智能制造與工業(yè)4.0、數(shù)字化制造的異同

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京，100081）

智能制造與工業(yè)4.0、數(shù)字化制造的異同

劉檢華

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京，100081）

1 智能制造

1.1 各國(guó)重視智能制造

智能制造源于人工智能的研究，人工智能是用人工方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的智能。智能制造概念的提出于20世紀(jì)80年代，日本1989年提出智能制造系統(tǒng)，且于1994年啟動(dòng)了先進(jìn)制造國(guó)際合作研究項(xiàng)目，包括了公司集成和全球制造、制造知識(shí)體系、分布智能系統(tǒng)控制、快速產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的分布智能系統(tǒng)技術(shù)等。加拿大制定的1994—1998年發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃，認(rèn)為未來(lái)知識(shí)密集型產(chǎn)業(yè)是驅(qū)動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)和加拿大經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此發(fā)展和應(yīng)用智能系統(tǒng)至關(guān)重要，并將具體研究項(xiàng)目選擇為智能計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面、機(jī)械傳感器、機(jī)器人控制、新裝置、動(dòng)態(tài)環(huán)境下系統(tǒng)集成。歐洲聯(lián)盟的信息技術(shù)相關(guān)研究有ESPRIT項(xiàng)目，該項(xiàng)目大力資助有市場(chǎng)潛力的信息技術(shù)，1994年其啟動(dòng)的新的R&D項(xiàng)目，選擇了39項(xiàng)核心技術(shù)，其中三項(xiàng)（信息技術(shù)、分子生物學(xué)和先進(jìn)制造技術(shù)）中均突出了智能制造的位置。我國(guó)80年代末也將“智能模擬”列入國(guó)家科技發(fā)展規(guī)劃的主要課題，已在專(zhuān)家系統(tǒng)、模式識(shí)別、機(jī)器人、漢語(yǔ)機(jī)器理解方面取得了一批成果。2015年，作為我國(guó)未來(lái)十年實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的行動(dòng)綱領(lǐng)和未來(lái)三十年實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的奠基性文件的《中國(guó)制造2025》明確提出：“智能制造是新一輪科技革命的核心，也是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的主攻方向”。智能制造在我國(guó)獲得了快速發(fā)展的新契機(jī)，已成為我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)新的發(fā)展方向。

1.2 智能制造的概念和典型特征

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是指一種由智能機(jī)器和人類(lèi)專(zhuān)家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過(guò)程中能進(jìn)行智能活動(dòng)，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。智能制造通過(guò)人和智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類(lèi)專(zhuān)家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)。智能制造不只是人工智能系統(tǒng)，而是人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，是混合智能。智能制造系統(tǒng)可獨(dú)立承擔(dān)分析、判斷、決策等任務(wù)，突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時(shí)機(jī)器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰，本質(zhì)是人機(jī)一體化。

智能制造的典型特征如下：（1）狀態(tài)感知，準(zhǔn)確泛在感知外部輸入的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；（2）實(shí)時(shí)分析，對(duì)獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析；（3）精準(zhǔn)執(zhí)行，對(duì)外部需求、企業(yè)運(yùn)行狀態(tài)、研發(fā)和生產(chǎn)等做出快速應(yīng)對(duì)和準(zhǔn)確執(zhí)行；（4）自主決策，按照設(shè)定的規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，自主做出判斷和選擇，并具有自學(xué)習(xí)的能力。

1.3 智能制造系統(tǒng)的六個(gè)層級(jí)

根據(jù)制造技術(shù)的一般發(fā)展規(guī)律，在智能制造系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，通常是在智能裝備層面上的單個(gè)技術(shù)點(diǎn)首先實(shí)現(xiàn)智能化突破，然后出現(xiàn)面向智能裝備的組線(xiàn)技術(shù)，并逐漸形成高度自動(dòng)化與柔性化的智能生產(chǎn)線(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)面向多條生產(chǎn)線(xiàn)的車(chē)間管控、智能調(diào)度、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)成熟之后，才可形成智能車(chē)間。由此可見(jiàn)，智能制造系統(tǒng)的發(fā)展是由低層級(jí)向高層級(jí)逐步演進(jìn)的，而在不同的發(fā)展階段，制造系統(tǒng)的智能化水平均表現(xiàn)出其獨(dú)有的特征。從智能制造系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)、實(shí)施范圍等方面進(jìn)行評(píng)定，智能制造系統(tǒng)的可以劃分為單元級(jí)、裝備級(jí)、生產(chǎn)線(xiàn)級(jí)、車(chē)間級(jí)、工廠(chǎng)級(jí)以及聯(lián)盟級(jí)六個(gè)層級(jí)。

智能制造單元是智能制造系統(tǒng)的最底層、最基礎(chǔ)的構(gòu)成部分，是由具有一定感知、分析、決策能力的基礎(chǔ)元器件構(gòu)成的基本邏輯結(jié)構(gòu)；智能制造裝備中包含了若干智能制造單元，并能實(shí)現(xiàn)相對(duì)完整的智能制造活動(dòng)，包括裝備本體，以及在裝備中運(yùn)行的軟件系統(tǒng)以及與之匹配的配套設(shè)施；智能生產(chǎn)線(xiàn)將若干智能制造單元從物理或邏輯上進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并通過(guò)生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)部的智能調(diào)度與管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各制造單元的協(xié)作；智能車(chē)間則是由若干條智能生產(chǎn)線(xiàn)以及車(chē)間層級(jí)的智能決策系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)/物流系統(tǒng)等構(gòu)成；若干智能車(chē)間形成了智能工廠(chǎng)的生產(chǎn)能力，此外智能工廠(chǎng)還包括經(jīng)營(yíng)決策系統(tǒng)、采購(gòu)系統(tǒng)、訂購(gòu)與交付系統(tǒng)等；智能聯(lián)盟以物聯(lián)網(wǎng)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)為依托，支持企業(yè)之間業(yè)務(wù)的協(xié)同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在全價(jià)值鏈中的端到端集成，聯(lián)盟的運(yùn)作具有靈活性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，這種全新的企業(yè)組織模式正在促進(jìn)制造領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)變革和商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變。

2 工業(yè)4.0

2.1 工業(yè)4.0的內(nèi)涵

工業(yè)4.0是德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部在2013年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上提出的。工業(yè)4.0的內(nèi)涵是利用賽博物理系統(tǒng)CPS，將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造和銷(xiāo)售等信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達(dá)到快速、有效、個(gè)性化的產(chǎn)品供應(yīng)。工業(yè)4.0出現(xiàn)后，在歐洲乃至全球工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域都引起了極大的關(guān)注和認(rèn)同，德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，工業(yè)4.0即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，它描繪了制造業(yè)的未來(lái)愿景，是繼前三次工業(yè)革命后，人類(lèi)迎來(lái)的以賽博物理系統(tǒng)(Cyber—Physical System，CPS)為基礎(chǔ)的，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命。

工業(yè)4.0有三大主題：（1）“智能工廠(chǎng)”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；（2）“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。該計(jì)劃將特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者和受益者，同時(shí)也成為先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者；（3）“智能物流”，主要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)等，整合物流資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有物流資源供應(yīng)方的效率，而需求方則能夠快速獲得服務(wù)匹配，得到物流支持。

2.2 智能制造和工業(yè)4.0的關(guān)系

智能制造和工業(yè)4.0異曲同工，工業(yè)4.0的本質(zhì)是通過(guò)充分利用賽博物理系統(tǒng)CPS，將制造業(yè)推向智能化的轉(zhuǎn)型。而智能制造是一種新的制造模式，從智能制造系統(tǒng)由低層級(jí)向高層級(jí)逐步演進(jìn)發(fā)展的角度來(lái)看，智能制造的內(nèi)涵包含了工業(yè)4.0的三大主題。

3 數(shù)字化制造

2014年2月，美國(guó)國(guó)防部牽頭成立了“數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”（Digital Manufacturing and Design Innovation Institute，DMDI）。2014年12月，美國(guó)能源部也宣布牽頭籌建“智能制造的清潔能源制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”（Clean Energy Manufacturing Innovation Institute on Smart Manufacturing，CEMI）。為什么美國(guó)連續(xù)成立數(shù)字制造和智能制造兩個(gè)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)機(jī)構(gòu)又是如何分工的，各自研究領(lǐng)域的主要區(qū)別在哪里？

3.1 數(shù)字化制造的定義

什么是數(shù)字化制造？先來(lái)說(shuō)一下數(shù)字化技術(shù)，它是指利用計(jì)算機(jī)軟（硬）件及網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)，對(duì)描述的對(duì)象進(jìn)行數(shù)字定義、建模、存貯、處理、傳遞、分析、優(yōu)化，從而達(dá)到精確描述和科學(xué)決策的過(guò)程和方法。數(shù)字化技術(shù)具有描述精確、可編程、傳遞迅速、便于存貯、轉(zhuǎn)換和集成等特點(diǎn)，因此數(shù)字化技術(shù)為各個(gè)領(lǐng)域的科技進(jìn)步和創(chuàng)新提供了嶄新的工具。

數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的結(jié)合即數(shù)字化制造技術(shù)。數(shù)字化制造技術(shù)內(nèi)涵十分廣泛，數(shù)字化制造中的“制造”是一個(gè)大制造的概念，即包括了從設(shè)計(jì)到工藝，再?gòu)募庸さ窖b配，直到產(chǎn)品報(bào)廢和回收全過(guò)程，因此通常人們所理解的數(shù)字化制造是一種廣義概念，是指將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造以及管理等產(chǎn)品全生命周期中，以達(dá)到提高制造效率和質(zhì)量、降低制造成本、實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng)的目的所涉及的一系列活動(dòng)總稱(chēng)。一般包括數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝、數(shù)字化加工、數(shù)字化裝配、數(shù)字化管理、數(shù)字化檢測(cè)和數(shù)字化試驗(yàn)等。因此，傳統(tǒng)的數(shù)字化制造技術(shù)主要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，并沒(méi)有特別強(qiáng)調(diào)人工智能技術(shù)的應(yīng)用。

3.2DMDI和CEMI的愿景

美國(guó)數(shù)字制造機(jī)構(gòu)DMDI和能制造機(jī)構(gòu)CEMI的愿景：（1）美國(guó)數(shù)字制造機(jī)構(gòu)DMDI：①目標(biāo)：在整個(gè)供應(yīng)鏈中利用增強(qiáng)的、可互操作的信息技術(shù)系統(tǒng)，全面改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程；②專(zhuān)注：將來(lái)自于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和產(chǎn)品使用中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合并加以運(yùn)用，減少制造周期和成本；將制造過(guò)程全數(shù)字化，加強(qiáng)產(chǎn)品全壽命周期的建模與先進(jìn)分析工具，提升產(chǎn)品性能、工藝效率和企業(yè)績(jī)效。各個(gè)工業(yè)部門(mén)實(shí)現(xiàn)全方位成本降低；③核心技術(shù)：通過(guò)基于計(jì)算機(jī)的集成系統(tǒng)（由仿真、三維可視化、分析學(xué)和各類(lèi)協(xié)同工具組成），將設(shè)計(jì)、制造、保障和報(bào)廢系統(tǒng)的要求進(jìn)行連接，完善成熟整條“數(shù)字線(xiàn)”。在實(shí)施設(shè)計(jì)時(shí)，綜合利用智能傳感器、控制器和軟件來(lái)提升保障性，同時(shí)考慮系統(tǒng)的安全性。對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，機(jī)構(gòu)主要研究使用現(xiàn)有傳感器來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品和工藝操作，并為未來(lái)傳感器的開(kāi)發(fā)提供需求輸入。（2）美國(guó)智能制造機(jī)構(gòu)CEMI：①目標(biāo)：從實(shí)時(shí)能量管理、能源生產(chǎn)率和過(guò)程能量效率的角度，降低制造成本。機(jī)構(gòu)將建立一個(gè)由互聯(lián)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝平臺(tái)，平臺(tái)將使用創(chuàng)新的建模與仿真手段和先進(jìn)的傳感與控制技術(shù)；②專(zhuān)注：在整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行中將效率信息實(shí)時(shí)集成，重點(diǎn)是將能量和材料使用降到最低；特別面向能量密集型的制造部門(mén)；③傳感器——能夠在高溫高壓環(huán)境中工作，控制系統(tǒng)——使用來(lái)自這些傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算模型——模擬傳感器和控制系統(tǒng)的運(yùn)行，開(kāi)放式平臺(tái)——驗(yàn)證這些技術(shù)的集成如何提升能效。技術(shù)目標(biāo)可包括：將一款用于過(guò)程監(jiān)測(cè)的耐用傳感器商業(yè)化，對(duì)選定的制造工藝，在5年內(nèi)驗(yàn)證25%的能量成本降低；并且計(jì)劃在10年內(nèi)達(dá)到至多50%的能量成本降低。機(jī)構(gòu)總目標(biāo)是減少壽命周期能源使用，增加能源生產(chǎn)率，提振地區(qū)經(jīng)濟(jì)、就業(yè)以及本土生產(chǎn)，保障美國(guó)制造的競(jìng)爭(zhēng)力。

從以上可以看出，美國(guó)DMDI和CEMI兩個(gè)機(jī)構(gòu)都不可避免地研究各類(lèi)智能制造技術(shù)，其中美國(guó)數(shù)字制造機(jī)構(gòu)DMDI的技術(shù)方向和研發(fā)內(nèi)容更加貼合離散制造業(yè)的智能制造需求，而美國(guó)智能制造機(jī)構(gòu)CEMI的技術(shù)方向和研發(fā)內(nèi)容更加貼合流程制造業(yè)的智能制造需求。

3.3 智能制造與數(shù)字化制造的區(qū)別

因此，可以認(rèn)為傳統(tǒng)的數(shù)字化制造技術(shù)與目前的智能化制造技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)不同，傳統(tǒng)的數(shù)字化制造技術(shù)側(cè)重于產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，而智能制造側(cè)重于人工智能技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)字化制造技術(shù)是是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，同時(shí)智能化是數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展方向之一，即采用智能方法，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)、智能工藝、智能加工、智能裝配、智能管理等，進(jìn)一步提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造管理全過(guò)程的效率和質(zhì)量。

劉檢華（1977 —），男，博士，北京理工大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造。