木質家具智能制造賦能技術及發展路徑分析

朱劍剛，王旭

(南京林業大學家居與工業設計學院，南京 210037)

近年來，世界主要工業發達國家紛紛推出“工業4.0”“先進制造業伙伴計劃”等戰略，將重振制造業作為重塑全球競爭力的戰略制高點。為加速我國制造業轉型升級、提質增效，我國先后發布實施“中國制造2025”、“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要，并將智能制造作為培育我國新的經濟增長動力、搶占新一輪產業競爭制高點的主攻方向。在此背景下，以木質家具制造業為代表的我國傳統制造業正面臨來自國內經濟進入新常態、加快建立新發展格局和國際環境復雜多變、世界制造業發展格局面臨重大調整等多方面的新挑戰。本研究緊扣賦能傳統產業轉型升級，探討木質家具制造企業的智能制造賦能技術及智能制造體系結構，分析木質家具智能制造的發展路徑，以期為木質家具制造企業智能制造升級提供啟示。

1 智能制造賦能技術及其木質家具企業賦能場景

技術賦能是信息技術推進家具制造轉型升級的關鍵機制之一。李克強總理在2019年政府工作報告中首次明確提出拓展“智能+”，為制造業轉型升級賦能，并在2020年政府工作報告中進一步強調推進智能制造。

智能制造(以下簡稱智造)主要包括三大類關鍵賦能技術，即：物聯網、云計算、大數據為代表的基礎信息技術；工業機器人、增材制造、虛擬現實/增強現實技術為代表的新型制造技術；人工智能、數字孿生、邊緣計算為代表的發展前沿技術。智造賦能技術將在木質家具行業智能制造轉型升級中產生深刻影響(表1)。

表1 智能制造賦能技術在家具制造業的賦能場景Table 1 The scenarios of intelligent manufacturing enabling technologies in wooden furniture manufacturing enterprises

1.1 基礎信息技術及其賦能場景

1.1.1 物聯網技術

物聯網技術(Internet of Things，簡稱IoT)是綜合運用傳感器、信號識別、定位和紅外線感知等技術，按約定協議，將末端設備和設施通過信息傳感設備與網絡相連接，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。

射頻識別技術(RFID)等物聯網基礎技術已在家具生產中廣泛采用[1]。基于物聯網技術的設備管理可有效提升家具加工設備利用率并降低設備單位產量能耗[2]。物聯網技術構建的家具供應鏈可以提高運作效率，減少不必要的差錯。智慧家居設備遠程控制也離不開物聯網技術。

1.1.2 云計算技術

云計算技術(cloud computing，簡稱CC)是分布式計算的一種，指借助資源交付和使用模式，通過網絡獲得應用所需的資源(硬件、平臺、軟件)。廣義上說，云計算是與信息技術、軟件、互聯網相關的一種服務，這種計算資源共享池叫作“云”。

云計算技術賦能協同化生產，在提高各環節精準度和效率的同時降低了生產成本[3]。定制家具企業可借助云計算中心，集成全國主要城市樣板房房型信息有效提升設計師精準服務能力。云計算技術還可確保家具企業財務會計管理的準確性和合理性[4]。

1.1.3 大數據技術

大數據(big data，簡稱BD)，是指將海量、高增長率和多樣化的信息資產通過新型的信息處理方式進行高速及時的整理分析，促成更強的決策能力、洞察力與可視化應用，其戰略意義在于對海量數據進行專業化的洞察和處理[5]。

大數據技術可協助企業精準定位目標市場，發掘潛在客戶進而有效降低企業的營銷成本，通過大數據對顧客喜好、淡旺季的資源配置進行分析，可使企業在競爭中獲取更大的利潤[3]。大數據技術還可使家具物流變得可視化與可追溯化[6]。

1.2 新型制造技術及其賦能場景

1.2.1 工業機器人技術

工業機器人(industrial robot，簡稱IR)是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，具有柔性好、自動化程度高、可編程性好、通用型強等特點。在制造業行業中，工業機器人的應用技術優勢主要分別體現在自動化、安全化、高效率3個方面。

工業智能化及“工業4.0”促進了工業機器人在工業制造領域的應用[7]，焊接、打磨、噴涂、裝配、搬運、碼垛、分揀等工業機器人有助于家具企業實現柔性制造模式[8]。工業機器人在家具批量生產中的優勢還有待進一步發揮[9]。

1.2.2 增材制造技術

增材制造技術(additive manufacturing，簡稱AM)是指基于離散-堆積原理，由零件三維數據驅動直接制造零件的科學技術體系[10]。增材制造技術也稱為快速原型、自由實體制造、快速制造或3D打印技術等，其中3D打印技術最為得到關注，在各產業應用愈加廣泛。

3D打印技術可以一體成型，減少組裝程序，3D打印快速打樣技術，有助于跨越設計與生產的鴻溝[11]。美國馬里蘭大學胡良兵課題組拓展了木材3D打印在木質家具制造領域的應用[12]。

1.2.3 虛擬現實/增強現實技術

虛擬現實技術(virtual reality，簡稱VR)，其基本實現方式是計算機模擬虛擬的環境從而給人以環境的沉浸感。虛擬現實是利用計算機技術模擬搭建出一個三維虛擬世界的仿真系統技術，通過手持式或頭戴式的設備，進行數據的交換，從而可以讓使用者沉浸于虛擬世界中。

增強現實技術(augmented reality，簡稱AR)，是一種實時地計算攝影機的位置及角度并加上相應圖像的技術，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術。

VR技術可將全屋信息集成于軟件中，用戶通過頭戴和手持VR設備，就可身臨其境全方位環視全屋設計。VR體驗館可有效彌補實體家具門店空間的限制，降低企業營銷成本[13]。而家具AR虛擬擺放移動應用可極大減少定制家具消費者選擇和搭配的不確定性[14]。

1.3 發展前沿技術及其賦能場景

1.3.1 人工智能技術

人工智能(artificial intelligence，簡稱AI)是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的技術科學，旨在創建類似于人類智能的智能機器。該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。

人工智能技術可以貫穿木質家具的整個設計過程以及生產制造過程。如在實木板材加工過程中，智能檢測算法可對實木板材進行缺陷檢測，智能算法可應用于排產，有利于提高木材利用率[15]。人工智能還可幫助傳統家居公司提升對消費者需求以及市場潮流的預測[16]。

1.3.2 數字孿生技術

數字孿生(digital twin，簡稱DT)，是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，以虛擬與物理空間融合的方式反映對應實體的全生命周期過程[17]。

數字孿生可以應用于產品制造、產品設計、醫療分析、工程建設等領域，德國工業4.0工作組甚至把數字孿生體作為主攻方向。數字孿生技術可推動家具行業在設計、生產、維護等環節的變革。如酷家樂公司在設計階段構建數字孿生體，然后根據物理結構對數字孿生體進行拆解和實驗，最后再對照數字孿生體生產相應的物理實體，從而降低打樣周期，提升產品迭代更新速度。

1.3.3 邊緣計算技術

邊緣計算(edge computing，簡稱EC)，是相對于云計算而提出的概念，具體指靠近物或數據源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開發平臺，就近提供服務，應用程序在邊緣側發起，數據無須回傳至網絡中心，而是在本地完成處理、存儲等功能[18]。

邊緣計算提供更快且低延時的計算資源，可用于提高設備故障檢測與缺陷的檢測效率。邊緣計算還能為工業應用的安全和隱私保護提供更多的選擇。不過目前，邊緣計算在家具制造等離散制造業的應用還處于起步階段，相關應用實踐還處在探索期，需加大應用示范力度。

2 木質家具企業生產瓶頸問題分析

木質家具行業是典型的離散制造業，生產環節分散且生產設備多樣。木質家具行業同時又是勞動力密集型并以中小企業為主的傳統行業，生產及管理過程往往缺乏智造賦能技術而導致各環節信息孤島林立，生產效率低、訂單差錯率高、工藝品控和訂單流轉強依賴于工人及管理人員經驗往往成為企業的生產瓶頸。

2.1 實木家具生產瓶頸問題

實木家具由于使用天然木材為主要原材料，從而造成實木家具制造傳統設備較多，自動化、信息化的程度普遍較低，制造過程中所遇到的問題更多樣、更復雜[19]。實木家具制造企業存在的瓶頸問題主要有：

1)編碼困難。實木家具主要以各向異性且存天然缺陷的木材為主，造成零部件標準化程度低且返工率較高，難以對實木家具零部件進行統一編碼，極大影響了實木家具生產的信息化管理。

2)產線復雜。實木家具產品零部件不僅繁雜且互換性較弱，同時加工工序多樣且生產周期長，所以造成生產線更為復雜[20]。

3)信息孤島。家具制造企業自動化軟件水平極不均衡，大多數實木家具企業的信息化系統常常是單點應用，且各系統間接口和數據交換標準缺乏集成和整合，所造成的信息孤島阻礙了信息化提升競爭優勢的作用。

4)經驗制約。實木家具制造屬于勞動力密集型，砂光、精雕和涂裝等工序對人工操作的依賴度高，且受人為因素影響大，生產現場管控靠經驗還比較普遍，缺乏專業信息化工業軟件支撐。

2.2 板式家具生產瓶頸問題

板式定制家具是目前板式家具的主流，其銷售、設計、計劃拆單等前端業務都基本實現了信息化管理，但對于后端生產而言，還存在著大量人工干預的生產過程，無法整體實現信息化制造。板式家具制造企業目前主要存在以下的瓶頸問題：

1)排產難度大。隨著市場日趨成熟，消費者對板式家具定制化、個性化等方面的要求逐步提升，帶來訂單數量多而交貨周期短，從而造成排產難度大，容易出現訂單漏排或錯排。

2)分揀效率低。大多數板式定制家具企業采用了揉單生產，但由于板件規格種類繁多、尺寸和形狀差異較大，分揀效率低下、分揀錯誤率高等瓶頸問題一直被企業所詬病[21]。

3)生產調度慢。生產計劃控制柔性不足，如出現設備刀具損壞或封邊材料短缺等突發狀況，容易造成產線停滯而影響生產進度，導致生產計劃錯亂無法及時調整[22]。

4)反饋機制缺。設計前端和生產后端之間缺乏有效及時反饋機制，打通前端設計到后端制造全流程以實現門店和工廠的聯動尚需專業的解決方案。

3 實現木質家具智能制造的體系結構

縱觀木質家具企業當前的主要生產瓶頸問題，雖與家具行業整體工業基礎薄弱、制造業信息化水平低、制造業信息化能力有待加強等密切相關，但其更深層次的產生原因是家具工業轉型升級已經步入信息化深水區。無論是實木家具生產的編碼困難、信息孤島問題還是板式家具生產的排產錯排漏排或設計與生產缺乏反饋機制等問題，通過導入基礎信息技術、新型制造技術、發展前沿技術等智造賦能技術單項逐個擊破，雖短期內可以奏效，但總體來看此策略難免事倍功半，因為其根本解決路徑應定位在打通前端設計和后端生產的數字鴻溝以實現設計生產一體化等系統化解決方案，即通過系統思維、精準施策構建木質家具智能制造體系結構來實現總體(技術融合的生態系統)大于部分(單點技術的轉型升級)之和。

作為木質家具行業智能制造轉型升級系統化解決方案的基礎架構和中樞系統，木質家具智能制造體系結構是構建知識驅動、產教融合、持續改善、安全高效的木質家具智能制造體系的關鍵內容[23]。具體而言，木質家具行業智能制造體系結構包括“A基礎保障”“B智造關鍵技術”“C行業應用”等三大部分，各部分體系結構如圖1所示。基礎保障是智造關鍵技術和行業應用的基礎和支撐；智造關鍵技術是整個體系結構的核心，除了智造賦能技術，還包含智能協同、智能供應鏈、智能工廠、智能裝備及信息基礎設施等內容；信息基礎設施主要涉及網絡部署、數據中心、工業軟件等；而行業應用是在基礎保障的支撐和智造關鍵技術的賦能下呈現的家具產業智能制造具體應用場景。

圖1 木質家具行業智能制造體系結構Fig. 1 Intelligent manufacturing architecture of wooden furniture industry

4 木質家具智能制造發展路徑

我國木質家具行業智能制造轉型升級已迫在眉睫，但本研究架構的木質家具行業智能制造體系結構不可能一蹴而就。智造關鍵技術雖然是體系結構的核心，但實施木質家具行業智能制造體系結構遠不是技術問題，而是一個復雜的戰略性系統工程，需從思維模式、人才培養、技術創新、管理能力、標準體系、產業聯盟等多要素開展協調互動與融合創新，從技術變革和管理變革等維度系統推進工藝、裝備、軟件、網絡的系統集成和深度融合，聚焦中小微木質家具企業特點和需求精準施策，逐步實現持續改進、轉型升級和創新發展的木質家具智能制造發展路徑(圖2)。

圖2 木質家具智能制造發展路徑Fig. 2 Intelligent manufacturing development path of wooden furniture industry

4.1 革新智能制造思維模式

與發達國家相比，我國的制造業信息基礎設施建設和應用水平還相當滯后，尤其是家具制造企業之間信息化水平差距十分明顯，雖然我國也涌現了一批信息化建設銳意進取的家具企業，但大部分企業缺乏利用信息技術改造傳統制造和管理模式的意愿和決心，尤其缺乏對智能制造轉型升級的深刻理解，企業內部常常出現的協同困難及固有利益壁壘往往成為智能制造實施的主要障礙。要成功實施智能制造，在企業自上而下理念先行并不斷革新智能制造思維顯得尤為重要。

4.2 加強智能制造人才培養

高等院校應發揮人才培養主陣地作用，深入推進新工科建設，積極加強相關學科專業和課程體系建設，加快家具智能制造高端人才培養。各高校可聯合行業領軍企業合作建設一批家具智能制造現代產業學院，推動行業智能制造升級急需人才培養。以南京林業大學為代表的行業特色高校自2019年以來，相繼新增了機器人工程、大數據管理與應用、智能制造工程等本科專業，為家具行業智能制造高端人才培養提供了有力保障。廣大家具制造企業也可從產教融合協同培養、加強員工智能制造技能培訓、積極組織開展智能制造技術技能大賽等方面加強人才支撐[24]。

4.3 推動智能制造技術創新

創新是制造業發展的重要引擎，技術的不斷創新發展不僅會帶動傳統制造領域生產率的提高和產品性能的提升，還會帶來數量眾多的新材料、新產品、新設備的出現，從而推進整個制造業的轉型升級[25]。應充分發揮家具企業開展工程應用、產業化與試點示范的創新主體作用，推動建設企業內設研發機構，重點圍繞智能制造關鍵技術環節，重點開展先進制造技術、人工智能技術、工業大數據等重點領域適用技術研發，建設并完善家具智能制造企業創新平臺。

4.4 提升智能制造管理能力

國內大中型家具企業普遍重視建立現代企業管理模式，但現有的信息化管理系統還難以滿足不斷更新的智能制造業務場景需求。為滿足智能制造的要求，應該協同推進運營管理技術與數字化、網絡化的深度結合，不斷提高企業管理人員的管理水平，才能最終提高企業信息化管理能力。為充分做好智能制造轉型的管理準備，廣大家具制造企業必須從只擁有智能制造能力的企業，轉型為擁有智能制造運營管理能力的數字化企業。

4.5 完善智能制造標準體系

木質家具行業智能制造體系結構的成功架構依賴家具企業之間、行業之間的數據互聯共享，但由于數據、技術等標準規范不統一，設備兼容、數據共享受制于信息系統互聯互通，缺乏技術標準和統一接口規范，導致我國家具信息化標準建設遠遠滯后于歐美發達國家。我國要與世界家具強國進行更高層次的競爭，就要重視家具企業數字化的基礎工作，當務之急是完善家具智能制造標準體系頂層設計，明確標準化的重點領域和方向，加快統一各類基礎數據、接口規范等基礎共性、產業急需標準的研究制定，并積極參與國際標準化活動并共同制定國際標準。木質家具行業智能制造體系結構這一中樞的暢通，是建立在跨部門、跨企業、跨行業的數據信息互聯互通基礎上，制定家具制造業兩化融合統一技術標準并完善家具行業智能制造標準體系已勢在必行。

4.6 促建智能制造產業聯盟

直面全球新技術革命和產業變革，家具制造企業應該主動與數字科技企業(工業自動化企業、工業軟件開發商、智能硬件終端制造商等)與產業鏈上下游企業多方協同構建智能制造生態共同體，聚合智能制造的新概念、新技術、新思想、新服務、新應用、新模式，協同開發家具智能制造解決方案，共同促進家具企業智能制造變革[26]。家具行業可以借鑒“工業互聯網產業聯盟”“中國輕工業兩化融合產業聯盟”等產業聯盟模式，積極學習和借鑒典型或先進行業的示范經驗，發揮企業、研究機構、高等院校等各方面優勢，協同推進關鍵技術裝備、軟件、智能制造成套裝備等的集成創新，推廣行業優秀技術和系統解決方案，促進家具行業智能制造整體水平快速提升。

5 結 語

“工業4.0”及“中國制造2025”是未來制造業殊途同歸的發展方向，智能制造作為其中的主攻方向，是各國木質家具制造企業轉型升級不可避免的挑戰。我國正追求從“家具制造大國”邁向“家具制造強國”，我國廣大木質家具制造企業要緊緊抓牢智能制造轉型的歷史機遇，通過創新發展智能制造賦能技術、構建木質家具智能制造體系結構，不斷提升家具業智能制造能力水平。如能率先在“第四次工業革命”的浪潮中完成數字化轉型，必將對重建中國家具制造業新優勢、重塑我國未來家具制造業全球地位具有十分重要的意義。