智能制造的主線：智能生產

來源：互聯(lián)網

近年來，全球各主要經濟體都在大力推進制造業(yè)的復興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網、云計算等熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開展了智能工廠建設實踐。

據中國工程院院長周濟介紹，智能生產是智能制造的主線，而智能工廠是智能生產的主要載體。隨著新一代人工智能的應用，今后20年，中國企業(yè)將要向自學習、自適應、自控制的新一代智能工廠進軍。新一代人工智能技術和先進制造技術的融合，將使得生產線、車間、工廠發(fā)生革命性大變革，提升到歷史性的新高度，將從根本上提高制造業(yè)質量、效率和企業(yè)競爭力。在今后相當一段時間里面，生產線、車間，工廠的智能升級將成為推進智能制造的一個主要戰(zhàn)場。

一 智能工廠的內涵及建設重點

智能工廠是實現智能制造的重要載體，主要通過構建智能化生產系統(tǒng)、網絡化分布生產設施，實現生產過程的智能化。智能工廠已經具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃；通過整體可視技術進行推理預測，利用仿真及多媒體技術，將實境擴增展示設計與制造過程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結構，具備協(xié)調、重組及擴充特性。已系統(tǒng)具備了自我學習、自行維護能力。因此，智能工廠實現了人與機器的相互協(xié)調合作，其本質是人機交互。

人機料法環(huán)是對全面質量管理理論中的五個影響產品質量的主要因素的簡稱。人，指制造產品的人員；機，制造產品所用的設備；料，指制造產品所使用的原材料；法，指制造產品所使用的方法；環(huán)，指產品制造過程中所處的環(huán)境。而智能生產就是以智能工廠為核心，將人、機、法、料、環(huán)連接起來，多維度融合的過程。

在智能工廠的體系架構中，質量管理的五要素也相應的發(fā)生變化，因為在未來智能工廠中，人類、機器和資源能夠互相通信。智能產品“知道”它們如何被制造出來的細節(jié)，也知道它們的用途。它們將主動地對制造流程，回答諸如“我什么時候被制造的”、“對我進行處理應該使用哪種參數”、“我應該被傳送到何處”等問題。企業(yè)基于CPS和工業(yè)互聯(lián)網構建的智能工廠原型，主要包括物理層、信息層、大數據層、工業(yè)云層、決策層。其中，物理層包含工廠內不同層級的硬件設備，從最小的嵌入設備和基礎元器件開始，到感知設備、制造設備、制造單元和生產線，相互間均實現互聯(lián)互通。以此為基礎，構建了一個“可測可控、可產可管”的縱向集成環(huán)境。信息層涵蓋企業(yè)經營業(yè)務各個環(huán)節(jié)，包含研發(fā)設計、生產制造、營銷服務、物流配送等各類經營管理活動，以及由此產生的眾創(chuàng)、個性化定制、電子商務、可視追蹤等相關業(yè)務。在此基礎上，形成了企業(yè)內部價值鏈的橫向集成環(huán)境，實現數據和信息的流通和交換。

縱向集成和橫向集成均以CPS和工業(yè)互聯(lián)網為基礎，產品、設備、制造單元、生產線、車間、工廠等制造系統(tǒng)的互聯(lián)互通，及其與企業(yè)不同環(huán)節(jié)業(yè)務的集成統(tǒng)一，則是通過數據應用和工業(yè)云服務實現，并在決策層基于產品、服務、設備管理支撐企業(yè)最高決策。這些共同構建了一個智能工廠完整的價值網絡體系，為用戶提供端到端的解決方案。

由于產品制造工藝過程的明顯差異，離散制造業(yè)和流程制造業(yè)在智能工廠建設的重點內容有所不同。對于離散制造業(yè)而言，產品往往由多個零部件經過一系列不連續(xù)的工序裝配而成，其過程包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離散型制造生產組織的難度和配套復雜性。企業(yè)常常按照主要的工藝流程安排生產設備的位置，以使物料的傳輸距離最小。面向訂單的離散型制造企業(yè)具有多品種、小批量的特點，其工藝路線和設備的使用較靈活，因此，離散制造型企業(yè)更加重視生產的柔性，其智能工廠建設的重點是智能制造生產線。

二 智能工廠主要建設模式

由于各個行業(yè)生產流程不同，加上各個行業(yè)智能化情況不同，智能工廠有以下幾個不同的建設模式。

第一種模式是從生產過程數字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內在動力在于產品品質可控，側重從生產數字化建設起步，基于品控需求從產品末端控制向全流程控制轉變。

第二種模式是從智能制造生產單元（裝備和產品）到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產品價值空間，側重從單臺設備自動化和產品智能化入手，基于生產效率和產品效能的提升實現價值增長。

第三種模式是從個性化定制到互聯(lián)工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品制造領域，企業(yè)發(fā)展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現規(guī)模經濟生產，側重通過互聯(lián)網平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新。

三 智能工廠發(fā)展重點環(huán)節(jié)

智能生產的側重點在于將人機互動、3D打印等先進技術應用于整個工業(yè)生產過程，并對整個生產流程進行監(jiān)控、數據采集，便于進行數據分析，從而形成高度靈活、個性化、網絡化的產業(yè)鏈。

3.1 3D打印

3D打印是一項顛覆性的創(chuàng)新技術，被美國自然科學基金會稱為20世紀最重要的制造技術創(chuàng)新。制造業(yè)的全流程都可以引入3D打印，起到節(jié)約成本、加快進度、減少材料浪費等效果。在設計環(huán)節(jié)，借助3D打印技術，設計師能夠獲得更大的自由度和創(chuàng)意空間，可以專注于產品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，而不必考慮形狀復雜度的影響，因為3D打印幾乎可以完成任何形狀的物品構建。在生產環(huán)節(jié)，3D打印可以直接從數字化模型生成零部件，不需要專門的模具制作等工序，既節(jié)約了成本，又能加快產品上市。此外，傳統(tǒng)制造工藝在鑄造、拋光和組裝部件的過程中通常會產生廢料，而相同部件使用3D打印則可以一次性成形，基本不會產生廢料。在分銷環(huán)節(jié)，3D打印可能會挑戰(zhàn)現有的物流分銷網絡。未來，零部件不再需要從原廠家采購和運輸，而是從制造商的在線數據庫中下載3D打印模型文件，然后在本地快速打印出來，由此可能導致遍布全球的零部件倉儲與配送體系失去存在的意義。

3D打印經過了近 40年的發(fā)展，龍頭公司開始實現顯著盈利，市場認可度快速上升，行業(yè)收入增長加速。根據典型的產品生命周期理論，技術產品從導入期進入成長期的過程中往往表現出加速增長的特征，判斷目前3D打印產業(yè)正在進入加速成長期。

整個3D打印行業(yè)產業(yè)鏈大概可分為三個部分，上游基礎配件行業(yè)，3D打印設備生產企業(yè)、3D打印材料生產企業(yè)和支持配套企業(yè)，下游主要是3D打印的各大應用領域。通常意義上的3D打印行業(yè)則主要是指3D打印設備、材料及服務企業(yè)。

3D打印已經形成了一條完整的產業(yè)鏈。產業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都聚集了一批領先企業(yè)。全球范圍來看，以Stratasys、3D Systems為代表的設備企業(yè)在產業(yè)鏈中占據了主導作用，且這些設備企業(yè)通常能夠提供材料和打印服務業(yè)務，如具有較強的話語權。

圖表 2008-2015年全球3D打印設備出貨量增長情況

圖表：3D打印行業(yè)產業(yè)鏈

圖表 2015年全球工業(yè)級／專業(yè)級3D打印設備出貨量TOP5企業(yè)

3.2 人機交互

未來各類交互方式都會進行深度融合，使智能設備會更加自然地與人類生物反應及處理過程同步，包括思維過程、動覺，甚至一個人的文化偏好等，這個領域充滿著各種各樣新奇的可能性。

人與機器的信息交換方式隨著技術融合步伐的加快向更高層次邁進，新型人機交互方式被逐漸應用于生產制造領域。具體表現在智能交互設備柔性化和智能交互設備工業(yè)領域應用這兩個方面。在生產過程中，智能制造系統(tǒng)可獨立承擔分析、判斷、決策等任務，突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在工業(yè)機器人、無軌agv等智能設備配合下，更好發(fā)揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質是人機一體化。

3.3 傳感器

中國已經基本形成較為完整的產業(yè)鏈結構，在材料、器件、系統(tǒng)、網絡等各方面水平不斷完善，自主產品已達6000種，國內建立了三大傳感器生產基地，分別為：安徽基地，陜西基地和黑龍江基地。政府對國內傳感器產業(yè)提出了加快力度加快發(fā)展的指導方針，未來的傳感器發(fā)展將向著智能化的方向改善。

3.4 工業(yè)軟件

智能工廠的建設離不開工業(yè)軟件的廣泛應用。工業(yè)軟件包括基礎和應用軟件兩大類，其中系統(tǒng)、中間件、嵌入式屬于基礎技術范圍，并不與特定工業(yè)管理流程和工藝流程緊密相關，以下提到的工業(yè)軟件主要指應用軟件，包括運營管理類、生產管理類和研發(fā)設計類軟件等。

在《中國制造2025》的大背景下，工業(yè)企業(yè)轉變發(fā)展模式、加快兩化融合成為大勢所趨，工業(yè)軟件以及信息化服務的需求仍將繼續(xù)增加，中國繼續(xù)保持著全球工業(yè)軟件市場增長生力軍的地位。

具體來看，2016年我國工業(yè)軟件行業(yè)中產品研發(fā)類如CAD、CAE、CAM、CAPP等占比約為8.3%，信息管理類如ERP、CRM、HRM等，占比約為15.5%；生產控制類如MES、PCS、PLC等占比約為13.2%；其余63%均為嵌入式軟件開發(fā)。

分區(qū)域來看，華北、華東是工業(yè)軟件應用最多的區(qū)域，合計占到全國一半左右，具體到省市來看，北京、上海、廣東、江蘇是工業(yè)軟件實力雄厚的區(qū)域，約占中國工業(yè)軟件市場規(guī)模的一半以上。

廣泛應用MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、APS（先進生產排程）、PLM（產品生命周期管理） 、ERP（企業(yè)資源計劃）、質量管理等工業(yè)軟件，實現生產現場的可視化和透明化。在新建工廠時，可以通過數字化工廠仿真軟件，進行設備和產線布局、工廠物流、人機工程等仿真，確保工廠結構合理。在推進數字化轉型的過程中，必須確保工廠的數據安全和設備和自動化系統(tǒng)安全。在通過專業(yè)檢測設備檢出次品時，不僅要能夠自動與合格品分流，而且能夠通過SPC（統(tǒng)計過程控制）等軟件，分析出現質量問題的原因。

3.5 云制造

云制造即制造企業(yè)將先進的信息技術、制造技術以及新興物聯(lián)網技術等交叉融合，工廠產能、工藝等數據都集中于云平臺，制造商可在云端進行大數據分析與客戶關系管理，發(fā)揮企業(yè)最佳效能。

圖片展示了云制造的概念，以及從傳統(tǒng)制造，到智能制造，到智慧制造，到今天的云制造的過程。

我們國內，可以看到有航天科工集團開發(fā)的面向航天復雜產品的集團企業(yè)云制造服務平臺，接入了集團下屬各院所和基地擁有豐富的制造資源和能力；中車集團面向軌道交通裝備的集團企業(yè)云制造服務平臺，打通了軌道車輛、工程機械、機電設備、電子設備及相關部件等產品的研發(fā)、設計、制造、修理和服務等業(yè)務；面向中小企業(yè)的云制造平臺，也陸續(xù)出現在了裝備制造、箱包鞋帽等行業(yè)領域。

云制造為制造業(yè)信息化提供了一種嶄新的理念與模式，云制造作為一種初生的概念，其未來具有巨大的發(fā)展空間。但云制造的未來發(fā)展仍面臨著眾多關鍵技術的挑戰(zhàn)，除了對于云計算、物聯(lián)網、語義Web、高性能計算、嵌入式系統(tǒng)等技術的綜合集成，基于知識的制造資源云端化、制造云管理引擎、云制造應用協(xié)同、云制造可視化與用戶界面等技術均是未來需要攻克的重要技術。

4 總結

建設智能工廠無疑是制造企業(yè)轉型升級的重要方式，同時應圍繞企業(yè)的中長期發(fā)展戰(zhàn)略，根據自身產品、工藝、設備和訂單的特點，合理規(guī)劃智能工廠的建設藍圖。在推進規(guī)范化、標準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問題入手，務實推進智能工廠的建設。