智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀與系統(tǒng)的總體設(shè)計

甘亦潤，秦 萌，樊衍衍

（江蘇海洋大學，江蘇連云港 222000）

智能制造是由智能機器人和人類專家組成的集成智能人機系統(tǒng)。我國的智能制造產(chǎn)業(yè)在制造業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用。中國制造業(yè)的智能化程度將更高，附加值也將更高。隨著工業(yè)改革的深入，社會需求的變化和技術(shù)進步，全球機器人市場正經(jīng)歷著爆炸性的增長。世界各國在提高機器人發(fā)展戰(zhàn)略方面展開競爭。以云計算、大數(shù)據(jù)、移動和社會聯(lián)系為代表的第三種平臺技術(shù)推動了全球機器人工業(yè)向智能化、創(chuàng)新和數(shù)字化方向發(fā)展。但是智能制造依然存在制造技術(shù)水平不高，人才體系不完善，供給水平不夠高等問題制約著發(fā)展。為了提高智能制造的發(fā)展質(zhì)量，應(yīng)當加強數(shù)字化新智能制造模式的應(yīng)用，合理布局，健全制造產(chǎn)業(yè)支撐體系，引進智能制造復合型人才，建立智能改造服務(wù)平臺，深化對外開放合作，提升供給水平，創(chuàng)新服務(wù)模式。

1 智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

1.1 工業(yè)機器人的應(yīng)用

制成工業(yè)機器人需要經(jīng)過鑄件、打磨和拋光、切割和焊接等幾個過程。工業(yè)機器人是在工業(yè)領(lǐng)域普及的多自由度或多關(guān)節(jié)機械手的機械裝置，具備一定的自動化程度，它可以遵循自身的動力能源和控制能力完成不同的工業(yè)加工和生產(chǎn)功能。工業(yè)機器人在化工、電子、物流等領(lǐng)域均有涉及。隨著智能制造發(fā)展步伐的加快，作為占有智能制造業(yè)重要地位，起到深遠影響力的工業(yè)機器人也隨之邁入一個快速發(fā)展的階段。焊接機器人在工作時相比于人工有著更高的準確性，這得益于焊接機器人的各類傳感器和精密的控制系統(tǒng)，使得焊接機器人有著較高的焊接精度，而且焊接機器人對環(huán)境的要求更低，可以在極端溫度、密閉環(huán)境等惡劣條件下工作。激光加工機器人是激光技術(shù)和機器人技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，可以實現(xiàn)對工件的精密切割、鉆孔和對金屬材料表面進行特殊處理。目前，我國激光加工機器人技術(shù)還不成熟，應(yīng)用也不廣泛，仍有著較大的發(fā)展空間。

1.2 人才需求與培養(yǎng)

從國外的“工業(yè)4.0”技術(shù)、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用到國內(nèi)的“智能制造”行業(yè)，以“大云智物”為代表的一系列當代信息技術(shù)，正在引領(lǐng)和推動當代產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。原始的制造業(yè)逐步向智能制造轉(zhuǎn)型，對專業(yè)人員的資格和資質(zhì)提出了新的條件。智能制造產(chǎn)業(yè)的完善提升，需要對智能控制、智能制造、自動化、工業(yè)機器人等專業(yè)具有較深造詣的創(chuàng)新型技術(shù)人才。我國制造業(yè)十大重點領(lǐng)域人才數(shù)量的增長與智能制造專業(yè)的發(fā)展呈正相關(guān)。其中，2015年、2020年當代信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域預估的兩次人才總數(shù)分別為1050萬人、1800萬人，從同比增速上看，此重點領(lǐng)域同比增速最快。2020年預估的人才缺口總數(shù)為750萬人，相比于其他9個重點領(lǐng)域的人才數(shù)量預測，新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)人才總量預測排名第一。根據(jù)中國電子學會發(fā)表的《中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2019）》所涉及的相關(guān)綜合分析與評估，我國的機器人行業(yè)發(fā)展規(guī)模不斷壯大，但是作為持續(xù)5 a 成為全球第一大工業(yè)機器人銷量的國家，放眼當下，我國機器人領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)人員短缺，與龐大的市場需求量不相適應(yīng)。面臨著制造業(yè)巨大的人才缺口，在《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》一書中點明指出“完備多個等級多項類別形成的人才培養(yǎng)體系”，同時“推動為制造業(yè)供應(yīng)人才布局的改良”“精確銜接關(guān)鍵領(lǐng)域的人才需求”，引起對制造業(yè)專項人才的栽培的側(cè)重關(guān)注。

1.3 新一代人工智能技術(shù)在工業(yè)4.0領(lǐng)域的應(yīng)用前景

工業(yè)4.0的方針是達到生產(chǎn)流程從原先的信息化向智能化變更的目的，因此人工智能是一切改造的根基。工業(yè)4.0的根本目的是使現(xiàn)場設(shè)備的自動化、數(shù)字化與智能化得到落實，因此其主要展現(xiàn)形式即為實現(xiàn)使現(xiàn)場控制高度智能化。目前，現(xiàn)場智能控制技術(shù)涵蓋了以專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法等前沿技術(shù)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新。與此同時結(jié)合對圖像質(zhì)量的改良，靈活運用計算機視覺與模式識別技術(shù)分門別類地處理各種圖像。除了這種方式，還可以通過對人工智能技術(shù)達成這一經(jīng)驗的借鑒對圖像中包含的信息進行智能化處理。信息技術(shù)是智能生產(chǎn)制造系統(tǒng)的模板，通過構(gòu)造生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，并巧妙運用工業(yè)4.0平臺實現(xiàn)制造流程的高靈敏度和集成特性，采用人工智能模擬技術(shù)達到智能分析、處理、計劃控制專家系統(tǒng)的目的，繼而達成對整個制造過程高精度的智能優(yōu)化與控制，最后達成全流程智能化現(xiàn)場生產(chǎn)。隨著生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，特別當工業(yè)4.0得到了廣泛的推行時，這將會成為一筆巨大的財富，給設(shè)備狀態(tài)預估帶來極大的技術(shù)勝勢。

2 智能制造系統(tǒng)的規(guī)劃與研究

2.1 以CPS為基礎(chǔ)的智能制造系統(tǒng)

CPS 是一種基于對外部環(huán)境的感應(yīng)，通信、計算和控制能力高度集成的可信賴、可操控、可擴充性能一體化的網(wǎng)絡(luò)物理配置系統(tǒng)。工業(yè)4.0智能制造的重中之重是CPS，運用CPS 技術(shù)使云安全網(wǎng)絡(luò)與物理設(shè)備彼此聯(lián)合，繼而物理設(shè)備擁有了感應(yīng)、推斷、剖析、評估、長途調(diào)和、規(guī)劃和操控等智能性能，將人才與相關(guān)材料、有效信息和物理設(shè)備相結(jié)合，助力企業(yè)創(chuàng)造全球化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使產(chǎn)品策劃、創(chuàng)造、物流與生產(chǎn)設(shè)備等與智能制造相關(guān)的因素彼此融合，構(gòu)成智能制造系統(tǒng)。CPS 也是一種分散的異構(gòu)系統(tǒng)，由多個具有不同構(gòu)造和性能的子系統(tǒng)組成，但是這些子系統(tǒng)還能劃分成相異的地理區(qū)域。CPS 具有獨立性、順應(yīng)性、快捷性、功效性、穩(wěn)當性和安全性的特性和需求。

2.2 裝備和系統(tǒng)是智能制造發(fā)展的核心力量

智能制造裝備向世界展示出制造流程、當代信息科技、智能化科技在裝備成果上的集中化和協(xié)同革新，既是評定一個國家在智能制造領(lǐng)域發(fā)展情況的關(guān)鍵，又是科技發(fā)展的最終導向，還是促進社會生產(chǎn)力進步的內(nèi)驅(qū)力。相較于原始制造裝備，智能制造裝備擁有對周圍環(huán)境和裝備運轉(zhuǎn)狀況的準點測定、剖析和應(yīng)對技能；根據(jù)裝備運轉(zhuǎn)狀況的變動獨立構(gòu)思、操縱和計劃技能；對機器運轉(zhuǎn)過程中可能碰到的一系列障礙的獨立判定和獨立解決功效。以及對自身機能變化的自我判斷和保障功效。同時介入關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的集中化與聯(lián)合化的功效。工業(yè)機器人就屬于典型的智能制造裝備之一，它能精確地判斷出周圍環(huán)境以及任務(wù)的變化，實現(xiàn)各類自主操作，擁有感知功能、敏捷的思維。但是我國工業(yè)基礎(chǔ)相較于發(fā)達國家，還存在短板，基礎(chǔ)不夠牢固，和發(fā)達國家之間的差距較為明顯。在最近的幾年中，我國堅定地走"十三五"發(fā)展之路，拓寬智能制造領(lǐng)域，提升我國在此領(lǐng)域的地位。

2.3 智能制造自動化技術(shù)的新模式

自動化科技導致原始的人工操作模式發(fā)生變化，可以靈活使用計算機系統(tǒng)使整個生產(chǎn)流程順利進行，達成對于相關(guān)數(shù)據(jù)的控制與計算的自動化，同時也可以達到高效監(jiān)控整個設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況的目的，當運轉(zhuǎn)出現(xiàn)障礙時機器會拉響警報。通過技術(shù)生產(chǎn)的自動化，顯著減小產(chǎn)品生產(chǎn)加工流程中可能遇到的風險，從而維持設(shè)備運作的穩(wěn)定，產(chǎn)生了積極的經(jīng)濟效益，達到精密產(chǎn)品的大范圍創(chuàng)造。對于相關(guān)技術(shù)的運用和基本原理，自動化技術(shù)都已經(jīng)發(fā)展到十分完善的階段，其中以包括EMCU 在內(nèi)的微控制器較為多見，除此之外還有觸摸屏技術(shù)、PLC 可編程邏輯控制器、傳感器技術(shù)、VFD 變頻器、IPC 工業(yè)控制計算機等。智能制造技術(shù)能得到順利實踐，離不開以它們?yōu)榛A(chǔ)。使用各種計算機自動監(jiān)控設(shè)備生產(chǎn)、產(chǎn)品運行設(shè)備結(jié)構(gòu)，使制造業(yè)能夠恰到好處地把控制制造流程中需要運用到的相關(guān)數(shù)據(jù)，順利完成自動處理信息、自動保護隱私和自動報警的一系列行為。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息時代的象征，能夠在智能制造自動化生產(chǎn)中供應(yīng)各種各樣的工具處理各項得出的數(shù)據(jù)，能夠通過細微的調(diào)整、思維性編輯、管理程序等方式來促進工作的高效性。在自動化技術(shù)領(lǐng)域。云制造技術(shù)可以通過環(huán)繞生產(chǎn)設(shè)備、資源監(jiān)控、資源計算、物質(zhì)資源、資源儲備、資源運載等方案進行重組。在設(shè)置軟資源時，通過策劃、剖析、模擬和規(guī)劃整個流程等方式，著手從自動化生產(chǎn)的有效期限切入主題，可以從多個方面改善云制造流程；同時，憑借相關(guān)的工程常識、產(chǎn)品樣式或相關(guān)技術(shù)的規(guī)范，可以以云制造的技術(shù)標準為中心創(chuàng)立工藝過程，最后達到自動化水平的提升。

3 大數(shù)據(jù)驅(qū)動智能制造的框架與模型

3.1 產(chǎn)生驅(qū)動的因素

經(jīng)濟因素對其具有一定的影響。國民經(jīng)濟的命脈是我國的制造業(yè)，是長久經(jīng)濟之間較量的具體表現(xiàn)。對于新時代下的工業(yè)革命，我國出臺了“中國制造2025”政策，數(shù)據(jù)知識這一要素被包括進智能制造的基本要領(lǐng)。嵌入生產(chǎn)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)，一種“數(shù)據(jù)制造”新模式誕生了，這一舉措使制造思想更加成熟、使生產(chǎn)過程得到改進、使策劃機制得到完善，制造業(yè)新一輪經(jīng)濟增長點因此產(chǎn)生，這一定會在國際政治、科技較量、經(jīng)濟與獲益體例的重新建造上產(chǎn)生舉足輕重的影響。然后是理論因素。使用大數(shù)據(jù)的理論對制造系統(tǒng)進行分析，得出其內(nèi)在的邏輯聯(lián)系，避免由于所謂的“經(jīng)驗”而得出片面盲目的判斷。實踐因素也占據(jù)了一定地位。大數(shù)據(jù)推動了智能制造在發(fā)展道路上的前進，將“經(jīng)驗”轉(zhuǎn)變成長久深刻的價值，通過知識的積累與不斷更新，使專業(yè)人員能夠相對理性、切實地處理各種疑難。技術(shù)因素也發(fā)揮了重要作用。當下，以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的"策劃—制造—營銷—效勞—約束”一體化的制造系統(tǒng)已經(jīng)邁入實踐時段。

3.2 大數(shù)據(jù)驅(qū)動智能制造的特性

①聯(lián)合化特性。在以大數(shù)據(jù)為背景之下，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)幾大智能制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)達成了彼此融合，策劃、制造、營銷、物流、服務(wù)、管束等借助大數(shù)據(jù)平臺進行宣傳和共享。接著是社會化特征。大數(shù)據(jù)在智能制造產(chǎn)業(yè)邁向社會化過程中起到收集、剖析、發(fā)掘用戶數(shù)據(jù)、供應(yīng)指向性處理方案的功用。②融合化特征。國外的智能制造專家在《實現(xiàn)21世紀智能制造》的一項報告中著重闡明通過協(xié)調(diào)各項技術(shù)達成從流程驅(qū)動發(fā)展的形式到數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)展的形式的轉(zhuǎn)型。國外的工業(yè)4.0策略大致思緒是推動大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等與制造技術(shù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。③智慧化特征。智慧制造具有優(yōu)異的兼?zhèn)湫缘囊?guī)范構(gòu)造，能在日益繁雜的當代制造系統(tǒng)中，對已經(jīng)存在的制造模式進行重組同時進行一定程度的延展。

3.3 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能制造結(jié)構(gòu)

智能制造的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以分為大數(shù)據(jù)管理和大數(shù)據(jù)分析兩個領(lǐng)域：大數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)收集、預處理和存儲備環(huán)節(jié)，大數(shù)據(jù)分析包括對數(shù)據(jù)的分析和運用環(huán)節(jié)。幾個技術(shù)模塊相互銜接和集成，共同形成一個完善的閉路系統(tǒng)。通過使用物聯(lián)網(wǎng)中點綴在數(shù)據(jù)源之中的傳感器、RFID、讀寫器、GPS、機器之間的通信等信息感應(yīng)設(shè)備把大自然中的萬事萬物融為一體，與大數(shù)據(jù)平臺相互融合，感應(yīng)并收集產(chǎn)品有效期限的數(shù)據(jù)。需要預處理已經(jīng)收集到的各項數(shù)據(jù)，包括對數(shù)據(jù)的洗滌、集成、改動、歸約、降維，以及按照數(shù)據(jù)的特征提純，按照其標簽正確操作等。數(shù)據(jù)預處理還要構(gòu)造數(shù)據(jù)之間的銜接，達到數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。將數(shù)據(jù)存儲在受第三方管理的多臺虛擬服務(wù)器中，任何時候任何底單都可以進行考察和移用。數(shù)據(jù)可視化起到了使數(shù)據(jù)的特性得到多維顯示、隱藏的信息和規(guī)律明顯化的功用。數(shù)據(jù)可視化表示出多方式數(shù)據(jù)高分辨率顯示與多視圖的交融、聯(lián)合、相輔相成等發(fā)展趨向。

4 結(jié)語

智能制造裝備行業(yè)將會成為在未來科技發(fā)展之路上的一個關(guān)鍵性指導方向。我國在對智能制造裝備探究的發(fā)展歷程中，可以借鑒來自于國外一些發(fā)達國家更為先進的思想與豐富的經(jīng)驗，然后歸納探究存在的缺陷，結(jié)合當下的探究現(xiàn)狀，按照智能制造裝備未來的發(fā)展趨向，對我國智能制造裝備的發(fā)展方向進行合理的變動。在工業(yè)4.0的背景下，充分考慮工業(yè)機器人的應(yīng)用前景，思考并且精準定位企業(yè)對機器人相關(guān)技能的要求，同時聯(lián)合制造業(yè)、系統(tǒng)集成企業(yè)的要求，制定出切合要求的人才培養(yǎng)策略。結(jié)合工作崗位的實質(zhì)需求，推廣出口即入口的教育體系，培育出企業(yè)迫切需要、匱乏的人才。與此同時，與知名企業(yè)加強合作，構(gòu)建優(yōu)勢互補，彼此增進的校企一體化模式，滿足企業(yè)智能化的需求。智能制造技術(shù)在當前的時代成為制造業(yè)的主力軍、主旋律、主潮流，獲得了越來越多的人的提倡，發(fā)展趨勢蒸蒸日上。