離散型制造智能工廠發(fā)展戰(zhàn)略

盧秉恒，邵新宇，張俊，王磊

（1. 西安交通大學(xué)，西安 710054；2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074）

一、前言

當(dāng)前，制造業(yè)成為全球經(jīng)濟競爭制高點，世界各國紛紛加快謀劃和布局，積極參與全球產(chǎn)業(yè)再分工。中國制造業(yè)總體而言大而不強，利潤率不高，面臨著工業(yè)發(fā)達國家“高端回流”和發(fā)展中國家“中低端分流”的雙重擠壓。以新一代人工智能技術(shù)（以大數(shù)據(jù)為驅(qū)動，使人工智能具備了學(xué)習(xí)的能力，具備了生成知識和更好地運用知識的能力）與先進制造業(yè)深度融合發(fā)展為主要特征的新一代智能制造正在全球范圍內(nèi)孕育興起，成為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，將給世界產(chǎn)業(yè)技術(shù)和分工格局的深刻調(diào)整帶來革命性影響[1]。抓住智能制造這個核心，推進中國制造業(yè)提質(zhì)增效、由大變強是中國制造業(yè)面臨的緊迫問題，也是我國打造經(jīng)濟發(fā)展新動能，促進經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的重要戰(zhàn)略考量。

發(fā)展智能制造是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑。習(xí)近平總書記在黨的“十九大”報告中指出：加快建設(shè)制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合，在中高端消費、創(chuàng)新引領(lǐng)、綠色低碳、共享經(jīng)濟、現(xiàn)代供應(yīng)鏈、人力資本服務(wù)等領(lǐng)域培育新增長點、形成新動能?！吨袊圃?025》明確提出：以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越[2]。

新一代智能制造是一個大系統(tǒng)，主要由智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)及智能服務(wù)三大功能系統(tǒng)以及工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云兩大支撐系統(tǒng)集合而成[1]。Mittal等人[3]收集和討論了智能制造系統(tǒng)的各種特征和技術(shù)。智能生產(chǎn)是新一代智能制造系統(tǒng)的主線。智能工廠是智能生產(chǎn)的主要載體。

智能工廠在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界得到了巨大的發(fā)展和深入探索[4～9]。智能工廠的基本特征是將柔性自動化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)等全面應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造、工廠運營等各個階段。發(fā)展智能工廠有助于滿足客戶的個性化需求、優(yōu)化生產(chǎn)過程、提升制造智能、促進工廠管理模式的改變。智能工廠根據(jù)行業(yè)的不同可分為離散型智能工廠和流程型智能工廠，追求的目標(biāo)都是生產(chǎn)過程的優(yōu)化，大幅度提升生產(chǎn)系統(tǒng)的性能、功能、質(zhì)量和效益。全球制造業(yè)正在向個性化、服務(wù)化、智能化、協(xié)同化、生態(tài)化和綠色化的方向發(fā)展，為實現(xiàn)提振制造業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)，歐美工業(yè)發(fā)達國家都在積極發(fā)展新一代網(wǎng)絡(luò)制造和智能工廠的技術(shù)體系，構(gòu)建創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，搶占技術(shù)升級換代的戰(zhàn)略制高點。

中國是世界制造工廠，擁有全球最大的制造業(yè)，對智能工廠需求最強烈。建設(shè)智能工廠是形成高度靈活、個性化、智能化的生產(chǎn)模式，推動我國制造業(yè)的生產(chǎn)方式從大規(guī)模生產(chǎn)向大規(guī)模定制轉(zhuǎn)型、從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型、從要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵途徑。本文重點研究離散型制造智能工廠發(fā)展戰(zhàn)略，有望促進我國在智能工廠方面走到世界的前列，推動中國從制造大國走向制造強國。

二、智能工廠的內(nèi)涵與基本架構(gòu)

（一）智能工廠的內(nèi)涵

智能制造是人工智能技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合，是面向產(chǎn)品全生命周期，以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以制造系統(tǒng)為載體，在其關(guān)鍵環(huán)節(jié)或過程，具有一定自主性的感知、學(xué)習(xí)、分析、預(yù)測、決策、通信與協(xié)調(diào)控制能力，能動態(tài)地適應(yīng)制造環(huán)境的變化，從而實現(xiàn)質(zhì)量、成本及交貨期等目標(biāo)優(yōu)化。

制造系統(tǒng)從微觀到宏觀有不同的層次，如制造裝備、制造單元、生產(chǎn)線、制造車間、制造工廠和制造生態(tài)系統(tǒng)等；其構(gòu)成包括產(chǎn)品、制造資源、各種過程活動以及運行與管理模式。

智能工廠是面向工廠層級的智能制造系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)對工廠內(nèi)部參與產(chǎn)品制造的設(shè)備、材料、環(huán)境等全要素的有機互聯(lián)與泛在感知，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬制造等數(shù)字化和智能化技術(shù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的深度感知、智慧決策、精準(zhǔn)控制等功能，達到對制造過程的高效、高質(zhì)量管控一體化運營的目的。智能工廠是信息物理深度融合的生產(chǎn)系統(tǒng)，通過信息與物理一體化的設(shè)計與實現(xiàn)，制造系統(tǒng)構(gòu)成可定義、可組合，制造流程可配置、可驗證，在個性化生產(chǎn)任務(wù)和場景驅(qū)動下，自主重構(gòu)生產(chǎn)過程，大幅降低生產(chǎn)系統(tǒng)的組織難度，提高制造效率及產(chǎn)品質(zhì)量。智能工廠作為實現(xiàn)柔性化、自主化、個性化定制生產(chǎn)任務(wù)的核心技術(shù)，將顯著提升企業(yè)制造水平和競爭力。

（二）智能工廠的基本架構(gòu)

智能工廠的基本架構(gòu)可通過圖1所示三個維度進行描述。

1. 功能維：產(chǎn)品從虛擬設(shè)計到物理實現(xiàn)

（1）智能設(shè)計

通過大數(shù)據(jù)智能分析手段精確獲取產(chǎn)品需求與設(shè)計定位，通過智能創(chuàng)成方法進行產(chǎn)品概念設(shè)計，通過智能仿真和優(yōu)化策略實現(xiàn)產(chǎn)品高性能設(shè)計，并通過并行協(xié)同策略實現(xiàn)設(shè)計制造信息的有效反饋。智能設(shè)計保證了設(shè)計出精良的產(chǎn)品，快速完成產(chǎn)品的開發(fā)上市。

（2）智能工藝

包括工廠虛擬仿真與優(yōu)化、基于規(guī)則的工藝創(chuàng)成、工藝仿真分析與優(yōu)化、基于信息物理系統(tǒng)（CPS）的工藝感知、預(yù)測與控制等。智能工藝保證了產(chǎn)品質(zhì)量一致性，降低了制造成本。

（3）智能生產(chǎn)

針對生產(chǎn)過程，通過智能技術(shù)手段，實現(xiàn)生產(chǎn)資源最優(yōu)化配置、生產(chǎn)任務(wù)和物流實時優(yōu)化調(diào)度、生產(chǎn)過程精細(xì)化管理和智慧科學(xué)管理決策。智能制造保證了設(shè)備的優(yōu)化利用，從而提升了對市場的響應(yīng)能力，攤薄了在每件產(chǎn)品上的設(shè)備折舊。智能生產(chǎn)保證了敏捷生產(chǎn)，做到“just in case”，保證了生產(chǎn)線的充分柔性，使企業(yè)能快速響應(yīng)市場的變化，以在競爭中取勝。

（4）智能物流

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)物料的主動識別和物流全程可視化跟蹤；通過智能倉儲物流設(shè)施，實現(xiàn)物料自動配送與配套防錯；通過智能協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)物流與計劃的精準(zhǔn)同步。另外，工具流等其他輔助流有時比物料流更為復(fù)雜，如金屬加工工廠中，一個物料就可能需要上百種刀具。智能物流保證生產(chǎn)制造的“just in time”，從而降低在制品的資金消耗。

圖1 智能工廠的基本架構(gòu)

2. 范式維：從數(shù)字工廠、數(shù)字互聯(lián)工廠到智能工廠的演變

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)是實現(xiàn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級的三項關(guān)鍵技術(shù)，對應(yīng)到制造工廠層面，體現(xiàn)為從數(shù)字工廠、數(shù)字互聯(lián)工廠到智能工廠的演變。數(shù)字化是實現(xiàn)自動化制造和互聯(lián)，實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)化是使原來的數(shù)字化孤島連為一體，并提供制造系統(tǒng)在工廠范圍內(nèi)，乃至全社會范圍內(nèi)實施智能化和全局優(yōu)化的支撐環(huán)境。智能化則充分利用這一環(huán)境，用人工智能取代了人對生產(chǎn)制造的干預(yù)，加快了響應(yīng)速度，提高了準(zhǔn)確性和科學(xué)性，使制造系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、安全地運行。

（1）數(shù)字工廠

數(shù)字工廠是工業(yè)化與信息化融合的應(yīng)用體現(xiàn)，它借助于信息化和數(shù)字化技術(shù)，通過集成、仿真、分析、控制等手段，為制造工廠的生產(chǎn)全過程提供全面管控的整體解決方案，它不限于虛擬工廠，更重要的是實際工廠的集成，如圖2所示，其內(nèi)涵包括產(chǎn)品工程、工廠設(shè)計與優(yōu)化、車間裝備建設(shè)及生產(chǎn)運作控制等。

（2）數(shù)字互聯(lián)工廠

數(shù)字互聯(lián)工廠是指將物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)全面應(yīng)用于工廠運作的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)工廠內(nèi)部人、機、料、法、環(huán)、測的泛在感知和萬物互聯(lián)，互聯(lián)的范圍甚至可以延伸到供應(yīng)鏈和客戶環(huán)節(jié)。通過工廠互聯(lián)化，一方面可以縮短時空距離，為制造過程中“人-人”“人-機”“機-機”之間的信息共享和協(xié)同工作奠定基礎(chǔ)，另一方面還可以獲得制造過程更為全面的狀態(tài)數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策支持與優(yōu)化成為可能。

（3）智能工廠

制造工廠層面的兩化深度融合，是數(shù)字工廠、互聯(lián)工廠和自動化工廠的延伸和發(fā)展，通過將人工智能技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、工藝、生產(chǎn)等過程，使得制造工廠在其關(guān)鍵環(huán)節(jié)或過程中能夠體現(xiàn)出一定的智能化特征，即自主性的感知、學(xué)習(xí)、分析、預(yù)測、決策、通信與協(xié)調(diào)控制能力，能動態(tài)地適應(yīng)制造環(huán)境的變化，從而實現(xiàn)提質(zhì)增效、節(jié)能降本的目標(biāo)。

3. 結(jié)構(gòu)維：從智能制造裝備、智能車間到智能工廠的進階

智能可在不同層次上得以體現(xiàn)，可以是單個制造設(shè)備層面的智能，生產(chǎn)線的智能，單元等車間層面的智能，也可以是工廠層面的智能。

（1）智能制造裝備

制造裝備作為最小的制造單元，能對自身和制造過程進行自感知，對與裝備、加工狀態(tài)、工件材料和環(huán)境有關(guān)的信息進行自分析，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計要求與實時動態(tài)信息進行自決策，依據(jù)決策指令進行自執(zhí)行，通過“感知→分析→決策→執(zhí)行與反饋”大閉環(huán)過程，不斷提升性能及其適應(yīng)能力，實現(xiàn)高效、高品質(zhì)及安全可靠的加工。

（2）智能車間（生產(chǎn)線）

如圖3所示，車間（生產(chǎn)線）由多臺（條）智能裝備（產(chǎn)線）構(gòu)成，除了基本的加工/裝配活動外，還涉及計劃調(diào)度、物流配送、質(zhì)量控制、生產(chǎn)跟蹤、設(shè)備維護等業(yè)務(wù)活動。智能生產(chǎn)管控能力體現(xiàn)為通過“優(yōu)化計劃-智能感知-動態(tài)調(diào)度-協(xié)調(diào)控制”閉環(huán)流程來提升生產(chǎn)運作適應(yīng)性，以及對異常變化的快速響應(yīng)能力。

圖2 數(shù)字工廠

圖3 制造車間（生產(chǎn)線）的主要活動

（3）智能工廠

制造工廠除了生產(chǎn)活動外，還包括產(chǎn)品設(shè)計與工藝、工廠運營等業(yè)務(wù)活動，如圖4所示。智能工廠是以打通企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全部流程為著眼點，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到銷售，從設(shè)備控制到企業(yè)資源管理所有環(huán)節(jié)的信息快速交換、傳遞、存儲、處理和無縫智能化集成。

（三）智能工廠的信息系統(tǒng)架構(gòu)

參照IEC/ISO 62264國際標(biāo)準(zhǔn)，智能工廠的信息系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，從下到上依次為制造設(shè)施層、信息采集與控制層、制造運營層、工廠運營層、決策分析層。決策分析層依靠互聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)決策生產(chǎn)模式、制造任務(wù)的廠內(nèi)外分配，制造設(shè)施層和信息采集與控制層之間通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)總線建立連接，其余各層之間則通過局域網(wǎng)連接。

（四）智能工廠的基本特征

智能工廠的特征如圖6所示，可以從三個角度來描述。

從建設(shè)目標(biāo)和愿景角度來看，智能工廠具備五大特征：敏捷、高生產(chǎn)率、高質(zhì)量產(chǎn)出、可持續(xù)、舒適人性化。

從技術(shù)角度來看，智能工廠具備五大特征：全面數(shù)字化、制造柔性化、工廠互聯(lián)化、高度人機協(xié)同和過程智能化（實現(xiàn)智能管控）。

從集成角度來看，智能工廠具備三大特征：產(chǎn)品生命周期端到端集成、工廠結(jié)構(gòu)縱向集成和供應(yīng)鏈橫向集成，這與“工業(yè)4.0”的三大集成理念是一致的。

三、智能工廠的重點突破方向和實施途徑方案

（一）重點突破方向與關(guān)鍵技術(shù)

1. 智能工廠的基礎(chǔ)建設(shè)——智能制造裝備與工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)

圍繞智能工廠的低層——制造裝備的智能化及多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取與轉(zhuǎn)換、大數(shù)據(jù)安全可靠傳遞與高效計算、制造業(yè)務(wù)驅(qū)動的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等關(guān)鍵問題，重點開展如下研究：①制造過程的信息采集與制造裝備的智能化；②智能工廠信息物理系統(tǒng)；③制造大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與信息安全；④智能工廠大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺；⑤制造云數(shù)據(jù)組織與實時運行。

圖4 制造工廠的一般性業(yè)務(wù)流程

2. 制造資源建模與優(yōu)化組織

針對動態(tài)多變的市場，需要優(yōu)化利用社會資源及企業(yè)內(nèi)部資源，需要對制造資源建模。具體包括：①工廠資源建模（開發(fā)能力、制造能力、管理）；②制造任務(wù)描述建模（質(zhì)量、成本、交貨期）；③制造資源的柔性設(shè)計與動態(tài)管理；④基于交貨期、制造資源、資金鏈建模。

3. 智能工廠使能技術(shù)

智能工廠的核心軟、硬件是智能制造的重要使能技術(shù)，具體包括：①適應(yīng)個性化需求的設(shè)計研發(fā)（包括增材制造技術(shù)）；②面向任務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建；③面向智能工廠應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實（VR /AR）系統(tǒng)；④制造裝備智能監(jiān)測與安全保障技術(shù)與系統(tǒng)；⑤制造工程智能控制及軟件，如切削工藝、刀具優(yōu)化控制；⑥生產(chǎn)線管控系統(tǒng)；⑦效益約束的制造任務(wù)智能決策軟件；⑧智能物流技術(shù)與裝備。

4. 技術(shù)驗證與示范區(qū)域規(guī)劃

提供示范驗證技術(shù)，推動發(fā)展與推廣應(yīng)用，具體包括：①各項使能技術(shù)的技術(shù)驗證；②新一代人工智能技術(shù)（大數(shù)據(jù)智能、人機混合智能、群體智能、跨媒體智能、自主智能等）在智能工廠中的應(yīng)用；③培育智能技術(shù)服務(wù)型產(chǎn)業(yè)；④區(qū)域示范：選擇以下有代表性的示范區(qū)：珠江三角洲、長江三角洲、京津冀魯、大西安（一帶一路及航空航天）地區(qū)；⑤領(lǐng)域示范：航空航天、數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備、電子信息、工程機械、軌道交通、家電等；⑥3D打印生產(chǎn)線示范，3D打印已經(jīng)呈現(xiàn)其顛覆性，將成為21世紀(jì)的重要生產(chǎn)模式。

圖5 制造工廠的信息系統(tǒng)架構(gòu)

（二）實施途徑方案

結(jié)合中國工廠的具體情況和特點，智能工廠需從以下三個方面考慮智能工廠的落地方案，同時應(yīng)突出發(fā)展的階段性及不同階段的具體內(nèi)容：

圖6 智能工廠的特征

（1）數(shù)字化轉(zhuǎn)型

實現(xiàn)基于產(chǎn)品生命周期管理端到端集成的產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化，并拓展工業(yè)數(shù)據(jù)感知獲取、初步數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)可視化；

（2）網(wǎng)絡(luò)化升級

實現(xiàn)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動的工廠規(guī)劃、管理、運營、執(zhí)行等的縱向集成，并以智能裝備打下智能工廠的基礎(chǔ)；

（3）智能化提升

以構(gòu)建和應(yīng)用產(chǎn)品、制造裝備、工藝過程、供應(yīng)鏈（物流過程）等不同方面、不同層級的數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，建立網(wǎng)絡(luò)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS），并應(yīng)用新一代人工智能，實現(xiàn)工廠間的橫向集成。

（4）智能化改造

面對已經(jīng)形成并有效運行的龐大數(shù)量的制造企業(yè)采用傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能軟件技術(shù)進行改造（制造裝備與生產(chǎn)線），使大部分企業(yè)實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型，以較小投資獲得巨大效益。

四、發(fā)展智能工廠的政策建議

建議政府部門積極支持和引導(dǎo)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展和智能工廠示范；在示范基礎(chǔ)上，大規(guī)模推行制造裝備的智能化改造工程及企業(yè)的智能化改造工程，支持形成具有區(qū)域優(yōu)勢的智能制造生態(tài)鏈。

鼓勵企業(yè)根據(jù)自己的實際情況，針對性地建設(shè)智能工廠，既要彌補“工業(yè)2.0”和“工業(yè)3.0”所缺失的內(nèi)容，又要關(guān)注和布局“工業(yè)4.0”中智能制造的前沿技術(shù)，做到二者的有機銜接，可以在智能制造功能維、結(jié)構(gòu)維與范式維的不同水平上發(fā)展，構(gòu)建技術(shù)競爭優(yōu)勢和提升企業(yè)經(jīng)濟效益是硬道理。

建立和落實協(xié)同創(chuàng)新機制。在科技計劃協(xié)同方面，國家科技計劃應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)研究為先，重視產(chǎn)業(yè)化共性技術(shù)，以創(chuàng)新思想、發(fā)明專利為評審依據(jù)；在產(chǎn)學(xué)研協(xié)同方面，企業(yè)應(yīng)成為投資研發(fā)、應(yīng)用成果、集成創(chuàng)新的主體；在金融與科技、產(chǎn)業(yè)協(xié)同方面，應(yīng)改善制造業(yè)的資金環(huán)境；在人才協(xié)同方面，應(yīng)建立科學(xué)的學(xué)科評估標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)創(chuàng)新與工程能力培養(yǎng)。

在智能工廠發(fā)展中，突出核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備、工業(yè)軟件的“中國制造”，警惕和防止未來中國智能制造成為發(fā)達國家高端裝備、工業(yè)軟件的傾銷地，出現(xiàn)高端裝備和核心技術(shù)“空心化”問題及“中國制造”為他人操控。