深度解析智能制造空間

以物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、工業(yè)無線、3D 打印、機器人等為代表的智能設(shè)備與技術(shù)，以及人工智能、云計算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的大量涌現(xiàn)，使得信息驅(qū)動下先進的制造技術(shù)成為釋放未來制造業(yè)競爭力的關(guān)鍵。

新科技和新經(jīng)濟呼喚誕生更先進的新一代制造模式，這也是全球制造業(yè)競爭的下一個戰(zhàn)略高地，信息技術(shù)將扮演著極其重要的角色。

信息技術(shù)進入制造業(yè)是源于制造業(yè)需求，同時也推動了制造業(yè)的發(fā)展。信息技術(shù)并不是簡單地被應(yīng)用，而是衍生出了物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)（服務(wù)）聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)無線、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)制造等一系列新概念和新技術(shù)，并促成了一系列智能化設(shè)備研制和應(yīng)用。泛在信息條件下，制造業(yè)在需求牽引和信息技術(shù)驅(qū)動下將快速形成先進制造領(lǐng)域的信息環(huán)境與相應(yīng)的模式，也就是智能制造空間。

智能制造空間的特征分析

隨著信息技術(shù)與制造技術(shù)的不斷深度融合，制造業(yè)將在制造系統(tǒng)、設(shè)計與制造手段、人機關(guān)系三個方面產(chǎn)生巨大變革，形成以“分散與集中相統(tǒng)一的制造系統(tǒng)、虛實結(jié)合的設(shè)計與制造手段、人機共融的生產(chǎn)方式”為 三大鮮明特征的智能制造空間，并以此推進在生產(chǎn)組織方式、資源聚集模式、產(chǎn)品設(shè)計手段、人機融合關(guān)系方面的新一代智能制造的發(fā)展。

（1）制造系統(tǒng)的構(gòu)成變革。歷史上，從手工制造到大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展實現(xiàn)了大眾化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，而目前大規(guī)模生產(chǎn)正在向市場和客戶驅(qū)動的個性化定制方向進行轉(zhuǎn)變，并且將基于更高生產(chǎn)效率、更高的技術(shù)層次實現(xiàn)用戶的個性化需求。

在滿足個性化需求的過程中，制造企業(yè)正在向設(shè)計和服務(wù)端延伸，服務(wù)的內(nèi)容已不僅僅是傳統(tǒng)的售后、維修服務(wù)，生產(chǎn)鏈中所包括的產(chǎn)品設(shè)計、加工制造等任何一部分都可以獨立出來，成為為其它企業(yè)服務(wù)的內(nèi)容。然而，分布式制造在管理上的難度是可想而知的。只有在網(wǎng)絡(luò)的支持下，才使得它在經(jīng)濟上、實現(xiàn)技術(shù)上和時間效率上能夠?qū)嶋H可行。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造技術(shù)和不斷涌現(xiàn)的其它信息技術(shù)，支持和驅(qū)動著生產(chǎn)方式的發(fā)展。

大規(guī)模個性化定制生產(chǎn)和服務(wù)型制造的發(fā)展趨勢，使得制造模式由目前的集中式向分布式方向發(fā)展。生產(chǎn)鏈條將由更專業(yè)的單元進行靈活組織，形成分布式制造模式，這種模式的本質(zhì)是企業(yè)為追求利益最大化，其技術(shù)實現(xiàn)有賴于信息技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。但是選擇集中式制造模式還是分布式制造模式，要依據(jù)效益原則，不是所有制造業(yè)都將走向大規(guī)模個性化定制生產(chǎn)和服務(wù)型制造。相反地，大批量標(biāo)準(zhǔn)化制造仍將是高效率的生產(chǎn)方式，而一部分制造企業(yè)將在云計算、大數(shù)據(jù)、3D 打印、機器人等新一代信息技術(shù)的驅(qū)動和支持下，獲得更強的分布式制造能力。因此，制造系統(tǒng)的變革將是一個循序漸進、逐步發(fā)展的過程，未來也必將形成集中式制造與分布式制造共存條件下的新一代制造系統(tǒng)，從而滿足標(biāo)準(zhǔn)化制造、個性化定制和服務(wù)型制造等多維度制造的需求。

（2）產(chǎn)品設(shè)計和制造手段發(fā)生變革。三維 CAD 技術(shù)，仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使得一些領(lǐng)域的設(shè)計工作發(fā)生了革命性的變革。通過三維 CAD 設(shè)計的產(chǎn)品，通過虛擬仿真，在虛擬環(huán)境下進行虛擬制造，完成驗證和修改，大大減少試制與反復(fù)，不僅加快了設(shè)計時間，而且節(jié)約了大量材料。虛擬制造將不僅僅是設(shè)計的手段，未來虛實結(jié)合的制造手段將覆蓋從產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展到工藝設(shè)計、過程設(shè)計，售后維護等全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

隨著人工智能、機器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，“數(shù)字孿生”技術(shù)，“平行系統(tǒng)”技術(shù)為代表的虛實結(jié)合技術(shù)，將會實現(xiàn)物理實體和虛擬對象的高度融合，形成基于數(shù)字模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術(shù)的現(xiàn)實企業(yè)鏡像。未來制造將是虛擬空間和物理空間相結(jié)合的制造，并將覆蓋全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使得整個制造過程進入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)世界。實體產(chǎn)品制造的全生命周期過程將在虛擬空間中產(chǎn)生映射，在虛擬空間中通過多物理量、多尺度、多概率的仿真過程完成對物理模型、傳感器和智能參數(shù)等的更新，最終實現(xiàn)虛擬空間的優(yōu)化結(jié)果在物理空間的及時反饋和智能優(yōu)化運行。隨著虛實并行能力的增強，虛擬制造空間所反映出的產(chǎn)品系統(tǒng)真實程度將不斷增強，不僅企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、生產(chǎn)效率將大幅度提高，而且將引發(fā)面向全流程制造的變革。虛實結(jié)合是智能制造空間研究的重要特征，也是智能制造的一種模式。

（3）人和制造系統(tǒng)的關(guān)系產(chǎn)生新的變革?，F(xiàn)代新信息技術(shù)使人能夠“再進入”生產(chǎn)系統(tǒng)。人將在物理層、執(zhí)行層、決策層與制造系統(tǒng)加強介入與合作，實現(xiàn)人、智能制造裝備與機器人在制造過程中的合作。

未來人機共融不僅是生產(chǎn)方式變革的重要發(fā)展方向，而且是構(gòu)筑智能制造空間的重要特征，也將是智能制造中的一個新模式。將機器的搜索、推理能力與人的推理、反饋、聯(lián)想、頓悟、學(xué)習(xí)能力相融合，協(xié)同處理決策問題，機器有效地支持人完成組織的任務(wù)，人有效輔助監(jiān)管機器進行任務(wù)執(zhí)行和學(xué)習(xí)，在制造系統(tǒng)規(guī)劃與管理、設(shè)備維護和制造執(zhí)行等方面實現(xiàn)人機融合發(fā)展。

智能制造空間結(jié)構(gòu)及發(fā)展

分散與集中共存、虛實結(jié)合和人機共融將成為未來智能制造空間的主要特征，其結(jié)合關(guān)系的形成是制造業(yè)需求牽引和信息技術(shù)驅(qū)動下的必然結(jié)果，關(guān)系的不斷發(fā)展也必將形成一種新的制造模式和制造環(huán)境。在這種環(huán)境中，不僅將泛在信息技術(shù)條件下的信息技術(shù)同工業(yè)技術(shù)進行深度融合，而且利用信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展新的工業(yè)技術(shù)。

在宏觀層面，智能制造空間將打破傳統(tǒng)的物理區(qū)域限制，不斷涌現(xiàn)的大量信息技術(shù)將推動分布式制造能力的快速發(fā)展，以便滿足產(chǎn)品大規(guī)模個性化定制的迫切需求，生產(chǎn)組織體系將快速發(fā)生變革，使制造業(yè)本身形成新的制造模式和信息環(huán)境，并進一步推動生產(chǎn)模式的變革。

在微觀技術(shù)層面，智能制造空間將加速人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、云計算等信息技術(shù)在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)方式、組織體系、管理模式等方面的深入應(yīng)用，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計、虛擬仿真到制造執(zhí)行的全息化智能制造系統(tǒng)，并將形成智能制造空間的技術(shù)體系。

建立以人機融合、虛實結(jié)合、分集統(tǒng)一為主要特征的制造模式新結(jié)構(gòu)和新框架，實現(xiàn)從需求走向?qū)嵺`，這涉及大量的理論有待進一步研究，包括面向服務(wù)型制造的橫向集成模式;面向大批量個性化產(chǎn)品設(shè)計的協(xié)同創(chuàng)新;支持制造資源網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化和專業(yè)化的制造過程協(xié)同管理;物聯(lián)網(wǎng)和云計算環(huán)境下新型工業(yè)軟件體系結(jié)構(gòu);面向產(chǎn)品全生命周期工業(yè)大數(shù)據(jù)管理和信息共享安全體系;面向復(fù)雜裝備的主動運維服務(wù)管理和決策優(yōu)化等，都將支持智能制造空間的發(fā)展。

在核心關(guān)鍵技術(shù)方面，將首先在設(shè)備級制造空間、單元級制造空間、工廠跨層制造空間和跨域生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)空間等層面上產(chǎn)生影響，并產(chǎn)生出與之相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，具體包括：面向虛實并行的產(chǎn)品設(shè)計、仿真及優(yōu)化;人機物三元協(xié)同與知識集成共享;支持制造企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計和大眾參與的社會化產(chǎn)品設(shè)計;分散與集中共存環(huán)境下的制造資源連接、配置調(diào)度與協(xié)同優(yōu)化;支持制造單元靈活自組織、服務(wù)虛擬化和全價值網(wǎng)絡(luò)調(diào)度與優(yōu)化;人機共融與互操作服務(wù)管理;人機共融過程的智能監(jiān)控、健康分析、產(chǎn)品性能和質(zhì)量評估。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和兩化融合的深入發(fā)展，在智能制造的發(fā)展中，智能制造環(huán)境將是對制造業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要影響的領(lǐng)域。智能制造空間的研究是對未來制造業(yè)信息環(huán)境和模式變革和發(fā)展的判斷與預(yù)測。我們有必要對分集統(tǒng)一的制造系統(tǒng)組織、虛實結(jié)合的制造過程、人機融合的制造手段所涉及的相關(guān)技術(shù)開展深入研究，探索其之間的關(guān)系、組成要素、運行機理、協(xié)同機制和演化規(guī)律。

（根據(jù)王天然院士最近的公開演講整理而成，未經(jīng)本人確認。）