工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)新一代智能制造技術(shù)的影響

衛(wèi)彥博 馬彧 張寧

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì);新一代;智能制造技術(shù);影響

當(dāng)今世界正經(jīng)歷著前所未有的變化，特別是新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的不斷深入融合，深刻改變了全球制造業(yè)的發(fā)展格局。智能制造已成為新一代機(jī)械制造及其自動(dòng)化的標(biāo)志，是未來制造業(yè)持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步的關(guān)鍵因素，其作為“中國制造2025”國家戰(zhàn)略規(guī)劃的重要組成部分，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)和國家競爭力整體提升具有重要意義[1]。從長遠(yuǎn)來看，制造業(yè)創(chuàng)新研發(fā)的重點(diǎn)應(yīng)該向新一代信息技術(shù)靠攏，尤其是大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算、AI、AR、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人等數(shù)字化智能技術(shù)，這將為進(jìn)一步升級(jí)轉(zhuǎn)型提供重要的技術(shù)支撐。而工業(yè)設(shè)計(jì)是生產(chǎn)鏈的最前端，對(duì)增加產(chǎn)品附加值、樹立自主品牌形象、提升制造業(yè)競爭力等方面的意義不容小覷。本文將以智能制造目前的發(fā)展現(xiàn)狀及需求為切入點(diǎn)，結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)新一代智能制造技術(shù)的影響因素，闡述如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)和新一代智能制造的支撐轉(zhuǎn)化和協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 新一代智能制造技術(shù)的概述

制造業(yè)是一個(gè)國家的命脈，是比拼創(chuàng)新能力的重要標(biāo)桿，也是決定經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)今的世界是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，為了控制人力支出的成本，越來越多的高科技信息技術(shù)進(jìn)入傳統(tǒng)行業(yè)，尤其是制造業(yè)中，在這種趨勢下，智能制造應(yīng)運(yùn)而生且逐步走向成熟，其在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位也不斷攀升。智能制造技術(shù)簡單來說就是集知識(shí)系統(tǒng)、制造軟件、機(jī)器人控制系統(tǒng)于一體而形成的自學(xué)習(xí)功能來收集理解環(huán)境和自身信息，通過專家和工人的技能來分析和規(guī)劃自身行為，在實(shí)踐中不斷豐富知識(shí)庫，從而使智能機(jī)器在無人干預(yù)的狀態(tài)下完成一定規(guī)模的批量生產(chǎn)。新一代智能制造技術(shù)主要分為智能感知、分析決策、學(xué)習(xí)積累、預(yù)測診斷和優(yōu)化五個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如圖1。

2 新一代智能制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

金融危機(jī)以來，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家面臨著制造業(yè)實(shí)力下滑的問題，發(fā)達(dá)國家充分認(rèn)識(shí)到實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要性，將智能制造寫入戰(zhàn)略計(jì)劃，以期通過信息技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛深入來重振制造業(yè)。各國都想占據(jù)科技制高點(diǎn)，在國際競爭中占據(jù)主動(dòng)，其中智能制造已成為國家創(chuàng)新戰(zhàn)略的重要組成部分。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，我國制造業(yè)的整體規(guī)模和技術(shù)水平有了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)。在技術(shù)方面，我國制造業(yè)經(jīng)歷了從模仿、集成改造到引進(jìn)升華、吸收再創(chuàng)新的發(fā)展過程，由跟隨式向引領(lǐng)式不斷轉(zhuǎn)型。如今，我國既是世界領(lǐng)先的制造基地，也是全球制造供應(yīng)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然我國智能制造業(yè)已經(jīng)形成了一批具有國際競爭力的龍頭企業(yè)，但就工業(yè)化的質(zhì)量和水平而言，我國智能制造還處于初級(jí)發(fā)展階段。相比在20 世紀(jì)70 年代制造技術(shù)已經(jīng)成熟的發(fā)達(dá)國家，我國在智能制造的關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)工藝方面還有待提升，智能制造裝備產(chǎn)業(yè)能力、應(yīng)用范圍、服務(wù)質(zhì)量等與發(fā)達(dá)國家相比，仍存在較大差距。雖然我國已經(jīng)開始倡導(dǎo)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，并制定了“中國制造2025”計(jì)劃，但是我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能制造、無人化生產(chǎn)，缺少工人的工廠將無法達(dá)到正常的生產(chǎn)模式[2]。大多數(shù)制造企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到，如果想要適應(yīng)不確定的未來，他們需要放棄傳統(tǒng)的粗放型發(fā)展思維，擺脫傳統(tǒng)生產(chǎn)力的束縛，用新的生產(chǎn)要素保障運(yùn)營和預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)[3]。

3 工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)新一代智能制造技術(shù)的影響分析

工業(yè)設(shè)計(jì)賦予產(chǎn)品材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、造型、色彩、表面處理、裝飾等方面新的規(guī)格和價(jià)值[4]，是技術(shù)革新的關(guān)鍵所在。與此同時(shí)還要對(duì)生產(chǎn)者進(jìn)行分析、整合、包裝、管理和服務(wù)，貫穿前期的策劃及創(chuàng)意、中期的研發(fā)與生產(chǎn)到后期的管理和完善乃至展覽與競賽，覆蓋了從研發(fā)到推廣的每個(gè)階段。它兼顧了管理者、制造者、使用者和全社會(huì)的利益，已成為企業(yè)塑造形象、增強(qiáng)自身競爭力、提升產(chǎn)品附加值的重要手段。而智能制造技術(shù)是新時(shí)代的一項(xiàng)新技術(shù)，使制造業(yè)提高了效率、制造水平和經(jīng)濟(jì)效益。兩者的結(jié)合不僅是工業(yè)界和設(shè)計(jì)界面對(duì)今后發(fā)展環(huán)境審時(shí)度勢的認(rèn)識(shí)精華，更是時(shí)代發(fā)展對(duì)此事業(yè)的迫切要求。工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)智能制造的具體支撐表現(xiàn)為規(guī)劃與設(shè)計(jì)、研發(fā)與量產(chǎn)、管理與服務(wù)三個(gè)方面[5]。

3.1 工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)智能規(guī)劃及設(shè)計(jì)的影響分析

工業(yè)設(shè)計(jì)是一門涉及多個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜學(xué)科，具有很高的商業(yè)價(jià)值。在商品經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，消費(fèi)層級(jí)的不同、消費(fèi)應(yīng)用目標(biāo)的不同、消費(fèi)區(qū)域的不同對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多樣化提高了要求。智能制造需要在研發(fā)的早期階段即考慮個(gè)性化定制研發(fā)，增加定制服務(wù)支持的比例，并減輕多樣化的要求對(duì)實(shí)際生產(chǎn)帶來的成本壓力。第一步是虛擬化。利用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)造的數(shù)字圖像，能夠?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行模擬，實(shí)時(shí)展現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)制造的實(shí)際狀況，部分操作及管理人員無需到現(xiàn)場就可以了解及操作現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的一致。第二步是虛擬制造及調(diào)試環(huán)節(jié)。將制造過程中的產(chǎn)品研發(fā)、制造和運(yùn)營轉(zhuǎn)化為相對(duì)低成本的數(shù)字信息，用于虛擬世界中的協(xié)作和模型優(yōu)化，提高研發(fā)制造效率。數(shù)據(jù)的連續(xù)迭代和模型的連續(xù)優(yōu)化，得到最優(yōu)解。接著可以在產(chǎn)品生產(chǎn)之前進(jìn)行虛擬調(diào)試。調(diào)試完成后，認(rèn)為整個(gè)生產(chǎn)線和整個(gè)系統(tǒng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即可進(jìn)行制造。第三步是樣品生產(chǎn)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的制造模式要求工程師在設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行樣品制作。樣品會(huì)有很多缺陷，所以可以根據(jù)缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，需要改進(jìn)后才能進(jìn)行量產(chǎn)，而這個(gè)過程費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。有了工業(yè)設(shè)計(jì)編程虛擬仿真系統(tǒng)，根據(jù)樣品缺陷而整改的傳統(tǒng)制造模式可以在軟件的基礎(chǔ)上完成。系統(tǒng)通過每一個(gè)細(xì)節(jié)認(rèn)證和測試后，將一次性投入生產(chǎn)，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)和測試周期。

3.2 工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)智能研發(fā)與量產(chǎn)的影響分析

研發(fā)和生產(chǎn)是智能制造提高資源綜合利用率、降低成本消耗的關(guān)鍵。一是信息化的直接作用。隨著制造企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化，不斷引入人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，與其緊密連接的供應(yīng)鏈體系也將隨之變化。同時(shí)，制造產(chǎn)業(yè)鏈的無縫集成需要工業(yè)設(shè)計(jì)的軟件支撐，像如何搭建設(shè)計(jì)模型并將其應(yīng)用到制造過程中。二是模塊化生產(chǎn)。將模塊化生產(chǎn)直接對(duì)接設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)尤為關(guān)鍵，將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、流程和資源的綜合管理引入規(guī)范化的知識(shí)庫將大大提高生產(chǎn)效能和速率。三是智慧型工廠的搭建。從長遠(yuǎn)來看，制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者將不可避免地更加重視無人操作的生產(chǎn)線，引入更多的智能生產(chǎn)設(shè)備，雇傭更智能的終端操作員和高技能工人，以更好地應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力波動(dòng)的影響。同時(shí)利用相應(yīng)的管理系統(tǒng)來監(jiān)控運(yùn)行和使用數(shù)據(jù)，優(yōu)化完善運(yùn)行模式發(fā)揮最大效率，維護(hù)系統(tǒng)來預(yù)測和修復(fù)故障。工業(yè)設(shè)計(jì)在幫助制造企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中克服重點(diǎn)障礙與提高效能方面表現(xiàn)優(yōu)異。

3.3 工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)智能管理與服務(wù)的影響分析

在智能制造的背景下，研發(fā)、制造、管理、服務(wù)等環(huán)節(jié)將緊密結(jié)合，體現(xiàn)出智能化的特點(diǎn)。大多制造企業(yè)的重心從“研發(fā)”“生產(chǎn)”向“服務(wù)”“管理”靠攏。這個(gè)改變的過程并不只是考慮設(shè)計(jì)本身，在設(shè)計(jì)中的協(xié)作管理方式也十分重要，需要建立云平臺(tái)集百家之所長，基于云協(xié)同的環(huán)境高效運(yùn)行。工業(yè)設(shè)計(jì)與服務(wù)設(shè)計(jì)的融合也是大勢所趨，通過服務(wù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)管理，以滿足用戶的實(shí)際需求和創(chuàng)造新的云協(xié)作管理模式而為企業(yè)創(chuàng)造利潤和附加值。通過云計(jì)算，大數(shù)據(jù)分析和其他技術(shù)，建立起針對(duì)目標(biāo)用戶而設(shè)定的整體服務(wù)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序框架。共享物流概念、無人機(jī)快遞、無接觸快遞柜、快遞機(jī)器人等新技術(shù)是工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)智能管理與服務(wù)影響的代表，無人物流生產(chǎn)線指的是貨物從入庫、上架、揀選、補(bǔ)貨，到包裝、檢驗(yàn)、出庫等物流作業(yè)流程全部實(shí)現(xiàn)無人化操作，是高度自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)模式[6]，這大大提升了效率并減少了人與人之間的接觸，也被稱為“無接觸傳遞”服務(wù)。

4 結(jié)語

智能制造系統(tǒng)規(guī)模龐大而復(fù)雜，發(fā)展仍處于探索階段，其對(duì)于中國大多數(shù)企業(yè)來說是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。人、機(jī)器和信息如何實(shí)現(xiàn)較好地融合是當(dāng)今制造業(yè)謀求發(fā)展的主要問題?！吧偃嘶?、無人化、智能化”在高速發(fā)展的今天中呈現(xiàn)了優(yōu)勢，由此許多企業(yè)會(huì)采用智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化等管理模式[7]。應(yīng)該大力推廣制造業(yè)和數(shù)字智能化的有效融合，面對(duì)突如其來的風(fēng)險(xiǎn)，有足夠的能力去抵抗。要讓我國的制造業(yè)在國際上保持競爭力，需要工業(yè)設(shè)計(jì)源源不斷為其注入活力，需要給予工業(yè)設(shè)計(jì)足夠的重視，只有這樣才能提高制造業(yè)的生產(chǎn)水平，生產(chǎn)出具有國際競爭力的產(chǎn)品。因此，作為制造業(yè)的高端人才的工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生應(yīng)該提高對(duì)自身的要求，制定科學(xué)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，探索培養(yǎng)創(chuàng)新能力的有效途徑，重視實(shí)踐環(huán)節(jié)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長的道路推波助瀾。