國際智能制造演化路徑及熱點領(lǐng)域研究趙程程

楊萌

〔摘 要〕發(fā)展智能制造業(yè)是國際上發(fā)達(dá)國家/地區(qū)制造業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是我國制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的重要突破口。以SCI中1995-2015年發(fā)表的2 894篇文獻(xiàn)題錄作為數(shù)據(jù)樣本，通過高頻主題詞分析，確定智能制造研究的熱點領(lǐng)域；通過檢測詞頻變動趨勢顯著的主題詞，確定智能制造的前沿領(lǐng)域和發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，借助Citespace Ⅲ信息可視化軟件，繪制出智能制造研究演化路徑與研究熱點的知識圖譜，歸納總結(jié)其特點，明確了智能制造的研究前沿與發(fā)展方向，為我國政府發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)做出戰(zhàn)略性借鑒和參考。

〔關(guān)鍵詞〕智能制造；研究熱點；信息可視化

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2015.11.018

〔中圖分類號〕F263 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號〕1008-0821（2015）11-0101-05

Research on the Evolution Path and Hot Research

Topics of Intelligent Manufacturing

Zhao Chengcheng Yang Meng

（School of Management，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

〔Abstract〕At first，2694 documents in“Intelligent Manufacturing”published in 1995-2015 were researched out by internationally accepted academic search engine SCI.Secondly，choosing all the documents as the data sample，the hot domains and the research edge were confirmed by using word frequency analysis and detection analysis.Finally，the knowledge mapping of them was drawn by using Citespace.The paper expected that they could benefit the researchers in the field of intelligent manufacturing.

〔Key words〕intelligent manufacturing；hot domain；information visualization

智能制造不僅是全球制造業(yè)的發(fā)展方向，也是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要支柱。其發(fā)展得到各國政府的大力支持。2011年，美國正式啟動包括工業(yè)機器人在內(nèi)的“Advanced Manufacturing Partnership Plan（先進(jìn)制造聯(lián)盟伴計劃）”等項目振興本國制造業(yè)。該項目不僅描繪了該領(lǐng)域未來的發(fā)展藍(lán)圖，而且確定了十大優(yōu)先行動目標(biāo)，意圖通過采用21世紀(jì)的數(shù)字信息技術(shù)和自動化技術(shù)，加快對20世紀(jì)的工廠進(jìn)行現(xiàn)代化改造過程，以改變以往的制造方式，借此獲得經(jīng)濟、效率和競爭力方面的多重效益[1]。無獨有偶，2010年12月，德國聯(lián)邦政府經(jīng)濟和技術(shù)部制定了新的信息化戰(zhàn)略——Digital Germany 2015（數(shù)字德國2015），提出通過數(shù)字化獲得新的經(jīng)濟增長和就業(yè)機會，具體內(nèi)容包括發(fā)展電子能源（E-energy）和智能電網(wǎng)；研發(fā)電動汽車，建設(shè)智能交通系統(tǒng)；在工業(yè)領(lǐng)域推廣云計算技術(shù)等[2]。同期，2009年7月，日本IT戰(zhàn)略本部制定了至2015年的中長期信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略——“i-Japan”。該戰(zhàn)略計劃通過信息通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的融合，從根本上提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品的附加值，開拓新的市場，使日本經(jīng)濟保持全球領(lǐng)先地位。近年來，我國政府也做出加快培育發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)的重大戰(zhàn)略決策。目前，我國已編制完成《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，并于2011年設(shè)立“智能制造裝備創(chuàng)新發(fā)展專項”，2013年3月，我國相繼出臺《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》、《服務(wù)機器人科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》。盡管如此，我國政府仍感覺到缺乏理論和方法指導(dǎo)。其主要原因在于，我國大部分學(xué)者仍將目光聚焦在某一單一智能技術(shù)的研究上，缺乏系統(tǒng)性、全面性地認(rèn)知國際智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展路徑和研究熱點，難以為我國政府發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)做出戰(zhàn)略性借鑒和參考。

由于頻次高的主題詞常被用來確定一個研究領(lǐng)域的熱點問題[3]，所以本研究通過主題詞進(jìn)行檢索，并借助陳超美博士開發(fā)的信息可視化軟件Citespace Ⅲ，對科學(xué)文獻(xiàn)引用共引網(wǎng)絡(luò)的路徑進(jìn)行分析和處理，通過顯示高頻詞[4]，形象地展示出國際智能制造的創(chuàng)新演化與研究熱點，以幫助國內(nèi)學(xué)者更好地了解智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對準(zhǔn)確定位“十三五”我國智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向、重點領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)都有重要的借鑒意義。

1 智能制造研究的演化路徑及特點

11 智能制造研究的演化路徑

首先，我們以Intelligent Manufacturing為主題詞在Web of Science進(jìn)行檢索，共檢索到2 894篇文獻(xiàn)（截止2015年2月13日）。然后，將這2 894條記錄導(dǎo)入Citespace，時區(qū)選擇為1995-2015年，時間跨度為1年，主題詞選擇為名次（Noun），來源為標(biāo)題（Title）、摘要（Abstract）、作者、關(guān)鍵詞（Descriptor）和附加關(guān)鍵詞（Identified），節(jié)點選擇為引用參考文獻(xiàn)（Cite Reference），閾值選擇為（2，1，20），（5，4，22），（6，5，25），選定路徑搜索算法（Pathfinder），視圖選為區(qū)域視圖（Zoneview），運行生成可視化圖譜，如圖1所示。endprint

12 演化路徑的特點

通過對圖1和表1的深入剖析，2000年之后智能制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)域的研究路徑呈現(xiàn)出以下幾個方面的特征：

121 智能制造源于人工智能，興于20世紀(jì)末21世紀(jì)初期

智能制造源于人工智能的研究，是人工智能生產(chǎn)化的體現(xiàn)。隨著日益加劇的全球競爭及瞬息萬變的市場需求等倒逼生產(chǎn)制造系統(tǒng)能夠快速、智能化應(yīng)對這種需求和挑戰(zhàn)。早在1981年，Gary LPeterson等人對人工智能在技術(shù)層面展開了大量的研究，為20世紀(jì)末21世紀(jì)初期興起的智能制造奠定了技術(shù)積累。其中，Pertersong算法、合同網(wǎng)高層通信協(xié)議、多次專家控制系統(tǒng)、遺傳算法等為物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)控技術(shù)、智能生產(chǎn)制造系統(tǒng)提供了基層技術(shù)支持[5-6]。20世紀(jì)末21世紀(jì)初期，全球智能制造圍繞“數(shù)控技術(shù)”、“Agent技術(shù)”、“云技術(shù)”等制造相關(guān)技術(shù)。甚至，2009年Gerben GMeyer從智能產(chǎn)品追溯到智能技術(shù)，并將其劃分為三大類，一是自動識別和嵌入式處理技術(shù)，涵蓋RFID（電子標(biāo)簽）、MEMS（微系統(tǒng)）；二是分布式信息存儲與處理技術(shù)，涵蓋EPC Global（物聯(lián)網(wǎng)物件跟蹤系統(tǒng)）、D@URL（產(chǎn)品認(rèn)證信息標(biāo)簽）、WWAI（世界范圍商品信息）；三是Agent-based 平臺技術(shù)，涵蓋門戶平臺、嵌入式平臺、代理平臺[7]。

122 從技術(shù)到應(yīng)用：從“Agent技術(shù)”到“Agent技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用”；從“數(shù)控技術(shù)”到“數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”；從“云技術(shù)”到“云制造”

21世紀(jì)初期，對智能制造的研究不再強調(diào)技術(shù)的創(chuàng)新，而更加關(guān)注技術(shù)的應(yīng)用。從關(guān)注“Agent技術(shù)”到“Agent技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用”，Heragu SS（2002）構(gòu)建出基于Agent技術(shù)的生產(chǎn)系統(tǒng)控制架構(gòu)[8]；Colombo AM（2006）將傳統(tǒng)的機電一體化設(shè)備與嵌入式控制Agent相結(jié)合，形成一種基于Agent的智能制造工業(yè)控制平臺[9]；Leito P（2009）對發(fā)達(dá)國家Agent技術(shù)的生產(chǎn)制造展開調(diào)查[10]；Trentesaux D（2009）對基于Agent技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)的新的控制體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)進(jìn)行評價[11]。

從“數(shù)控技術(shù)”到“數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。雖然還有部分學(xué)者關(guān)注數(shù)控技術(shù)的智能化，例如，Leito（2006）研究出ADACOR子系統(tǒng)數(shù)控技術(shù)等，但更多的學(xué)者聚焦在數(shù)控技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化問題[12]。2002年，SUH SH首次提出智能STEP-compliant數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[13]。2003年，SUH SH再次對STEP-compliant數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)一步細(xì)化[14]。無獨有偶，NEWMAN ST（2003）、XU XW（2005，2006）多次修訂STEP-compliant 數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[15-17]。

從“云技術(shù)”到“云生產(chǎn)”。越來越多的學(xué)者提出在生產(chǎn)制造借助“云技術(shù)”，形成“云生產(chǎn)”。代表人物SHEN W（2001）第一次提出融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建SINA（Sensor Information Networking Architecture，傳感器信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)），解決生產(chǎn)制造的實時性、敏捷性[18]。直至2012年XU XW第一次明確提出“云制造”，即采取包括云計算等前沿信息技術(shù)，支持制造業(yè)在廣闊網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境下，為產(chǎn)品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務(wù)[19]。

2 智能制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的研究熱點及特征

21 研究熱點圖譜繪制

同樣地，將上述檢索的2 894篇文獻(xiàn)的題錄數(shù)據(jù)輸入Citespace軟件中。保持時間區(qū)域、時間跨度、來源、節(jié)點選擇、算法和閾值不變，利用名詞短語（Noun Phrase）技術(shù)，將頻次變化率高的詞從大量的主題詞中探測出，來確定國際智能制造的研究熱點，如圖2所示。

22 研究熱點特征分析

221 智能化、柔性制造系統(tǒng)（Intelligent and Flexible Manufacturing Systems）一直是智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的研究熱點

通過對圖2和表2的深入剖析，1995-2015年智能制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)域的研究熱點主要聚焦在智能、柔性制造系統(tǒng)（Intelligent and Flexible Manufacturing Systems）。其中，智能（Intelligent）出現(xiàn)頻次累計高達(dá)131，柔性（Flexible）高達(dá)52。另一方面，國際智能制造技術(shù)研究熱點聚焦在“系統(tǒng)架構(gòu)”（Framework，Architecture）、“Multi-agent技術(shù)”（Multi-agent Systems）、“集成技術(shù)”（Integration）、“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”（Neural Networks）、“最優(yōu)化算法”（Optimization）5個方面。其中，圍繞著“系統(tǒng)架構(gòu)”（Framework，Architecture），引用頻次較高的是SHEW WEIMING（2000）與SHEW CHIEN-CHUNG（2001），影響了后期對智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建。SHEW WEIMING（2000）基于Agent技術(shù)設(shè)計出一種的分布式智能體系架構(gòu)MetaMorph Ⅱ，用以滿足生產(chǎn)制造的集成性（Integration）、配置性、適應(yīng)性、擴展性、靈活性和可靠性[20]。同期，SHEN CHIEN-CHUNG（2001）借助傳感器技術(shù)構(gòu)建傳感器信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架SINA，該架構(gòu)通過運行每個傳感器節(jié)點，強化傳感器信息的自適應(yīng)組織，方便事件查詢、進(jìn)程控制與多任務(wù)功能[18]。2000年以來，另一智能制造研究熱點Agent技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從單一Agent技術(shù)到“Multi-agent技術(shù)”（Michael Wooldride，2002）[21]；從Agent技術(shù)的研發(fā)到其智能化生產(chǎn)制造應(yīng)用，例如智能Agent技術(shù)在分布式生產(chǎn)調(diào)度的應(yīng)用[22-23]、借助Agent技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)管理與工業(yè)制造一體化的多主體系統(tǒng)Multiagent Systems（MARIK，2005）[24]。endprint

222 “云制造”是智能制造產(chǎn)業(yè)的新興領(lǐng)域

以往學(xué)者通常借助Agent技術(shù)的創(chuàng)新，滿足制造的個性化、柔性發(fā)展需求。然而，2010年以來，逐漸有學(xué)者提出將云技術(shù)“嫁接”到生產(chǎn)制造，實現(xiàn)生產(chǎn)柔性化。通過對2014年文獻(xiàn)進(jìn)行研究熱點分析，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)者將目標(biāo)轉(zhuǎn)移在借助各種算法與“云制造”，提升智能制造的效率和產(chǎn)品本身。LI BO-HU（2010）提出了一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式——“云制造”，并討論了實施云制造所需攻克的關(guān)鍵技術(shù)和所取得的成果[25]。最后，給出了一個云制造的典型應(yīng)用案例——基于云仿真原型平臺的云設(shè)計。Xun Xu（2012）進(jìn)一步深入解釋云制造的核心技術(shù)——云計算，并提出隨著云技術(shù)的提升，云制造不僅可以促進(jìn)生產(chǎn)模式的扁平化，更能促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)新，而且可以滿足市場個性化、靈敏的定制需求[19]。

3 啟 示

借助信息可視化軟件，本次研究繪制出智能制造研究的演化路徑和熱點領(lǐng)域圖，總結(jié)出其規(guī)律特點，并得到以下幾點啟示，為我國政府發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)做出戰(zhàn)略性借鑒和參考。

（1）縱觀國際上學(xué)者對智能制造的研究逐步從技術(shù)層面轉(zhuǎn)移到應(yīng)用層面，主要聚焦在Agent技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定、“云制造”等。相比發(fā)到國家/地區(qū)，我國智能制造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差、底子薄，在“埋頭”進(jìn)行技術(shù)研發(fā)的同時，也要時不時“仰望星空”，尋求契機，積極參與國際智能制造標(biāo)準(zhǔn)的制定、新技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用等，加速我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

（2）“云制造”將會成為我國第三次工業(yè)革命的另一契機。3D打印、機器人一直被認(rèn)為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新契機。以機器人為例，我國制造業(yè)領(lǐng)域許多企業(yè)家普遍認(rèn)為，機器人是應(yīng)對第三次工業(yè)革命最合適的切入口之一。然而，“十二五”國家863計劃機器人技術(shù)主題專家組組長趙杰表示，我國目前機器人產(chǎn)業(yè)化還存在一些制約問題。工業(yè)和信息化裝備部工業(yè)司副司長王衛(wèi)明也表示，我國機器人創(chuàng)新能力薄弱，核心技術(shù)和核心關(guān)鍵部件受制于人。相比3D打印技術(shù)、機器人技術(shù)，我國信息技術(shù)經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，擁有一定的技術(shù)積累，“云生產(chǎn)”或?qū)蔀槲覈谌胃锩牧硪黄鯔C。

（3）把握技術(shù)發(fā)展的脈搏，定期發(fā)布云制造發(fā)展報告。云制造作為智能制造的新興領(lǐng)域，技術(shù)發(fā)展的迅猛程度是日星月異。為此，一方面，政府應(yīng)鼓勵制造型企業(yè)定期跟蹤國際云制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，結(jié)合企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，及時調(diào)整技術(shù)研發(fā)重點。另一方面，政府也應(yīng)鼓勵高校、研究機構(gòu)對云制造核心技術(shù)進(jìn)行跟蹤、預(yù)測，定期發(fā)布行業(yè)報告，為行業(yè)發(fā)展提供指導(dǎo)意見。

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（本文責(zé)任編輯：郭沫含）endprint