智能制造：開啟新時(shí)代的金鑰匙

劉亞男

提到智能制造，一些人腦海中首先浮現(xiàn)的大概是星球大戰(zhàn)、終結(jié)者、人機(jī)大戰(zhàn)等炫酷科幻，抑或是無人駕駛、VR等時(shí)尚浪潮。尤其是近兩年，AlphaGo擊敗圍棋世界冠軍，更是人工智能與人類智力巔峰對(duì)決的里程碑事件。從最初手工制造單靠心靈手巧的兢兢業(yè)業(yè)，到機(jī)械制造假借器具的巧奪天工，再到最近數(shù)字制造逐漸演進(jìn)的自動(dòng)化、智能化，似乎人工智能已經(jīng)讓我們生長出開啟新智能時(shí)代的“金手指”。

那么，到底什么是智能制造，航空制造轉(zhuǎn)向“智造”有什么特征，又有什么局限？智能制造時(shí)代，人類能否如愿“袖手旁觀”便可“坐享其成”？

智能制造的前世今生

“智能制造”一詞最早出現(xiàn)在1988年美國作家P.K.Wright和D.A.Bourne的《Manufacturing Intelligence》一書中。該書指出，智能制造是利用集成知識(shí)工程、制造軟件系統(tǒng)及機(jī)器人視覺等技術(shù)，在沒有人工干預(yù)的條件下，智能機(jī)器人獨(dú)自完成小批量生產(chǎn)的過程。自這一概念提出后，很多國家開始關(guān)注和重視對(duì)智能制造的研究。

我國對(duì)智能制造的研究始于20世紀(jì)90年代。2011年，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)出版的《中國機(jī)械工程技術(shù)路線圖》一書中提出，智能制造是研究制造活動(dòng)中的信息感知與分析、知識(shí)表達(dá)與學(xué)習(xí)、智能決策與執(zhí)行的一門綜合交叉技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)屬性和功能的必然手段。

后來，不同的學(xué)者對(duì)智能制造的含義又有不同的理解和修正。總體而言，大家公認(rèn)，智能制造是新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合，是用智能技術(shù)解決制造的問題，是指對(duì)產(chǎn)品全生命周期中設(shè)計(jì)、加工、裝配等環(huán)節(jié)的活動(dòng)進(jìn)行知識(shí)表達(dá)與學(xué)習(xí)、信息感知與分析、智能決策與執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)制造過程、制造系統(tǒng)與制造裝備的知識(shí)推理、動(dòng)態(tài)傳感與自主決策。

與傳統(tǒng)制造相比，智能制造有其特有的內(nèi)涵。智能制造的本質(zhì)是虛擬網(wǎng)絡(luò)和實(shí)體生產(chǎn)的相互滲透。一方面，智能制造通過信息化、網(wǎng)絡(luò)化改變制造業(yè)的生產(chǎn)組織方式；另一方面，智能制造作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸和重要結(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的范圍和效應(yīng)。從軟件和硬件結(jié)合的角度看，智能制造是一個(gè)“虛擬網(wǎng)絡(luò)+實(shí)體物理”的制造系統(tǒng)。美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國的“工業(yè)4.0”以及我國的“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，都體現(xiàn)出虛擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)體物理的深度融合。

智能制造的實(shí)施涉及四個(gè)層面的智能化：首先是產(chǎn)品的智能化。智能制造的產(chǎn)品都趨于變成智能終端，可通過物聯(lián)網(wǎng)相互連接。其次是裝備的智能化。從智能制造的單元，如某臺(tái)機(jī)床、某個(gè)機(jī)器人，向智能生產(chǎn)線、智能車間、智能生產(chǎn)系統(tǒng)演變。再次是流程的智能化。企業(yè)的組織架構(gòu)、企業(yè)和企業(yè)之間的交互都需要重新構(gòu)建。最后是服務(wù)的智能化。制造業(yè)服務(wù)化就是制造企業(yè)為了獲取競爭優(yōu)勢，將價(jià)值鏈由以制造為中心向以服務(wù)為中心轉(zhuǎn)變。因此，如何將數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)、泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等集成應(yīng)用到服務(wù)中也需要企業(yè)重新思考和規(guī)劃。

智能制造的主要特征包括信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制。智能工廠是智能制造的重要表現(xiàn)，與傳統(tǒng)的數(shù)字化工廠、自動(dòng)化工廠相比，智能工廠具備以下幾個(gè)突出特征：

一是制造系統(tǒng)的集成化。智能工廠是一個(gè)系統(tǒng)工程，每個(gè)單元按照功能需求組成不同規(guī)模、不同層級(jí)的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的所有元素都是相互關(guān)聯(lián)的。在智能工廠中，制造系統(tǒng)的集成主要體現(xiàn)在企業(yè)數(shù)字化平臺(tái)的集成以及虛擬工廠與真實(shí)制造現(xiàn)場的集成。

二是決策過程的智能化。在傳統(tǒng)的人機(jī)交互中，主要是人支配“機(jī)器”。而智能制造中的“機(jī)器”，因擁有部分人類智能，可與人共同組成決策主體，在同一信息物理系統(tǒng)中實(shí)施交互，信息量、信息種類以及交流方法更加豐富，從而使人機(jī)交互與融合達(dá)到前所未有的深度。

三是加工過程的自動(dòng)化。為了能夠準(zhǔn)確、高效地執(zhí)行制造指令，數(shù)字化、自動(dòng)化、柔性化是智能制造單元的必備條件。智能加工單元中的加工設(shè)備、檢驗(yàn)設(shè)備、裝夾設(shè)備、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備等均是基于單一數(shù)字化模型驅(qū)動(dòng)的。智能制造車間中的各種設(shè)備、物料等，大量采用數(shù)字識(shí)別技術(shù)，任何實(shí)體均具有唯一的身份標(biāo)識(shí)。在加工過程中，通過使用智能傳感技術(shù)，可以實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制設(shè)備，使之處于最優(yōu)的效能狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自適應(yīng)加工。

四是服務(wù)過程的主動(dòng)化。通過信息技術(shù)，制造企業(yè)可以根據(jù)用戶的地理位置、產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)等信息，為用戶提供在線服務(wù)。此外，企業(yè)還可以通過對(duì)用戶特征的分析，辨識(shí)用戶的顯性及隱性需求，主動(dòng)為用戶推送高價(jià)值的資訊與服務(wù)。

航空制造的智能化發(fā)展

由于對(duì)安全性極高的要求，航空工業(yè)一直處于制造業(yè)的尖端，代表著一個(gè)國家制造業(yè)的最高水平。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的逐步融合，智能制造已成為未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢。在此形勢下，航空制造企業(yè)傳統(tǒng)的組織模式與制造方法已難以滿足未來的需求，發(fā)展智能制造技術(shù)勢在必行。

航空智能制造包括網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化三個(gè)核心要素。其中，網(wǎng)絡(luò)化是基礎(chǔ)，數(shù)字化是手段，智能化是目的。智能制造是在數(shù)字制造的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其實(shí)現(xiàn)離不開數(shù)字制造的基礎(chǔ)。通過將智能制造技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)制造子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制造過程的智能感知、智能推理、智能決策和智能控制，可顯著提高整個(gè)制造系統(tǒng)的自動(dòng)化和柔性化程度。航空智能制造以智能加工與裝配為核心，同時(shí)覆蓋設(shè)計(jì)、服務(wù)及管理等多個(gè)環(huán)節(jié)。

波音、洛克希德·馬丁等世界先進(jìn)航空制造企業(yè)在實(shí)施新的戰(zhàn)略規(guī)劃時(shí)，高度重視智能工廠的建設(shè)。波音公司自20世紀(jì)90年代以來，先后在波音777和787項(xiàng)目中推廣MBD技術(shù)（基于模型的產(chǎn)品定義）體系。這一過程是逐步發(fā)展的。首先，波音公司為MBD技術(shù)的應(yīng)用選用了新的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將產(chǎn)品的定義和管理納入到同一個(gè)系統(tǒng)中。

其次，波音公司借助737-X項(xiàng)目所取得的成功經(jīng)驗(yàn)，將其新技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)發(fā)放管理、數(shù)字化設(shè)備應(yīng)用與先進(jìn)質(zhì)量系統(tǒng)中。MBD技術(shù)體系在各個(gè)供應(yīng)商的應(yīng)用和部署也逐步展開，如英國Messier-Dowty公司在787主起落架研制中，將基于模型的定義技術(shù)貫穿到整個(gè)設(shè)計(jì)、工藝工程、生產(chǎn)制造和檢驗(yàn)的全過程。

在虛擬裝配方面，美國華盛頓州立大學(xué)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所合作開發(fā)的虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境（VADE）是一個(gè)很有代表性的虛擬裝配系統(tǒng)，其目標(biāo)是通過生成一個(gè)用于裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境，來探索產(chǎn)品裝配過程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可能性。利用這個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期便可并行考慮產(chǎn)品拆裝等相關(guān)環(huán)節(jié)，避免設(shè)計(jì)缺陷。

洛克希德·馬丁公司在JSF項(xiàng)目中以產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）軟件為集成平臺(tái)，以數(shù)字化設(shè)計(jì)制造管理方式，改組公司流程，使JSF飛機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)間減少50%、制造時(shí)間減少66%，總裝工裝減少90%。

與歐美企業(yè)相比，中國航空制造企業(yè)在智能制造技術(shù)研究方面起步較晚。近年來，相關(guān)企業(yè)雖然在數(shù)字化、信息化等方面取得了長足進(jìn)步，但仍存在大量的問題亟待解決。

首先，企業(yè)的數(shù)字化、自動(dòng)化水平仍然較低。這是導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率難以提升的重要原因。

其次，一些企業(yè)缺乏高效的生產(chǎn)流程管理手段。飛機(jī)產(chǎn)品的制造流程非常復(fù)雜，一些航空制造企業(yè)對(duì)制造流程的管控仍然主要依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的工人。這種方式難以綜合考慮制造過程中的各種因素，難以保證生產(chǎn)線的流暢運(yùn)轉(zhuǎn)，容易導(dǎo)致產(chǎn)能失衡等問題。

第三，對(duì)制造過程無法形成閉環(huán)管控。目前，一些航空制造企業(yè)對(duì)加工過程中的具體數(shù)據(jù)并不能充分利用，從車間、生產(chǎn)線采集的數(shù)據(jù)，大多僅用于顯示與統(tǒng)計(jì)，而對(duì)于加工設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則尚未做到實(shí)時(shí)采集，更未能實(shí)現(xiàn)基于這些數(shù)據(jù)的過程分析與優(yōu)化。

此外，中國的航空制造企業(yè)在先進(jìn)復(fù)合材料制造方面的自動(dòng)化或智能化程度不足，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，不合格率高，返工率高，使復(fù)合材料的制造成本居高不下，嚴(yán)重制約了復(fù)合材料在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用，尤其是限制了高端制造業(yè)的發(fā)展。

智能制造的挑戰(zhàn)和未來

作為一種可持續(xù)發(fā)展的制造模式，智能制造可以減少制造過程中對(duì)資源與能源的消耗，減少廢棄物的產(chǎn)生與排放，提高效率與質(zhì)量，改善用戶體驗(yàn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向。隨著數(shù)字化制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)智能化為特點(diǎn)，融合傳感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能的智能制造技術(shù)也有了長足發(fā)展。但是，我們應(yīng)該看到，智能化在帶來重大機(jī)遇的同時(shí)，也提出新的挑戰(zhàn)。

首先，智能制造會(huì)引發(fā)就業(yè)替代效應(yīng)及勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移效應(yīng)。這一轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的短期效應(yīng)無疑將產(chǎn)生機(jī)器替代人的結(jié)果，導(dǎo)致部分工作崗位流失。而從長期來看，智能制造將會(huì)創(chuàng)造一系列新的就業(yè)機(jī)會(huì)。

其次，智能制造基于數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化，必將引發(fā)新的信息安全的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部的生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)較封閉的環(huán)境，需要通過介質(zhì)的擺渡攻擊或者惡意郵件、買通內(nèi)部員工等手段才能入侵這樣的系統(tǒng)。而智能制造融合云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)與互聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)連接起來，不僅要求企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)連入互聯(lián)網(wǎng)，而且要求將原來較為獨(dú)立的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)與公司的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)（如倉儲(chǔ)系統(tǒng)、采購系統(tǒng)等） 連接起來。工業(yè)大數(shù)據(jù)在幫助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)變得更加智能化的同時(shí)，也要求原本封閉的工控網(wǎng)絡(luò)與外部建立連接。因此，黑客可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)攻擊工控網(wǎng)絡(luò)，智能制造環(huán)境下的工控系統(tǒng)必將面臨新的安全挑戰(zhàn)。

從《星球大戰(zhàn)》、《終結(jié)者》等科幻電影，到無人駕駛、智能物流等工業(yè)現(xiàn)實(shí)，關(guān)于智能制造時(shí)代人類與機(jī)器如何相處的討論從未間斷。一方面是智能制造時(shí)代，人工智能將最終完全取代人類的倫理擔(dān)憂，另一方面是人工智能完全為人服務(wù)、人類袖手旁觀便可坐享其成的美好預(yù)期。

智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，起步于工業(yè)智能，逐漸融入人工智能，所有的爭議和期待都將隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而變化。智能制造時(shí)代的人類如何把握主動(dòng)權(quán)，確保人工智能服務(wù)于人，而非人類被反控制，將是對(duì)我們的不變拷問。雖然不能準(zhǔn)確預(yù)期，但筆者認(rèn)為，無論制造如何智能化，真正有意義的變革都需“以人為本”。

首先，在智能制造的設(shè)計(jì)與實(shí)施中，人類的勞動(dòng)模式將發(fā)生根本性的變革。勞動(dòng)者借助自動(dòng)化、智能化系統(tǒng)，可以從原來實(shí)施者的身份中脫離，只需對(duì)智能制造系統(tǒng)“袖手旁觀”。但是，無論如何智能化，人類都是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，絕不是坐享其成，也不可能被完全取代。同時(shí)，我們也必須清醒地認(rèn)識(shí)到，智能制造生產(chǎn)模式的改變也對(duì)勞動(dòng)者提出了新的要求，勞動(dòng)者必須具備更強(qiáng)的專業(yè)性、能動(dòng)性和靈活性，才能把握智能時(shí)代人的主導(dǎo)地位。

其次，智能制造達(dá)到一定程度后，企業(yè)服務(wù)也更需以人為本。伴隨智能化而來的消費(fèi)結(jié)構(gòu)和管理結(jié)構(gòu)的全面變革，將形成以服務(wù)為主導(dǎo)的智能制造系統(tǒng)，企業(yè)將不得不充分考慮和尊重消費(fèi)者的多元化個(gè)性需要，并由此產(chǎn)生“大規(guī)模個(gè)性化定制”、“個(gè)性化規(guī)模定制”等新型制造模式。此外，智能制造時(shí)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(shí)時(shí)廣泛互聯(lián)，使用即時(shí)通訊來協(xié)助更加智能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與后期維護(hù)。

智能制造是科技發(fā)展的必然趨勢，盡管目前世界各國對(duì)智能制造的認(rèn)識(shí)有所不同，發(fā)展水平也參差不齊，許多構(gòu)思與設(shè)想還只是停留在規(guī)劃階段，但各國政府和先進(jìn)制造企業(yè)對(duì)智能制造的重視和投入?yún)s有目共睹，國家層面的戰(zhàn)略政策也層出不窮。當(dāng)然，要真正實(shí)現(xiàn)智能制造，我們還需要解決一系列問題。未來究竟會(huì)怎樣，歷史終將給出最后的答案。