青島科技大學(xué) 段俊勇 趙海霞 張永濤 王帥

結(jié)合國內(nèi)外智能制造的定義和發(fā)展情況，深入剖析了智能制造的本質(zhì)，以此為基礎(chǔ)，解析出智能制造體系中的關(guān)鍵技術(shù)，以傳感檢測技術(shù)、制造技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和分析處理技術(shù)、無線通訊與定位技術(shù)、快速識別技術(shù)、預(yù)測型智能制造技術(shù)、新材料技術(shù)、信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的技術(shù)領(lǐng)域，構(gòu)建了智能制造的整體框架。智能裝備是主體，網(wǎng)絡(luò)是載體，信息是紐帶，采集與計算分析是實現(xiàn)數(shù)據(jù)流通傳遞的方法和手段，他們相互融合，構(gòu)建數(shù)據(jù)、信息、優(yōu)化、決策、價值閉環(huán)體系，從而建立從數(shù)據(jù)到信息，從信息到可執(zhí)行的優(yōu)化建議直至反饋調(diào)整的長效模式，最終成型為智能制造體系。

一、引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主要支柱，是國家生存和發(fā)展的保障，今后我國經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)“創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型升級”的必由之路。我國已經(jīng)成為制造大國，但仍然不是制造強(qiáng)國。打造中國制造新優(yōu)勢，實現(xiàn)由制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，發(fā)展智能制造基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)對我國新時期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為重要，也最為迫切。

從德國的“工業(yè)4.0”，美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”到英國的“工業(yè)2050戰(zhàn)略”，我們看到了一個又一個關(guān)于高端制造，智能制造的概念，但一個清晰、具體，明確的智能制造概念似乎還是沒有形成。智能制造從本質(zhì)上來看，是智能技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合。從發(fā)展脈絡(luò)上看，傳統(tǒng)制造基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等實現(xiàn)數(shù)字化，而這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展便是智能技術(shù)。傳統(tǒng)的制造技術(shù)在融合“智能”與“智慧”后，向更加聰明、成熟、高效的方向發(fā)展，實現(xiàn)所有“制造”過程的智能化，最終形成節(jié)能、環(huán)保、智能的新產(chǎn)品。當(dāng)然這些還是一些抽象的概念，更多的是描繪了一個愿景。但是具有預(yù)測、感知、分析、推理、決策、控制功能的是智能系統(tǒng)的必備特征。

二、智能制造國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀

目前主要發(fā)達(dá)工業(yè)國家都積極籌劃布局，搶占制造業(yè)的制高點(diǎn)，完成產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，保持世界市場的競爭力。美國近年來提出“再工業(yè)化”計劃，主要針對新世紀(jì)以來美國經(jīng)濟(jì)“去工業(yè)化”所帶來的過度依靠虛擬經(jīng)濟(jì)、實體經(jīng)濟(jì)衰落、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)空洞化等現(xiàn)實情況。該計劃要實現(xiàn)的目標(biāo)是重振實體經(jīng)濟(jì)，增強(qiáng)國內(nèi)企業(yè)競爭力，增加就業(yè)機(jī)會；發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，實現(xiàn)制造業(yè)的智能化；保持美國制造業(yè)價值鏈上的高端位置和全球控制者地位。美國制造業(yè)智能化的目的是促使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)朝著具有高附加值、知識密集型和以新技術(shù)創(chuàng)新為特征的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、先進(jìn)的圖像處理技術(shù)、RFID等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為制造業(yè)朝智能化發(fā)展提供了堅實的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。同時一大批新的生產(chǎn)和管理理念產(chǎn)生，加之計算機(jī)信息技術(shù)的廣泛而深入的應(yīng)用，都助推了制造業(yè)智能化的發(fā)展。美國實施智能制造有著良好的基礎(chǔ)。工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，制造業(yè)發(fā)達(dá)，在信息、材料、電子等智能制造關(guān)鍵領(lǐng)域有著其他國家難以企及原創(chuàng)科學(xué)。

德國著名的“工業(yè)4.0”是一項全新的制造業(yè)品質(zhì)提升計劃，其模式是由多點(diǎn)分布式、組合式的工業(yè)制造單元模塊，通過工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)、多功能感知器件、中央處理單元組建而成的智能化工業(yè)制造系統(tǒng)?！肮I(yè)4.0”通過充分利用信息物理系統(tǒng)（CPS），實現(xiàn)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推動現(xiàn)有制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型。德國有著世界頂級裝備制造水平，在智能制造領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢，以單元模塊為智能制造的基本單元，充分發(fā)揮其裝備可靠性強(qiáng)，自動化程度高的優(yōu)勢，完成從自動化向智能化的過渡轉(zhuǎn)變。

可以預(yù)見，“互聯(lián)網(wǎng)＋先進(jìn)制造業(yè)＋現(xiàn)代服務(wù)業(yè)”將成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，推動新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)的不斷產(chǎn)生，引發(fā)產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)與社會的變革，為中國乃至世界帶來巨大的商機(jī)和歷史性的發(fā)展機(jī)遇。作為高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向和信息化與工業(yè)化深度融合的重要體現(xiàn)，發(fā)展智能制造裝備產(chǎn)業(yè)對于加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升生產(chǎn)效率、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源資源消耗，實現(xiàn)制造過程的智能化和綠色化發(fā)展具有重要意義。

“中國制造2025”的指導(dǎo)思想是：堅持走中國特色新型工業(yè)化道路，以促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為主題，以提質(zhì)增效為中心，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，以滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國防建設(shè)對重大技術(shù)裝備的需求為目標(biāo)，強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)能力，提高綜合集成水平，完善多層次多類型人才培養(yǎng)體系，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，培育有中國特色的制造文化，實現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越創(chuàng)新是制造業(yè)發(fā)展的靈魂，是轉(zhuǎn)型升級的不竭動力，必須擺在制造業(yè)發(fā)展全局的核心位置，要堅持走創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展道路，實現(xiàn)從要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動的根本轉(zhuǎn)變。李克強(qiáng)總理在政府工作報告中還明確提出，“圍繞服務(wù)實體經(jīng)濟(jì)推進(jìn)金融改革”，“讓更多的金融活水流向?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)”。加強(qiáng)制造業(yè)與金融業(yè)的深度融合，加大資本市場對制造業(yè)的支持力度，具有重大現(xiàn)實意義和長遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義。

三、智能制造的本質(zhì)

智能制造關(guān)鍵體現(xiàn)的就是智能，如何將智能應(yīng)用于制造行業(yè)，這是一個相對具體的概念，當(dāng)然廣義的智能制造包含更多的理念和思想，甚至超出“制造”本身的一些概念，從市場調(diào)研、需求、產(chǎn)品概念設(shè)計、原理設(shè)計、實體設(shè)計、采購、加工、材料性能處理、零部件的性能檢測、裝配一直到產(chǎn)品報廢回收所有過程，包括管理與服務(wù)的智能化是智能制造覆蓋的全領(lǐng)域。我們從具體、狹義的概念來闡述智能制造的本質(zhì)。智能制造系統(tǒng)是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能活動，如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。作為智能制造主體的智能裝備最終要從以人為主要決策核心的人機(jī)和諧系統(tǒng)向以機(jī)器為主體的自主運(yùn)行方向轉(zhuǎn)變。如何讓裝備智能化，是制造系統(tǒng)具有智能的核心要素。人類是智能的源泉，只有體現(xiàn)出人類的智慧，才可以稱得上智能。因此，系統(tǒng)必須具備人類眼睛的視覺功能，必須有鼻子的嗅覺功能，必須有耳朵的聽覺功能，必須人類對空間、物體甚至氣候的感知功能，同時具備由感官獲取外界信息后的復(fù)雜判斷處理功能，而判斷處理又必須依據(jù)大腦自身的處理能力以及儲備知識的應(yīng)用。

“機(jī)器人＋數(shù)控機(jī)床”不是智能制造，它僅僅屬于自動化和數(shù)字化范疇。具有圖像識別或力傳感器的機(jī)器人和具有位移、振動、溫度傳感器的數(shù)控機(jī)床構(gòu)成的生產(chǎn)系統(tǒng)才屬于智能制造范疇。機(jī)器人，之所以賦予“人”的概念，更多是人類讓他人的形態(tài)存在，并實施了一些人類簡單動作，真正人類化必須具備強(qiáng)健的人類思維，這才是機(jī)器人成為“人”的關(guān)鍵因素。因此制造裝備能夠感知自我狀態(tài)和環(huán)境變化，進(jìn)行實時、適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、控制、交互和通信，才算得上智能。通過智能制造體系中各項技術(shù)的深度融合，促進(jìn)裝備和產(chǎn)品的智能化，通過信息技術(shù)改造和優(yōu)化制造業(yè)全流程，提高企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，服務(wù)于設(shè)計、制造、裝配、檢測等全生命周期的整個制造體系產(chǎn)業(yè)鏈，圖1為智能制造體系產(chǎn)業(yè)鏈。

圖1 智能制造服務(wù)于產(chǎn)業(yè)鏈圖

四、智能制造的關(guān)鍵技術(shù)

智能制造作為一個現(xiàn)代制造系統(tǒng)，必須具有像人一樣，能去看，去聽，去感知這個世界的能力，并有復(fù)雜的邏輯思考和判斷的能力，能對他所感知的各種環(huán)境作出精準(zhǔn)的判斷和處理。智能制造的本質(zhì)就是廣義的制造過程中加入感 知、判斷、決策等環(huán)節(jié)，能體現(xiàn)人類智能的因素融合于計算機(jī)、電子信息技術(shù)、先進(jìn)制造和管理技術(shù)的全過程。鑒于此，我們認(rèn)為從本質(zhì)上講智能制造是多種關(guān)鍵技術(shù)的綜合應(yīng)用，如圖2所示，主要有如下幾個方面。

圖2 智能制造體系包含關(guān)鍵技術(shù)

1.先進(jìn)的傳感檢測技術(shù)

工業(yè)傳感器核心器件、智能儀器儀表、傳感器集成應(yīng)用等技術(shù)在智能制造體系有著關(guān)鍵的作用。對于系統(tǒng)來說，要能具備感知這個世界的能力，必須要有各種傳感器，如聲音、光、圖像等，視覺占人類所有傳感器輸入的80%，也是困難的一部分感知，它通過將光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號來表示每個像素點(diǎn)灰度以及顏色進(jìn)而重現(xiàn)場景中畫面。只有這些感知外界的傳感器存在，并將相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換為大腦（計算機(jī)系統(tǒng)）可以處理的信號，我們才能展現(xiàn)“智能”。如果智能制造是制造業(yè)領(lǐng)域的一場革命，那么它將發(fā)軔于各種高端傳感器。

2.先進(jìn)的制造技術(shù)

智能制造離不開制造，目前隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，打印材料不斷實現(xiàn)多樣化，如納米材料、生物材料等，傳統(tǒng)制造業(yè)模式將被徹底改變。但是作為一種全新的制造手段，其實目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到大規(guī)模實用的階段。對于金屬材料的打印，大部分還是采用金屬粉末的激光燒結(jié)技術(shù)，而不是我們通常想像的有如鑄造時鐵水來成型零件，因此無論材質(zhì)的均勻性還是強(qiáng)度無法傳統(tǒng)成型零件相比較，同時打印零件，耗時長，后處理工藝復(fù)雜等也是當(dāng)前面臨的問題。無論是傳統(tǒng)的金屬切屑加工，還是以3D打印為代表的增材制造技術(shù)，都必須以高效和實用為原則，能服務(wù)于智能、快速、高效為特征的智能制造系統(tǒng)。目前來看，3D打印技術(shù)有待進(jìn)一步完善，傳統(tǒng)制造技術(shù)還需在提高效率的基礎(chǔ)上，滿足多樣化的信息接口，融合于以信息流為主導(dǎo)的制造系統(tǒng)。

3.新材料技術(shù)

新材料以輕量化、力學(xué)性能優(yōu)越、便于加工制造、綠色節(jié)能為標(biāo)志，服務(wù)于先進(jìn)的制造成型與制備工藝，是智能制造中的物質(zhì)基礎(chǔ)。以碳納米材料、碳纖維為標(biāo)志的工業(yè)級新材料必須取得更大的突破，并應(yīng)用于智能制造系統(tǒng)，完成智能制造的物質(zhì)材料升級。

4.快速識別技術(shù)

智能制造系統(tǒng)的運(yùn)行，需要對物件的屬性進(jìn)行識別，才能真正認(rèn)識該物件，如何快速準(zhǔn)確的識別，是實現(xiàn)信息流提取的關(guān)鍵一步，智能制造系統(tǒng)必須實現(xiàn)從物流到信息流的快速、準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換提取，這是實現(xiàn)智能的前提之一。RFID射頻識別技術(shù)又被稱為無線射頻識別，這是一種無線通信技術(shù)，能夠識別無線電信號，且能夠讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)信息。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展更便捷和準(zhǔn)確的識別技術(shù)，成為智能制造系統(tǒng)獲取信息流的關(guān)鍵一步。

5.無線通訊與定位技術(shù)

通過基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID、傳感器的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)，與生產(chǎn)有關(guān)的各種數(shù)據(jù)，實時傳輸給控制中心，上傳給大數(shù)據(jù)系統(tǒng)并進(jìn)行云計算。機(jī)器之間能夠相互溝通，彼此交流，那么，許多處理過程就能夠更加的高效?？煽康臒o線通訊技術(shù)在系統(tǒng)內(nèi)保證了信息流的流動和通暢，為智能系統(tǒng)提供了交互與聯(lián)通的橋梁。實時定位系統(tǒng)會利用光學(xué)、聲學(xué)技術(shù)實現(xiàn)定位，表征物體所處的方位和狀態(tài)，為智能制造系統(tǒng)的控制中樞提供位置信息。

6.數(shù)據(jù)的采集和分析處理

從系統(tǒng)里面獲取數(shù)據(jù)是中央處理系統(tǒng)進(jìn)行控制的關(guān)鍵依據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)也是用戶進(jìn)行產(chǎn)品工藝分析的直接資料。目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以基于微處理器和PLC邏輯控制器為主的采集系統(tǒng)，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性需要進(jìn)一步提高，同時還保證與智能系統(tǒng)配套的高端傳感器接口，完成數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，實施性強(qiáng)的可靠獲取。

7.預(yù)測型智能制造技術(shù)

智能制造系統(tǒng)的智能診斷和維護(hù)也是系統(tǒng)實施的必須要素。隨著時間推移，設(shè)備磨損、性能衰退，最終導(dǎo)致故障和停機(jī)。預(yù)測型制造是時刻掌握設(shè)備實際“健康”狀態(tài)，不是在故障發(fā)生后去搶修，或過早地將可用的部件進(jìn)行不必要更換，而是通過預(yù)測設(shè)備什么時候可能失效，合理安排維修計劃，實現(xiàn)“準(zhǔn)時”維修，最大限度地提高設(shè)備的可用性和延長其正常運(yùn)行時間。數(shù)據(jù)分析處理，設(shè)備壽命預(yù)測數(shù)學(xué)模型建立，這些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)計算方法對提升智能制造有著十分重要的意義。

8.信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

人與人、人與機(jī)器設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備的通信和交互，構(gòu)建互通互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使數(shù)據(jù)流動起來，處理海量數(shù)據(jù)都需要信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支撐，保證了機(jī)器設(shè)備高效率運(yùn)作和與生產(chǎn)管理的協(xié)同，這些是智能制造得以實現(xiàn)的載體。

五、智能制造的實現(xiàn)

實現(xiàn)智能制造的核心措施是信息處理和物理過程的深度融合，傳統(tǒng)制造過程主要是在實體空間依靠生產(chǎn)設(shè)備制造產(chǎn)品，逐步發(fā)展為通過移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行人與人、人與機(jī)、機(jī)與機(jī)的協(xié)同和交互模式；進(jìn)一步建立物理設(shè)備和過程的數(shù)字模型，不斷進(jìn)行仿真和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和效益。

1.保證信息系統(tǒng)（虛擬世界）對于現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)營系統(tǒng)（現(xiàn)實世界）信息獲取的實時性、準(zhǔn)確性、全面性。

目前，對生產(chǎn)現(xiàn)場實施全方位的感知檢測，布置足夠數(shù)量的智能傳感器，并進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的自動化數(shù)據(jù)采集。遍布生產(chǎn)線各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的傳感器以及具有通訊能力的控制器對現(xiàn)場的生產(chǎn)情況進(jìn)行高速采集，這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時上傳到信息系統(tǒng)中，實現(xiàn)現(xiàn)實世界到虛擬世界的精準(zhǔn)實時全面的映射。

2.將來自生產(chǎn)現(xiàn)場的海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有效的生產(chǎn)運(yùn)營改進(jìn)優(yōu)化建議。

智能制造的計算機(jī)信息管理系統(tǒng)應(yīng)是基于實時工況數(shù)據(jù)采集和設(shè)備狀態(tài)反饋的“數(shù)據(jù)→信息→優(yōu)化→決策→價值”的閉環(huán)系統(tǒng)。面對從生產(chǎn)現(xiàn)場采集來的海量數(shù)據(jù)，必須建立包括設(shè)備數(shù)學(xué)模型以及生產(chǎn)運(yùn)營業(yè)務(wù)的模型，充分的挖掘數(shù)據(jù)價值，建立從數(shù)據(jù)到信息，從信息到可執(zhí)行的優(yōu)化建議直至反饋調(diào)整的長效模式。

3.完善裝備的協(xié)同，交互功能。

單個、彼此獨(dú)立的設(shè)備是無法實現(xiàn)大規(guī)模的自動化生產(chǎn)的，更談不上智能化。設(shè)備之間必須具備功能強(qiáng)大的與外界的交互功能，才能形成自動銜接的自動化系統(tǒng)，進(jìn)而組成智能單元。因此設(shè)備的通訊功能、設(shè)備感知自身和外圍環(huán)境的傳感器以及自我診斷和調(diào)整的功能，在智能制造系統(tǒng)中必須得到充分而完整的體現(xiàn)。

六、結(jié)語

“工業(yè)4.0”和智能制造是愿景，是人類向往的具備高度“人性化”的制造體系，是目前各種技術(shù)的發(fā)展到一個較高層次后的全方位綜合、集成的應(yīng)用，它包含更多、更廣的，體現(xiàn)人類智慧的單元和模塊，但不是一種全新的技術(shù)。智能裝備是主體，網(wǎng)絡(luò)是載體，信息是紐帶，采集與計算分析是以網(wǎng)絡(luò)為載體完成信息傳遞的方法和手段，他們相互融合，構(gòu)建成一個龐大的智能制造體系，實現(xiàn)期人類期待已久的、十分聰明的生產(chǎn)制造。