制與自動化操作,到目前的無人化與智能化的生產(chǎn)[1,2]。在這樣復(fù)雜而又漫長的發(fā)展過程,智能化工業(yè)制造的技術(shù)與自動化系統(tǒng)大大改變了制造業(yè)的一個最重要的特點就是制造業(yè)在解放了工人的同時還大大提高了制造業(yè)生產(chǎn)的效率。

一、有關(guān)智能制造的概念

智能數(shù)字化制造技術(shù)是指各種具有對信息自感知、自決策、自控制和執(zhí)行等重要功能的先進自動制造生產(chǎn)過程、系統(tǒng)與先進生產(chǎn)模式的制造技術(shù)總稱。具體應(yīng)用主要體現(xiàn)在先進自動制造生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)與新一代的信息電子技術(shù)的發(fā)展深度緊密融合,如移動物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等。傳統(tǒng)智能數(shù)字化制造大體意義上具有四大核心技術(shù)特征:以產(chǎn)品和智能制造工廠的信息化為核心技術(shù)載體,以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的生產(chǎn)流程智能數(shù)字化為技術(shù)核心,以產(chǎn)品和端到端數(shù)據(jù)流的智能化為核心技術(shù)基礎(chǔ),和以網(wǎng)通互聯(lián)的智能化為核心技術(shù)支撐。其主要的內(nèi)容包括傳統(tǒng)智能數(shù)字化產(chǎn)品、智能數(shù)字化生產(chǎn)、智能制造工廠、智能互聯(lián)網(wǎng)和物流等[3]。目前,急需進一步建立傳統(tǒng)智能數(shù)字化制造的標準管理體系,大力推廣傳統(tǒng)數(shù)字化智能制造,開發(fā)以智能為核心的工業(yè)數(shù)字化軟件。其中傳統(tǒng)的數(shù)字化智能制造、網(wǎng)絡(luò)化智能制造、敏捷自動化制造等數(shù)字化制造生產(chǎn)方式的核心技術(shù)應(yīng)用與其實踐對于智能數(shù)字化制造的核心技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用具有重要的支撐和推動作用。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀

智能制造最早是在上個世紀八九十年代被人們提出,其是伴隨著計算機行業(yè)的迅速發(fā)展而誕生的一項新技術(shù)。隨著智能制造系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)的推廣,各個發(fā)達國家越來越多地開始注重這一關(guān)鍵技術(shù)并對這一關(guān)鍵技術(shù)進行深入的分析與研究,使其更好地為世界乃至人類的制造業(yè)服務(wù)。從而在整個世界乃至全球范圍內(nèi)迅速掀起了這樣一場智能制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)革命。1995年,日本和美國推出了下一代智能設(shè)備制造技術(shù)與系統(tǒng),將其制造業(yè)和大學與來自全球的伙伴之間聯(lián)系了起來。在當時美國提出這項關(guān)鍵技術(shù)時并不被日本和世界上其他的國家所廣泛接受。隨著日本和美國也開始加入了研發(fā)下一代智能制造系統(tǒng)技術(shù)的序列,一個由日本和美國的企業(yè)共同組成的智能技術(shù)財團組織開始制定了其下一代智能制造技術(shù)與系統(tǒng)的計劃,并且該制造系統(tǒng)計劃與包括日本的公司iniative以及包括亞洲和整個歐洲的其它智能技術(shù)公司的合作。這引起了日本和世界上其他的國家對于智能只在美國的技術(shù)與系統(tǒng)的廣泛關(guān)注,美國的下一代智能設(shè)備與制造系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)技術(shù)聯(lián)盟(Smart Manufacturing Leadership Coalition)于2012年的會議中成立。德國的Plattform Industrie 4.0(政府的高科技戰(zhàn)略2020的一部分)促進了其工業(yè)基礎(chǔ)的計算機化,例如使用自動預(yù)測故障和觸發(fā)維護過程的機器。歐盟將在2020年之前向未來工廠投資70億歐元(76億美元),旨在為智能制造繪制藍圖。開始逐漸將智能制造系統(tǒng)運用在制造業(yè)上,掀起了全球范圍內(nèi)制造業(yè)的改革,各國加大在智能制造系統(tǒng)上的投資[4，5]。可以看出,各個國家已經(jīng)把智能制造系統(tǒng)當作振興本國制造業(yè)的重要手段,各個國家已經(jīng)認識到智能制造系統(tǒng)是提高國家經(jīng)濟實力和綜合國力的關(guān)鍵因素。

國內(nèi)也對智能自動化制造關(guān)鍵技術(shù)進行了一系列的探索與深入研究。早在1993年,國家自然科學基金重大項目就研究了“智能制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”。而到1999年,又進一步開展了“支持產(chǎn)品創(chuàng)新先進制造技術(shù)若干基礎(chǔ)性研究”。在推進工業(yè)智能自動化制造的裝備企業(yè)應(yīng)用技術(shù)研究方面,有部分裝備制造企業(yè)的智能工廠將智能傳感器技術(shù)、工業(yè)無線智能集成傳感網(wǎng)技術(shù)、國際自由開放現(xiàn)場監(jiān)控總線和自動化控制中心網(wǎng)絡(luò)的有線/無線異構(gòu)智能集成傳感器技術(shù)、信息融合與數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)等融入到生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié),通過與國內(nèi)現(xiàn)有的裝備制造企業(yè)生產(chǎn)信息化管理技術(shù)的融合,實現(xiàn)了復(fù)雜大型工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集、過程的監(jiān)控、設(shè)備的運維與故障診斷、產(chǎn)品質(zhì)量的跟蹤與追溯、優(yōu)化排產(chǎn)與在線調(diào)度、用能優(yōu)化及對污染源實時的監(jiān)測,開發(fā)了大型工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析與工業(yè)裝備健康管理系統(tǒng)運行與監(jiān)測的云計算平臺、大型工業(yè)離散裝備制造企業(yè)生產(chǎn)過程的現(xiàn)場可視化系統(tǒng)與智能工廠應(yīng)用的云計算可視化平臺。2015年3月5日,李克強總理在第十一屆政府經(jīng)濟工作會議報告中明確指出,要加快深入實施“中國制造2025”,加快從傳統(tǒng)裝備制造技術(shù)大國轉(zhuǎn)向裝備制造技術(shù)強國[6]的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。

三、智能制造的發(fā)展方向

中國工程院外籍院士李伯虎指出,未來中國智能制造的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展將必然會集中在于研究基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)、智能裝備、智能系統(tǒng)以及智能服務(wù)這幾個方向[7],下面主要介紹智能服務(wù)方面的研究。

智能產(chǎn)品和服務(wù)主要的功能是包括指數(shù)據(jù)分析與數(shù)字化決策遠程支持、智能服務(wù)遠程監(jiān)控與數(shù)字化診斷、智能產(chǎn)品和服務(wù)的平合、產(chǎn)業(yè)鏈橫向的集成等。作為服務(wù)型智能產(chǎn)品和制造的一個延伸,智能產(chǎn)品和服務(wù)已經(jīng)是推進服務(wù)型企業(yè)智能制造的重要手段和模式之一。2015年3月,德國漢堡大學國家信息科學與技術(shù)工程院研究所發(fā)布的《智能服務(wù)世界》研究報告首次給出了一系列智能產(chǎn)品和服務(wù)的基本概念:智能服務(wù)產(chǎn)品是一種智能數(shù)字化產(chǎn)品、實體數(shù)字化服務(wù)和智能數(shù)字化企業(yè)智能服務(wù)相結(jié)合的不同產(chǎn)品類型智能服務(wù)的組合,是基于工業(yè)4.0制造的一種智能數(shù)字化產(chǎn)品(設(shè)備出廠后)直接組成的智能服務(wù)價值鏈,該智能服務(wù)產(chǎn)品可以直接作為一種相對柔性的“按需服務(wù)”來進行銷售。

從這一分析和界定的觀點出發(fā),智能產(chǎn)品服務(wù)提供者具有以下不同于其他傳統(tǒng)智能產(chǎn)品服務(wù)的幾個顯著特點:第一,服務(wù)的理念以企業(yè)和用戶的需求為中心,服務(wù)解決方案常橫跨多個企業(yè)和不同的產(chǎn)業(yè)。這里的企業(yè)和用戶既同時包括購買智能產(chǎn)品的最終購買者也同時包括提供智能產(chǎn)品服務(wù)的最終使用者。因此智能產(chǎn)品服務(wù)提供者期望通過對產(chǎn)品和其服務(wù)的適當優(yōu)化組合隨時、隨地的滿足用戶不同場景下的智能使用需求。第二,服務(wù)的載體主要聚焦于各種網(wǎng)絡(luò)化、智能化的產(chǎn)品、設(shè)備(包括機器)。其中智能產(chǎn)品服務(wù)指的是安裝有智能傳感器,受智能軟件處理器控制并運行于互聯(lián)網(wǎng)的各種物體、設(shè)備或其他機器,它們本身具有傳感器采集大量數(shù)據(jù)、分析并與其他機、物之間進行共享和交互反饋的功能和特點。由于用戶在購買和使用智能產(chǎn)品的過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)信息能被進一步的分析處理并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的智能產(chǎn)品和數(shù)據(jù),智能產(chǎn)品和數(shù)據(jù)則進一步衍生和發(fā)展出了智能產(chǎn)品和服務(wù)。第三,服務(wù)運營形態(tài)數(shù)字化體現(xiàn)為一種線下的數(shù)字化實體服務(wù)與線上的數(shù)字化實體體驗服務(wù)的有機融合。實體服務(wù)類似于移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)在數(shù)字化生活和消費服務(wù)領(lǐng)域的數(shù)字化應(yīng)用中所產(chǎn)生的020模式,智能實體服務(wù)也同樣體現(xiàn)為一種傳統(tǒng)的實體用戶體驗智能服務(wù)與新興的數(shù)字化實體體驗服務(wù)的有機結(jié)合。第四,服務(wù)產(chǎn)品和運營形態(tài)數(shù)據(jù)化作為驅(qū)動,通過先進的大數(shù)據(jù)、算法等技術(shù)增加服務(wù)附加值。一方面,智能產(chǎn)品和服務(wù)提供商需要深度地了解智能用戶的偏好和智能服務(wù)需求,需要充分地具備對用戶智能產(chǎn)品和服務(wù)所采集數(shù)據(jù)的進行實時預(yù)測和分析的能力,利用大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果為用戶智能產(chǎn)品提供高度量身定制個性化的用戶智能產(chǎn)品和服務(wù)。另一方面,智能產(chǎn)品和服務(wù)提供商需要可以有效地利用先進的智能數(shù)據(jù)技術(shù)進行市場預(yù)測和分析,提升智能服務(wù)質(zhì)量,實時探索優(yōu)化智能服務(wù)的方式。第五,服務(wù)體系整合注重服務(wù)平臺的數(shù)字化整合運營,生態(tài)系統(tǒng)的打造。我國智能數(shù)字服務(wù)的主要市場領(lǐng)先者通常都是智能數(shù)字服務(wù)體系的運營和整合者,通過服務(wù)體系構(gòu)建數(shù)據(jù)中心驅(qū)動的數(shù)字服務(wù)商業(yè)模式,創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)化的物理數(shù)據(jù)平臺、軟件化自定義平臺和智能數(shù)字服務(wù)平臺,打造一個資源互補、跨業(yè)務(wù)相互協(xié)同的智能數(shù)字服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)(Digital Ecosystem)。

四、思考

如今,制造業(yè)正在逐步地變得更加智能化。越來越多的制造業(yè)公司已經(jīng)開始嘗試使用先進的傳感器和無線大數(shù)據(jù)技術(shù)等手段來收集和捕捉工業(yè)產(chǎn)品生命周期各個重要階段的信息和數(shù)據(jù),其主要應(yīng)用范圍是從產(chǎn)品的材料結(jié)構(gòu)特性、溫度和智能設(shè)備的振動速度到工業(yè)供應(yīng)鏈的物流和運輸以及客戶服務(wù)細節(jié)等各個方面,例如:發(fā)動機和卡車的引擎系統(tǒng)可以通過這些無線技術(shù)向制造商和車隊的運營商實時傳回車輛運行速度、油耗和油溫等相關(guān)數(shù)據(jù);通過光學無線掃描器系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)印刷生產(chǎn)過程中一些電子集成電路中可能存在的問題和缺陷。但是通過傳感器和大數(shù)據(jù)技術(shù)來實現(xiàn)改變我們的制造業(yè)還需要很長的一段路要繼續(xù)往前走,其中的原因主要是大多數(shù)制造業(yè)公司不清楚地知道如何收集和處理他們已經(jīng)擁有的信息和數(shù)據(jù),更何況通過這些對數(shù)據(jù)的分析來實現(xiàn)改進他們的生產(chǎn)流程和制造產(chǎn)品了。然而,智能設(shè)備和制造技術(shù)可以幫助使傳統(tǒng)工業(yè)更高效、更有利可圖、更可持續(xù)。因此例如,通過對數(shù)據(jù)的收集和分析來準確地預(yù)見到由于極端的天氣而可能推遲產(chǎn)品交貨的風險和影響,可以大大縮短了產(chǎn)品和重要零部件的正常運輸時間和距離,從而大大降低了成本,其中可能包括必要的財務(wù)風險管理成本和必要的環(huán)境保護成本;通過計算機建模來識別風險和關(guān)鍵點,從而預(yù)測汽車零部件何時可能出現(xiàn)故障,并迅速修復(fù),可以避免昂貴的召回和訴訟;在產(chǎn)量較低的行業(yè),如半導(dǎo)體制造業(yè),如果能將生產(chǎn)誤差減半就能大幅度的提高企業(yè)利潤。但是目前我們?nèi)狈?shù)據(jù)分析軟件、建模系統(tǒng),同時若要在全球范圍內(nèi)徹底改變整個商業(yè)領(lǐng)域是令人生畏的。這樣就會引發(fā)了許多技術(shù)、商業(yè)和政策問題,并將從根本上改變整個行業(yè)的形態(tài)。

智能產(chǎn)品服務(wù)也可以是改善智能服務(wù)用戶日常生活的許多重要方面。一方面,智能產(chǎn)品服務(wù)提供商甚至可以通過采集在用戶購買和使用現(xiàn)有的智能設(shè)備和產(chǎn)品的過程中產(chǎn)生的智能大數(shù)據(jù)更深入多層次地預(yù)測和了解智能用戶的偏好和服務(wù)需求,然后根據(jù)對現(xiàn)有的智能產(chǎn)品和服務(wù)采集得到的智能數(shù)據(jù)結(jié)果進行實時的分析,利用預(yù)測和分析的結(jié)果為智能用戶和企業(yè)提供高度量身定制個性化的智能產(chǎn)品和服務(wù)。在此過程中不必再需要大型笨重的軟件進行編程。另一方面,智能產(chǎn)品服務(wù)提供商甚至可以充分利用現(xiàn)有的智能產(chǎn)品大數(shù)據(jù)對用戶進行實時的預(yù)測和分析,提升智能服務(wù)質(zhì)量,實時優(yōu)化服務(wù),用戶每天都可以完成的,集成的,簡單的任務(wù)邁進。智能產(chǎn)品如果具有云服務(wù)、可用的分析和對用戶有意義的數(shù)據(jù),那其不再是對某些協(xié)議解析器。智能服務(wù)都可以根據(jù)不同用戶的需求進行優(yōu)化,從而提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。同時也意味著,隨著世界變得越來越智能化、工具化和互聯(lián)化,我們將朝著更智能的醫(yī)療保健、更智能的城市和更智能的生活邁進。