新經(jīng)濟時代下我國智能制造的發(fā)展途徑

何成奎，郎朋飛，洪 偉，張 銀，康 敏

(1.南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇 南京 210031)(2.達州職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，四川 達州 635001)

新經(jīng)濟時代是新一輪的工業(yè)革命時代，是以智能制造為代表，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與知識經(jīng)濟、虛擬經(jīng)濟和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟全面結(jié)合的時代。新經(jīng)濟對智能制造的發(fā)展起到很大的推動作用，陸續(xù)涌現(xiàn)出一批新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)，影響著我國經(jīng)濟的發(fā)展，同時對生產(chǎn)方式、上層建設(shè)及監(jiān)管提出了更大的挑戰(zhàn)。

目前世界各傳統(tǒng)工業(yè)強國正大力研發(fā)智能制造技術(shù)以及其附帶的多元學科領(lǐng)域融合技術(shù)，如機器人、大數(shù)據(jù)、云計算、3D打印和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。德國的“工業(yè)4.0”、美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、歐盟的“2020增長戰(zhàn)略”[1]等都是為了迎接智能制造時代的到來而制定的國家戰(zhàn)略。我國政府在2015年推出“中國制造2025”戰(zhàn)略，同時又提出互聯(lián)網(wǎng)+行動計劃，大力發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+，緊接著在2016年底又出臺了《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》。本文通過文獻閱讀查詢的方法陳述了目前智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀和基本應用以及未來可能的發(fā)展趨勢，簡述了我國制造業(yè)的現(xiàn)狀及特點，從智能制造的理論研究、實踐驗證、多學科交互的共性技術(shù)研究、信息網(wǎng)絡(luò)及安全、底層和上層建設(shè)等方面提出了一些發(fā)展建議。

1 智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀

智能制造最早興起于20世紀90年代，由日本最早提出，并聯(lián)合美國、加拿大等國一起意圖突破當時柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)存在的局限，隨后各主要國家都相繼展開智能制造的研究，其中具有代表性的主要有2013年4月德國推出的以智能制造為主導的“工業(yè)4.0”計劃和2014年4月美國提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。德國的“工業(yè)4.0”計劃在世界各國激起了很大的反響，所謂“工業(yè)4.0”就是第四次工業(yè)革命的簡稱，“工業(yè)4.0”旨在通過充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)-信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS) 相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型[2]?！肮I(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是指開放、全球化的網(wǎng)絡(luò)，將人、數(shù)據(jù)和機器連接起來，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行大規(guī)模工業(yè)制造，其目的是升級那些關(guān)鍵的工業(yè)領(lǐng)域?！爸袊圃?025”與德國“工業(yè)4.0”在采取的戰(zhàn)略措施以及發(fā)展方向上都比較相似，我國政府提出創(chuàng)新驅(qū)動、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本的發(fā)展戰(zhàn)略，最終實現(xiàn)制造業(yè)強國的目標[3]。三次工業(yè)革命分別為18世紀末的“蒸汽革命”、20世紀初的“電氣革命”、20世紀中期及以后的“電子信息革命”[4]。而現(xiàn)在以智能制造為主要核心的制造業(yè)革命就自然而然被稱為第四次工業(yè)革命。智能制造并不是人們憑空設(shè)想的制造模式，而是隨著科學技術(shù)的不斷積累特別是新技術(shù)的出現(xiàn)與當前制造業(yè)模式存在的弊端日益突出而順應產(chǎn)生的。在德國的“工業(yè)4.0”計劃中，資源、信息、人和物是相互關(guān)聯(lián)的，它們共同組成CPS系統(tǒng)，并且期望在此基礎(chǔ)上建立區(qū)別于目前工廠運作模式的智能工廠。目前世界各國對智能制造的認識與研究還處于初級起步階段，許多構(gòu)思與設(shè)想還只是停留在理論階段。有的學者提出將智能制造未來的發(fā)展劃分為3個階段：第一個階段是實現(xiàn)企業(yè)和工廠之間的互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，使生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)能夠更好地協(xié)調(diào)，達到提高企業(yè)整體效率的目的；第二個階段是利用計算機技術(shù)對產(chǎn)品和數(shù)據(jù)進行建模和仿真處理，初步達到制造智能，使產(chǎn)品的設(shè)計更優(yōu)化和個性需求能更好地實現(xiàn)；第三個階段是在不斷完善增長的智能制造基礎(chǔ)上創(chuàng)新產(chǎn)品和制造工藝，使現(xiàn)有的商業(yè)模式和消費模式得到智能化的改變[5]。

2 智能制造的應用

雖然世界各國對智能制造的認識與研究還處于起步階段，但智能制造在某些領(lǐng)域已經(jīng)得到了初步的應用。德國在提出“工業(yè)4.0”后開展了很多相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作，并取得了一定的成效。其中為了更好地詮釋智能工廠這個概念，張曙教授利用德國的液體產(chǎn)品生產(chǎn)為例，對所建立的一個智能工廠示范項目進行了說明。這個智能工廠的生產(chǎn)主要包括液體制備和液體灌裝兩個部分，不同的液體產(chǎn)品由不同組分混合配制而成，灌裝后需要用不同顏色的瓶蓋和標簽，表明是誰的訂貨、發(fā)送到哪里[6]，這一過程應該由智能系統(tǒng)自動完成，而完成這一目標就要靠智能工廠中無處不在的泛維系統(tǒng)，使各個工位的機器之間相互連接，構(gòu)成智能協(xié)同。而目前在我國也有一些企業(yè)使用上了“亞智能制造”技術(shù)，例如寧夏小巨人機床公司，將產(chǎn)品設(shè)計從制造過程、訂單到客戶管理的數(shù)據(jù)全面集成在一起，除此之外其還設(shè)立了一個智能生產(chǎn)中心，這個智能生產(chǎn)中心統(tǒng)一調(diào)度生產(chǎn)排產(chǎn)系統(tǒng)、加工設(shè)備的控制系統(tǒng)、現(xiàn)場終端和刀具室，保證生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)運行。

3 智能制造未來的發(fā)展趨勢

雖然目前智能制造的實際應用還不多，但不可否認隨著理論與實踐的不斷深入和各相關(guān)學科的不斷發(fā)展，智能制造必將誕生更多的可能性。目前智能制造的理論模型以德國的“工業(yè)4.0”和美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”比較清晰完備，因此智能制造未來的發(fā)展趨勢也極有可能是以這兩個模型為藍本[7]。“工業(yè)4.0”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和“中國制造2025”都是將信息網(wǎng)絡(luò)與制造業(yè)連接在一起，是對新經(jīng)濟時代工業(yè)發(fā)展方向和模式的一種探索。“工業(yè)4.0”側(cè)重于制造過程的智能化，主要在于使制造或服務(wù)由原來的集中化向分散化轉(zhuǎn)變，滿足靈活多樣的個性化和數(shù)字化制造或服務(wù)?！肮I(yè)互聯(lián)網(wǎng)”偏重于生產(chǎn)設(shè)備的智能化，主要在于軟件、信息網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)共享，將人、智能機器和大數(shù)據(jù)相互連接在一起。智能制造未來可能的發(fā)展趨勢如下。

3.1 智能機器

未來的智能機器并不是特指某單一機器具有智能特性，而是指多種機器、裝備和團隊在新一代智能傳感器的連接下形成網(wǎng)絡(luò)化的信息互通，相互協(xié)作、分析與決策，從而形成一個廣義上的智能多體(intelligent multi-body),達到智能融合的目的[8]。未來的智能機器可能是智能工廠和智能生產(chǎn)的一個綜合體的縮影,并且為了適應未來更加個性化的消費需求，企業(yè)產(chǎn)品制造必須滿足快速化、敏捷化的要求，因此未來的智能機器必須滿足多功能化和可移動化要求，現(xiàn)有制造系統(tǒng)的決策、配置、組織方法必須重新設(shè)計或加以改進才能達到智能制造的功能要求。

3.2 高級算法

基于不斷發(fā)展的物理分析方法、計算機技術(shù)、預測算法、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等多元學科領(lǐng)域，未來的智能算法完全整合人工智能自主分析功能，是多個團隊的綜合分析決策的體現(xiàn)，并且使分析具有單點性與延展性，更好地實現(xiàn)智能制造大范圍、大領(lǐng)域的分析決策，實現(xiàn)信息成果共享。

3.3 “以人為本”

一方面是指智能制造時代的工作人員將在廣義上互聯(lián)協(xié)同，不同職位、不同場所的工作人員都將實時廣泛互聯(lián)，使用即時通訊來協(xié)助更加智能的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)與后期維護；另一方面是指當智能制造達到一定的程度后，伴隨而來的將是消費結(jié)構(gòu)和管理結(jié)構(gòu)的全面變革，目前以企業(yè)為主導，消費者被動接受的生產(chǎn)消費模式將徹底改變，形成以服務(wù)為主導的智能制造系統(tǒng)，消費者或?qū)⒊蔀樵O(shè)計的主人，而企業(yè)的作用將在很大程度上轉(zhuǎn)變成設(shè)計的幫助者和生產(chǎn)設(shè)施的提供者[9]。企業(yè)將不得不充分考慮和尊重消費者的多元化個性需要，并由此產(chǎn)生“大規(guī)模個性化定制”、“個性化規(guī)模定制”兩種新型制造模式[10]。隨著3D打印、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的日趨成熟，以后制造不僅僅局限于企業(yè)的工廠和車間，個人、家庭、社區(qū)團體等也將形成小規(guī)模個性化制造單元，并可以互聯(lián)，與企業(yè)智能控制中心交換數(shù)據(jù)，使整個社會制造模式變得更加智能化。

4 我國制造業(yè)的現(xiàn)狀及特點

我國作為一個制造業(yè)大國，制造業(yè)卻大而不強，主要是由于制造企業(yè)存在基礎(chǔ)薄弱、缺乏自主產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)、資源配比不平衡等底層建設(shè)問題，大多數(shù)企業(yè)還處于工業(yè)2.0或3.0階段[11]。我國制造業(yè)存在工業(yè)化率呈擠壓式增長；重工業(yè)占比較大，特別是鋼鐵、有色、建材等相關(guān)行業(yè)，制造企業(yè)對服務(wù)的投入重視不夠；隨著人口紅利的流失，勞動力成本加大，失去了制造成本優(yōu)勢等特點。這些狀況及特點迫使我國制造業(yè)必須要突破“低端鎖定”困境，向中高端轉(zhuǎn)型，從而使我國制造業(yè)在整體上達到智能制造的目標[12]，解決國內(nèi)制造業(yè)及相關(guān)學科領(lǐng)域智能制造底層建設(shè)問題。

陳勇等[13]通過對廣東省佛山市智能制造設(shè)備在支柱和新興產(chǎn)業(yè)中應用情況的調(diào)研得出：絕大多數(shù)制造企業(yè)對“智能制造”的認識還處于初級水平階段，相對傳統(tǒng)制造手段來說，各優(yōu)勢企業(yè)的智能化程度有一些提高，目前企業(yè)擁有的只是相對智能一點的系統(tǒng)和設(shè)備，而大型集成化系統(tǒng)大多被國外承包商壟斷。作為全國先進的制造業(yè)基地的佛山尚且如此，由此可見我國制造企業(yè)離智能制造的實際應用的差距還很大，是挑戰(zhàn)更是機遇。

5 我國智能制造的發(fā)展建議

我國的智能制造研究相比于傳統(tǒng)工業(yè)強國還比較落后，運用還處于最低階段，底層與上層建設(shè)還不夠完善。結(jié)合“中國制造2025”這一宏大計劃，在今后的研究過程中需要著重注意底層實質(zhì)性建設(shè)研究和上層建設(shè)研究。

5.1 理論研究

目前我國研究人員或機構(gòu)對智能制造的研究大多處于較低層面，理論鉆研的深度不夠，對智能制造所包括的真正內(nèi)涵和外延的理解不太清晰，對智能管理、企業(yè)智能轉(zhuǎn)型升級沒有系統(tǒng)深入的研究，因此接下來要在現(xiàn)在“大范圍、大概念”的基礎(chǔ)上挖深度，對其真正的內(nèi)涵、外延等領(lǐng)域進行深入鉆研并進行具體化描述。結(jié)合創(chuàng)新理論、運營管理理論、組織理論等對智能制造發(fā)展的規(guī)律、模式、路徑等進行深入、系統(tǒng)的探究[14]，為以后的研究提供有力的理論依據(jù)。

5.2 實踐性研究

目前我國智能制造實證方面的工作大多是借鑒國外的做法，缺乏適合我國企業(yè)特殊性的中國特色方法，且理論探討過多，數(shù)據(jù)能夠得到實證支持的很少，導致大多數(shù)理論研究落實到企業(yè)中時可行性遭到懷疑。因此，研究人員應根據(jù)我國各類制造業(yè)的實情，通過深入企業(yè)進行實地調(diào)研、統(tǒng)計調(diào)查等方法盡可能詳實地了解我國企業(yè)對智能制造及其發(fā)展現(xiàn)狀的認識、理解和把握，對智能制造的發(fā)展模式、途徑、影響因素等進行實證研究，對不同基礎(chǔ)、不同類型的企業(yè)分別進行理論分析和實際驗證，力求找到一條契合中國實情的智能制造發(fā)展道路。

5.3 共性技術(shù)交互研究

智能制造不僅是機械制造一個行業(yè)的事情，也不僅僅是實現(xiàn)制造智能這樣簡單，其還包含了計算機信息科學、材料科學、人工智能、行為管理學、物流網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、網(wǎng)絡(luò)信息安全、物聯(lián)網(wǎng)等多個學科，涉及多個領(lǐng)域。而國內(nèi)研究人員對智能制造多學科多領(lǐng)域相互融合方面的研究還處在起步階段甚至有些還是空白，目前智能制造研究的熱點主要集中在智能制造系統(tǒng)和智能制造技術(shù)上[15]。因此在以后的研究中要注重多元學科的交互融合，攻克智能制造物理共性技術(shù)的核心技術(shù)，擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)。

5.4 信息網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)

智能制造的核心就是制造的互聯(lián)互通，在新經(jīng)濟時代，更要注重大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)的研究，要有適合于智能制造安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。特別還要注重網(wǎng)絡(luò)的安全性建設(shè)，在新經(jīng)濟工業(yè)時代，信息交互共享是時代趨勢，也存在信息安全的重大隱患，為避免一些非法惡意攻擊或探測，要有可靠的入侵檢測手段和安全認證體系，除了加強網(wǎng)絡(luò)安全的核心技術(shù)研發(fā)，還要注重人才的培養(yǎng)，切實保障我國智能制造網(wǎng)絡(luò)的安全，促進智能制造安全、有序地發(fā)展。

5.5 著力培育一批明星企業(yè)

深入實地細致地研究我國企業(yè)的現(xiàn)狀，深挖一些重點領(lǐng)域，培育一批骨干企業(yè)進行智能制造的示范性研究。除了國家層面給予這些重點領(lǐng)域的骨干企業(yè)相關(guān)的扶持政策外，特別是在遴選企業(yè)時，要求企業(yè)自身發(fā)展智能制造的意愿也要強烈。先行在制造業(yè)發(fā)達的區(qū)域篩選一些易于發(fā)展的明星企業(yè)進行試點研究，還要注意加強相關(guān)配套企業(yè)的智能發(fā)展和轉(zhuǎn)型，統(tǒng)籌做好產(chǎn)、學、研、企的交互融合工作，不斷總結(jié)經(jīng)驗，探索智能制造發(fā)展的模式。進而在行業(yè)內(nèi)進行移植，在相關(guān)行業(yè)內(nèi)進行推廣，逐步延伸到整個領(lǐng)域和區(qū)域，推動我國智能制造的轉(zhuǎn)型。

5.6 夯實基礎(chǔ)建設(shè)，完善上層設(shè)計與建設(shè)

我國大多數(shù)企業(yè)對技術(shù)的開發(fā)與研究比較重視，卻忽略了流程的管控，特別是在技術(shù)的開發(fā)研究時不重視流程管控。雖然我國的工業(yè)體系比較完備，但一些核心技術(shù)和設(shè)備還依賴于國外先進企業(yè)，特別是智能制造又是一個復雜的多學科、多領(lǐng)域的交互系統(tǒng)，對制造基礎(chǔ)技術(shù)相關(guān)設(shè)施的建設(shè)和管理將變得更加困難。各個科研機構(gòu)和企業(yè)在研究時要注重尋求重點領(lǐng)域，補齊短板，夯實相關(guān)產(chǎn)業(yè)的軟件和硬件基礎(chǔ)建設(shè)。國家更要提前出臺一系列鼓勵智能制造發(fā)展的相關(guān)法律、政策和具體措施，保障我國智能制造的科學規(guī)劃、發(fā)展方向和實施途徑，鼓勵企業(yè)參與制定標準化體系建設(shè)，優(yōu)化智能制造配套體系的環(huán)境建設(shè)，在發(fā)展的道路上避免出現(xiàn)高端技術(shù)的重復化和空白化。

6 結(jié)束語

智能制造是新經(jīng)濟工業(yè)時代的必然趨勢，盡管目前世界各國對智能制造的認識與研究還處于起步階段，許多構(gòu)思與設(shè)想還只是停留在理論階段，但各國政府和先進制造企業(yè)對智能制造的重視和投入越來越大，先后都推出了一些國家層面的戰(zhàn)略政策措施。而要真正實現(xiàn)智能制造還需要在“大范圍、大概念”上解決一系列問題，如制造智能化、計算機信息化、網(wǎng)絡(luò)及安全化、管理智能化、物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代化、“以人為本”的交互化、大數(shù)據(jù)、云計算等。國家除了要鼓勵和加大智能制造的研究投入，在理論研究、實際驗證、多元學科交互融合等方面取得實質(zhì)性進展，還要“以人為本”培養(yǎng)創(chuàng)新型專業(yè)人才，出臺相匹配的完整的法律體系和標準化配套措施，使智能制造的上層建設(shè)也得到相應完善，促進國內(nèi)智能制造健康、有序、穩(wěn)定地發(fā)展。

[1] 呂鐵,韓娜.智能制造:全球趨勢與中國戰(zhàn)略[J].人民論壇，2015(11):6-17.

[2] 左岸.物聯(lián)網(wǎng):“工業(yè)4.0”加速前行的助推器[J].通信世界，2015(8):21-22.

[3] 苗圩.“中國制造2025”可簡要概括為“一二三四五五十”[J].設(shè)計，2015(12):142-144.

[4] 彭訓文.工業(yè)4.0:從自動生產(chǎn)到智能制造[J].大飛機，2014(7):40-42.

[5] 呂佑龍，張潔.基于大數(shù)據(jù)的智慧工廠技術(shù)框架[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2016,22(11):2691-2697.

[6] 張曙.工業(yè)4.0和智能制造[J].機械設(shè)計與制造工程，2014,43(8):1-5.

[7] 傅建中.智能制造裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].機電工程,2014,31(8):959-962.

[8] 周本華,吳旭光,郭培龍,等.現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)及在智能制造系統(tǒng)中的應用[J].制造技術(shù)與機床,2016(6):33-39.

[9] GIRET Adriana,GARCIA Emilia,BOTTI Vicente, An engineering framework for service-oriented intelligent manufacturing systems[J].Computers in Industry,2016,81:116-127.

[10] 袁根華.個性化需求下的智能制造[J].機械工程師,2015(12):240-242.

[11] 肖靜華,毛蘊詩,謝康.基于互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的智能制造體系與中國制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級[J].產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟評論，2016,13(2):5-16.

[12] 易開剛，孫漪.民營制造企業(yè)“低端鎖定”突破機理與路徑——基于智能制造視角[J].科技進步與對策，2014,31(6):73-78.

[13] 陳勇,汪建曉,肖紅軍,等.佛山市智能制造裝備應用的現(xiàn)狀分析與發(fā)展對策[J].佛山科學技術(shù)學院學報(自然科學版)，2015,33(5):5-11.

[14] 王友發(fā),周獻中.國內(nèi)外智能制造研究熱點與發(fā)展趨勢[J].中國科技論壇, 2016(4):154-160.

[15] 張青杰,張連正,竇永香,等.基于CiteSpace的智能制造研究現(xiàn)狀分析[J].制造技術(shù)與機床，2016(11):39-43.