國際智能制造演化路徑及熱點(diǎn)領(lǐng)域研究

趙程程 楊 萌

智能制造不僅是全球制造業(yè)的發(fā)展方向，也是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要支柱。其發(fā)展得到各國政府的大力支持。2011年，美國正式啟動(dòng)包括工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的“Advanced Manufacturing Partnership Plan(先進(jìn)制造聯(lián)盟伴計(jì)劃) ”等項(xiàng)目振興本國制造業(yè)。該項(xiàng)目不僅描繪了該領(lǐng)域未來的發(fā)展藍(lán)圖，而且確定了十大優(yōu)先行動(dòng)目標(biāo)，意圖通過采用21世紀(jì)的數(shù)字信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，加快對(duì)20世紀(jì)的工廠進(jìn)行現(xiàn)代化改造過程，以改變以往的制造方式，借此獲得經(jīng)濟(jì)、效率和競(jìng)爭(zhēng)力方面的多重效益［1］。無獨(dú)有偶，2010年12月，德國聯(lián)邦政府經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部制定了新的信息化戰(zhàn)略——Digital Germany 2015(數(shù)字德國2015) ，提出通過數(shù)字化獲得新的經(jīng)濟(jì)增長和就業(yè)機(jī)會(huì)，具體內(nèi)容包括發(fā)展電子能源 (E-energy) 和智能電網(wǎng);研發(fā)電動(dòng)汽車，建設(shè)智能交通系統(tǒng);在工業(yè)領(lǐng)域推廣云計(jì)算技術(shù)等［2］。同期，2009年7月，日本 IT戰(zhàn)略本部制定了至2015年的中長期信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略——“i-Japan”。該戰(zhàn)略計(jì)劃通過信息通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的融合，從根本上提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品的附加值，開拓新的市場(chǎng)，使日本經(jīng)濟(jì)保持全球領(lǐng)先地位。近年來，我國政府也做出加快培育發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)的重大戰(zhàn)略決策。目前，我國已編制完成《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，并于2011年設(shè)立“智能制造裝備創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)”，2013年3月，我國相繼出臺(tái)《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》、《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”規(guī)劃》。盡管如此，我國政府仍感覺到缺乏理論和方法指導(dǎo)。其主要原因在于，我國大部分學(xué)者仍將目光聚焦在某一單一智能技術(shù)的研究上，缺乏系統(tǒng)性、全面性地認(rèn)知國際智能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展路徑和研究熱點(diǎn)，難以為我國政府發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)做出戰(zhàn)略性借鑒和參考。

由于頻次高的主題詞常被用來確定一個(gè)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題［3］，所以本研究通過主題詞進(jìn)行檢索，并借助陳超美博士開發(fā)的信息可視化軟件CitespaceⅢ，對(duì)科學(xué)文獻(xiàn)引用共引網(wǎng)絡(luò)的路徑進(jìn)行分析和處理，通過顯示高頻詞［4］，形象地展示出國際智能制造的創(chuàng)新演化與研究熱點(diǎn)，以幫助國內(nèi)學(xué)者更好地了解智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)準(zhǔn)確定位“十三五”我國智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向、重點(diǎn)領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)都有重要的借鑒意義。

1 智能制造研究的演化路徑及特點(diǎn)

1.1 智能制造研究的演化路徑

首先，我們以Intelligent Manufacturing為主題詞在Web of Science進(jìn)行檢索，共檢索到2 894篇文獻(xiàn) (截止2015年2月13日) 。然后，將這2 894條記錄導(dǎo)入Citespace，時(shí)區(qū)選擇為1995-2015年，時(shí)間跨度為1年，主題詞選擇為名次 (Noun) ，來源為標(biāo)題 (Title) 、摘要 (Abstract) 、作者、關(guān)鍵詞 (Descriptor) 和附加關(guān)鍵詞 (Identified) ，節(jié)點(diǎn)選擇為引用參考文獻(xiàn) (Cite Reference) ，閾值選擇為(2，1，20) ，(5，4，22) ，(6，5，25) ，選定路徑搜索算法 (Pathfinder) ，視圖選為區(qū)域視圖 (Zoneview) ，運(yùn)行生成可視化圖譜，如圖1所示。

圖1 智能制造的知識(shí)演進(jìn)圖譜 (頻次越高，圓圈越大)

其中，節(jié)選2000年之后的重點(diǎn)關(guān)鍵文獻(xiàn)，從文獻(xiàn)研究重點(diǎn)，涉及的技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)行重點(diǎn)分析，如表1所示。

表1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)及分析

表1 (續(xù))

1.2 演化路徑的特點(diǎn)

通過對(duì)圖1和表1的深入剖析，2000年之后智能制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)域的研究路徑呈現(xiàn)出以下幾個(gè)方面的特征:

1.2.1 智能制造源于人工智能，興于20世紀(jì)末21世紀(jì)初期

智能制造源于人工智能的研究，是人工智能生產(chǎn)化的體現(xiàn)。隨著日益加劇的全球競(jìng)爭(zhēng)及瞬息萬變的市場(chǎng)需求等倒逼生產(chǎn)制造系統(tǒng)能夠快速、智能化應(yīng)對(duì)這種需求和挑戰(zhàn)。早在1981年，Gary L.Peterson等人對(duì)人工智能在技術(shù)層面展開了大量的研究，為20世紀(jì)末21世紀(jì)初期興起的智能制造奠定了技術(shù)積累。其中，Pertersong算法、合同網(wǎng)高層通信協(xié)議、多次專家控制系統(tǒng)、遺傳算法等為物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)控技術(shù)、智能生產(chǎn)制造系統(tǒng)提供了基層技術(shù)支持［5-6］。20世紀(jì)末21世紀(jì)初期，全球智能制造圍繞“數(shù)控技術(shù)”、“Agent技術(shù)”、“云技術(shù)”等制造相關(guān)技術(shù)。甚至，2009年Gerben G.Meyer從智能產(chǎn)品追溯到智能技術(shù)，并將其劃分為三大類，一是自動(dòng)識(shí)別和嵌入式處理技術(shù)，涵蓋RFID(電子標(biāo)簽) 、MEMS(微系統(tǒng)) ;二是分布式信息存儲(chǔ)與處理技術(shù)，涵蓋EPC Global(物聯(lián)網(wǎng)物件跟蹤系統(tǒng)) 、D@URL(產(chǎn)品認(rèn)證信息標(biāo)簽) 、WWAI(世界范圍商品信息) ;三是Agent-based平臺(tái)技術(shù)，涵蓋門戶平臺(tái)、嵌入式平臺(tái)、代理平臺(tái)［7］。

1.2.2 從技術(shù)到應(yīng)用:從“Agent技術(shù)”到“Agent技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用”;從“數(shù)控技術(shù)”到“數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”;從“云技術(shù)”到“云制造”

21世紀(jì)初期，對(duì)智能制造的研究不再強(qiáng)調(diào)技術(shù)的創(chuàng)新，而更加關(guān)注技術(shù)的應(yīng)用。從關(guān)注“Agent技術(shù)”到“Agent技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用”，Heragu SS(2002) 構(gòu)建出基于Agent技術(shù)的生產(chǎn)系統(tǒng)控制架構(gòu)［8］;Colombo AM(2006) 將傳統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)備與嵌入式控制Agent相結(jié)合，形成一種基于 Agent的智能制造工業(yè)控制平臺(tái)［9］;Leit?o P(2009) 對(duì)發(fā)達(dá)國家Agent技術(shù)的生產(chǎn)制造展開調(diào)查［10］;Trentesaux D(2009) 對(duì)基于Agent技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)的新的控制體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)［11］。

從“數(shù)控技術(shù)”到“數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。雖然還有部分學(xué)者關(guān)注數(shù)控技術(shù)的智能化，例如，Leit?o(2006) 研究出ADACOR子系統(tǒng)數(shù)控技術(shù)等，但更多的學(xué)者聚焦在數(shù)控技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化問題［12］。2002年，SUH SH首次提出智能STEP-compliant數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系［13］。2003年，SUH SH再次對(duì)STEP-compliant數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)一步細(xì)化［14］。無獨(dú)有偶，NEWMAN ST(2003) 、XU XW(2005，2006) 多次修訂STEP-compliant數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［15-17］。

從“云技術(shù)”到“云生產(chǎn)”。越來越多的學(xué)者提出在生產(chǎn)制造借助“云技術(shù)”，形成“云生產(chǎn)”。代表人物SHENW(2001) 第一次提出融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建SINA(Sensor Information Networking Architecture，傳感器信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)) ，解決生產(chǎn)制造的實(shí)時(shí)性、敏捷性［18］。直至2012年XU XW第一次明確提出“云制造”，即采取包括云計(jì)算等前沿信息技術(shù)，支持制造業(yè)在廣闊網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境下，為產(chǎn)品提供高附加值、低成本和全球化制造的服務(wù)［19］。

2 智能制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的研究熱點(diǎn)及特征

2.1 研究熱點(diǎn)圖譜繪制

同樣地，將上述檢索的2 894篇文獻(xiàn)的題錄數(shù)據(jù)輸入Citespace軟件中。保持時(shí)間區(qū)域、時(shí)間跨度、來源、節(jié)點(diǎn)選擇、算法和閾值不變，利用名詞短語 (Noun Phrase) 技術(shù)，將頻次變化率高的詞從大量的主題詞中探測(cè)出，來確定國際智能制造的研究熱點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 智能制造研究熱點(diǎn)圖譜 (頻次越高，圓圈越大)

其中，摘選前20個(gè)頻次最高的研究熱點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，如表2所示。

表2 研究熱點(diǎn)詞表 (前20個(gè)研究熱點(diǎn)，頻次從高到低)

2.2 研究熱點(diǎn)特征分析

2.2.1 智能化、柔性制造系統(tǒng) (Intelligent and Flexible Manufacturing Systems) 一直是智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的研究熱點(diǎn)

通過對(duì)圖2和表2的深入剖析，1995-2015年智能制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要聚焦在智能、柔性制造系統(tǒng) (Intelligent and Flexible Manufacturing Systems) 。其中，智能 (Intelligent) 出現(xiàn)頻次累計(jì)高達(dá)131，柔性 (Flexible) 高達(dá)52。另一方面，國際智能制造技術(shù)研究熱點(diǎn)聚焦在“系統(tǒng)架構(gòu)”(Framework，Architecture) 、“Multi-agent技術(shù)”(Multi-agent Systems) 、“集成技術(shù)”(Integration) 、“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”(Neural Networks) 、“最優(yōu)化算法”(Optimization) 5個(gè)方面。其中，圍繞著“系統(tǒng)架構(gòu)” (Framework，Architecture) ，引用頻次較高的是SHEW WEIMING(2000) 與SHEW CHIEN-CHUNG(2001) ，影響了后期對(duì)智能化生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建。SHEW WEIMING(2000) 基于Agent技術(shù)設(shè)計(jì)出一種的分布式智能體系架構(gòu)MetaMorphⅡ，用以滿足生產(chǎn)制造的集成性 (Integration) 、配置性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性、靈活性和可靠性［20］。同期，SHEN CHIENCHUNG(2001) 借助傳感器技術(shù)構(gòu)建傳感器信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架SINA，該架構(gòu)通過運(yùn)行每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)化傳感器信息的自適應(yīng)組織，方便事件查詢、進(jìn)程控制與多任務(wù)功能［18］。2000年以來，另一智能制造研究熱點(diǎn)Agent技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從單一Agent技術(shù)到“Multi-agent技術(shù)” (Michael Wooldride，2002)［21］;從 Agent技術(shù)的研發(fā)到其智能化生產(chǎn)制造應(yīng)用，例如智能Agent技術(shù)在分布式生產(chǎn)調(diào)度的應(yīng)用［22-23］、借助Agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)管理與工業(yè)制造一體化的多主體系統(tǒng)Multiagent Systems(MARIK，2005)［24］。

2.2.2“云制造”是智能制造產(chǎn)業(yè)的新興領(lǐng)域

以往學(xué)者通常借助Agent技術(shù)的創(chuàng)新，滿足制造的個(gè)性化、柔性發(fā)展需求。然而，2010年以來，逐漸有學(xué)者提出將云技術(shù)“嫁接”到生產(chǎn)制造，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)柔性化。通過對(duì)2014年文獻(xiàn)進(jìn)行研究熱點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)者將目標(biāo)轉(zhuǎn)移在借助各種算法與“云制造”，提升智能制造的效率和產(chǎn)品本身。LIBO-HU(2010)提出了一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式—— “云制造”，并討論了實(shí)施云制造所需攻克的關(guān)鍵技術(shù)和所取得的成果［25］。最后，給出了一個(gè)云制造的典型應(yīng)用案例——基于云仿真原型平臺(tái)的云設(shè)計(jì)。Xun Xu(2012)進(jìn)一步深入解釋云制造的核心技術(shù)——云計(jì)算，并提出隨著云技術(shù)的提升，云制造不僅可以促進(jìn)生產(chǎn)模式的扁平化，更能促進(jìn)企業(yè)創(chuàng)新，而且可以滿足市場(chǎng)個(gè)性化、靈敏的定制需求［19］。

3 啟示

借助信息可視化軟件，本次研究繪制出智能制造研究的演化路徑和熱點(diǎn)領(lǐng)域圖，總結(jié)出其規(guī)律特點(diǎn)，并得到以下幾點(diǎn)啟示，為我國政府發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)做出戰(zhàn)略性借鑒和參考。

(1)縱觀國際上學(xué)者對(duì)智能制造的研究逐步從技術(shù)層面轉(zhuǎn)移到應(yīng)用層面，主要聚焦在Agent技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用、數(shù)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定、 “云制造”等。相比發(fā)到國家/地區(qū)，我國智能制造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差、底子薄，在“埋頭”進(jìn)行技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，也要時(shí)不時(shí)“仰望星空”，尋求契機(jī)，積極參與國際智能制造標(biāo)準(zhǔn)的制定、新技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用等，加速我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

(2)“云制造”將會(huì)成為我國第三次工業(yè)革命的另一契機(jī)。3D打印、機(jī)器人一直被認(rèn)為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新契機(jī)。以機(jī)器人為例，我國制造業(yè)領(lǐng)域許多企業(yè)家普遍認(rèn)為，機(jī)器人是應(yīng)對(duì)第三次工業(yè)革命最合適的切入口之一。然而，“十二五”國家863計(jì)劃機(jī)器人技術(shù)主題專家組組長趙杰表示，我國目前機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化還存在一些制約問題。工業(yè)和信息化裝備部工業(yè)司副司長王衛(wèi)明也表示，我國機(jī)器人創(chuàng)新能力薄弱，核心技術(shù)和核心關(guān)鍵部件受制于人。相比3D打印技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)，我國信息技術(shù)經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，擁有一定的技術(shù)積累，“云生產(chǎn)”或?qū)?huì)成為我國第三次革命的另一契機(jī)。

(3)把握技術(shù)發(fā)展的脈搏，定期發(fā)布云制造發(fā)展報(bào)告。云制造作為智能制造的新興領(lǐng)域，技術(shù)發(fā)展的迅猛程度是日星月異。為此，一方面，政府應(yīng)鼓勵(lì)制造型企業(yè)定期跟蹤國際云制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，及時(shí)調(diào)整技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)。另一方面，政府也應(yīng)鼓勵(lì)高校、研究機(jī)構(gòu)對(duì)云制造核心技術(shù)進(jìn)行跟蹤、預(yù)測(cè)，定期發(fā)布行業(yè)報(bào)告，為行業(yè)發(fā)展提供指導(dǎo)意見。

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