智能制造技術與系統的發展與研究

汪洋 朱小萍

摘 要：隨著信息技術的發展和經濟全球化進程，國際制造行業取得了一定的進步與發展，但仍存在重復投資、技術轉移、人員因素等多種挑戰與危機，有必要引入智能制造技術與系統來解決相關問題。本文主要針對智能制造技術及系統，從發展現狀出發，根據存在的主要問題，對智能制造技術與系統進行分析與探究，希望為相關人員更好地認識智能制造技術及系統提供一些幫助和建議，以此推動制造業的進一步發展。

關鍵詞：智能制造;系統設計;工業制造

中圖分類號：TP29? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-2596（2020）08-0053-05

智能制造指的是面向整個產品的生命周期，以信息化方式進行制造的行為。智能制造技術以擬人化技術、自動化技術、網絡技術、傳感技術為基礎，經過執行技術、決策技術、人機交互、智能感知實現智能化的制造裝備、制造過程與制造設計，充分集成并融合了裝備制造技術、智能技術與信息技術，可以說智能制造是未來工業化、信息化融合的必然趨勢。

所謂制造業是指機械工業時代企業根據市場需要，經過一系列的制造過程，將人力、信息、技術、資金、工具、設備、能源、物料等制造資源變成人們能夠利用、使用的生活用品、工業品、大型工具等物品的一個行業。制造業能夠將國家當前生產力實際水平充分反映出來，是分辨發達國家、發展中國家的因素之一，對于發達國家來講，制造業占據很大的國民經濟份額。按照生產過程中物質形態，可以把制造業分成流程制造業與離散制造業，涵蓋零售、經營批發、處理訂單、運輸倉儲、組裝設備、采購原料、產品設計、產品制造等多個方面。

經過短短一百年的時間，制造行業的效率幾乎提升了二十倍，但管理與生產的效率卻只提升兩倍左右，設計效率僅提升了一倍。從這里我們不難發現，借助自動化技術，人們的體力勞動得以充分解放，不過腦力勞動卻在自動化方面發展緩慢，制造業中人員因素尚且沒有被人們高度重視，人也沒有在真正意義上擺脫生產的煩瑣過程，很多問題要想得到最終解決依然需要借助人們的智力，這使得制造業的自動化仍然存在各種難題和阻礙。

一、制造業發展現狀

縱觀機械制造行業整個發展歷程，主要有人工、泰勒化生產、高自動化制造、柔性制造、集成制造、并行設計制造等多個時期。從自動化制造角度來說，平均十年左右會出現一次重大突破。在20世紀五六十年代為單機數控，到了七十年代之后為cnc機床與自動化島，而八十年代掀起了全球范圍內的自動化柔性制造潮流，并且提出了集成制造的概念，但是卻難以投入到實際生產中。伴隨計算機的產生和發展，制造行業大致表現出兩個發展路線，一個是傳統的制造技術，另一個是以自動化科學和計算機技術為依托的制造系統、制造技術。

從20世紀八十年代至今，傳統的制造技術雖然取得較大進展，但是依然有多種類型的問題存在，各種先進制造技術、計算機技術對制造系統、制造工藝的管理者、設計者提出更高的要求，制造業原有的管理方式和設計方式已經無法全面處理制造系統不斷涌現的問題，急需尋找和使用先進制造方式和制造工具，吸收和借鑒不同領域的最新研究內容，對人工智能技術、計算機技術、原有制造技術進行集成，研究出全新的制造系統和制造技術。因此，智能制造系統、智能制造技術應運而生。

目前，智能服務、智能管理、智能生產、智能設計是國際上人們重點關注的內容。依照目前全球智能制造的發展趨勢，預計未來幾年內全球智能制造行業將保持10%左右的年均復合增速。比起西方先進的發達國家，國內智能制造方面的技術依然有所欠缺，大部分都是借鑒、參考、應用國外的制造經驗、研究成果，沒有較高的創新性，并且智能制造技術的理論性太強，未能有效應用于具體生產之中。

二、存在的主要問題

當前人們研究的智能制造系統依然維持在制造行業運用人工智能這一時期，并且主要課題包括維護設備、管理信息、處理材料、控制過程、設計產品、分析市場等，獲得了非常不錯的效果，對多個行業和領域的輔助系統、知識系統、專家系統進行了開發，有些地方甚至建立了智能制造工作站，并涌現大批智能孤島。伴隨該系統應用及研究的持續開展，人們開始意識到自組織能力在提升自動化程度中的重要作用，智能制造方面的研究依然有許多社會、技術與理論難題，且智能化是難題的核心。通常來講，當代的各種工業生產都會在不同程度上受到經濟、人員、技術等因素的影響。

（一）經濟問題

在經濟層面，首先，智能制造系統是為了增加制造的經濟效益、生產效益，使制造自動化延伸至智能化、集成化程度，使得市場競爭力進一步提高，不過智能制造系統中不同經濟性能、經濟指標的評價與設定等問題依然需要探討。其次，當前很多發達國家勞動力價格十分高昂，而且勞動力成本在總成本中的占比不斷增加，為了經濟利益，很多制造企業從本國向發展中國家進行轉移，從而被勞動者因素、生產技術等不同方面牽制，其制造出的產品在市場中核心競爭力容易喪失[1]。由于智能制造系統是一種全新制造技術，能夠在很大程度上解決制造中勞動力的問題，因此對于發展中國家價格低廉的勞動力依賴性就會大大減少。再次，發達國家制造人員的專業素質、知識水平在提升之后，會選擇脫離工廠并尋求適合自己的工作，導致發達國家制造方面的技術人員、專業人員出現一定的斷檔[2]。目前，我國因經濟效益問題而進行技術轉移、企業轉移等現象還不是十分明顯，但是存在一個現實問題，如果發達國家掌握智能制造系統，但國內的系統和它們存在較大差距，則我國和發達國家的工業競爭機會就會減少。這就使得我國需要開發出符合本國國情和工業企業發展的智能制造系統，不斷增加經濟利益，從而得到更多市場競爭機遇。最后，現代化企業在生產之時，不同的制造產品環節和銷售產品部門兩者處于脫節狀態，但經濟利益又受銷售部門業績所影響，從這個角度來講，需要增強銷售部門整體的智能化水平，進行銷售智能的研究、開發與應用，使其能夠服務于智能制造。

（二）人員問題

在人員層面，首先，一個企業中不同環節都有技術人員、技術專家，他們的問題解決方法與知識背景各不相同，為了更好地進行制造，這些人需要溝通、交流、理解、協商從而展開合作，而且要并行完成不同環節的制造工作，將未來有可能出現的重復、隱患等問題降至最低。其次，在制造的這個過程中，人們關于智能的知識和行為存在不同類型、水平與層次，需要使用不同表示方法。再次，進行制造的這些人都是社會的一部分，會受到社會的各方面影響，從而給制造帶來消極影響與積極影響[3]。最后，不同的人有背景、語言、生活等差異。總體來看，當代生產智能化在很大程度上受人為因素所影響，早在上個世紀末，人們就逐漸發現工業生產之中人員發揮的重要作用，英國還發起過制造研討會，主要討論人在制造中的作用，而大量事實也表明智能制造系統中人是主要的智能來源[4]。

（三）技術問題

在技術層面，企業活動中的發展研究、銷售產品、儲運原料、管理生產、加工制造、處理訂購、設計產品、市場決策、市場預測等環節互相影響，一起組成了整個生產產品的過程，不同環節集成自動化的能力決定了這個過程整體自動化的水平，并且不同環節集成智能的能力決定了生產系統自組織的水平。當前這樣的智能制造集成技術仍舊很少，使其成為現階段重點的一項并行工程研究。日本曾在國際范圍內制定了一個研究合作計劃，在這個計劃中對智能制造系統進行了分析，指出研究智能制造系統主要包括三點，分別是智能機器、智能活動、機器和活動的結合，問題主要核心為智能活動。與此同時，在研究智能制造技術的多種不同技術之中，智能制造的處理技術是研究的一個關鍵問題，該技術對智能制造不同環節的智能活動和集成負責。客觀來說，工業行業在全球范圍內都存在緊密的聯系，比如很多工業使用的生產系統、生產設備相同，很多工業的生產管理與生產控制方法相近，一些工業會有產品的業務往來。其中最為尖銳的問題便是技術與產品的通用性、標準性與規范性，另外還包括智能共享信息結構、交換形式等。

三、智能制造技術與系統的研究及應用

智能制造技術本質上就是傳統制造技術與系統工程技術和現代人工智能與自動化技術等的相互融合的一門綜合性的技術，而智能制造系統是建立在智能制造技術基礎上的。故而應首先從技術層面上進行相關的研究。

（一）設計技術

智能制造系統基本概念是近年來提出的，對于制造工程來講依然是比較新的概念，且理論體系和理論基礎沒有完全成熟，其設計技術、精神內涵等也要深入地進行研究[5]。第一，應研究評價技術，包括制造中的功能評價、報價評價、經濟評價、市場評價、管理評價、材料評價、生產評價、設計評價等。第二，應研究設計方法、開發環境。智能制造系統主要的設計方法、開發方法和其他類型系統設計方式存在一定差異，智能制造系統需要實現制造過程整體系統與每一環節的智能化，從這里我們不難發現，對智能制造系統的開發環境、設計策略進行研究具有必要性，既要研究開發工具、操作系統、開發語言，又要加強設計的通用化、模塊化、標準化程度[6]。第三，應研究發展方略、結構體系。應積極構建統一的智能制造系統體系，全面開展其發展方向、系統組成、國際動態等方面的研究。

（二）處理技術

人們習慣性地將工業生產當成有機的一個整體，這是因為制造的不同環節間具有技術型關系。智能制造處理技術和理論便是對制造環境這一整體的智能處理、智能共享、智能集成、智能描述、智能開發進行研究，然后使智能機器能夠進行智能活動。第一，應進行智能活動融合方法、生成方式、機械化技術的研究。第二，應進行智能制造共享、集成、表示、獲取、開發的研究，這是處理技術的中心環節。第三，應做好制造環境建模和描述的工作，進行制造過程的不確定因素處理、不同因素塑粉、建模、體系構建等研究。

（三）單元技術

人工智能在這幾十年里得到了制造行業領域的大量應用，其研究也有很大的進展，成功建立了與智能制造有關的單元技術。要想將單元技術運用到制造的具體過程，需要全面發展并完善單元技術，不同單元技術的集成也成為人們研究的重點內容之一。

第一，智能決策的系統。這一系統主要是針對企業的經營管理和生產管理，對智能決策的多目標、多因素模型進行研究，開發動態跟蹤制造過程的技術，建立產品的市場預測和市場評估模型。第二，智能控制、補償、診斷、監視的系統。這一系統主要是針對企業的制造系統和制造過程。對多因素和強干擾環境中診斷、監視的模型進行研究，開發自適應技術、動態分辨技術并應用到制造的整個過程。第三，智能處理的系統。這一系統主要是針對企業的產品質量信息，對產品質量的智能控制、智能決策進行研究，構建質量數據庫及全質量模型。第四，智能優化、仿真、規劃、調度的系統。這一系統主要是針對企業生產的整個過程，現階段，企業生產需要面對不同對象、不同因素、不同信息來源的處理問題，這使得生產調度與規劃決策等研究勢在必行[7]。要想對過程、設計進行有效評估，離不開優化、仿真的工作，尤其是維修、使用、裝配、制造、設計等優化、仿真。第五，智能并行設計。并行工程的理論由美國的國防部最早提出，并運用到了武器開發的系統，為了在制造時可以在設計時期對不同制造環節專家組的行為進行模仿，并對多種智能制造方面和環節進行共享、集成，使產品的不同環節設計得以并行實施，就要進行智能并行設計有關的設計方法、智能交互、描述模型、支撐環境進行研究[8]。

（四）網絡技術及知識庫系統

網絡技術、知識庫系統能夠提供給制造環節、制造系統所需的智能化集成支持，它在智能制造系統和智能制造技術的研究領域占據較高地位。其中，知識庫系統主要進行數據庫分布、知識庫聯想、知識庫維修、分布式策略、知識庫異構等方面研究，網絡技術主要進行智能制造系統中控制操作方式、信息通訊技術、交換信息接口等方面研究[9]。與此同時，智能機器也是研究的一項重要內容，在智能制造系統之中，智能機器可以對專業人員的智能活動進行模仿，屬于新型制造工具，這使得其設計方法、有關技術的研究價值極高。研究內容包括三個方面：一是智能機器人的技術，該技術的重要性表現在機器人控制和視覺控制上，需要進行夾具設計、自適應定位、機械手、傳感器、信息感知、機械眼等方面研究。二是智能維護、智能學習技術，需要進行智能機械的維護機械系統、恢復系統誤差、適應模仿模型等方面研究[10]。三是單元機制造設計，單元機主要運用于智能制造，需要進行單元機的材料選取、設計方式、結構組成等方面研究。

總而言之，研究智能制造技術、智能制造系統具有十分重要的意義。相關人員應對智能制造系統當前發展的現狀和研究的背景有一個全面認識，發現并找出智能制造系統現存的經濟問題、人員問題、技術問題，深入研究智能制造系統的設計技術及理論基礎、處理技術及主要理論、單元技術、網絡技術及知識庫系統等方面，從而實現制造行業的智能化與信息化，推動企業的長期、穩定發展。

參考文獻：

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〔3〕中國洗協新時代中國特色社會主義“2018名企巡禮”系列報道之——山東泰和：以科技引領行業綠色化、智能化可持續發展[J].中國洗滌用品工業，2018（11）：20-21.

〔4〕譚弘穎.勇于探索 敢于實踐——2018年FANUC智能制造教育峰會暨機械行業FANUC先進制造人才培養聯盟成立大會在京舉行[J].制造技術與機床，2018（11）：23-25.

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〔8〕Xia Zhu，Xiaoping Li，Qian Wang. An adaptive intelligent method for manufacturing process optimization in steelworks[P].2013.

〔9〕Sorouri，Majid，Vyatkin，Valeriy，Salcic，Zoran.Rule-based composition of intelligent mechatronic components in manufacturing systems using prolog[P]. 2013.

〔10〕Dumitrache， I， Caramihai， S. I. Stanescu， A.From Mass Production to Intelligent Cyber-Enterprise[P].2013.

（責任編輯 徐陽）