邁向智能制造的探討

沈彥明

(泰山玻璃纖維有限公司，泰安 271000)

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邁向智能制造的探討

沈彥明

(泰山玻璃纖維有限公司，泰安 271000)

摘 要：介紹了智能制造與智慧工廠的概念，闡述了發(fā)展智能制作的理由，探討了實現(xiàn)智能制造、建設智慧工廠的方法和途徑，表明智能制造在玻纖領域應用的重要性，并期望今后在玻纖生產中，可實現(xiàn)窯爐熱點溫度與燃燒氣氛、窯壓、液位、投料等方面的完全智能化控制。

關鍵詞：智能制造；智慧工廠；自動化；信息化；人工智能

0前言

眾所周知，玻纖行業(yè)到目前為止，依然是勞動力密集型產業(yè)。近些年來，玻纖企業(yè)不得不面對來自多方面的嚴峻挑戰(zhàn)：一方面勞動力成本越來越高，招工愈加困難；另一方面客戶對品質的要求越來越嚴，而激烈的競爭使得產品售價很難提高。招工難度的提升，使得企業(yè)不得不降低對新員工的素質要求，員工操作水平參差不齊，產品品質因而難以穩(wěn)定。

在同時面對成本提升、品質要求提高、勞動力短缺的多重壓力下，目前玻纖行業(yè)也和其他行業(yè)一樣，開始大規(guī)模采用自動化設備和自動化物流線，減少對勞動力的需求，提高產品的質量穩(wěn)定性。

泰山玻纖在泰安滿莊新區(qū)的建設過程中，基于對目前以及未來長期趨勢的把握，從一開始就把提高自動化程度納入了設計規(guī)劃中，在全面采用各種自動化控制系統(tǒng)的同時，建設了自動化物流線和覆蓋全廠的光纖網絡。從將近兩年多的運行效果來看，在產品品質得到有效提升的同時，產品成本約下降100元/t，用工數量約減少1/3，人均產能達到了200 t/(人·a)，基本達到了國際一流水準，初步實現(xiàn)了最初的建設目標。但是競爭是無止境的，中國的勞動力數量很快就將出現(xiàn)懸崖式的跌落，當一個工廠已經采用了大量自動化系統(tǒng)時，下一步的發(fā)展方向在哪里？——建設智慧工廠、實現(xiàn)智能制造。

在最近幾年里，自動化系統(tǒng)，尤其是物流自動化系統(tǒng)在中國出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長，與此同時，智能制造與智慧工廠的說法越來越流行，在相關文獻中出現(xiàn)的頻次越來越高，也吸引了越來越多從業(yè)者的關注。2014年，德國工業(yè)4.0的概念開始廣為流傳，成為目前自動化、信息化和企業(yè)管理方面的熱點[1-2]。中國政府站在國家層次也提出了自動化、信息化兩化融合，將中國制造變成中國“智造”的要求[3]。

那么，究竟什么是智能制造，什么是智慧工廠，為什么要發(fā)展智能制造，又應該如何邁向智能制造呢？

針對這幾個問題，筆者將多年來的思考和理解整理在本文中，以饗讀者，供同行們探討。

1智能制造和智慧工廠

在探討什么是智能制造之前，首先要明確，什么是“智能”。一般來說，智能是指具有信息處理能力并且能夠對信息做出反應的能力，也就是接受信息→構思→選擇對策。

按照這個定義，我們目前的工廠本身都已經是智能制造了，因為我們的工廠運作中時時刻刻都有眾多的管理者和技術人員在參與、在調整、在處理，智能無處不在。不過，毫無疑問，世界各國所追求的智能制造并不是指由人來完成的制造，而是指采用智能設備代替人來完成的制造，在通常意義上我們理解為采用自動化設備來自動完成對各種情況的處理[4-5]。

當一個工廠里的制造過程全部是自動化設備在操控，整個運作都是自動進行的時候，以玻纖為例，由于生產過程涉及到各種不同的工藝和工序環(huán)節(jié)之間的配合協(xié)作，復雜程度是非常高的。因此，如果這時候的全自動化工廠已經能夠處理各種情況，那么不難理解，這個工廠必須具有一定的智能才行。

因此，所謂智能制造，就是在自動化的基礎上疊加人工智能。所謂智慧工廠，就是在大規(guī)模智能制造的基礎上，疊加信息化網絡，實現(xiàn)系統(tǒng)間自動協(xié)作，并疊加更強大的人工智能。

單純的自動化不等于智能制造，單純的信息化也不等于智能制造，但是自動化和信息化確實是智能制造和智慧工廠的基石。

換句話說，智能制造就是設備能夠自動進行情況分析并完成選擇、判斷和執(zhí)行。智慧工廠則是在智能制造的基礎上，能夠分析和處理以前沒有遇到過的新情況[6-7]。這里的關鍵在于“智能”——也就是人工智能的發(fā)展和應用。

2為什么要發(fā)展智能制造

盡管有很多人認為人的智能是最強大的，機器只會按照人事先規(guī)定好的條條框框來活動，但是筆者認為，由于人類的文明已經發(fā)展到了一個非常高級而復雜的階段，我們目前的社會里，時時刻刻都充斥著各種復雜的、并發(fā)的、多任務的、交叉的、大規(guī)模的活動。面對這些活動，人類的智能所存在的局限性已經越來越明顯，人腦處理信息的能力已經越來越不能滿足社會競爭的需要了。在競爭的驅動下，人類不由自主地開始發(fā)展更加適應這種競爭需要的工具，也就是人工智能。

圖1中展示了人腦的工作模式，用一個形象的例子來表達，同時畫方和畫圓是不行的，只能按順序來。

圖2說明了目前的主流計算機系統(tǒng)是如何處理多個信息的，多任務并行處理已經是目前計算機最基本的功能[8]。

此外，人腦神經元之間傳遞信息的速度只有每秒幾百米[9]，面對工業(yè)生產中的大量的以毫秒和秒為時間單位的任務，人腦的反應速度已經遠遠不能滿足需要?，F(xiàn)在Intel公司的主流家用CPU的速度都是2 GHz以上，在簡單任務的響應速度上遠遠超過了人類。

同樣，我們可以舉玻纖生產中的一個實例來說明。圖3是泰山玻纖從拉絲到制品的自動化物流示意圖。物理上，這片區(qū)域有200多米寬，500多米長，中間還有建筑物阻擋。實際生產中，會經常出現(xiàn)幾乎在同一時間，有多個紗車需要送出來，有多個空位需要被彌補，還有多條烘干爐發(fā)出了需要進爐與出爐的請求，大量的設備需要立即運轉以響應這些要求。如果是人工處理，就無法同時應對這么多任務，而且也無法井井有條地進行處理。

現(xiàn)在，依靠先進的自動化系統(tǒng)和AGV系統(tǒng)，同一時間，距離紗車最近的AGV接到了運走滿車的任務，距離空車返回線最近的AGV則接到了取空車的任務，爐前爐后數十臺輸送機則已經開始運轉，這些都發(fā)生在短短的幾秒鐘之內。

大多數現(xiàn)場員工雖然天天看見AGV來回穿梭，但是并沒有意識到，以上系統(tǒng)里就已經包含了最初級的人工智能——由于系統(tǒng)能夠在非常短的時間里快速而有條不紊地自動判斷和選擇多個AGV和多臺設備去執(zhí)行任務，因此才能夠對現(xiàn)場隨機發(fā)生的各項任務進行妥善處理——雖然很多時候從執(zhí)行的細節(jié)以及局部來看，還不夠完美。

實際上，上面這個例子的本質是交通管理——擴大一個層面來看，目前國內的城市堵車現(xiàn)象越來越嚴重，原因就是盡管開車的個體都屬于地球上迄今為止最聰明的物種，但是從整個城市所有車輛的活動來看，會發(fā)現(xiàn)其中充滿了大量的隨機的無序而雜亂的運動，也就是說這是一個缺乏有效調度的低效率系統(tǒng)。換句話說，從整體上來看，人類的社會化活動是缺乏智能的。其中的根本原因在于人類的個體之間缺乏快速有效的信息溝通，而且人腦也無法同時處理大量信息。

網絡化的人工智能系統(tǒng)則完全可以輕易克服人類的這個重大缺陷，人工智能在其最初級的階段，在這類問題上就已經顯露出了它遠遠勝過人類的潛力。這說明，借助于包含了人工智能的自動化系統(tǒng)，我們將能夠輕松地處理各種復雜的任務，即使是像泰山玻纖物流系統(tǒng)這樣的只包含了最初級的人工智能的系統(tǒng)，也能夠在犧牲局部最優(yōu)的情況下，大大提升整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和運行效率。因此，發(fā)展智能制造，從目前來講，不僅可以減少企業(yè)對人工的需求量，同時還能夠提升生產效率和生產的穩(wěn)定性，下一步還非常有可能全面改善制造的過程。

舉個例子，在玻纖生產中，窯爐熱點溫度的控制與燃燒氣氛、窯壓、液位、投料之間是相互關聯(lián)的，在控制上來說，由于變量多、影響因素多，被控制對象也多，目前仍未能實現(xiàn)理想的全面自動控制。國內外目前的一種解決方案，是發(fā)展窯爐專家控制系統(tǒng)。專家系統(tǒng)本質上是一種模仿式的智能系統(tǒng)，類似于多次擊敗了國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫的IBM深藍系統(tǒng)，依靠大量的實例庫和強大的計算能力來解決問題。

筆者認為，在智能制造的高級階段，將不僅僅是模仿人類的解決方案，我們可以預期到，智能系統(tǒng)由于可以長時間的、同時關注所有這些我們看得見的以及看不見的變化，加上智能系統(tǒng)還有能力自學習，進行復雜的運算，最終智能系統(tǒng)完全有可能發(fā)展出它獨有的復雜的控制策略，從而實現(xiàn)對窯爐工藝的分析、改進和全面改善。

毫無疑問，率先實現(xiàn)這一目標的工廠將會擁有壓倒性的競爭優(yōu)勢。

由此，我們可以理解，不僅德國提出了工業(yè)4.0的概念，世界發(fā)達國家也紛紛提出了各種相似的概念，中國政府也跟隨這一趨勢，提出了要大力發(fā)展信息化、自動化兩化融合，本質上都是要大力發(fā)展智能制造，希望在未來的競爭中獲得壓倒性優(yōu)勢。

3邁向智慧工廠

智慧工廠是以智能制造為基礎的，但在層次上又比智能更高。智慧，某種程度上是指能夠分析和處理以前沒有遇到過的新情況。智慧工廠，就是指無需人工干預或者只需要少量的人工干預，就能自行分析和處理制造過程中出現(xiàn)的各種新情況的工廠。

打造智慧工廠，首先要充分發(fā)展智能制造，而實現(xiàn)智能制造的唯一的途徑是自動化+信息化+人工智能。

具體到工廠的設計階段，首先各種設備必須是自動化設備；其次，所有設備必須連接到一個網絡上，實現(xiàn)信息的無障礙快速共享，這是信息化的任務；第三，在這個網絡上，運行著嵌入了人工智能的軟件。

當前來看，我們往往只在工廠的局部區(qū)域做到了以上三點，還有大量的生產環(huán)節(jié)不在這個范圍內。因此目前僅僅是智能制造的原始階段。隨著技術的進步，以后的工廠會有越來越多的區(qū)域達到以上3個要求，當整個工廠都被覆蓋時，就具備了邁向智能制造，實現(xiàn)智慧工廠的基礎條件。唯一需要等待的，就是人工智能的突破。

4結語

人類的文明自有記錄以來，一直呈現(xiàn)出加速度上升的趨勢，尤其是工業(yè)文明以來，人類在科技和社會生活方面的變化更是呈幾何級數上升?，F(xiàn)在人類每天取得的進步，在過去可能需要用幾年、幾十年、幾百年甚至古人類時期的上千年才能取得。與此同時，人類面臨的壓力也是越來越大，盡管這種壓力更多的時候來源于我們人類自身。

據國外預測，未來的幾十年內，人工智能將會獲得重大突破，由此，真正的徹底的智能制造、智慧工廠將登上人類的舞臺，人類的社會乃至人類自身都將面臨有史以來最大的最徹底的翻天覆地的變化——當一座座工廠乃至整個社會都已經智慧化了的時候，大量的工作崗位就消失了，物質的生產可能卻更加高效、更加豐富了，此時的人類社會將何去何從呢？人類面臨的是前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)還是史無前例的壓力解放？

無論如何，我們除了繼續(xù)往前走，別無選擇。對于玻纖行業(yè)來說，窯爐拉絲等作業(yè)過程的調整以及最終玻纖與樹脂等的復合過程，長期以來都只有有限的數據和規(guī)則，對經驗的依賴十分嚴重。生產作業(yè)狀態(tài)的調整，最終產品的性能變化的調整，往往都沒有明確的肯定見效的思路，而隨著智能制造技術的飛速發(fā)展，這些問題都有望得到解決，而率先獲得了這種能力的玻纖企業(yè)，完全有可能獲得壓倒性的競爭優(yōu)勢。

參考文獻

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[3]宋慧欣.中國制造2025，中國版“工業(yè)4.0”?[J].自動化博覽[J].2015，12(6)：31-35.

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[9]Wood I K.Neuroscience：Exploring the brain[J].Journal of Child and Family Studies，1996，5(3)：377-379.

Discussion on Advance toward Intelligent Manufacturing

Shen Yanming

(Taishan Fiberglass Inc.，Taian 271000)

Abstract:In this article，the author explains the concepts of intelligent manufacturing and smart factory，elaborates the reasons for developing intelligent manufacturing and explores the ways of realizing intelligent manufacturing and building up smart factories.The study shows the importance of intelligent manufacturing in glass fiber industry and expects the complete intelligent controls of furnace hot spot temperature，combustion atmosphere，furnace pressure，metal level，batch charging，etc.in futural glass fiber production.

Key words:intelligent manufacturing；smart factory；automation；informationization；artificial intelligence

中圖分類號：TQ171.77+6

文獻標識碼：A

收稿日期：2015-05-21

作者簡介：沈彥明，男，1971年生，總工程師。主要從事自動化以及智能制造方向的研究。

修回日期：2016-03-01