智能制造及其關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

于梅

（一汽發(fā)展制造部工藝技術(shù)處，長(zhǎng)春，130011）

1 前言

21世紀(jì)以來，全球出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等為代表的新一輪技術(shù)創(chuàng)新浪潮。在此背景下，德國(guó)提出“工業(yè)4.0”，中國(guó)推出“中國(guó)制造2025”，美國(guó)推進(jìn)振興高端制造，日本發(fā)展協(xié)同機(jī)器人等，這些國(guó)家都將智能制造視為振興實(shí)體經(jīng)濟(jì)和新興產(chǎn)業(yè)的支柱和核心，以及提升競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展能力的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

2 智能制造概述

2.1 發(fā)達(dá)國(guó)家智能制造發(fā)展與應(yīng)用狀況

美國(guó)、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在智能制造技術(shù)應(yīng)用研究方面長(zhǎng)期處于世界領(lǐng)先地位?；ヂ?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等智能技術(shù)的基礎(chǔ)多數(shù)起源于美國(guó)。歐洲作為工業(yè)革命的發(fā)源地一直在引領(lǐng)工業(yè)革命，特別是德國(guó)發(fā)布了“工業(yè)4.0”，象征著第四次工業(yè)革命的大幕已經(jīng)開啟。而日本在追逐先進(jìn)制造業(yè)方面取得了很大進(jìn)展，如精益生產(chǎn)模式等經(jīng)營(yíng)管理模式成為國(guó)際先進(jìn)制造技術(shù)的標(biāo)桿。

產(chǎn)品研發(fā)是企業(yè)發(fā)展的龍頭，這方面美國(guó)一直是走在世界前列，產(chǎn)、學(xué)、研在基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能基礎(chǔ)上，前瞻技術(shù)研究布局日臻完善，如先進(jìn)的傳感器、無人機(jī)技術(shù)以及小型智能裝置等都是美國(guó)高等院校與科研機(jī)構(gòu)的成就，麻省理工學(xué)院、阿貢、橡樹嶺、洛斯·阿拉莫斯等國(guó)家試驗(yàn)室是美國(guó)前瞻技術(shù)的孵化器。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，還有艾默生、霍尼韋爾這樣的工業(yè)巨頭。美國(guó)的數(shù)控機(jī)床、集成電路、PLC、數(shù)控機(jī)床方面擁有MAG、哈挺、哈斯、格里森等一批知名企業(yè)，American Robot等知名企業(yè)是美國(guó)工業(yè)機(jī)器人代表。而IBM、思科、通用電氣和AT＆T等計(jì)算機(jī)和軟件公司也成功轉(zhuǎn)型，成為用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來改造制造業(yè)的典型代表。在汽車行業(yè)，Tesla電動(dòng)汽車及谷歌自動(dòng)駕駛汽車正在顛覆傳統(tǒng)汽車制造業(yè)，像手機(jī)計(jì)算機(jī)一樣，正在成為互聯(lián)網(wǎng)中的移動(dòng)終端。美國(guó)用信息化帶動(dòng)制造業(yè)的發(fā)展，加快調(diào)整產(chǎn)品業(yè)務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略，不斷加強(qiáng)跨行業(yè)的合作，在發(fā)揮各行業(yè)自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)推進(jìn)制造業(yè)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面發(fā)展[1]。

以德國(guó)為代表的歐洲正在開啟第四次工業(yè)革命的大幕，其工業(yè)一直朝著高精尖的先進(jìn)制造業(yè)方向發(fā)展。歐洲國(guó)家在智能制造領(lǐng)域較早進(jìn)行了戰(zhàn)略布局，其智能制造各環(huán)節(jié)均處于全球領(lǐng)先地位。西門子公司是第四次工業(yè)革命最典型的代言人，其在全價(jià)值鏈數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)的建設(shè)代表了歐洲制造也成功從自動(dòng)化轉(zhuǎn)向數(shù)字化、智能化發(fā)展，其協(xié)同平臺(tái)為Team?center，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、批量生產(chǎn)和服務(wù)，上述價(jià)值鏈集成了云和開放式IOT操作系統(tǒng)，產(chǎn)品誕生和交付周期和成本獲得了大幅度減低。同樣歐洲的ABB、KUKA等在精密機(jī)床與控制等技術(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，這些公司的機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)及零部件在性能、質(zhì)量上均居世界前列。2014年6月，歐洲機(jī)器人協(xié)會(huì)與歐委會(huì)聯(lián)合180家企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)啟了“星火”計(jì)劃，重點(diǎn)研發(fā)制造、交通、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和護(hù)理等領(lǐng)域的機(jī)器人。歐洲已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化規(guī)模生產(chǎn)，法國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)都擁有技術(shù)較強(qiáng)的3D打印企業(yè)，3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用已經(jīng)在歐洲獲得了普遍重視和發(fā)展。工業(yè)軟件方面，歐洲核心工業(yè)軟件、硬件在全球都處于領(lǐng)導(dǎo)地位，包括產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、可編程控制器（PLC）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源管理（ERP）等。一批歐洲企業(yè)集團(tuán)在機(jī)械電子、醫(yī)療電子、機(jī)床電子等領(lǐng)域引領(lǐng)著全球相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，汽車電子集團(tuán)BOSCH是歐洲乃至全球汽車電子技術(shù)的典型巨人企業(yè)，BOSCH在汽車技術(shù)領(lǐng)域是世界一流的汽車智能駕駛系統(tǒng)供應(yīng)商。

日本豐田汽車集團(tuán)創(chuàng)建了精益生產(chǎn)模式和以人為本的經(jīng)營(yíng)管理模式，是日本先進(jìn)制造業(yè)的典型代表，也為全球汽車制造業(yè)樹立了標(biāo)桿。日本今已在發(fā)展第三、第四代工業(yè)機(jī)器人取得了卓越的成就。豐田公司大量采用自動(dòng)化技術(shù)，如機(jī)器人搬運(yùn)、無人自動(dòng)化工廠等先進(jìn)技術(shù)，縮短了產(chǎn)品誕生時(shí)間達(dá)40%，改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適應(yīng)焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線，由18道工序減少為9道，建成了世界最短的高端車型生產(chǎn)線[4]。

2.2 智能制造的使命及特征

智能制造始于20世紀(jì)80年代人工智能在制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，發(fā)展于20世紀(jì)90年代智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)的提出，成熟于21世紀(jì)基于信息技術(shù)的“Intelligent Manufacturing（智能制造）”的發(fā)展。它將智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和制造技術(shù)等應(yīng)用于產(chǎn)品管理和服務(wù)的全過程中，并能在產(chǎn)品的制造過程中分析、推理、感知等，滿足產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)需求。它也改變了制造業(yè)中的生產(chǎn)方式、人機(jī)關(guān)系和商業(yè)模式，因此，智能制造不是簡(jiǎn)單的技術(shù)突破，也不是簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造、而是信息技術(shù)和制造業(yè)的深度融合、創(chuàng)新集成。

2.2.1 美國(guó)智能制造概念、使命和特征

①美國(guó)智能制造概念與目標(biāo)

2011年6月，美國(guó)智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟（Smart Manufacturing Leadership Coalition,SMLC）發(fā)表了《實(shí)施21世紀(jì)智能制造》報(bào)告，提出了美國(guó)智能制造企業(yè)的框架如圖1所示。美國(guó)智能制造的概念是建設(shè)現(xiàn)代化、智能化工廠，即通過信息技術(shù)，如數(shù)據(jù)、聲音和移動(dòng)設(shè)備等，與供應(yīng)商、經(jīng)銷商、顧客和業(yè)務(wù)系統(tǒng)互相聯(lián)系在一起，以此創(chuàng)建一個(gè)高度優(yōu)化和有競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)。在這樣的框架下，供應(yīng)商高度參與企業(yè)的業(yè)務(wù)活動(dòng)，提高企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率，企業(yè)最小化庫(kù)存運(yùn)營(yíng)敏捷化，從而使企業(yè)供應(yīng)鏈需求驅(qū)動(dòng)。這樣，企業(yè)管理與供應(yīng)商和車間緊密聯(lián)系，企業(yè)運(yùn)作效率得到極大提升。智能工廠同時(shí)與智能電網(wǎng)緊密協(xié)同，降低企業(yè)能耗。智能工廠與配送中心協(xié)同，實(shí)時(shí)信息交互，使產(chǎn)品物流更優(yōu)化，產(chǎn)品與用戶交互加強(qiáng)，為用戶量身定做，在產(chǎn)品生命周期內(nèi)全程跟蹤，實(shí)現(xiàn)回收、再設(shè)計(jì)或再制造的良性循環(huán)。美國(guó)智能制造企業(yè)框架的基礎(chǔ)核心技術(shù)是信息與物理融合，即網(wǎng)絡(luò)化傳感器、多尺度動(dòng)態(tài)建模與仿真、以數(shù)據(jù)互操作性及可擴(kuò)展的多層次網(wǎng)絡(luò)安全。

圖1 美國(guó)制造企業(yè)框架[4]

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)”（簡(jiǎn)稱Digital Manufacturing）。2014年12月，美國(guó)政府建立了“智能制造創(chuàng)新研究院”，這是國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中的第8個(gè)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，該研究院由能源部牽頭組織建設(shè)，能源部智能制造的概念是：智能制造是先進(jìn)傳感、儀器、監(jiān)測(cè)、控制和過程優(yōu)化的技術(shù)和實(shí)踐的組合，它們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起，實(shí)現(xiàn)工廠和企業(yè)中能源、勞動(dòng)生產(chǎn)率、成本的實(shí)時(shí)管理。美國(guó)智能制造設(shè)立了4個(gè)目標(biāo)：產(chǎn)品的智能化、生產(chǎn)的自動(dòng)化、信息流和物資流合一、價(jià)值鏈同步。

②美國(guó)智能制造的使命

從美國(guó)智能制造的概念和需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)來看，實(shí)現(xiàn)智能制造的使命就是研發(fā)傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、生產(chǎn)管理等與產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)，這些技術(shù)均是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。

數(shù)字制造部門對(duì)智能制造發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)是通過基于計(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，智能制造部門對(duì)智能制造發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)是集成所有制造過程中的清潔能源和高能效應(yīng)用、能量?jī)?yōu)化的控制與決策支持、原料和運(yùn)行資源等?！爸悄苤圃臁碧貏e關(guān)注以一種環(huán)保和優(yōu)化生產(chǎn)率的方式，降低選定制造工藝的能耗?？偰繕?biāo)是減少生命周期能源使用，增加能源生產(chǎn)率，提升地區(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。

③美國(guó)智能制造的特征

通過美國(guó)智能制造的概念、目標(biāo)和使命的論述，可以總結(jié)其智能制造的五大革命特征，即新能源革命、新材料革命、新農(nóng)業(yè)革命、新信息技術(shù)革命、制造業(yè)數(shù)字化革命，值得借鑒的革命性特征如下：

1）新材料革命[4]：制造業(yè)廣泛采用新型復(fù)合材料和納米材料。這些新材料的強(qiáng)度、質(zhì)量、性能均優(yōu)于傳統(tǒng)材料，而且適用性強(qiáng)，成本低。

2）新信息技術(shù)革命[4]：主要是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售等借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)全面數(shù)字化、智能化，互聯(lián)成為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、貿(mào)易、信息以及各種新技術(shù)交流的關(guān)鍵性平臺(tái)與渠道，同時(shí)也構(gòu)成經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的新基礎(chǔ)，從而深刻改變?nèi)祟惿a(chǎn)、生活方式。

3）制造業(yè)“數(shù)字化”革命[4]：主要是生產(chǎn)、制造快速成型等，尤其是以3D打印機(jī)為代表的新型生產(chǎn)設(shè)備，可使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到銷售的全過程一體化，簡(jiǎn)化流程、降低成本，并大大縮短生產(chǎn)周期和運(yùn)送距離，使產(chǎn)品由大工業(yè)時(shí)代的“大規(guī)模生產(chǎn)”轉(zhuǎn)向“大規(guī)模定制”，以適應(yīng)消費(fèi)者“個(gè)性化”需求，并能在世界各地“就地設(shè)計(jì)、就地生產(chǎn)、就地銷售”，這可能導(dǎo)致第一次工業(yè)革命以來、歷時(shí)兩個(gè)多世紀(jì)的“大規(guī)模工廠制”逐步被淘汰。

2.2.2 德國(guó)智能制造概念、使命和特征

①德國(guó)智能制造概念與目標(biāo)

德國(guó)在2013年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，其基本概念是將使得生產(chǎn)資源形成一個(gè)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，使得生產(chǎn)資源具有自主性、可自我調(diào)節(jié)以應(yīng)對(duì)不同的形勢(shì)、可自我配置等。德國(guó)工業(yè)4.0是智能制造的最完整的理解和概念。2015年4月，德國(guó)發(fā)布的《工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施》報(bào)告則對(duì)工業(yè)4.0推出了正式的概念：“工業(yè)4.0”概念是第四次工業(yè)革命，它在產(chǎn)品生命周期內(nèi)對(duì)整個(gè)價(jià)值創(chuàng)造鏈的組織和控制邁上新臺(tái)階，即從創(chuàng)意、訂單，到研發(fā)、生產(chǎn)、終端客戶產(chǎn)品交付，再到循環(huán)利用，包括與之緊密聯(lián)系的各服務(wù)行業(yè)，在各個(gè)階段都能更好地滿足日益?zhèn)€性化的客戶需求。

德國(guó)“工業(yè)4.0”的總體目標(biāo)是所有價(jià)值鏈上的實(shí)體形成網(wǎng)絡(luò)，獲得隨時(shí)從數(shù)據(jù)中創(chuàng)造最大價(jià)值流的能力，從而實(shí)現(xiàn)所有信息的實(shí)時(shí)共享。在此基礎(chǔ)上，人、物和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)連接，從而實(shí)現(xiàn)建立企業(yè)價(jià)值的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)優(yōu)化和自組織這些動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，最終是對(duì)效率、成本和能耗進(jìn)行不斷優(yōu)化，這是實(shí)現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展不斷追求的目標(biāo)。

德國(guó)“工業(yè)4.0”的目標(biāo)就是要建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將逐步消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組，創(chuàng)造新價(jià)值的過程正在發(fā)生變革。

②德國(guó)智能制造使命

代表智能制造的德國(guó)“工業(yè)4.0”的使命之一就是要實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化、人性化、綠色化和智能化發(fā)展，產(chǎn)品要滿足客戶個(gè)性化訂制的需求，使單件小批量與大批量生產(chǎn)獲得同樣的效率和成本，構(gòu)建可以生產(chǎn)高精密、高質(zhì)量、個(gè)性化智能產(chǎn)品的智能工廠是德國(guó)智能制造的使命。“工業(yè)4.0”的另一使命就是分散網(wǎng)絡(luò)化和信息物理的深度融合，由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變。

③德國(guó)智能制造的特征

通過分析研究德國(guó)“工業(yè)4.0”，總體理解為德國(guó)制造業(yè)正在向智能化轉(zhuǎn)型，其三大主題的特征是[4]：

（1）智能物流：主要通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)，整合物流資源，充分挖掘現(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，得到高效物流支持。

（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)產(chǎn)品研究、開發(fā)和生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。

（3）智能工廠：重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 中國(guó)智能制造概念、使命和特征

①中國(guó)智能制造概念

在2015年工業(yè)和信息化部公布的“2015年智能制造試點(diǎn)示范專項(xiàng)行動(dòng)”中，提出中國(guó)智能制造，其概念為基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱[6]。

②中國(guó)智能制造使命

中國(guó)智能制造的使命就是以完善制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系為基礎(chǔ)，以推行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為手段，以提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力為基本，以提升產(chǎn)品質(zhì)量為生存原則，培養(yǎng)具有全球竟?fàn)幜Φ钠髽I(yè)群體和優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展現(xiàn)代制造業(yè)。

③中國(guó)智能制造的特征

與發(fā)達(dá)國(guó)家比，我國(guó)的制造業(yè)水平低，其特征具體表現(xiàn)在基礎(chǔ)能力弱、數(shù)字化智能化水平低、產(chǎn)業(yè)資源利用率低、優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)和高端裝備創(chuàng)新力不足，人力資源和高端人才缺口嚴(yán)重、沿海和內(nèi)地制造業(yè)發(fā)展不均衡等特點(diǎn)。

1）重視四基、提升基礎(chǔ)能力[4]：因?yàn)榛A(chǔ)零部件、基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)材料和基礎(chǔ)技術(shù)比較落后，中國(guó)制造業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家比落后。在中國(guó)制造智能化進(jìn)程中，提升四基能力是實(shí)現(xiàn)中國(guó)智能制造的基礎(chǔ)。

2）利用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，提升智能效率[4]：通過實(shí)施數(shù)字化和智能化，提升中國(guó)制造業(yè)水平，中國(guó)要成為工業(yè)強(qiáng)國(guó)，沒有捷徑，必須改變傳統(tǒng)模式，打造新型智能化工業(yè)體系。

當(dāng)然，我國(guó)在節(jié)約產(chǎn)業(yè)資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)、鼓勵(lì)高端裝備創(chuàng)新方面和人才建設(shè)方面也有很長(zhǎng)的路要走。

2.3 發(fā)達(dá)國(guó)家智能制造參考模型

由于網(wǎng)絡(luò)化在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用將產(chǎn)生大量的連接，從而使數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要，從美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和德國(guó)“工業(yè)4.0”平臺(tái)推出的參考架構(gòu)模型來看，數(shù)據(jù)服務(wù)是模型的一部分。

2.3.1 美國(guó)智能制造參考模型

美國(guó)GE公司Peter C.Evans提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)循環(huán)概念，見圖2?；诎踩W(wǎng)絡(luò)云的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)大數(shù)據(jù)的源泉，包括全價(jià)值鏈上活動(dòng)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，如工業(yè)機(jī)器、存儲(chǔ)和提取個(gè)性化的機(jī)器數(shù)據(jù)、工業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、基于機(jī)器的算法和數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、遠(yuǎn)程及集中式數(shù)據(jù)顯示、適當(dāng)人機(jī)數(shù)據(jù)分享和物聯(lián)與人聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。互聯(lián)網(wǎng)加人、機(jī)器、信息、控制系統(tǒng)形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的感知、交換、計(jì)算和分析處理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源高效實(shí)用、高效維護(hù)和高效運(yùn)營(yíng)。

圖2 美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)循環(huán)[7]

2.3.2 德國(guó)智能制造參考模型

2015年，德國(guó)正式公布了“工業(yè)4.0”參考架構(gòu)模型，即RAMI4.0，如圖3所示。

圖3 德國(guó)“工業(yè)4.0”參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）[3]

模型將“工業(yè)4.0”所涉及的關(guān)鍵要素用一個(gè)三維的層級(jí)模型來描述：

第一個(gè)維度是由產(chǎn)品、設(shè)備、控制、工作中心、企業(yè)構(gòu)成的企業(yè)縱向集成維度（Hierarchy Levels Axis），遵照企業(yè)控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62264/IEC 61512。

第二個(gè)維度是由產(chǎn)品生命周期與價(jià)值流維度（Life Circle＆ Value Stream Axis）,包括設(shè)計(jì)、維護(hù)、使用、生產(chǎn)、維護(hù)和使用與回收再利用等，指南原則按IEC 62890《工業(yè)過程測(cè)量控制和自動(dòng)化系統(tǒng)和產(chǎn)品生命周期管理》。

第三個(gè)維度則是信息和通信，把制造系統(tǒng)的活動(dòng)劃分為資產(chǎn)、集成、通訊、信息、功能和業(yè)務(wù)6個(gè)層次，形成活動(dòng)層維度（Layers Axis）。

各層所代表的功能為：

1）資產(chǎn)層和集成層：用數(shù)字化來管理現(xiàn)實(shí)的硬件、軟件、文件等；

2）通信層：按標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和文件的傳輸；

3）信息層：價(jià)值鏈產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)；

4）功能層：按規(guī)則定義必要的功能；

5）業(yè)務(wù)層：映射相關(guān)的業(yè)務(wù)程序。

2.3.3 中國(guó)智能制造參考模型

國(guó)務(wù)院于2015年3月發(fā)布了制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的行動(dòng)綱要《中國(guó)制造2025》，旨在中國(guó)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展，從“中國(guó)制造”轉(zhuǎn)型成為“中國(guó)智造”。2015年12月，工信部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同發(fā)布《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2015版）》。中國(guó)智能制造從系統(tǒng)層級(jí)、智能特征和產(chǎn)品生命周期三個(gè)維度構(gòu)建了智能制造標(biāo)準(zhǔn)化參考模型，見圖4所示。

3 國(guó)際智能制造的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況

3.1 國(guó)際智能裝備應(yīng)用情況

智能裝備主要包括智能傳感器、人機(jī)交互系統(tǒng)、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、增材制造、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床設(shè)備等。

圖4 中國(guó)智能制造標(biāo)準(zhǔn)化參考模型[1]

國(guó)外主流汽車制造企業(yè)大量采用傳感器、RFID、PLC、機(jī)器人等智能裝備，在汽車制造領(lǐng)域的智能裝備普及程度高于國(guó)內(nèi)。下面以工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)的應(yīng)用為例講述國(guó)外裝備情況。

工業(yè)機(jī)器人：根據(jù)機(jī)器人聯(lián)盟（IFR）2016年報(bào)告數(shù)據(jù)，日本機(jī)器人使用密度為1276臺(tái)/萬人，位居世界第一，美國(guó)以1218臺(tái)/萬人位居第二，德國(guó)以1147臺(tái)/萬人排名第三，而中國(guó)僅為392臺(tái)/萬人。在汽車制造領(lǐng)域，機(jī)器人主要應(yīng)用于焊接、噴涂、組裝、輸送等環(huán)節(jié)（見圖5）。目前，德國(guó)奔馳辛德芬根工廠擁有4500個(gè)工業(yè)機(jī)器人用于汽車制造[2]。

自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)：在RFID射頻技術(shù)方面，梅賽德斯-奔馳汽車公司，通過采用電子標(biāo)簽和RFID技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)及信息在焊裝、涂裝、總裝、測(cè)試及分銷過程的全追溯，保證讀取正確率為99.99%[2]。在中國(guó)，捷豹路虎、上海大眾、吉利沃爾沃等公司已開展此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

圖5 梅賽德斯-奔馳一張電子標(biāo)簽貫穿整個(gè)生產(chǎn)過程

3.2 國(guó)際智能工廠應(yīng)用情況

智能工廠包括智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能管理、智能物流、集成優(yōu)化等部分內(nèi)容。智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)和智能管理舉例：

智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能管理：國(guó)外智能工廠方面主要表現(xiàn)在PLM、MES、物流等系統(tǒng)建設(shè)和系統(tǒng)間的集成，使數(shù)字化技術(shù)貫穿于汽車制造整個(gè)過程。如通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)平臺(tái)和數(shù)字化工藝平臺(tái)建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車所有屬性與信息全過程可追溯；采用三維工藝規(guī)劃仿真、物流仿真等，大幅減少對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線的更改，有效、縮短工期、提高效率、降低成本。

3.3 國(guó)際智能使能技術(shù)的應(yīng)用情況

智能使能技術(shù)包括人工智能應(yīng)用、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)軟件、工業(yè)云、邊緣計(jì)算等部分。下面以工業(yè)云為例介紹國(guó)外情況。

工業(yè)云：工業(yè)云平臺(tái)的戰(zhàn)役打響，西門子、菲尼克斯、庫(kù)卡、GE、SAP等紛紛搭建提出自己的云平臺(tái)方案。

云平臺(tái)是基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需求提供給計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備。云計(jì)算提供了基于互聯(lián)網(wǎng)的新的IT服務(wù)增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。簡(jiǎn)單說，云是根據(jù)用戶需求將IT技術(shù)轉(zhuǎn)化為服務(wù)的一系列規(guī)則、技術(shù)及業(yè)務(wù)模式。

云計(jì)算最常見的內(nèi)容包括：

SaaS（Software as a Service）,即軟件即服務(wù)，作用是服務(wù)提供給客戶。

PaaS（Platform as a Service）,即平臺(tái)即服務(wù)，作用是將一個(gè)開發(fā)的平臺(tái)作為服務(wù)提供給客戶。

IaaS（Infrastructure as a Service），即基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，其作用是將虛擬機(jī)或者其他資源作為服務(wù)。

西門子、菲尼克斯、庫(kù)卡、GE、SAP在企業(yè)的應(yīng)用和分析中使用基于云計(jì)算的軟件，更多的與生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備數(shù)據(jù)在云平臺(tái)上被帶到云端，為生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的服務(wù)，工業(yè)云本身不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，他提供了數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理的平臺(tái)。借助這樣的平臺(tái)和下層有效的數(shù)據(jù)采集工具，可以幫助客戶在對(duì)行業(yè)深度理解的基礎(chǔ)上，做出更合適的判斷和決策。

云平臺(tái)通過分析機(jī)器背后的數(shù)據(jù)，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)和流程，實(shí)現(xiàn)提升效率、節(jié)約成本、增加收入。工業(yè)企業(yè)可將其作為數(shù)字化服務(wù)——譬如預(yù)防性維護(hù)、能源數(shù)據(jù)管理以及工廠資源優(yōu)化的基礎(chǔ)。機(jī)械設(shè)備制造商及工廠建造者可以通過該平臺(tái)監(jiān)測(cè)其設(shè)備機(jī)群，以便在全球范圍內(nèi)有效提供服務(wù)，縮短設(shè)備停工時(shí)間，并據(jù)此開創(chuàng)新的商業(yè)模式，提供給客戶[5]。

工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)：工業(yè)大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、建模、分析、挖掘、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、協(xié)同等操作，因此，大數(shù)據(jù)相關(guān)的收集、處理、分析和可視化等技術(shù)是智能制造的核心技術(shù)。國(guó)外大數(shù)據(jù)技術(shù)以用戶為核心的平臺(tái)式服務(wù)模式，將用戶與數(shù)據(jù)中心之間的連接變成了用戶與用戶的連接，形成了基于社區(qū)的、以用戶為核心的無服務(wù)生態(tài)體系，而用戶需求的核心也不再以使用為導(dǎo)向，而是以使用過程中的價(jià)值為導(dǎo)向。

3.4 國(guó)際工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方面的情況

TSN+OPC技術(shù)的應(yīng)用：各種傳感器和設(shè)備機(jī)臺(tái)都需要通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互相鏈接，才能實(shí)現(xiàn)智慧工廠的愿景，2018年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)隆重推出了TSN+OPC技術(shù)的應(yīng)用。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(AII)、Avnu聯(lián)盟、邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)、Fraunhofer FOKUS、華為、美國(guó)國(guó)家儀器（NI）、施耐德電氣、貝加萊（B&R）等超過20家國(guó)際組織和業(yè)界知名廠商組成的“工業(yè)互聯(lián)半壁江山”，在全球規(guī)模最大的工業(yè)展會(huì)—2018德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，聯(lián)合發(fā)布了包含六大工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景的TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，Time Sensitive Networking）+OPC UA智能制造測(cè)試床。

測(cè)試床通過模擬豐富的真實(shí)智能制造場(chǎng)景，現(xiàn)場(chǎng)演示驗(yàn)證智能制造的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)——TSN+OPC UA，該技術(shù)是預(yù)測(cè)性維護(hù)、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等新技術(shù)的關(guān)鍵推動(dòng)因素，可以幫助工業(yè)企業(yè)提升效率，例如減少停機(jī)時(shí)間、提高設(shè)備綜合效率和降低總體成本等。

本次發(fā)布的測(cè)試床基于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)，確保了在一個(gè)系統(tǒng)環(huán)境中，來自不同廠家的多種設(shè)備可以利用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)方便地進(jìn)行協(xié)作；TSN+OPC UA測(cè)試床實(shí)現(xiàn)了根據(jù)精確時(shí)間進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，把實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一傳輸，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)器、人、物聯(lián)接的“一網(wǎng)到底”，打通工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“最后一公里”。

融合IT與OT，推動(dòng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,驗(yàn)證了TSN網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜環(huán)境情況下的高確定性和低時(shí)延性，保障工業(yè)場(chǎng)景下的嚴(yán)格同步運(yùn)動(dòng)控制。

OT（運(yùn)營(yíng)技術(shù)）與IT（信息與通信技術(shù)）之間的融合令人興奮，將帶來有趣的創(chuàng)新體驗(yàn)。OPC UA和TSN的結(jié)合，讓工業(yè)領(lǐng)域得以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交換和互操作。聯(lián)合測(cè)試床中演示的場(chǎng)景展示了OT和IT各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使我們對(duì)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的未來充滿期待。

未來工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂袛?shù)以百億計(jì)的設(shè)備連接上網(wǎng)，傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)無法承受巨大的數(shù)據(jù)傳輸量，需要一種新的架構(gòu)來滿足高帶寬、高速率和海量連接等方面訴求。推進(jìn)TSN技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，真正實(shí)現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)下的“全網(wǎng)通”，推動(dòng)制造行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

TSN技術(shù)已經(jīng)吸引全球越來越多的自動(dòng)化廠商、IT的關(guān)注和支持，對(duì)TSN一向保持低調(diào)的西門子公司，在本次漢諾威展上也第一次對(duì)外宣布西門子將正式支持TSN。由此看來，隨著這些國(guó)際巨頭們的加入，TSN離實(shí)際工業(yè)應(yīng)用已不再遙遠(yuǎn)！

4 智能制造展望

未來，智能制造將實(shí)現(xiàn)主要以下愿景:

①自組織生產(chǎn)：制造資源如設(shè)備、工裝、人等組成自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，可自我組織生產(chǎn)。

②智能產(chǎn)品：智能產(chǎn)品知道自己整個(gè)制造過程中的細(xì)節(jié)，擁有最基本的全生命周期信息，并與相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)信息交互，提高生產(chǎn)效率和資源利用率。

③員工工作：從例行工作中解放出來，更專注于有創(chuàng)新性、更具有價(jià)值的工作中。

④大規(guī)模定制：產(chǎn)品依據(jù)個(gè)人需求定制，體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售和售后各階段。