人工智能賦能裝備制造業(yè)

夏玲

摘要：裝備制造業(yè)是工業(yè)和國民經濟的核心和支柱，是社會經濟發(fā)展的基礎性產業(yè)，是各行業(yè)產業(yè)升級、技術進步的基礎條件。我國裝備制造業(yè)規(guī)模很大、門類齊全，但是仍然處于價值鏈的低端，國際競爭力不高。隨著大數據、云計算、人工智能等新技術的出現并不斷發(fā)展 ，裝備制造業(yè)迎來了新的生機，裝備制造業(yè)與高新技術的融合發(fā)展推動了智能制造的發(fā)展。智能制造能推動我國裝備制造業(yè)向智能化升級，更是決定裝備制造業(yè)全球競爭力高低的重要因素，也是未來我國裝備制造業(yè)轉型升級的發(fā)展方向。

關鍵詞：人工智能;智能制造;裝備制造業(yè)

中圖分類號：F76? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1005-913X（2020）06-0132-03

Artificial intelligence enabling equipment manufacturing industry

Xia Ling

（Harbin University of Commerce， Harbin 150028）

Abstract：Equipment manufacturing is the core and pillar of industry and national economy， the basic industry for social and economic development， and the basic condition for industrial upgrading and technological progress. China's equipment manufacturing industry has a large scale and a complete range of categories， but it is still at the low end of the value chain and its international competitiveness is not high. With the emergence and continuous development of new technologies such as big data， cloud computing and artificial intelligence， the equipment manufacturing industry has ushered in new vitality. The integrated development of the equipment manufacturing industry and high-tech has promoted the development of intelligent manufacturing. Intelligent manufacturing can promote China's equipment manufacturing industry to intelligent upgrade， is an important factor to determine the level of global competitiveness of the equipment manufacturing industry， but also the future development direction of China's equipment manufacturing industry transformation and upgrading.

Keywords： artificial intelligence， intelligent manufacturing， equipment manufacturing

一、智能制造的興起及表現

新一輪工業(yè)革命下，人工智能、機器人、大數據等先進技術的應用將會對經濟及社會帶來巨大變革，信息技術迅速發(fā)展并逐漸在多個領域發(fā)揮其獨特作用，云計算、智能機器人、大數據、機器學習等新型信息技術應用不斷深化，傳統(tǒng)制造業(yè)在進行創(chuàng)新性改變。以人工智能技術為核心的第四次工業(yè)革命推動了制造業(yè)的轉型升級，由數字化、網絡化向智能化方向發(fā)展從而實現智能制造。高端裝備制造業(yè)主要由智能裝備、智能生產及智能服務構成。其中智能裝備是智能制造系統(tǒng)的主體，其包括了高級數控機床、智能機器人、關鍵基礎零部件等，通過這些具有感知、分析、控制等功能的制造裝備進行智能化生產;系統(tǒng)智能化主要是通過物理信息系統(tǒng)（HCPS）來構建智能工廠，結合大數據、云計算、虛擬制造等先進技術把生產設備、生產材料和生產環(huán)境等通過網絡聯(lián)系在一起，通過智能工廠使得生產過程得到高質量的管理和控制，整個生產過程更加高效;個性化需求也催生了智能服務的誕生，消費者可以參與到產品生產的全過程，包括產品設計、生產、售后等環(huán)節(jié)，工廠可以根據用戶需求對產品進行個性化定制。即使在產品交付使用后出現故障，消費者也能通過智能終端咨詢生產廠商，在線解決問題，解決了時空限制的問題，形成了全生產服務生態(tài)鏈。

二、智能制造的發(fā)展范式

為了應對各國工業(yè)4.0和美國的制造業(yè)再回歸的國家戰(zhàn)略，我國提出的中國制造2025戰(zhàn)略，旨在通過工業(yè)化和信息化的深度融合對制造業(yè)進行轉型升級， 以實現從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”的跨越。但是實現智能制造需要過程，我國裝備制造業(yè)目前所處的階段處在數字化、數字化網絡化階段，所以對裝備制造業(yè)全面實現智能制造具有一定的難度。

（一）數字化制造在裝備制造業(yè)的應用

我國大部分企業(yè)都處于工業(yè)2.0與工業(yè)3.0之間的階段，在這個階段，大多數裝備制造業(yè)都已經進入了數字化自動化階段，從數字化制造取得的成果來看，數字化研發(fā)工具普及率達到61.8%，數字化生產設備聯(lián)網率達到38.2%，關鍵工序數控化率達到33.3%，預計到2020年達到70%，關鍵工序數控化率超過50%（苗圩，2016）。由于大部分裝備制造業(yè)已經進入了數字化制造的階段，所以可以在這個基礎上實現部分裝備制造業(yè)的網絡化升級，通過企業(yè)內、企業(yè)間的協(xié)同和各種社會資源的共享，推動處于工業(yè)2.0的企業(yè)向工業(yè)3.0的方向發(fā)展。

（二）數字化網絡化在我國裝備制造業(yè)的應用

數字化制造普及后就會迎來數字化網絡化制造，這是大部分發(fā)達國家都已經完成了數字化網絡化的過程進入到工業(yè)3.0時代，但是對于中國這個發(fā)展中國家來說，只有少部分企業(yè)進入了工業(yè)3.0的階段，實現了數字化網絡化制造。我國高端裝備制造業(yè)例如汽車制造、航空航天制造等行業(yè)能夠實現網絡化制造，還有一些實力雄厚的大企業(yè)能夠實現網絡化制造。根據我國目前的國情，必須并行推進數字化制造和數字化網絡化制造，在幫助小部分裝備制造企業(yè)完成數字化制造“補課”的同時，通過協(xié)同開發(fā)、制造服務和資源動態(tài)分析與彈性配置等實現數字化網絡化制造升級。對于已經進入到網絡化制造階段的成熟企業(yè)，在對企業(yè)的生產能力、負債和盈利現狀進行評估之后，通過“設備換新”“生產換線”“機器換人”逐步向智能制造過渡。

（三）智能制造在我國裝備制造業(yè)的應用

智能制造是數字化、網絡化、自動化的延伸拓展毋庸置疑，但是智能制造系統(tǒng)在我國的推廣需要經過一個漫長的周期。我國智能制造還處在萌芽時期，據調查只有16%左右的龍頭企業(yè)能夠實現完全自主化的智能制造，一是因為數字化制造和網絡化制造還未在我國的傳統(tǒng)裝備制造業(yè)完全普及，而數字化制造、數字化網絡化制造是實現智能制造的必要階段，二是因為要實現智能制造是一個系統(tǒng)性工程，要對裝備制造業(yè)的各個環(huán)節(jié)都在技術、管理、人才等方面進行優(yōu)化所需要資金巨大，對絕大多數中小制造企業(yè)來說難以實現智能制造。對于已經實現智能制造的企業(yè)，類似海爾等龍頭企業(yè)可以作為試點并在相同類型的企業(yè)進行推廣，使得這些同類型的企業(yè)復制其成功經驗進而實現智能制造。

三、人工智能改造裝備制造業(yè)的技術機理

傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的生產模式一般都為標準化的大規(guī)模生產，且大部分制造設備都需要通過工人來進行操作、監(jiān)督、檢查，在一定程度上是對工人體力、腦力的一種浪費。中國制造2025已經明確提出智能制造是我國制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展的主要途徑，它在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的基礎上引進了信息物理系統(tǒng)，以物理信息系統(tǒng)（HCPS）為支撐，通過人、智能裝備和網絡的深度融合，能夠使整個生產過程變得高度智能化和柔性化。

信息系統(tǒng)是HCPS與HPS的主要區(qū)別。信息系統(tǒng)能通過人機接口對物理系統(tǒng)下達指令，同時也會通過傳感裝置接收來自物理系統(tǒng)的信息反饋進而據此做出指令。信息系統(tǒng)大致包括信息交互與處理、分析決策和控制這三個要素。工廠數字化程度的提高使信息交互與處理部分能夠從物理世界獲取大量數字化了的生產信息，雖然這些信息大都是獨立不成體系的。分析決策部分則是負責分析梳理這些海量數據，能夠從數據資源中提取出有用信息，發(fā)現整個系統(tǒng)中不合理部分的存在進而能夠優(yōu)化生產流程?？刂撇糠謩t是代表信息系統(tǒng)向物理系統(tǒng)下達指令。

新一代智能制造在人和物理機器的基礎上加入了信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)的加入可以部分替代人的感知、分析、控制等功能，這些人的功能因此就轉入了信息系統(tǒng)，進而操作人員可以通過信息系統(tǒng)來控制物理系統(tǒng)，一定程度上把人從腦力和體力勞動中解放出來。通過人、機器和互聯(lián)網的有機結合形成物理信息系統(tǒng)（HCPS），把普遍存在的傳感器、智能控制系統(tǒng)以及通信設施通過信息物理系統(tǒng)形成智能網絡，使得信息世界與物理世界之間進行互聯(lián)，進而推進機器、工作部件、系統(tǒng)、人類借助于網絡長期保持的溝通，這就是智能工廠的初步雛形。

具體的工作機理是在物理機器的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)中的各個部分植入眾多不同類別的傳感器、處理器、存儲設備等，通過這些智能元器件來實時收集機器工作狀態(tài)時的大量數據并進行有效處理，比如機器運行的轉速、切削力等，并將這些數據進行存儲上傳至智能控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)具有智能管控能力，能夠根據生產任務與設備、原材料、工裝等資源情況，優(yōu)化生產作業(yè)計劃，形成自主決策的工作指令，這就相當于給原來的工作系統(tǒng)裝上了一個“大腦”，使生產過程“會說話會思考”。在這個過程中通過智能網絡中的專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等綜合分析內部和外部的動態(tài)數據，幫助企業(yè)管理層提供及時的決策支持，減少因決策失誤導致的各種風險與浪費，提高整個工廠的效率和效益。與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，人的作用發(fā)生了轉移，在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，大部分員工是負責生產產品并對生產過程進行監(jiān)控的，但是在智能制造系統(tǒng)中，大部分裝備制造行業(yè)的生產過程由智能制造設備代替，把員工從生產線上解放出來，員工與生產過程的直接關聯(lián)將慢慢被替代，取而代之的是員工開發(fā)維護的智能制造系統(tǒng)來管理生產過程并負責系統(tǒng)數據的判斷和分析任務（周濟，2017），因此人的作用就轉向了更加具有開放性、思維型的工作。

四、新一代智能技術對于我國改造升級裝備制造業(yè)的啟示

目前，雖然我國裝備制造業(yè)目前的產值規(guī)模位居世界第一，仍然存在大量產能過剩、產品質量不高、低附加值等問題。伴隨著以大數據、云計算、人工智能、物聯(lián)網等為核心的第四次工業(yè)革命的來臨，我國也應該抓住這寶貴的機會，改變我國制造業(yè)大而不強的現狀，通過借鑒美國、德國等發(fā)達國家在這次工業(yè)革命對制造業(yè)所采取的行動，從中獲取發(fā)展我國裝備制造業(yè)的經驗。

（一）注重構建工業(yè)互聯(lián)網

美國主要是通過開發(fā)設計以先進傳感器、工業(yè)機器人等先進技術為中心的工業(yè)互聯(lián)網來重新振興制造業(yè)的，德國通過重點建設信息物理系統(tǒng)，再加上智能工廠、智能生產來維持其制造業(yè)領先地位的，日本主要是通過研發(fā)智能機器人，同時開發(fā)智能制造系統(tǒng)來應對全球制造轉型升級的。我國目前的裝備制造業(yè)大多數還處于數字化自動化的初級階段，由于其升級成本過高，企業(yè)本身不愿意進行智能改造，智能網絡體系的建設嚴重落后于西方發(fā)達國家。因此我國應鼓勵相關企業(yè)搭建裝備制造業(yè)智能化升級的物理信息系統(tǒng)或者工業(yè)互聯(lián)網。以海爾集團為例我國的海爾集團研發(fā)的海爾COSMO平臺是中國首個擁有自主知識產權的、面向智能制造的中國版的工業(yè)互聯(lián)網平臺，其意義在于能夠讓其他離散型制造的企業(yè)也迅速復制這一先進的模式，實現各個產業(yè)工業(yè)互聯(lián)網平臺的建立從而完成智能制造的中國式升級。

（二）設立專項資金提高研發(fā)投入

德國政府為工業(yè)4.0這個高科技戰(zhàn)略計劃預計投入230億歐元提升制造業(yè)的智能化水平，日本政府針對機器人計劃、研發(fā)智能制造系統(tǒng)方案等預計投入1500億日元來提高其制造業(yè)的智能化水平。由此可見，推動裝備制造業(yè)智能化發(fā)展前期一定要有大量的資金投入。而中國在裝備制造業(yè)方面的研發(fā)投入較低，拿2015年裝備制造業(yè)行業(yè)研發(fā)投入舉例，除了鐵路、船舶、航空和其他運輸設備制造業(yè)的研發(fā)投入超過2%，其他裝備制造業(yè)低于2%，金屬制品業(yè)、通用設備制造業(yè)以及汽車制造業(yè)比例更低，分別為0.8%、1.3%、1.3%。另外，對于開發(fā)智能制造的企業(yè)，國家應該進行相應的稅收減免或補貼，日本政府對于研發(fā)生產智能機器人、智能制造的企業(yè)，稅收從35%降到了25%，我國也應該從這方面來對相關企業(yè)、產業(yè)進行補貼、減稅，以此來帶動企業(yè)研發(fā)生產的積極性。

（三）培養(yǎng)智能制造專業(yè)技能人才

德國的教育體系是值得學習借鑒的，“德國制造”享譽全球，這與德國具有許多的高素質工業(yè)技術工人密切關聯(lián)，德國的二元制教育制度就是在制造企業(yè)與學校合作的基礎上讓錄取的學生先同企業(yè)簽訂學徒合同，然后根據學徒的職業(yè)到相應的學校報到學習，這種制度實際上是為以實踐為主，這種教育制度下學生擁有更強的職業(yè)能力，更好的職業(yè)專業(yè)選擇，未來可以轉向高級技術人員、高級技師。而我國目前的現狀是生產企業(yè)本身對自我創(chuàng)新、技術研發(fā)不夠重視;另一方面高等教育體系不完善，培養(yǎng)的學生多以理論性為主，實踐性卻很少，這就導致了大量學生的創(chuàng)新能力、實踐能力不強。我國裝備制造業(yè)的工人沒有經過專門的技能訓練，文化程度較低，智能制造需要擁有具有創(chuàng)新、決策、控制和服務意識的高素質人才，所以高校應該進行相應的辦學理念和考核導向的調整去培養(yǎng)智能制造專業(yè)技能人才，可以通過跨學科培養(yǎng)人才，例如計算機、信息及工程專業(yè)的學生可以相互交流。

（四）產學研相結合推動自主創(chuàng)新

產學研合作是科研、教育、生產不同社會分工在功能與資源優(yōu)勢上的協(xié)同與集成化，主要是相關企業(yè)通過與學校、科研院所進行技術上的合作能夠提升產品性能、開發(fā)新技術新產品，提升創(chuàng)新能力。IBM與麻省理工大學進行深度合作建立人工智能實驗室開發(fā)人工智能算法，利用物理學開發(fā)支持人工智能計算的新硬件;華中數控聯(lián)合華中科技大學攻克了高速高精運動控制、多軸聯(lián)動、多軸同步控制、高性能伺服驅動系統(tǒng)控制、大功率伺服控制技術等關鍵核心技術，成功研制出具有自主知識產權的系列化華中8型高性能數控裝置。由此可見，要發(fā)展升級我國裝備制造業(yè)，首先要從企業(yè)內部入手，通過與大學、科研院所合作，逐步淘汰不符合市場需求的技術或產品，通過研發(fā)新技術、新產品推動產品性能提高。

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[責任編輯：紀姿含]

收稿日期： 2019-12-03

作者簡介：夏 玲（1995- ），女，江蘇揚州人，碩士研究生，研究方向：產業(yè)經濟。