智能制造淺談

1.智能制造的時代背景

進(jìn)入新時代，國家確定并全力推進(jìn)“制造強(qiáng)國戰(zhàn)略”， 加快建設(shè)制造強(qiáng)國、加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，成為我國的國家戰(zhàn)略，新中國成立70多年來，特別是改革開放40多年來，中國制造業(yè)取得了偉大的歷史性成就，走出了一條中國特色工業(yè)化發(fā)展道路。但目前我國制造業(yè)大而不強(qiáng)，面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在自主創(chuàng)新能力還不強(qiáng)；有些產(chǎn)品質(zhì)量問題還比較突出；部分企業(yè)勞動生產(chǎn)率低下。因此迫切需要對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級。同時在國際大背景下：美國、德國、法國及日本等國家相繼提出工業(yè)制造振興計(jì)劃。

智能制造是制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的根本動力，它將成為我國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的核心驅(qū)動力和內(nèi)在需求。我國需要創(chuàng)新發(fā)展以保證在國際上的競爭力，因此“加快建設(shè)制造強(qiáng)國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)”，已經(jīng)成為我國當(dāng)下重要的國家戰(zhàn)略。

2.如何理解智能制造

1）何謂“智能”

智能一詞在我國古代的《荀子·正名篇》中講到：“所以知之在人者謂之知，知有所合謂之智。所以能之在人者謂之能，能有所合謂之能”。其中，“智”指進(jìn)行認(rèn)識活動的某些心理特點(diǎn)，“能”則指進(jìn)行實(shí)際活動的某些心理特點(diǎn)，東漢王充更是提出了“智能之士”的概念，《論衡·實(shí)知篇》中講到：“故智能之士，不學(xué)不成，不問不知”；“人才有高下，知物由學(xué)，學(xué)之乃知，不問不識?！彼选叭瞬拧焙汀爸悄苤俊毕嗵岵⒄?，認(rèn)為人才就是具有一定智能水平的人，其實(shí)質(zhì)就在于把智與能結(jié)合起來作為考察人的標(biāo)志。

世界著名教育心理學(xué)家霍華德·加德納于1983年在其《智能的結(jié)構(gòu)》一書中首次提出多元智能理論，認(rèn)為人類的智能可以分成七個范疇：語言 (Verbal/Linguistic) 、邏輯 (Logical/Mathematical) 、空間 (Visual/Spatial) 、肢體運(yùn)作 (Bodily/Kinesthetic) 、音樂 (Musical/Rhythmic) 、人際 (Inter-personal/Social) 以及內(nèi)省 (Intra-personal/Introspective)。

圖1 人類的智能

2）何謂“制造”：制造是把原材料加工成適用的產(chǎn)品制作，或?qū)⒃牧霞庸こ善魑锏倪^程。

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能模仿人類智能進(jìn)行諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等活動過程。通過人與智能機(jī)器的合作共事，去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新，擴(kuò)展到柔性化、智能化和高度集成化。

圖2   智能機(jī)器和人類專家共同組成智能系統(tǒng)

3.人類發(fā)展與制造密不可分

可以說人類要生存與發(fā)展就必須要進(jìn)行生產(chǎn)制造，通過生產(chǎn)制造活動獲得人類必需的生產(chǎn)與生活資料，維持人類的生存、繁衍與發(fā)展，而人類從事生產(chǎn)制造活動就需要使用工具，一部人類社會的發(fā)展史就是一部人類使用工具的發(fā)展史，從200多萬年前，人類就會制造和使用工具，從石器時代、到青銅器時代、再到鐵器時代，這種主要依靠人力和畜力為主要動力并使用簡易工具的生產(chǎn)系統(tǒng)一直持續(xù)了百萬多年。人類在使用工具，同時人類又在使用工具來加工制造工具。人制造工具并利用工具來改造自然，獲得滿足人類自身生存與發(fā)展需要的生產(chǎn)和生活資料。

圖3 人類發(fā)展與制造密不可分

生產(chǎn)力是人們征服自然、改造自然以獲得物質(zhì)生活資料的能力，是人們改造自然的物質(zhì)力量，它表示的是生產(chǎn)中人對自然界的關(guān)系，生產(chǎn)力的發(fā)展程度決定人們的生活水平，好的生活是人們發(fā)展生產(chǎn)力的目標(biāo)和動力。生產(chǎn)力三要素包括以生產(chǎn)工具為主的勞動資料，引入生產(chǎn)過程的勞動對象以及具有一定生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與勞動技能的勞動者。

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科技的發(fā)展改變了生產(chǎn)技術(shù)和勞動工具，并使勞動者的素質(zhì)和技能不斷提高，人類在使用工具的過程中一直在不斷追求創(chuàng)新發(fā)展，不斷解放人類自身，通過生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，勞動者素質(zhì)和技能的不斷提高，勞動手段的不斷改進(jìn)，來提高勞動生產(chǎn)率，以便在人類社會的生存競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

以蒸汽機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志的動力革命引發(fā)了第一次工業(yè)革命，第一次工業(yè)革命是18世紀(jì)60年代從英國發(fā)起的技術(shù)革命，是技術(shù)發(fā)展史上的一次巨大革命，它開創(chuàng)了以機(jī)器代替手工勞動的時代。

圖4 不同工業(yè)階段的技術(shù)應(yīng)用案例

以電機(jī)的發(fā)明為標(biāo)志的動力革命引發(fā)了第二次工業(yè)革命，以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)運(yùn)用為標(biāo)志的第三次工業(yè)革命，人類不斷發(fā)明、創(chuàng)造與改進(jìn)各種動力機(jī)器并使用它們來制造各種工業(yè)品，這種由人和機(jī)器所組成的制造系統(tǒng)大量替代了人的體力勞動，大大提高了制造的質(zhì)量和效率，社會生產(chǎn)力得以極大提高。目前數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合形成的智能制造技術(shù)，特別是新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)，深度融合所形成的新一代智能制造技術(shù)，將成為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，成為了第四次工業(yè)革命的核心驅(qū)動力。

圖5 工業(yè)革命發(fā)展階段

2012年通用電氣提出，倡導(dǎo)將人、機(jī)器以及數(shù)據(jù)連接起來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0相比較，更加注重網(wǎng)絡(luò)、軟件和大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通訊，控制，計(jì)算的融合。由智能設(shè)備，智能系統(tǒng)和智能決策組成。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為智能制造提供技術(shù)支撐，智能制造支撐企業(yè)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。

圖6 先進(jìn)的制造技術(shù)

4.信息物理系統(tǒng)（CPS--Cyber Phsical System)

信息物理系統(tǒng)是使用數(shù)字化技術(shù)，將物理實(shí)體抽象為數(shù)字對象，通過應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能實(shí)現(xiàn)對象間的通訊與控制，信息物理系統(tǒng)中的軟件應(yīng)用可以直接與真實(shí)世界互動。智能環(huán)境下的信息物理系統(tǒng)是基于通訊技術(shù)將智能機(jī)器、倉儲系統(tǒng)以及生產(chǎn)設(shè)備的電子化融合到整個網(wǎng)絡(luò)中，涵蓋內(nèi)部物流、生產(chǎn)、市場銷售、外部物流以及延伸服務(wù)，并使得他們之間可以互相獨(dú)立的信息交換、進(jìn)程控制、觸發(fā)行動等，以此達(dá)到全部生產(chǎn)過程的智能化，從而將資源、信息、物體以及人緊密的聯(lián)系在一起，進(jìn)而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及服互聯(lián)網(wǎng)，并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€智能環(huán)境，這是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。

信息物理系統(tǒng)是一個綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通訊與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時協(xié)同，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。真實(shí)物理世界與虛擬信息世界是雙向交互的，兩者通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相互交換信息。

圖7 信息物理系統(tǒng)

5.智能工廠

工廠又稱制造廠，它是對原材料實(shí)施加工生產(chǎn)各單元的集合體，大部分工廠都擁有以大型機(jī)器或設(shè)備構(gòu)成的生產(chǎn)線。工廠體現(xiàn)了生產(chǎn)力水平，工廠里有勞動者（工廠員工），生產(chǎn)資料（機(jī)器工具等），勞動對象（加工材料）。因此，若提高生產(chǎn)力水平需要提高工廠制造效率和科技水平。在工廠組織生產(chǎn)過程中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人類部分腦力勞動被機(jī)器取代，計(jì)算機(jī)能夠模仿人的思維方式進(jìn)行條件判斷、數(shù)據(jù)分析、資源管理、調(diào)度決策等行為。

在智能制造系統(tǒng)中，人類與機(jī)器之間的關(guān)系不是對立的，而是相互合作，共同協(xié)作，從而建立高度柔性的智能系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)不是簡單的人工智能系統(tǒng)，而是在人工智能的輔助下，人與機(jī)器和諧相處，各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢，其中人依然是整個過程的核心。

智能制造系統(tǒng)的關(guān)鍵體現(xiàn)在智能工廠，智能工廠具有自律、自組織、采集數(shù)據(jù)并分析，對特定條件下的生產(chǎn)情形進(jìn)行判斷和邏輯推理。可采集底層數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行詳細(xì)分析，還可針對特定條件下的生產(chǎn)情形進(jìn)行判斷和邏輯推理。 同時通過三維模型可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界的無縫融合，將仿真融入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過程中。

智能工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的前提與基礎(chǔ)，它在組成上主要分為三大部分，在企業(yè)層對產(chǎn)品研發(fā)和制造準(zhǔn)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，與ERP進(jìn)行集成，建立統(tǒng)一的頂層研發(fā)制造管理系統(tǒng)。管理層、操作層、控制層、現(xiàn)場層通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)管理到工業(yè)網(wǎng)底層的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，滿足管理生產(chǎn)過程、監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場執(zhí)行，采集現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備和物料數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)要求。

圖8 智能工廠層次結(jié)構(gòu)

其中，制造執(zhí)行系統(tǒng) (manufacturing execution system， 簡稱MES)起著聯(lián)接計(jì)劃管理層與現(xiàn)場控制層的作用，制造執(zhí)行系統(tǒng)是美國AMR公司(Advanced Manufacturing Research，Inc．)在上世紀(jì)90年代初提出的，旨在加強(qiáng)企業(yè)計(jì)劃層的執(zhí)行功能，它把企業(yè)計(jì)劃層同工廠車間作業(yè)現(xiàn)場控制層，通過執(zhí)行層聯(lián)系起來?，F(xiàn)場控制層包括PLC程控器、數(shù)據(jù)采集器、條型碼、各種計(jì)量及檢測儀器、機(jī)械手等。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）設(shè)置了必要的接口，與提供生產(chǎn)現(xiàn)場控制設(shè)施的廠商建立合作關(guān)系，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）能夠幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量管理、車間庫存管理、項(xiàng)目看板管理等，提高企業(yè)制造執(zhí)行能力。

圖9 智能工廠內(nèi)的信息系統(tǒng)

圖10 智能工廠內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通過信息物理系統(tǒng)將工廠計(jì)劃層、執(zhí)行層、控制層以及現(xiàn)場設(shè)備層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，形成了工業(yè)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

圖11 工業(yè)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

利用計(jì)算機(jī)通訊和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為多種維度和視角來視察與利用工業(yè)數(shù)據(jù)提供可能。在智能工廠里需要利用各種傳感器探測、采集被檢系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，將收集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效信息轉(zhuǎn)換以及信息傳輸。

圖12 數(shù)據(jù)采集

依據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)對產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行在線監(jiān)控并對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作，由于每天有大量的工業(yè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生，企業(yè)管理層可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對性的分析處理。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、模型預(yù)測以及可視化技術(shù)等優(yōu)化工藝流程，為企業(yè)管理層提供決策指導(dǎo)。

圖13 企業(yè)管理決策

利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以對工廠設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，工程人員通過Internet 遠(yuǎn)程接入設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象的維護(hù)和調(diào)試，利用設(shè)備程序和過程模型進(jìn)行模擬仿真，完成現(xiàn)場安裝之前大部分的調(diào)試工作。

總之，人類通過科技革命不斷解放人類自己，智能制造是生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求，智能制造的關(guān)鍵體現(xiàn)在智能工廠，而智能工廠的信息化、數(shù)字化與智能化必將進(jìn)一步提升未來工廠的價值。