智能為制造發(fā)展注入新動能

文/陸龍生 粱瀾之 趙異荷

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是一個(gè)國家綜合實(shí)力和國際競爭力的綜合體現(xiàn)。特別是金融危機(jī)以來，大多數(shù)發(fā)達(dá)國家紛紛加快工業(yè)布局，制定振興制造業(yè)的國家戰(zhàn)略，重點(diǎn)發(fā)展智能制造，搶占制造業(yè)未來的制高點(diǎn)。

一、智能制造的定義

智能制造是工業(yè)中典型的學(xué)科交叉問題，涉及計(jì)算機(jī)、機(jī)械、傳感、控制等諸多技術(shù)領(lǐng)域。我國工信部對于智能制造（intelligent manufacturing，IM）給出了一個(gè)較為全面的描述性定義：智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。智能制造，就是在傳統(tǒng)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，使得生產(chǎn)設(shè)備可以在沒有人工干預(yù)的環(huán)境下，不但能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化，還能根據(jù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化生產(chǎn)流程、監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量，在完成生產(chǎn)時(shí)還能實(shí)現(xiàn)自動的產(chǎn)品分裝與倉儲管理。

智能制造雖然是智能與制造的相輔相成協(xié)同工作，但是制造是中心要素，是制造依靠人工智能、信息技術(shù)等尋求產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展，從而進(jìn)入新的形態(tài)。中國工程院院士周濟(jì)指出，智能制造作為制造業(yè)和信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，從其演進(jìn)發(fā)展可總結(jié)出三種范式，包括數(shù)字化制造、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”（數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制造）和新一代智能制造（數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造）。我國制造業(yè)正處于從傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)階段向初步智能制造階段發(fā)展的過渡期，或者可以說正處于智能制造的初級階段。隨著傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，使裝備了高端智能傳感器的設(shè)備能快速、準(zhǔn)確地獲得生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與決策層之間也能快速傳輸，做到實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)通信、實(shí)時(shí)決策，加速提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，機(jī)械臂與機(jī)器人、自動導(dǎo)航運(yùn)輸車輛、協(xié)同生產(chǎn)車間等應(yīng)運(yùn)而生，從而減少了人工操作，提升了生產(chǎn)效率，同時(shí)也更容易保障生產(chǎn)質(zhì)量。信息技術(shù)與制造加工的融合，使生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動、設(shè)備互聯(lián)和自動化加工的功能，進(jìn)而產(chǎn)生了智能制造的概念。

二、智能制造的發(fā)展

世界上主要的發(fā)達(dá)國家從18世紀(jì)中后期開始工業(yè)革命，逐漸擺脫了傳統(tǒng)的手工作業(yè)模式，使人類走進(jìn)了機(jī)器時(shí)代。19世紀(jì)末，西方國家依靠工業(yè)革命帶來的社會發(fā)展，又將機(jī)器帶入了電氣化時(shí)代，并形成了較為完備的工業(yè)體系，進(jìn)而在20世紀(jì)中期進(jìn)一步演化出了制造業(yè)的信息化。本世紀(jì)的金融危機(jī)以及新冠疫情導(dǎo)致世界各國制造業(yè)面臨著需求萎縮、生產(chǎn)成本高企等困境，同時(shí)客戶需求趨向定制化，生產(chǎn)過程能耗控制更為嚴(yán)格，這一系列的挑戰(zhàn)倒逼制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級?？上驳氖?，隨著自動化、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的興起，制造業(yè)逐漸走向了智能化的時(shí)代（見圖1）。世界主要經(jīng)濟(jì)體大力推行工業(yè)轉(zhuǎn)型布局，制定利用信息技術(shù)提升制造業(yè)技術(shù)能力的國家戰(zhàn)略，如美國的“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃”、德國的“工業(yè)4.0”、日本的“科技工業(yè)聯(lián)盟”、英國的“工業(yè)2050戰(zhàn)略”。

圖1 制造業(yè)的發(fā)展階段

智能化是制造強(qiáng)國發(fā)展的必然選擇，是時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物。當(dāng)前，我國制造業(yè)正逐步走出“三來一補(bǔ)”、勞動力密集的低附加值時(shí)期。隨著人民生活水平提高、勞動力成本攀升，制造業(yè)需要更加高效的生產(chǎn)模式。因此，各級政府和企業(yè)設(shè)立了大量的科技專項(xiàng)，不斷投入人力、物力和財(cái)力，推動我國工業(yè)科技研發(fā)實(shí)力也逐漸走到了世界前列。如我國新一代信息技術(shù)處于世界先進(jìn)水平：在電子商務(wù)和智能支付等應(yīng)用領(lǐng)域，我國處于世界領(lǐng)先水平；在通信技術(shù)領(lǐng)域前瞻性研究方面，我國與世界同步；在人工智能技術(shù)領(lǐng)域，我國被列為世界最領(lǐng)先的3個(gè)國家之一。然而，我國智能制造業(yè)發(fā)展也面臨大量挑戰(zhàn)：智能制造的關(guān)鍵裝備與核心零部件國產(chǎn)化率不高，高端裝備、精密測量技術(shù)、智能控制技術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)制造軟件等對國外的依存度比較高，還面臨著一系列“卡脖子”技術(shù)瓶頸需要攻克。

三、智能制造的組成

智能制造在實(shí)際應(yīng)用中主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、執(zhí)行層和應(yīng)用層。感知層主要使用智能傳感器、射頻識別技術(shù)（RFID）和機(jī)器視覺等傳感和數(shù)據(jù)采集技術(shù)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工件數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；網(wǎng)絡(luò)層中，運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)等技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再提交到執(zhí)行層；執(zhí)行層中的機(jī)器人、智能機(jī)床、自動化產(chǎn)線等關(guān)鍵設(shè)備根據(jù)數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行生產(chǎn)加工；在應(yīng)用層中，智能制造提供了系統(tǒng)集成以及自動化生產(chǎn)解決方案，構(gòu)建自動化生產(chǎn)以及智能工廠的基本框架，實(shí)現(xiàn)了感知層、網(wǎng)絡(luò)層、執(zhí)行層和應(yīng)用層之間互聯(lián)互通和實(shí)時(shí)的信息交互。隨著智能傳感的發(fā)展，目前的高端數(shù)控機(jī)床、關(guān)鍵零部件以及生產(chǎn)工件都具有一定的數(shù)據(jù)采集能力，相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過在線上或線下進(jìn)行處理分析，再反饋到?jīng)Q策層。在決策管理層上，生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)（MES）、資源計(jì)劃管理系統(tǒng)（ERP）等系統(tǒng)模塊都有了廣泛應(yīng)用。然而，值得注意的是，目前人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與決策層之間的信息通道并未完全打通，無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的完全互聯(lián)以及實(shí)時(shí)交互，因此，制造業(yè)還需要繼續(xù)在數(shù)字孿生、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘分析、云計(jì)算與邊緣計(jì)算等信息技術(shù)領(lǐng)域拓展研究，從而實(shí)現(xiàn)具備生產(chǎn)智能化、裝備智能化、工件智能化、管理智能化和服務(wù)智能化等五大典型特征的功能。

（1）生產(chǎn)智能化。傳統(tǒng)制造業(yè)中信息空間與物理空間的交互存在滯后性，無法滿足生產(chǎn)柔性化的需要。隨著智能制造時(shí)代的到來，生產(chǎn)方式將由傳統(tǒng)的大批量、共性化轉(zhuǎn)變?yōu)樾∨?、定制化。加工過程的高度自動化、柔性化，所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、透明化，可以實(shí)現(xiàn)高度靈活的服務(wù)型制造以及云端制造。

（2）裝備智能化。在智能工廠中，生產(chǎn)裝備借助超寬帶、現(xiàn)場總線等無線和有線通信技術(shù)以及機(jī)器對機(jī)器（M2M）通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管理端與制造端之間實(shí)時(shí)高效的互聯(lián)互通，從而保證生產(chǎn)訂單的及時(shí)響應(yīng)與制造信息的及時(shí)反饋，極大程度提高生產(chǎn)效率。

（3）工件智能化。在生產(chǎn)過程中，運(yùn)用射頻識別標(biāo)簽、條形碼等對每一個(gè)工件進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)工件的可識別、可定位、可管理。同時(shí)，利用數(shù)字孿生技術(shù)將工件的結(jié)構(gòu)、功能、狀態(tài)、行為映射到虛擬空間中，實(shí)現(xiàn)工件全鏈條、全要素信息可追溯。

（4）管理智能化。傳統(tǒng)制造業(yè)中，人、工件、設(shè)備、系統(tǒng)往往是相對獨(dú)立的，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及智能傳感技術(shù)，企業(yè)內(nèi)部可以消除“信息孤島”，各個(gè)層級實(shí)時(shí)互聯(lián)，工件與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)高效互通與共享，管理者可以很方便地調(diào)用生產(chǎn)制造過程中的核心數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)反饋、自主決策、人機(jī)信息交互、智能管理。

（5）服務(wù)智能化。利用大數(shù)據(jù)及云計(jì)算技術(shù)，對歷史訂單、用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與挖掘，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、智能算法等新興信息處理工具提取關(guān)鍵特征信息，組建用戶需求偏好數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)用戶需求的高效準(zhǔn)確識別與滿足。

四、智能制造在廣東的典型應(yīng)用

廣東作為中國制造業(yè)大省，擁有門類全、規(guī)模大、技術(shù)水平先進(jìn)的制造產(chǎn)業(yè)體系。在定制化工廠、新能源汽車等行業(yè)，廣東已開始不斷應(yīng)用智能傳感、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘分析、云計(jì)算等信息技術(shù)，部分智能制造產(chǎn)業(yè)已處于全國前列，“三無一機(jī)”（無人車、無人機(jī)、無人船、機(jī)器人）就是廣東典型的智能制造應(yīng)用。

（1）無人車。隨著智能傳感的發(fā)展，車輛可采集到廣泛的數(shù)據(jù)，并通過高性能計(jì)算處理芯片、控制器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一定程度的自主控制。廣州小鵬汽車的智能導(dǎo)航輔助駕駛（NGP）系統(tǒng)通過搭配攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器、高精地圖、高速計(jì)算以及自主研發(fā)的軟件平臺，實(shí)現(xiàn)了L2級別的駕駛輔助。

（2）無人機(jī)。我國的民用無人飛行器發(fā)展迅速，特別是深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司和廣州億航智能技術(shù)有限公司等企業(yè)在全球市場占據(jù)重要地位。無人飛行器可以對通過智能傳感和機(jī)器視覺技術(shù)獲取大量飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤、主動避障和路徑規(guī)劃等功能。5G技術(shù)的加入，使無人機(jī)可以在更廣闊的范圍內(nèi)進(jìn)行無線連接操作。

（3）無人船。珠海云洲智能科技股份有限公司推出的5G無人船是世界第一批搭載5G通信技術(shù)的無人船。智能控制技術(shù)的發(fā)展使得無人船可以實(shí)現(xiàn)航徑規(guī)劃、自主避障等功能，5G技術(shù)的加持使其可以保證遠(yuǎn)程操控的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，從而完成復(fù)雜水域的水文探測、救援等功能。

（4）機(jī)器人。廣州瑞松智能科技股份有限公司、廣州啟帆工業(yè)機(jī)器人有限公司等企業(yè)對伺服控制系統(tǒng)、高敏傳感器與制動器、機(jī)器視覺、諧波減速器等機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與零部件進(jìn)行攻關(guān)，研發(fā)的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)并預(yù)測故障，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量。

五、智能制造的未來

未來，智能制造將面向通用體系建設(shè)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、智慧設(shè)計(jì)、人工智能、可持續(xù)性等方向繼續(xù)發(fā)展。由于智能制造是機(jī)械、電子、材料、控制等多學(xué)科交叉的系統(tǒng)級應(yīng)用，智能制造體系建設(shè)有助于為企業(yè)提供指引以及標(biāo)準(zhǔn)化。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）到虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式將進(jìn)化到智慧時(shí)代，計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等技術(shù)與物理智能模型系統(tǒng)通過3D打印、信息物理系統(tǒng)和AR等技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。工業(yè)4.0中，智能裝備主要通過機(jī)器人、機(jī)械臂等設(shè)備的幫助，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳感和傳動，通過大數(shù)據(jù)驅(qū)動，未來可以實(shí)現(xiàn)具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的生產(chǎn)加工能力，提升加工效率。

可持續(xù)性發(fā)展也是智能制造需要關(guān)注的重點(diǎn)。數(shù)字孿生驅(qū)動可持續(xù)智能制造平臺可以進(jìn)一步整合企業(yè)間的價(jià)值鏈，形成新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，其框架如圖2所示。其中，基礎(chǔ)平臺映射為可持續(xù)智能制造裝備、可持續(xù)智能制造系統(tǒng)、可持續(xù)智能制造服務(wù)，三者相互支持運(yùn)行。智能制造設(shè)備具有傳感、分析、推理和控制功能，可映射到虛擬和物理原型。智能制造系統(tǒng)是涵蓋自動化生產(chǎn)、裝備制造執(zhí)行、企業(yè)資源管理三大系統(tǒng)的總成。智能制造服務(wù)面向產(chǎn)品生命的全周期。

圖2 數(shù)字孿生驅(qū)動的可持續(xù)智能制造構(gòu)架

智能制造的發(fā)展將通過人工智能與制造技術(shù)的深入融合，智能不斷向智慧方向發(fā)展，成為智慧制造。深度融合5G通信、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從原材料、倉儲、加工到裝配、物流、服務(wù)的產(chǎn)品全壽命周期智慧化。高連接速率的5G通信、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)保證了海量的工業(yè)數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部無障礙流通，邊緣計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)將有能力整合處理大量工業(yè)數(shù)據(jù)，在人工智能技術(shù)的加持下，智能制造走向智慧規(guī)劃、智慧決策。