智能制造研究熱點及趨勢分析

趙傳武

摘要：當前世界經(jīng)濟處于一個歷史大變革時期，人工智能、云計算以及大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的發(fā)展，促使城市化建設(shè)邁入智能化城市階段，不僅增強了國家的綜合國力與現(xiàn)代化水平，而且為人們帶來了更加舒適的生活。本文首先介紹了智能制造對于當代經(jīng)濟發(fā)展的重要意義，詳細描述了智能制造的特征，分析了在智能制造系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)以及研究現(xiàn)狀。最后，依據(jù)智能制造現(xiàn)有的研究成果，針對智能制造的發(fā)展趨勢進行了深入的分析，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的成功轉(zhuǎn)型，形成新的產(chǎn)業(yè)格局。

關(guān)鍵詞：智能制造;經(jīng)濟發(fā)展;研究熱點;趨勢分析

0 ?引言

智能制造裝備是制造行業(yè)發(fā)展高端裝備的核心，更代表了制造業(yè)的前沿水平，相較于數(shù)控化裝備，智能制造裝備具有預(yù)測、分析、推理、感知、決策等功能。發(fā)展智能制造裝備是世界各國提升國家實力的重要體現(xiàn)，它深度融合了工業(yè)化與信息化技術(shù)，不僅可以高效提升制造行業(yè)的技術(shù)水平與產(chǎn)品質(zhì)量，符合高端制造裝備業(yè)的發(fā)展方向，而且還能促進制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，有效減少資源和能源的消耗，在保證制造業(yè)智能化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)綠色化發(fā)展。

1 ?智能制造對于當代經(jīng)濟發(fā)展的意義

1.1 理論層面的意義

首先，智能制造可以對制造產(chǎn)業(yè)的組織結(jié)構(gòu)進行更好地優(yōu)化和升級，企業(yè)應(yīng)用智能制造技術(shù)會改變企業(yè)的組織形態(tài)，由傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈或大企業(yè)主導(dǎo)型轉(zhuǎn)化成產(chǎn)業(yè)生態(tài)主導(dǎo)型。除此之外，隨著產(chǎn)業(yè)變革的進一步發(fā)展，企業(yè)為了更好地取得市場競爭的優(yōu)勢，會將企業(yè)的結(jié)構(gòu)進行扁平化的劃分，從而在產(chǎn)品個性定制化、產(chǎn)業(yè)生態(tài)以及企業(yè)組織結(jié)構(gòu)等方面取得競爭優(yōu)勢，擴大智能制造企業(yè)中相關(guān)產(chǎn)業(yè)組織的理論空間，優(yōu)化企業(yè)的組織結(jié)構(gòu);其次，通過智能制造可以將第二產(chǎn)業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)充分結(jié)合起來，進而實現(xiàn)制造業(yè)的智能化與服務(wù)化，為產(chǎn)業(yè)機構(gòu)理論開辟新的理論空間;最后，對于發(fā)展中國家而言，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用智能制造技術(shù)的水平遠低于發(fā)達國家，因此，要實現(xiàn)國家產(chǎn)業(yè)的智能化需要充分實施技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略，找出適合本國的智能制造發(fā)展方案，在產(chǎn)業(yè)政策理論層面不斷進行突破。

1.2 現(xiàn)實層面的意義

制造業(yè)作為國家發(fā)展和建設(shè)的關(guān)鍵性行業(yè)，要在國際市場競爭中獲得一席立足之地，就必須抓住技術(shù)革新的關(guān)鍵，爭取獲得發(fā)展的先機，打造具有國際競爭力的制造業(yè)。當前世界經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于一個歷史變革時期，即使部分發(fā)達國家在智能制造方面已取得了一些成就，但各國之間的實力懸殊并不大，通過不斷進行技術(shù)創(chuàng)新可以成功趕超發(fā)達國家，實現(xiàn)智能制造的跨越式發(fā)展。因此，準確把握智能制造的技術(shù)創(chuàng)新以及合理分析其發(fā)展路徑對實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興和國家崛起具有重要的現(xiàn)實意義。

2 ?智能制造技術(shù)的相關(guān)特征

2.1 數(shù)據(jù)之間全面互聯(lián)

由于智能的主要來源在于數(shù)據(jù)，因此，只有實現(xiàn)產(chǎn)品整個生產(chǎn)制造流程活動中的各種數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)感知，才能打破生產(chǎn)過程中遇到的技術(shù)性壁壘，真正實現(xiàn)制造產(chǎn)業(yè)的智能化。

2.2 大數(shù)據(jù)的處理分析

產(chǎn)品在整個制造生命周期中不僅需要數(shù)據(jù)支持，而且還會在制造的過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)產(chǎn)品的研發(fā)創(chuàng)新、后臺運維服務(wù)實時動態(tài)預(yù)測、生產(chǎn)過程不斷優(yōu)化的目標，就需要運用智能制造技術(shù)來進行大數(shù)據(jù)的處理分析工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)。

2.3 物理信息空間融合

智能制造技術(shù)的應(yīng)用中，需要進行物理信息空間的融合工作，即將生產(chǎn)制造過程中的各項數(shù)據(jù)同步到信息空間，通過科學(xué)分析和仿真制造過程來做出智能的決策，而后再將決策的結(jié)果同步到物理空間，從而保證能夠優(yōu)化控制各項制造流程以及服務(wù)，并合理分配資源，確保智能制造系統(tǒng)能夠高效平穩(wěn)運行。

2.4 進行智能自主決策

智能制造系統(tǒng)由于能夠在運行時充分集成專家知識與實際的制造過程，且具有良好的判斷能力，因此可以根據(jù)生產(chǎn)狀況的變化來進行自主決策，實現(xiàn)制造服務(wù)與制造生產(chǎn)的智能化。

2.5 實現(xiàn)資源開放共享

傳統(tǒng)的制造方式為集中統(tǒng)一經(jīng)營，通過智能制造技術(shù)可以將社會資源進行開放共享，可以打破企業(yè)之間的壁壘，實現(xiàn)分散化經(jīng)營，能夠充分利用社會上的優(yōu)質(zhì)資源進行生產(chǎn)制造，最大程度上滿足顧客的個性化需求。

3 ?智能制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)以及研究現(xiàn)狀

在智能制造系統(tǒng)中充分運用基于物聯(lián)網(wǎng)的先進感知技術(shù)、賽博物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystems，CPS）技術(shù)、基于云制造的智能服務(wù)技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的智能生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化技術(shù)等4個關(guān)鍵技術(shù)將制造技術(shù)與智能技術(shù)進行深度的融合，從而探索出一條具體的智能制造系統(tǒng)實現(xiàn)路徑。

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的先進感知技術(shù)

在智能制造技術(shù)中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)上的感知技術(shù)可以對產(chǎn)品制造的整個過程中所涉及到的人、物、機器、環(huán)境等相關(guān)資源和信息進行清晰的感知，從而更好地實現(xiàn)工業(yè)制造的智能化。基于物聯(lián)網(wǎng)的先進感知技術(shù)在應(yīng)用的過程中主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)通信等3大關(guān)鍵問題，再通過傳感器的感知與識別，從而更好地了解產(chǎn)品全生命周期過程中涉及的機器設(shè)備、加工對象以及制造狀態(tài)等。然而，在運用物聯(lián)網(wǎng)的先進感知技術(shù)對數(shù)據(jù)的分析與處理方面，還存在許多問題，包括在數(shù)據(jù)傳輸過程中通信帶寬、存儲容量以及數(shù)據(jù)處理的能力等，當前主要的解決方式就是采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)?；谖锫?lián)網(wǎng)的先進感知技術(shù)目前在數(shù)據(jù)采集、處理分析與即時通信方面取得一定成就的同時也要進一步提高數(shù)據(jù)采集的準確度、效率以及在數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)通信方面的可靠性，促使感知技術(shù)能夠朝著更加智能化的方向發(fā)展。

3.2 CPS技術(shù)

CPS技術(shù)主要是一種基于制造過程數(shù)字模型以及物理設(shè)備的人機交互式的智能制造技術(shù)，具備智能感知、分析、預(yù)測、優(yōu)化等功能，通過運用計算機網(wǎng)絡(luò)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，深度融合了產(chǎn)品全生命周期中的物理對象與數(shù)據(jù)信息，有效提升了制造業(yè)生產(chǎn)的信息化與智能化水平。目前國內(nèi)外對于CPS技術(shù)的研究重點主要有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和安全性技術(shù)以及CPS系統(tǒng)建模等領(lǐng)域。關(guān)于CPS系統(tǒng)建模，最關(guān)鍵的是要真實再現(xiàn)現(xiàn)實系統(tǒng)的運作方式，此外，還需要充分考慮在建模時因大量信息的物理交互而產(chǎn)生的信息流動和能量流動，采取CPS離散建模、混合建模以及連續(xù)建模的方法來進行改進。然而，目前關(guān)于CPS技術(shù)的研究大多數(shù)都只是取得了局部性的突破，在具體的科學(xué)原理以及生產(chǎn)制造方面還具有很大的不足，還需要進行深入的研究。

3.3 基于大數(shù)據(jù)的智能生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)

在工業(yè)生產(chǎn)制造的過程中運用先進感知技術(shù)會產(chǎn)生制造數(shù)據(jù)，因此必須充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)的智能生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)來進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘處理工作，進一步提升生產(chǎn)效率，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，盡快適應(yīng)市場的變化。所謂生產(chǎn)調(diào)度主要是指在具體的生產(chǎn)過程中進行資源的合理利用與有效配置，不僅做到盡可能符合工業(yè)生產(chǎn)的要求，還可以對工廠車間的加工作業(yè)和工序流程進行適當?shù)陌才?，最終實現(xiàn)產(chǎn)品性能最優(yōu)化的目標。目前針對工業(yè)制造的整個生產(chǎn)流程，主要有基于運籌學(xué)的調(diào)度、基于仿真的調(diào)度、基于人工智能的調(diào)度以及啟發(fā)式調(diào)度的方法。盡管基于大數(shù)據(jù)的智能生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)具有很多優(yōu)點，能夠解決一些生產(chǎn)調(diào)度的問題，但是到目前為止，并未形成一套完整的生產(chǎn)調(diào)度方案。

3.4 基于云制造的智能服務(wù)技術(shù)

云制造的理念為“制造即服務(wù)”，充分融合了互聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及信息通信等技術(shù)優(yōu)勢，能夠為產(chǎn)品制造的整個生產(chǎn)過程提供高效的組織與管理模式。云制造服務(wù)主要有以下幾個特點：①服務(wù)范圍覆蓋整個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期;②服務(wù)質(zhì)量和水平具有非常高的可靠性和安全性;③服務(wù)資源個性化、虛擬化、共享化;④服務(wù)流程符合綠色環(huán)保低碳的理念。當前針對云制造的智能服務(wù)技術(shù)研究主要包括智能搜索與匹配、評價以及組合優(yōu)化這三個方面。然而，由于當前在云制造智能服務(wù)技術(shù)方面取得的成果還具有一定的局限性，當面臨更復(fù)雜的問題時，需要對云制造中的資源組合、優(yōu)化以及評價方面進行完善，促進智能制造系統(tǒng)的優(yōu)化與升級。

4 ?智能制造的發(fā)展趨勢分析

盡管當前國際上對于智能制造的研究已經(jīng)非常廣泛，每個國家也制定了相關(guān)的戰(zhàn)略方案來推進制造業(yè)智能化的轉(zhuǎn)型，但因為在國際上并沒有統(tǒng)一的技術(shù)標準，導(dǎo)致對智能制造技術(shù)的研究比較分散，難以將其組合成一系列的研究成果。另外，當前物理信息融合技術(shù)還處于初級階段，有許多技術(shù)難題還無法攻克，無法實現(xiàn)融合物理世界與信息世界的目標。而當前制造業(yè)的現(xiàn)狀是數(shù)據(jù)充足卻缺乏相應(yīng)的知識，面臨著如何高效分析產(chǎn)品全制造過程的相關(guān)數(shù)據(jù)并進一步優(yōu)化決策的重要挑戰(zhàn)，為此，智能制造需要在以下幾個方面進行技術(shù)的突破。

4.1 智慧制造

智慧制造旨在通過物聯(lián)網(wǎng)、人際網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)的融合來對現(xiàn)有的制造模式（例如云制造、物聯(lián)制造等）的思想與理念進行整合、延伸以及拓展，從而形成一種兼容性較高的制造模式，能夠最大程度上滿足智能制造的發(fā)展需求。

4.2 數(shù)字孿生

隨著信息化時代的到來，制造業(yè)早已擺脫了傳統(tǒng)的物理機械加工制造手段，目前主要是信息世界與物理世界之間的交互更迭，為了能夠加快制造業(yè)的資源和服務(wù)在信息空間與物理空間的融合，必須充分利用好新一代信息技術(shù)，而數(shù)字孿生的出現(xiàn)恰好能夠完美地解決這一問題，實現(xiàn)智能制造的目標。數(shù)字孿生作為產(chǎn)品制造整個生命周期中連接信息世界與物理世界的重要橋梁，可以為制造業(yè)的智能化生產(chǎn)提供新思路和新方法。但是，目前數(shù)字孿生的應(yīng)用還處于初級階段，需要進一步探索該技術(shù)的應(yīng)用。

4.3 生命周期大數(shù)據(jù)

智能制造產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，這對制造企業(yè)來說，既是機遇亦是挑戰(zhàn)。制造企業(yè)從大量的數(shù)據(jù)當中能夠挖掘出豐富的資料與知識，可以進一步增強企業(yè)洞察商機的能力，有助于促進企業(yè)的長效發(fā)展，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。同時，除了關(guān)注產(chǎn)品全生命周期的初期制造和服務(wù)設(shè)計的創(chuàng)新、優(yōu)化產(chǎn)品中期的運維服務(wù)之外，還要重視對產(chǎn)品使用終期的回收決策過程，并且要將產(chǎn)品的整個生命周期階段的數(shù)據(jù)與涉及到的知識進行整合。

5 ?結(jié)語

構(gòu)建一個完整的智能制造系統(tǒng)需要運用各種先進技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、CPS技術(shù)、云制造、生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)等，在產(chǎn)品生產(chǎn)制造的整個過程中通過感知、預(yù)測、人機交互等來最終實現(xiàn)制造業(yè)的智能化。智能制造充分融合了制造技術(shù)與信息技術(shù)，集多種先進技術(shù)于一身，融多種先進的制造模式理念于一體，不僅促進了傳統(tǒng)制造業(yè)的結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)型，而且還能夠確保制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)由“制造大國”向“制造強國”的轉(zhuǎn)變。

參考文獻：

[1]趙東標，朱劍英.智能制造技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展與研究[J].中國機械工程，1999，10（8）：927-931.

[2]譚建榮.智能制造與機器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2017（3）：18-19.

[3]王媛媛.智能制造領(lǐng)域研究現(xiàn)狀及未來趨勢分析[J].工業(yè)經(jīng)濟論壇，2016，3（5）：530-537.

[4]魯建廈，胡慶輝，董巧英.智慧制造及其研究現(xiàn)狀[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016（6）：681-688.

[5]周佳軍，姚錫凡，劉敏，等.幾種新興智能制造模式研究評述[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2017，23（3）：624-639.

[6]顧寄南，尚正陽，唐仕喜，等.當前智能制造若干關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].機械設(shè)計與制造工程，2017（9）：11-15.

[7]陳業(yè)航.智能制造技術(shù)與智能制造系統(tǒng)的發(fā)展與研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（8）：133-134.