智能制造系統(tǒng)研究及趨勢分析

周艷聰 張 波 王 巖 胡德計 陳 聰

（天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

1 概述

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的信息技術(shù)逐步更新?lián)Q代，人工智能、虛擬現(xiàn)實等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，重新定義了現(xiàn)有的工業(yè)，傳統(tǒng)的制造技術(shù)與新興科技相融合，為制造業(yè)注入了新鮮血液與活力。高新技術(shù)進入現(xiàn)有的制造領(lǐng)域，改造了現(xiàn)有的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)現(xiàn)實生產(chǎn)與虛擬管理互聯(lián)，將生產(chǎn)制造流程全程網(wǎng)絡(luò)化，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)連通生產(chǎn)、銷售、服務(wù)，將傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造變成智能制造。智能制造已成為當今各制造大國主要發(fā)展戰(zhàn)略，是加快推進中國傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)管理創(chuàng)新思維能力不斷發(fā)展、提質(zhì)增效，實現(xiàn)從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的重要方法，是國家機械制造業(yè)水平的重要標志，是國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。

2 智能制造概述

2.1 智能制造簡介

智能制造將人工智能技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，構(gòu)成了人機一體化的智能系統(tǒng)。利用人和智能機器合作理念，有效提高生產(chǎn)效率，規(guī)范生產(chǎn)流程。由于智能機器具備一定的分析、推理、設(shè)計能力，因此不論是在批量產(chǎn)，還是在精細加工方面，都可以順應(yīng)自如。

2.2 智能制造特征

智能制造與傳統(tǒng)制造相比，有自律、人機一體化、虛擬現(xiàn)實和自我學(xué)習(xí)維護等特征。自律指智能制造機器有強大的數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)，運行時可以將環(huán)境數(shù)據(jù)與自身信息相結(jié)合，進行分析、判斷并做出最優(yōu)規(guī)劃方案。人機一體化指目前所生產(chǎn)的智能制造機器只具備一定的邏輯推理思維，也可做到圖像思維，但要具備人類的靈感思維，則需要人按照實際情況修改程序，才能使機器具備最大效能。虛擬現(xiàn)實特征指智能機器通過數(shù)據(jù)采集、影像修復(fù)、環(huán)境分析、傳感設(shè)置、智能模擬等多項技術(shù)，可以擬定制造過程與產(chǎn)品特征，給出虛擬制造環(huán)境和場景，幫助人們進行分析，并在其上進行學(xué)習(xí)或決策。自我學(xué)習(xí)維護特征的指機器可進行數(shù)據(jù)的主動擴充，從而體現(xiàn)出智能機器的自我學(xué)習(xí)特征。在機器遇到故障后，會進行自檢排除故障、修復(fù)數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出其維護特征。

2.3 我國智能制造戰(zhàn)略

為實現(xiàn)從制造大國向制造強國的快速轉(zhuǎn)變，李克強總理在2015 年“兩會”的政府報告中提出了“中國制造2025”宏遠計劃[1]，制定了我國未來10 年的長期戰(zhàn)略規(guī)劃，旨在提高國家制造業(yè)創(chuàng)新能力，實現(xiàn)從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變；推進制造業(yè)數(shù)字化，信息化，產(chǎn)業(yè)化；開展人工智能技術(shù)、信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新；完成企業(yè)生產(chǎn)、制造、銷售多層面智能化研究，使我國制造業(yè)進入國際領(lǐng)先地位。

3 智能制造的核心技術(shù)

智能制造核心技術(shù)指在制造的過程中，為了獲取各個制造環(huán)節(jié)的相關(guān)信息，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控、決策分析以及實時操控通訊而使用的核心技術(shù)[2]。為了實現(xiàn)我國“中國制造2015”的偉大構(gòu)想，需要國家建設(shè)或大力發(fā)展能夠與中國制造業(yè)匹配的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施體系與核心技術(shù)。

3.1 智能通信技術(shù)

隨著數(shù)字時代的來臨，手機、電腦成為現(xiàn)代人的常用生活設(shè)備。強大的網(wǎng)絡(luò)功能、龐大的數(shù)據(jù)信息，都需要智能通信技術(shù)的支撐[3]，才能帶動其正常運轉(zhuǎn)。互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv6 與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議IPv4 相比，可以容納更多的IP 地址，擴充了數(shù)據(jù)空間，更新了分配原則，提高了傳輸速率，增加了對流支持，提高了支撐設(shè)備的兼容性，為多媒體技術(shù)提供了更多的展示空間。

3.2 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)制造、項目檢測方面起到了重要作用[4]。通過建設(shè)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或是直接安裝相應(yīng)軟件，可以加強各操作部門間溝通，通過數(shù)據(jù)共享，動態(tài)監(jiān)測整個生產(chǎn)過程。按照應(yīng)用工藝不同，智能控制系統(tǒng)可分為可編程控制系統(tǒng)和工控機控制系統(tǒng)兩類。可編程控制系統(tǒng)，在操作時可以通過輸入相應(yīng)參數(shù)，選用不同工藝標準進行生產(chǎn)加工，機器可以自己實現(xiàn)計算、分析、籌劃、檢驗等程序，提高了工件的精度與準度，其操作方便，抗干擾力強。工控機控制系統(tǒng)將工業(yè)控制計算機與傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)運用結(jié)合，其操作總體呈線性操作結(jié)構(gòu)，多用于監(jiān)測環(huán)節(jié)，通過主控臺數(shù)據(jù)顯示，工作人員可以實時了解工藝設(shè)備、裝備的工作狀態(tài)，提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)可以將生活中的物件與互聯(lián)網(wǎng)相連，并上傳數(shù)據(jù)信息，進行識別、定位、管理等操作，其核心技術(shù)是射頻識別技術(shù)[5]。該項技術(shù)在各行各業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)中的5G技術(shù)，通過邊緣計算架起物理世界與網(wǎng)絡(luò)世界的高速橋梁，將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心向邊緣側(cè)延伸，加速5G 落地。通過搭建全新的網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)架，縮短實時周期數(shù)據(jù)分析時間，從而更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實時智能化處理與執(zhí)行，滿足了自動化建設(shè)中的低延時數(shù)據(jù)處理要求。

3.4 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)的運用愈來愈趨于多元化。據(jù)預(yù)計，2020 年人工智能市場的復(fù)合年增長率將達到44.5%。在生產(chǎn)中，人工智能可以多維度、深層次采集工業(yè)數(shù)據(jù)，匯集生產(chǎn)中的智能要素，優(yōu)化資源配置，有效協(xié)助設(shè)計員突破智能生產(chǎn)瓶頸，提高生產(chǎn)質(zhì)量。當今的人工智能技術(shù)以機器深度學(xué)習(xí)為核心，在視覺、語音、自然語言等應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展，通過三維一體相互轉(zhuǎn)換，有效提升社會各領(lǐng)域的智能化水平，給傳統(tǒng)領(lǐng)域帶來顛覆性變革。

4 智能制造發(fā)展措施

目前，我國制造業(yè)整體發(fā)展水平還不樂觀。很多設(shè)備生產(chǎn)雖然已經(jīng)達到批量化規(guī)模，但一些核心技術(shù)仍需創(chuàng)新突破?！吨袊圃?025》為國家制造業(yè)今后的規(guī)劃路線、發(fā)展思路以及智能制造突破重點提出了明確指導(dǎo)。

4.1 強化教育基礎(chǔ)，提高綜合實力

智能制造的核心在于技術(shù)與創(chuàng)新，需要大批量的技術(shù)人才。因此，教育部應(yīng)利用高校人才優(yōu)勢，明確劃分智能制造的應(yīng)用方向，加強對外交流，開闊學(xué)生眼界，提高學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力。同時可以設(shè)立智能制造孵化園，讓學(xué)生發(fā)揮所學(xué)進行實踐，在不斷的創(chuàng)新與改進中突破關(guān)鍵技術(shù)。

4.2 促進兩化融合，提高使用效率

為落實《中國制造2025》的指導(dǎo)思想，國家應(yīng)加快現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)加工制造業(yè)的融合，利用已掌握技術(shù)，加大設(shè)備生產(chǎn)，更換智能設(shè)備，提高生產(chǎn)力；加強技術(shù)人員培訓(xùn)，提高其綜合實力。對于已經(jīng)融合轉(zhuǎn)化的制造廠，要鼓勵其大規(guī)模應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，并創(chuàng)新融合模式，加強基礎(chǔ)技術(shù)研究，提高自身生產(chǎn)力的同時強化國家工業(yè)基礎(chǔ)。

4.3 發(fā)展綠色制造，提高持續(xù)生產(chǎn)力

在大力發(fā)展生產(chǎn)力的同時，仍要走可持續(xù)發(fā)展道路。發(fā)展制造業(yè)的同時，注意生態(tài)文明建設(shè)?？赏ㄟ^引入新型智能環(huán)保設(shè)備或是工藝流程，在保證產(chǎn)量的同時，提高資源利用率，從根本上降低工業(yè)污染的排放。另外，可以用環(huán)保材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料，減少不必要的資源浪費，或者在廠內(nèi)增設(shè)工業(yè)污染處理設(shè)備，助力可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

智能機器具有分析推理、自學(xué)習(xí)維護等生產(chǎn)特性，投入到生產(chǎn)制造業(yè)中，可以帶動整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展，其信息設(shè)備技術(shù)，也加強了人與人、人與機器、機器與機器的溝通，有極高的應(yīng)用價值。目前我國智能制造技術(shù)應(yīng)用廣泛，但部分核心技術(shù)突破仍是重點，應(yīng)加強人才培養(yǎng)，從而多層次推廣應(yīng)用。