智能制造的意義、技術(shù)與實現(xiàn)

朱劍英

（南京航空航天大學(xué)，江蘇南京 210016）

1 美國依靠什么控制全世界

是她的價值觀?是她的軍隊?還是她的跨國公司?都不是!那么到底是靠什么呢?是靠高新科學(xué)技術(shù)!當(dāng)前，主要是靠智能化高新科學(xué)技術(shù)，特別是智能化信息科學(xué)技術(shù)!只要看看歷屆美國總統(tǒng)親自主持的國家科技發(fā)展戰(zhàn)略計劃便可確信上述結(jié)論。

1.1 曼哈頓工程

1941年12月7日珍珠港事件爆發(fā)。1942年6月美國原子彈研制計劃正式開始，總部開始設(shè)在紐約曼哈頓區(qū)，因此叫“曼哈頓計劃”。該工程利用核裂變技術(shù)來研制原子彈。動員了10萬多科技人員參加，歷時3年，耗資20億美元，于1945年7月16日成功地進(jìn)行了世界上第一次核爆炸，并迅速制造出了兩顆原子彈，于1945年8月6日和9日分別投擲在日本的廣島和長崎，造成總計達(dá)30多萬人的死傷，迫使日本法西斯投降，最終結(jié)束了二戰(zhàn)?！奥D計劃”的成功，使美國人認(rèn)識到，在美國總統(tǒng)主持下，靠高新科學(xué)技術(shù)可以確保美國的霸主地位。

1.2 阿波羅計劃

即美國太空和登月計劃。美國從1961年開始研究載人登月計劃，1969年7月16日，巨大的“土星5號”火箭，載著“阿波羅11號”飛船，從美國肯尼迪角發(fā)射場點火升空，開始了人類首次登月的太空征程。美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗、埃德溫·奧爾德林、邁克爾·科林斯駕駛著阿波羅11號宇宙飛船跨過38萬千米的征程，承載著全人類的夢想踏上了月球表面。這確實是一個人的小小一步，實現(xiàn)了整個人類的偉大一步。工程歷時約11年，耗資255億美元，先后完成6次登月飛行，把12人送上月球并安全返回地面。參加工程的有2萬家企業(yè)、200多所大學(xué)和80多個科研機構(gòu)，總?cè)藬?shù)超過30萬人。阿波羅計劃不僅實現(xiàn)了美國趕超蘇聯(lián)的政治目的，還帶動了20世紀(jì)60、70年代美國和全世界計算機技術(shù)、通信技術(shù)、測控技術(shù)、火箭技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)等高新技術(shù)的全面發(fā)展，把科技整體水平提高到了一個全新的高度。在經(jīng)濟方面，據(jù)統(tǒng)計，在阿波羅計劃上投入的每1美元平均帶來了5美元左右的效益。阿波羅計劃為美國走向巨無霸地位奠定了更堅實的基礎(chǔ)。

1.3 星球大戰(zhàn)計劃

即在太空部署反彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)。名為“反彈道導(dǎo)彈”，實為部署“彈道導(dǎo)彈”。1983年3月23日，美國前總統(tǒng)里根發(fā)表了充滿血腥味的“星球大戰(zhàn)”演說，首次對外宣稱“21世紀(jì)將在太空建立戰(zhàn)略防御系統(tǒng)”。1985年1月4日美國正式向全世界宣布:美國將在太空或地面部署以定向能（激光、粒子束、微波等）武器為主、包括攻擊衛(wèi)星、反彈道導(dǎo)彈的多層綜合防御系統(tǒng)，攔截并摧毀襲擊美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈。這一計劃就是“星球大戰(zhàn)計劃”。美國總共動員了1萬多名科學(xué)家參與此計劃，全部耗費為1萬億美元，到20世紀(jì)末要建成整個防御系統(tǒng)（可能沒有建成）。此項計劃的目的是徹底拖垮蘇聯(lián)（已經(jīng)實現(xiàn)），推動美國高技術(shù)進(jìn)步并為振興美國經(jīng)濟打下堅實的基礎(chǔ)。

1.4 信息高速公路計劃

即互聯(lián)網(wǎng)計劃。20世紀(jì)90年代初，克林頓政府將“信息高速公路”建設(shè)作為其施政綱領(lǐng)。1996年10月10日提出將當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸速度提高1001 000倍，使全球?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)，并將快速發(fā)展的信息技術(shù)及應(yīng)用作為增強美國國力和競爭力的基本手段。首先用于軍事，其次是民用。到2000年，美國信息化建設(shè)投資了大約為2 000億美元。1999年1月24日，美國副總統(tǒng)戈爾宣布，為了確保美國在信息技術(shù)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位，美國將以網(wǎng)絡(luò)化為中心，大力發(fā)展信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、超級計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和軟件技術(shù)，大大加快全球網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程，從而使互聯(lián)網(wǎng)功能，擴展到跨地域、跨國界的范圍。美國將以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制全世界。

1.5 導(dǎo)彈防御系統(tǒng)

“911”事件后，美國提出了導(dǎo)彈防御計劃。同時，美國總統(tǒng)布什宣布，美國將在2004年前在阿拉斯加部署首批陸基攔截導(dǎo)彈。在首批攔截導(dǎo)彈部署完畢之后，布什計劃在2005年或2006年再部署10枚陸基攔截導(dǎo)彈，基于美國全球雷達(dá)和感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，建立起美國的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，以對付遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的襲擊。分析人士認(rèn)為，美國進(jìn)行導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的研制，實際上是在謀求戰(zhàn)略核武器的控制地位，加強自己在全球的軍事優(yōu)勢，借此占領(lǐng)全球軍事技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的制高點。

縱觀美國的上述計劃，其戰(zhàn)略目標(biāo)不言自明，即是通過國家科技發(fā)展戰(zhàn)略計劃，依靠高新科學(xué)技術(shù)（當(dāng)前特別是依靠智能化信息科學(xué)技術(shù)），實現(xiàn)其軍事、科技、經(jīng)濟、社會的全面發(fā)展，并以無與倫比的軍事優(yōu)勢（軍事裝備）控制全球。

2 21世紀(jì)中心科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移的趨勢

科學(xué)技術(shù)門類繁多，但在一個時期，只有一類科學(xué)技術(shù)是中心科學(xué)技術(shù)。這一類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不但成為經(jīng)濟社會發(fā)展的動力源，而且也帶動了其他門類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。各行各業(yè)只有大力應(yīng)用中心科學(xué)技術(shù)，并圍繞中心科學(xué)技術(shù)開展自己的業(yè)務(wù)活動，才能得到發(fā)展。

2.1 當(dāng)前的中心科學(xué)技術(shù)是信息科學(xué)技術(shù)

目前是其發(fā)展的高峰期，預(yù)計其中心科學(xué)技術(shù)的地位至少還可持續(xù)30年。

2.2 下一個中心科學(xué)技術(shù)將是生命科學(xué)技術(shù)

現(xiàn)在已非常注重其發(fā)展與應(yīng)用，原因很簡單，因為人最寶貴的就是生命。預(yù)計21世紀(jì)40年代開始會逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹行目茖W(xué)技術(shù)。

2.3 再下一個中心科學(xué)技術(shù)將是認(rèn)知科學(xué)技術(shù)

現(xiàn)在智能化趨勢已顯露，智能手機、智能機器、智能電器、智能交通、智能大廈……比比皆是。但是人類智能的秘密遠(yuǎn)未解開，在人類智能還不清楚的情況下，任何“智能機器”或“機器智能”都不是真正意義上的。預(yù)計認(rèn)知科學(xué)技術(shù)在21世紀(jì)下半葉開始將會成為中心科學(xué)技術(shù)（圖 1）。

圖1 本世紀(jì)中心科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移的趨勢

雖然智能科學(xué)技術(shù)現(xiàn)在還不是中心科學(xué)技術(shù)，但智能化已是所有高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向，特別是制造業(yè)信息化的發(fā)展方向。所有現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品智能化以后都大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的品質(zhì)與價值，因此認(rèn)知科學(xué)技術(shù)的中心地位很可能會提前來到。

預(yù)測科學(xué)發(fā)展趨勢是一件很困難的工作，只能根據(jù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來推斷其未來的發(fā)展，所以以上的預(yù)測只能供作參考。

3 制造技術(shù)是所有科學(xué)技術(shù)的實現(xiàn)技術(shù)

3.1 產(chǎn)業(yè)革命源于技術(shù)革命，技術(shù)革命源于科學(xué)突破

18世紀(jì)60年代，由于近代力學(xué)、熱力學(xué)的突破，促進(jìn)了蒸汽技術(shù)的發(fā)展和蒸汽機的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了第一次產(chǎn)業(yè)革命產(chǎn)生。19世紀(jì)70年代，電磁理論的突破，促進(jìn)了電力技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，導(dǎo)致了第二次產(chǎn)業(yè)革命產(chǎn)生。二戰(zhàn)以后，相對論、量子力學(xué)、半導(dǎo)體物理、計算機科學(xué)、通信科學(xué)、控制論、生物科學(xué)、智能科學(xué)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)理論的突破，導(dǎo)致原子技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、能源技術(shù)、空間技術(shù)、制造技術(shù)及一系列高新技術(shù)的發(fā)展，正孕育著第三次產(chǎn)業(yè)革命。

3.2 科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的關(guān)系

科學(xué)、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的關(guān)系是相互聯(lián)系相互促進(jìn)的關(guān)系，是理論與實踐的關(guān)系。這些關(guān)系中的紐帶和橋梁就是制造。鄧小平指出:“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。但一切科學(xué)技術(shù)只有通過制造技術(shù)才能成為現(xiàn)實的生產(chǎn)力，沒有制造技術(shù)，科學(xué)技術(shù)只能是潛在的生產(chǎn)力。制造技術(shù)是所有科學(xué)技術(shù)的實現(xiàn)技術(shù)（圖2）。

圖2 制造技術(shù)是所有科學(xué)技術(shù)的實現(xiàn)技術(shù)

4 NBICM技術(shù)將會引發(fā)一場新的產(chǎn)業(yè)革命

2001年12月3-4日，美國商務(wù)部技術(shù)管理局、國家科學(xué)基金會（NSF）、國家科學(xué)技術(shù)委員會納米科學(xué)工程與技術(shù)分委會（NSTC－NSEC）在華盛頓聯(lián)合發(fā)起了一次有科學(xué)家、政府官員等各界頂級人物參加的圓桌會議，會議就“匯聚四大技術(shù)，提升人類能力”這一議題進(jìn)行了研討，并首次提出了“NBIC匯聚技術(shù)”的概念。

NBIC是Nano－Technology（納米技術(shù)），Bio－Technology（生物技術(shù)），Information Technology（信息技術(shù)）和Cognitive Science（認(rèn)知科學(xué)）四個英文字的打頭字母的聯(lián)式。

由于制造技術(shù)是任何高新技術(shù)的實現(xiàn)技術(shù)，只有通過制造，科學(xué)技術(shù)才能從潛在的生產(chǎn)力變成現(xiàn)實的生產(chǎn)力。筆者認(rèn)為，從可實現(xiàn)的意義上看，匯聚技術(shù)中應(yīng)包含有先進(jìn)制造技術(shù)。亦即，匯聚技術(shù)是指用先進(jìn)制造技術(shù)將納米技術(shù)（包括微/納機電系統(tǒng)，MEMS/NEMS）、生物技術(shù)（包括生命科技、生物制藥及基因工程）、信息技術(shù)（包括先進(jìn)計算機、網(wǎng)絡(luò)及通信）、認(rèn)知科學(xué)（包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)）匯聚、協(xié)同和融合起來，并最終制造出產(chǎn)品的綜合交叉技術(shù)。這樣，以上五種技術(shù)的簡化英文聯(lián)式就成為:Nano－Bio－Info－Cogn－Manuf，縮寫為 NBICM。

以上五個領(lǐng)域的技術(shù)，當(dāng)前都在迅速發(fā)展，每一個領(lǐng)域都潛力巨大。而其中任何技術(shù)的兩兩融合、三種匯聚或者四者集成，都將產(chǎn)生難以估量的效能。

NBICM匯聚技術(shù)，代表著研究與開發(fā)的新的前沿領(lǐng)域，其發(fā)展將顯著改善人類生命品質(zhì)，提升和擴展人的技能，人類將在納米尺度的物質(zhì)層次上重新認(rèn)識和改造世界以及人類自身，甚至可以以原子或分子為起點來診斷和修復(fù)自身與世界。

五大前沿技術(shù)的融合還將締造全新的研究思路和全新的經(jīng)濟模式，將大大提高整個社會的創(chuàng)新能力和社會生產(chǎn)力水平，社會可大幅度地減少資源與能源的消耗，因而減少生態(tài)環(huán)境的破壞與污染。各類組織在快速可靠地溝通信息的基礎(chǔ)上，使管理效率大大提高。國家將擁有威力強大的武器裝備、免受攻擊的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的指揮系統(tǒng)，使國家安全大大增強。

總而言之，NBICM匯聚技術(shù)將會引發(fā)一場新的產(chǎn)業(yè)革命，為未來的發(fā)展提供巨大的機遇，不斷創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)、新的市場、新的生活、新的文化、新的進(jìn)步，實現(xiàn)科技與經(jīng)濟發(fā)展的新突破，并將人類社會帶入創(chuàng)新與繁榮的新時代。

5 智能制造系統(tǒng)的特征

5.1 關(guān)于人類智能行為的標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及現(xiàn)代經(jīng)濟社會的巨大進(jìn)步展現(xiàn)了許多開放的、智能化的、復(fù)雜巨型系統(tǒng)，也為系統(tǒng)科學(xué)的研究提出了如何使系統(tǒng)智能化的新問題。具有（部分具有）人類智能或能模擬（部分模擬）人類智能的系統(tǒng)稱為智能系統(tǒng)。智能系統(tǒng)可以分成下列幾種類型:

1）人類本身的人體系統(tǒng)，特別是人腦系統(tǒng);

2）人類以其智能直接參與活動的系統(tǒng)，如金融系統(tǒng)、保險系統(tǒng)、體育系統(tǒng)等經(jīng)濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng);

3）人與機器共同工作的人機系統(tǒng);

4）模擬（部分模擬）人類智能的機器系統(tǒng)，如智能計算機系統(tǒng)、智能機器人系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能語言理解系統(tǒng)、智能圖像處理系統(tǒng)、智能專家系統(tǒng)等。

前兩類智能系統(tǒng)是“人本系統(tǒng)”，也就是關(guān)于人類本身的系統(tǒng);后兩類智能系統(tǒng)是“人為系統(tǒng)”，也就是人類改造自然為人類謀利益而創(chuàng)造的系統(tǒng)?！叭吮鞠到y(tǒng)”是生命科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)及社會科學(xué)研究的對象，而“人為系統(tǒng)”則是自然科學(xué)、工程科學(xué)研究的對象。當(dāng)然，要對“人本系統(tǒng)”進(jìn)行模擬，也要用到工程科學(xué)技術(shù)對“人為系統(tǒng)”的研究結(jié)果。

關(guān)于人類智能行為的標(biāo)準(zhǔn)，不同學(xué)者有不同的看法。如科學(xué)家認(rèn)為，只有按人腦的工作方式工作的機器或系統(tǒng)才能稱為智能機器或智能系統(tǒng);而工程師則認(rèn)為，不管智能實現(xiàn)的途徑是什么，只要機器或系統(tǒng)具有人腦的某些功能，就可稱為智能機器或智能系統(tǒng)。目前，人類智能的秘密尚未解開，為了促進(jìn)智能機器或智能制造系統(tǒng)的研究與發(fā)展，采納工程師的觀點有利于機械制造智能化研究工作的開展。

5.2 什么是智能制造系統(tǒng)

具有下列特征之一的機械系統(tǒng)或制造系統(tǒng)，就可稱為智能機器系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng):

1）多信息感知與融合;

2）知識表達(dá)、獲取、存儲和處理（包括識別、設(shè)計、計算、優(yōu)化、推理與決策）;

3）具有聯(lián)想記憶功能（associate memory）;

4）具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織、自維護功能;

5）具有自優(yōu)化功能（系統(tǒng)越用越好用）;

6）智能的分解與集成;

7）容錯;

8）智能控制。

智能機器系統(tǒng)或智能制造系統(tǒng)的最大優(yōu)點在于:這樣的機器或系統(tǒng)是越用越好用的。這一優(yōu)點是智能機器或系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機器或系統(tǒng)在本質(zhì)上不同的地方。大家知道，傳統(tǒng)的機器或系統(tǒng)其性能在使用中是不斷退化的。

其次，智能機器或系統(tǒng)具有容錯功能，即使環(huán)境異?；蚴褂糜绣e，智能機器或智能系統(tǒng)仍然能夠正常工作。本來，容錯是人類的高級智能，現(xiàn)在讓機器或系統(tǒng)也具有了，這樣的機器或系統(tǒng)難道還不是智能化的機器或系統(tǒng)嗎?

6 智能制造的基本技術(shù)

6.1 數(shù)字制造技術(shù)是智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)

雖然計算機從發(fā)明到現(xiàn)在已過去了半個多世紀(jì)，但計算機工作的基本原理沒有改變，其基本元件的工作邏輯還是二值邏輯，處理的信息是二值信息，計算的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

從計算機發(fā)明起，制造業(yè)一直致力于應(yīng)用計算機來進(jìn)行計算和信息處理。這種依賴于計算機二值數(shù)據(jù)和二值邏輯來工作的制造技術(shù)就稱為數(shù)字制造技術(shù)（digital manufacturing technology，DMT）。數(shù)字制造技術(shù)是制造業(yè)信息化的基礎(chǔ)，它貫穿于制造業(yè)信息化的全過程，是制造企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)和核心技術(shù)。

數(shù)字制造能夠幫助現(xiàn)代企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、提高產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計能力、優(yōu)化產(chǎn)品制造過程，提高制造資源的利用率，縮短企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，降低產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)，加快產(chǎn)品上市速度。所以數(shù)字制造技術(shù)從某種程度上看，它是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的標(biāo)志。

到目前為止，數(shù)字制造技術(shù)已發(fā)展得相當(dāng)成熟。各種計算機輔助技術(shù)和系統(tǒng)，如CAD（計算機輔助設(shè)計）/CAM（計算機輔助制造）/CAPP（計算機輔助工藝規(guī)劃）/CAT（計算機輔助檢測）/CAA（計算機輔助裝配）/CAE（計算機輔助工程）/……名目繁多、層出不窮?；跀?shù)字技術(shù)的現(xiàn)代制造系統(tǒng)模式像雨后春筍般出現(xiàn)，作者在文獻(xiàn)［4］中曾列舉了34種，近十年來在國際上又相繼出現(xiàn)了許多先進(jìn)制造模式，各種制造系統(tǒng)模式的總數(shù)可能超過了100多種，其中比較重要的制造系統(tǒng)模式有:

1）計算機輔助設(shè)計（CAD）/計算機輔助制造（CAM）/計算機輔助工程（CAE）;

2）成組技術(shù)（group technology，GT）;

3）柔性制造系統(tǒng)（flexible manufacturing system，F(xiàn)MS）;

4）準(zhǔn)時生產(chǎn)制（just in time，JIT）;

5）計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP）;

6）計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）;

7）并行工程（concurrent engineering，CE）;

8）精益生產(chǎn)（lean production，LP）;

9）敏捷制造（agile manufacturing，AM）;

10）虛擬現(xiàn)實制造（virtual reality manufacturing，VRM）;

11）增廣現(xiàn)實制造（augmented reality manufactur-ing，ARM）;

12）開放結(jié)構(gòu)制造系統(tǒng)（open architechture manufacturing system，OAMS）;

13）可重構(gòu)制造系統(tǒng)（reconfigurable manufacturing system，RCMS）;

14）生物型制造（biological manufacturing，BM）等。

盡管數(shù)字制造模式林林總總，但與其有關(guān)的共性基礎(chǔ)使能技術(shù)卻有限，這些技術(shù)就是數(shù)字制造系統(tǒng)的核心技術(shù)，主要有:

1）數(shù)字建模技術(shù);

2）曲線曲面擬合與生成技術(shù);

3）數(shù)據(jù)庫技術(shù);

4）計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù);

5）CAD/CAM技術(shù);

6）數(shù)字化協(xié)同設(shè)計制造技術(shù);

7）數(shù)字微分分析技術(shù);

8）數(shù)控插補技術(shù);

9）數(shù)控驅(qū)動技術(shù);

10）電子線路邏輯設(shè)計技術(shù);

11）數(shù)控編程技術(shù);

12）數(shù)字虛擬現(xiàn)實與模擬仿真技術(shù)等。

波音777/787飛機采用了全數(shù)字化設(shè)計制造的研制策略，所有設(shè)計、制造、裝配過程均采用數(shù)字化技術(shù)（圖3，圖4），采用并行工程方法在不同地點和部門同時展開研制，并利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行各種條件下的模擬試飛。如此，波音公司實現(xiàn)了機身和機翼一次對接成功和飛機一次上天成功，縮短研發(fā)周期40%，減少返工量50%。

圖3 波音787飛機

圖4 波音787飛機的研制策略

數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)在我國的飛機研制中也已推廣。產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)字樣機技術(shù)、數(shù)字化工藝與虛擬裝配技術(shù)等已得到了較深入的應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。我國的ARJ21飛機研制已全面采用了三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和并行工程方法，最終實現(xiàn)了大部段對接一次成功，飛機上天一次成功。

圖5 ARJ21飛機

6.2 發(fā)展中的智能制造技術(shù)

6.2.1 智能制造系統(tǒng)建模的非經(jīng)典數(shù)學(xué)方法

智能制造系統(tǒng)的基本工作原理是:基于數(shù)字制造技術(shù)，利用“知識處理”、“智能優(yōu)化”和“智能數(shù)控加工”方法，使制造系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、高質(zhì)地生產(chǎn)出理想的產(chǎn)品。它與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的根本區(qū)別在于:1）傳統(tǒng)制造系統(tǒng)處理的對象是數(shù)據(jù)，而智能制造系統(tǒng)處理的對象是知識;2）傳統(tǒng)制造系統(tǒng)處理的方法是機械的，而智能制造系統(tǒng)處理的方法是智能的;3）傳統(tǒng)制造系統(tǒng)建模的數(shù)學(xué)方法是經(jīng)典數(shù)學(xué)（微積分）方法，智能制造系統(tǒng)建模的數(shù)學(xué)方法是非經(jīng)典數(shù)學(xué)（智能數(shù)學(xué)）方法。但遺憾的是至今智能數(shù)學(xué)方法還沒有系統(tǒng)完整地建立起來。

近年來在智能制造領(lǐng)域，研究、發(fā)展和應(yīng)用的智能化建模的數(shù)學(xué)方法有:

1）專家系統(tǒng)（expert system）;

2）模式識別（patter recognition）;

3）圖論（graph theory）;

4）計算幾何（computational geometry）;

5）相似理論（similarity theory）;

6）優(yōu)化理論（optimization theory）;

7）博奕論（game theory）;

8）時間序列分析（time series analysis）;

9）小波分析（wavelet analysis）;

10）圖像處理（image processing）;

11）計算機視覺（computer vision）;

12）自然語言處理（natural language processing）;

13）知識表示（knowledge representation）;

14）啟發(fā)搜索（heuristic search）;

15）基于約束的搜索（constraint based search）;

16）可信度理論（confidence theory）;

17）定性推理（qualitative reasoning）;

18）機器學(xué)習(xí)（machine learning）;

19）機器證明（machine proving）;

20）多值邏輯（multiple logic）;

21）模糊邏輯（Fuzzy logic）;

22）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（neural network）;

23）Petri網(wǎng)絡(luò)（petri network）;

24）免疫網(wǎng)絡(luò)（immune network）;

25）遺傳算法（genetic algorithm）;

26）灰色系統(tǒng)理論（gray system theory）;

27）粗集理論（coarse set theory）;

28）蟻群算法（ant colony algorithm）;

29）人工智能（artificial intelligence）;

30）人工生命（artificial life）;

31）聯(lián)想記憶（associative memory）;

32）黑板結(jié)構(gòu)（blackboard architechture）;

33）多智能體系統(tǒng)（multiple－agent system）;

34）成組技術(shù)（group technology）;

35）并行工程（concurrent engineering）;

36）生物制造計算（biological manufacturing computation）;

37）Holonic制造計算（holonic manufacturing computation）;

38）非經(jīng)典控制論（nonclassical control theory）;

39）運籌學(xué)（operations research）;

40）系統(tǒng)工程（system engineering）;

41）模擬退火（simulated annealing）;

42）組合數(shù)學(xué)（conbinatorial mathematics）;

43）數(shù)據(jù)挖掘（data mining）;

44）海量數(shù)據(jù)處理（massive data processing）;

45）網(wǎng)絡(luò)流理論（network flow theory）;

46）網(wǎng)格計算（grid computing）;

47）物聯(lián)網(wǎng)（the internet of things）;

48）云計算（cloud computing）;

49）分形與分維（fractal theory）;

50）混沌理論（chaos theory）等。

在實際應(yīng)用中常將以上各方法組合起來形成新的算法，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊遺傳算法、模擬退火優(yōu)化和模糊模式識別等等。

6.2.2 智能制造技術(shù)

將上述數(shù)字制造技術(shù)與眾多的智能化方法結(jié)合起來就形成形形色色的智能制造技術(shù)，如智能CAD/CAM技術(shù)（ICAD/ICAM），智能計算機輔助工藝規(guī)劃技術(shù)（ICAPP），智能數(shù)控技術(shù)（INC），智能數(shù)據(jù)庫技術(shù)（IDB），智能計算機集成制造系統(tǒng)（ICIMS）等等。

企業(yè)管理原本就是基于人的經(jīng)驗和知識的，亦即在本質(zhì)上就是智能化的。上述各種數(shù)字制造模式應(yīng)包括設(shè)計、制造、管理三個層面，相應(yīng)地便應(yīng)有這三個層面的相關(guān)技術(shù)。但實際上，大部分制造模式主要是一種管理模式，在設(shè)計、制造層面，僅以相關(guān)的制造哲理來涵蓋技術(shù)，很少研發(fā)具體的設(shè)計、制造技術(shù)。也有一些制造模式，實際上就是管理模式，如1）全面質(zhì)量管理（total quality management，TQM），2）材料需求計劃（material requisite planning，MRP－I，3）制造資源計劃（manufacturing resource planning，MRP － II），4）企業(yè)資源計劃（enterprise resource planning，ERP）等。在上述各種數(shù)字制造模式中，用智能化的方法加以改進(jìn)，就形成各種智能制造系統(tǒng)模式，如智能制造資源計劃（IMRP－II），智能企業(yè)資源計劃（IERP）等等。

智能化方法與制造系統(tǒng)模式及技術(shù)的結(jié)合非常靈活，通過領(lǐng)域交叉、學(xué)科交叉、層次交叉、方法交叉，出現(xiàn)了許多新的智能制造技術(shù)和方法，如基于知識的數(shù)字產(chǎn)品/過程設(shè)計、基于知識的虛擬企業(yè)、靈境虛擬技術(shù)、基于智能體（agent）的制造技術(shù)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)、智能網(wǎng)格技術(shù)、智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能云計算技術(shù)、智能海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)等等。

7 實現(xiàn)智能制造的幾個認(rèn)識問題

7.1 要重視傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和中小企業(yè)的數(shù)字化智能化

數(shù)字化智能化是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式的核心任務(wù)，也是新的產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)。戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)是建立在重大前沿科技突破基礎(chǔ)上的產(chǎn)業(yè)，代表著未來科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展新方向，體現(xiàn)了當(dāng)今世界知識經(jīng)濟發(fā)展的潮流，對經(jīng)濟社會具有全局帶動和重大引領(lǐng)的作用。因此，數(shù)字化智能化應(yīng)首先應(yīng)用在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中。

在目前和今后相當(dāng)長的時期中，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)仍然是我國國內(nèi)生產(chǎn)總值的主要貢獻(xiàn)者。據(jù)統(tǒng)計，2010年末，我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)增加值只占GDP的4%。國務(wù)院2012年7月發(fā)布的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出:到2015年，我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)增加值占國內(nèi)GDP的比重力爭達(dá)到8%左右;到2020年，力爭達(dá)到15%左右。因此，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級及其制造模式和商業(yè)模式的更新?lián)Q代，就是對我國經(jīng)濟社會發(fā)展的全局起決定性影響的因素。但非常遺憾的是，目前我國數(shù)字化智能化在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的推廣應(yīng)用，還沒有受到應(yīng)有的重視。我們應(yīng)像對待戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)一樣，讓數(shù)字化智能化在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中遍地開花。

中小企業(yè)是推動國民經(jīng)濟發(fā)展，構(gòu)造市場經(jīng)濟主體，促進(jìn)社會穩(wěn)定的基礎(chǔ)力量。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)在總計有超過四千萬的注冊中小企業(yè)，占全部注冊企業(yè)總數(shù)的99%。中小企業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值、銷售收入、實現(xiàn)利稅分別占總量的60%、57%和40%。大約提供了75%的城鎮(zhèn)就業(yè)機會。近年來的出口總額中，有60%以上是中小企業(yè)提供的。

20世紀(jì)70年代以來，全球高新技術(shù)型的中小企業(yè)像雨后春筍般出現(xiàn)，它們在微型電腦、信息系統(tǒng)、半導(dǎo)體部件、電子印刷和新材料等方面取得了極大的成功。有許多中小企業(yè)僅在短短幾年或十幾年里，迅速成長為聞名于世的大公司如惠普、微軟、雅虎、索尼和施樂等。但從總體來看，目前我國的中小企業(yè)在高新技術(shù)的利用方面，特別是在數(shù)字化智能化方面仍然處于弱勢地位。

數(shù)字化智能化在中小企業(yè)中的推廣應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)受到各方面的重視。其在管理層面推廣應(yīng)用的具體方案和技術(shù)路線是:用智能化技術(shù)將企業(yè)資源計劃（ERP）與現(xiàn)代電子商務(wù)相結(jié)合。企業(yè)ERP的作用為對企業(yè)資金流、物流和信息流實施優(yōu)化管理，而電子商務(wù)則主要借助現(xiàn)代寬帶網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化企業(yè)的采購、銷售與服務(wù)。用智能化技術(shù)將兩者結(jié)合起來，就能使企業(yè)實現(xiàn)零庫存，減少資金占用，加快市場響應(yīng)，提高生產(chǎn)效益，優(yōu)化售后服務(wù)。應(yīng)當(dāng)特別指出的是:上述結(jié)合應(yīng)有我們中國自己的特點。

7.2 企業(yè)管理的數(shù)字化智能化更重要

企業(yè)管理的重要意義在于:在不改變企業(yè)的資源、人力、設(shè)備的情況下，通過管理模式和機制的改革創(chuàng)新，可以大幅度地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，大幅度地降低資源消耗和生產(chǎn)成本。從這個意義上來說，企業(yè)管理的數(shù)字化智能化比設(shè)計制造技術(shù)的數(shù)字化智能化更為重要。

目前，許多國際制造大公司為適應(yīng)全球市場的需要，正在大力改革產(chǎn)品的制造模式及商業(yè)模式，以便實現(xiàn)遠(yuǎn)程定制、異地交互設(shè)計、就地協(xié)同化生產(chǎn)。圖6所示為波音787飛機的全球協(xié)同化制造環(huán)境。不言而喻，如此數(shù)以千計的供應(yīng)商、制造商、客戶和數(shù)以幾十萬計的專業(yè)人員和職工，圍繞著飛機的設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)和運營展開相關(guān)的活動，沒有快速、高效、精確、可靠的智能協(xié)同化管理系統(tǒng)是不可想像的。

圖6 波音787飛機的全球協(xié)同環(huán)境

企業(yè)家對制造業(yè)管理模式改革創(chuàng)新的重視，甚至影響到經(jīng)濟學(xué)家們對新的產(chǎn)業(yè)革命的理解。西方某些經(jīng)濟學(xué)家們認(rèn)為:第一次產(chǎn)業(yè)革命是大機器生產(chǎn)，第二次產(chǎn)業(yè)革命是大批量生產(chǎn)，而第三次產(chǎn)業(yè)革命則是多品種、小批量、定制式智能協(xié)同生產(chǎn)。不難看出，這種生產(chǎn)模式，只有依靠數(shù)字化智能化技術(shù)才能實現(xiàn)。

7.3 數(shù)字化智能化的關(guān)鍵在人才

發(fā)展我國現(xiàn)代數(shù)字化智能化制造系統(tǒng)與技術(shù)，關(guān)鍵中的關(guān)鍵在人才?！坝惺裁慈?，辦什么事”:沒有蓋茨，就沒有“微軟”;沒有王選，也難有“北大方正”。目前最需要的是兩類復(fù)合型人才:一類是掌握高科技訣竅、懂技術(shù)、懂經(jīng)營、有創(chuàng)新能力的復(fù)合型高級專業(yè)人才（工程師），另一類是有戰(zhàn)略眼光和創(chuàng)新勇氣、懂得科技、經(jīng)營、經(jīng)濟、管理的復(fù)合型高級管理人才（企業(yè)家）。這些人才只能在實踐中產(chǎn)生。但是有組織地選擇對象，重點培訓(xùn)，委以重任，在實踐中鍛煉，不斷提高也是十分重要的。

7.4 官產(chǎn)學(xué)研四結(jié)合實現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)字化智能化

毫無疑問，企業(yè)數(shù)字化智能化的主體是企業(yè)本身，但是實現(xiàn)數(shù)字化智能化單靠企業(yè)是不夠的。前已所述，數(shù)字化智能化要依靠眾多門類的前沿科學(xué)技術(shù)。這方面的優(yōu)勢不在企業(yè)，而在高等院校和研究院所。此外，實現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化智能化，還要充分發(fā)揮我國社會主義制度的優(yōu)越性。這種優(yōu)越性表現(xiàn)在:1）由政府主導(dǎo)，可以制定總體規(guī)劃和相關(guān)政策;2）由政府主導(dǎo)，可以動員千軍萬馬，集中人力物力辦大事;⑶由政府主導(dǎo)，可以精心組織、分步實施、重點突破、全面推進(jìn)。因此，為了加快推進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化智能化，必須實行官產(chǎn)學(xué)研四結(jié)合。

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