智能制造：開啟制造強(qiáng)國之路

文/徐智浩 吳鴻敏 周雪峰

制造業(yè)是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基，是衡量國家綜合實(shí)力與國際競爭力的核心標(biāo)志。改革開放40多年來，我國已成為世界第一工業(yè)大國，擁有世界上最齊全的工業(yè)門類，眾多高科技領(lǐng)域已進(jìn)入世界第一陣營。但總體而言，我國制造業(yè)依舊“大而不強(qiáng)”：產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，高端供給不足，產(chǎn)業(yè)集群集約能力低，一些關(guān)鍵核心技術(shù)面臨“卡脖子”問題。隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革已悄然開始，國際競爭日益激烈，中國制造業(yè)由大變強(qiáng)迫在眉睫。黨的十九大報(bào)告指出要加快建設(shè)制造強(qiáng)國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合。

智能制造是新一代信息技術(shù)、先進(jìn)制造等技術(shù)深度融合的一種先進(jìn)生產(chǎn)方式。區(qū)別于傳統(tǒng)制造過程，智能制造涵蓋了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等產(chǎn)品/制造環(huán)節(jié)，通過自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的提質(zhì)增效。當(dāng)前，智能制造已成為推進(jìn)兩化融合、實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心力量。

一、智能制造的特征

智能制造系統(tǒng)以智能制造云和5G網(wǎng)絡(luò)兩大系統(tǒng)為支撐，依托智能制造理論體系、指標(biāo)體系、支撐體系、應(yīng)用體系與政策體系，形成了貫穿產(chǎn)品/制造全生命周期的綜合創(chuàng)新系統(tǒng)，這個(gè)創(chuàng)新系統(tǒng)是持續(xù)演進(jìn)的。智能制造的典型體系架構(gòu)如圖1所示。以產(chǎn)品/制造的生命周期為主線，智能制造系統(tǒng)具備以下四個(gè)典型特征：

圖1 智能制造體系架構(gòu)

（一）智能設(shè)計(jì)

智能設(shè)計(jì)是智能制造的起點(diǎn)，涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝備功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)等步驟。在設(shè)計(jì)過程中，融合新一代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的模塊化與智能化，形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)的新模式。

（二）智能生產(chǎn)

智能生產(chǎn)是智能制造的核心。以人工智能技術(shù)為翼，依托智能傳感、云/邊端計(jì)算裝備單元、機(jī)器人與高端裝備等硬件設(shè)備，從數(shù)據(jù)、算力與算法3個(gè)層面對傳統(tǒng)生產(chǎn)過程賦能，實(shí)現(xiàn)對制造裝備執(zhí)行工藝、柔性產(chǎn)線優(yōu)化調(diào)度、設(shè)備運(yùn)行狀況、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等生產(chǎn)過程的數(shù)字化追溯與智能化水平整體提升。

（三）智能管理

智能制造模式下，工廠實(shí)現(xiàn)了縱向、橫向以及端到端的系統(tǒng)集成，其管理范疇也隨之大幅擴(kuò)展。智能管理系統(tǒng)包含了企業(yè)資產(chǎn)管理、能源管理、業(yè)務(wù)流程管理、質(zhì)量管理、倉儲管理、物流管理、訂單管理等功能。通過智能管理和智能決策，企業(yè)數(shù)據(jù)管理的準(zhǔn)確性與智能性大大提升。

（四）智能服務(wù)

智能服務(wù)是信息交互、信息傳送、執(zhí)行反饋相互協(xié)作的智能化系統(tǒng)。智能服務(wù)代表了制造業(yè)由產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)向用戶驅(qū)動(dòng)的根本性改變，體現(xiàn)了智能制造模式下供給側(cè)的結(jié)構(gòu)性改革。智能制造模式下，智能服務(wù)提供了一個(gè)整體框架，使服務(wù)系統(tǒng)不再拘泥于單一產(chǎn)品、技術(shù)或服務(wù)，而是圍繞不同行業(yè)及其多樣化的業(yè)務(wù)衍生出無窮的智能服務(wù)，是未來行業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新集群的集中體現(xiàn)。

二、智能制造的核心技術(shù)

智能制造是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，從其支持體系、賦能體系等角度來看，其核心技術(shù)主要包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算、人工智能、數(shù)字化制造、智能傳感器、智能機(jī)器人技術(shù)等。

（一）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將工業(yè)生產(chǎn)過程中的各類傳感器、控制器、上層控制與智能分析平臺等，通過移動(dòng)通信等技術(shù)有機(jī)相融，實(shí)現(xiàn)制造環(huán)境的物物相連，有效消除制造系統(tǒng)中的“數(shù)據(jù)孤島”，具有實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化、嵌入式(軟件)、安全性和信息互通互聯(lián)性等特點(diǎn)，可提供全面感知、可靠傳遞、智能處理的整合服務(wù)。

將云計(jì)算與制造過程深度融合，可實(shí)現(xiàn)訂單的快速響應(yīng)與分析，對智能生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行快速分配，同時(shí)對動(dòng)態(tài)復(fù)雜制造工藝進(jìn)行快速優(yōu)化，以快速響應(yīng)不斷變化的個(gè)性化制造與服務(wù)需求。

（二）人工智能技術(shù)

人工智能是一門研究模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的技術(shù)科學(xué)，包含了相關(guān)的理論、方法、技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)。通過以知識庫、知識工程為核心的賦能，人工智能使計(jì)算機(jī)和人類實(shí)現(xiàn)智能的深度融合，從而達(dá)到延伸人類感知、輔助作出決策的目的。目前，人工智能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)包括機(jī)器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。

人工智能通常基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集、分析與決策，完成對生產(chǎn)任務(wù)與生產(chǎn)過程的感知與分析，最終完成自學(xué)習(xí)、自決策，從而促使智能制造系統(tǒng)提升生產(chǎn)效率、降低成本、改進(jìn)體驗(yàn)。此外，人工智能技術(shù)還將廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)鏈采購、安排生產(chǎn)、生產(chǎn)設(shè)備診斷、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等方面。

（三）數(shù)字化制造技術(shù)

數(shù)字化制造技術(shù)以智能制造需求為導(dǎo)向，以信息物理系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)為支撐，將數(shù)字化技術(shù)與制造技術(shù)深度融合，基于制造數(shù)據(jù)采集，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和重組，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能的仿真以及原型制造。

數(shù)字化制造技術(shù)可為制造商提供一個(gè)結(jié)構(gòu)化、虛擬化的可視化窗口，同時(shí)將人工的具象化工藝知識抽象到知識庫中，實(shí)現(xiàn)工藝的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，通過對標(biāo)準(zhǔn)工藝、工序、工步的總結(jié)，形成典型的工藝模板，實(shí)現(xiàn)工藝知識的重用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能制造產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高開發(fā)效率，縮短研制周期，降低驗(yàn)證成本。

（四）智能傳感器

智能傳感器以MEMS傳感器為核心，不僅能精確測量，更具備分析、存儲與通信的能力。智能傳感器是人工智能所需信息的入口，推動(dòng)智能傳感器向微型化、集成化、多功能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)傳感器與人工智能交叉融合，以便提高生產(chǎn)的靈活性、質(zhì)效和透明度。

（五）機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是制造過程的重要承擔(dān)者。機(jī)器人具有部署快速、本體柔順、傳感兼容等優(yōu)點(diǎn)，在小批量、定制化柔性制造以及超大尺寸、復(fù)雜型面構(gòu)件加工等領(lǐng)域有天然優(yōu)勢。將機(jī)器人技術(shù)與人工智能與云計(jì)算、5G通信等相結(jié)合，形成硬件無關(guān)、傳感共享、技能派生、群體智能的云機(jī)器人系統(tǒng)，通過機(jī)器人操作技能的持續(xù)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)機(jī)器人的場景感知與理解能力，形成面向應(yīng)用的機(jī)器人制造工藝知識圖譜，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化免編程作業(yè)，使機(jī)器人成為“能工巧匠”，是實(shí)現(xiàn)智能制造生產(chǎn)的重要抓手。

三、智能制造典型應(yīng)用場景

為落實(shí)我國《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃要求》，鼓勵(lì)企業(yè)探索智能制造新模式，國家相關(guān)部門對現(xiàn)行的300多個(gè)“十三五”智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目進(jìn)行了凝練總結(jié)，歸納了工廠設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)作業(yè)、倉儲配送、質(zhì)量管控、設(shè)備管理、安全管控、能源管理、環(huán)保管控、營銷管理、售后服務(wù)、供應(yīng)鏈管理、模式創(chuàng)新等15個(gè)核心環(huán)節(jié)，覆蓋車間/工廠數(shù)字化設(shè)計(jì)與交付、產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真、流程/離散型工藝數(shù)字化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化、車間智能排產(chǎn)、產(chǎn)線柔性配置、資源動(dòng)態(tài)組織、智能倉儲、智能在線檢測與質(zhì)量追溯等50余個(gè)智能制造場景。本文將其中典型場景進(jìn)行總結(jié)（見圖2），以期為智能制造的探索發(fā)展提供參考。

圖2 智能制造典型場景

四、未來發(fā)展趨勢

經(jīng)過無數(shù)制造企業(yè)多年探索，我國已形成數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造3個(gè)基本范式。中國工程院院士周濟(jì)指出，我國應(yīng)發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采用“并行運(yùn)行、融合發(fā)展”的整體技術(shù)路線，智能制造在未來二十年將分兩步走：“十四五”是第一階段，重點(diǎn)推進(jìn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造在全國范圍的普及，同時(shí)在重點(diǎn)領(lǐng)域開展數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造的示范應(yīng)用與初步推廣；第二段階段從2025年到2035年，大規(guī)模推廣數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造，實(shí)現(xiàn)我國制造業(yè)的全面智能化升級。在核心技術(shù)與支撐平臺方面，我國智能制造將呈現(xiàn)以下趨勢：

（一）新一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

隨著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能制造的深入推進(jìn)，眾多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)理與底層設(shè)備的認(rèn)知日漸深入，結(jié)合5G通信等新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，“自下而上”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺將在制造業(yè)深入應(yīng)用。

（二）制造工藝智能化

工藝是制造的靈魂，是人類對復(fù)雜制造經(jīng)驗(yàn)的高度凝練。采用機(jī)器人、高檔數(shù)控機(jī)床等智能制造裝備，將人工智能、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與材料成型、增減材制造、柔性裝配等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)制造工藝的智能化推理，提升智能制造裝備的制造能力，是深入推進(jìn)智能制造的關(guān)鍵。

（三）邊緣側(cè)AI賦能智能制造

邊緣側(cè)AI不需要通過數(shù)字方式連接到云在本地執(zhí)行任務(wù)和操作，因此，具備獨(dú)立處理數(shù)據(jù)和作出決策的能力。邊緣側(cè)AI的推廣將有效減少費(fèi)用和帶寬要求，使終端設(shè)備具有更大自主權(quán)和性能，還能降低由于數(shù)據(jù)的本地處理而導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露的概率。

（四）機(jī)理模型驅(qū)動(dòng)智能工業(yè)軟件發(fā)展

核心工業(yè)軟件的缺失已成為制約我國智能制造的“阿喀琉斯之踵”。工業(yè)軟件是對工業(yè)機(jī)理模型的高度積累，涵蓋了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)控制、測試驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。圍繞工業(yè)機(jī)理模型，開發(fā)國產(chǎn)化智能工業(yè)軟件，將是未來我國智能制造發(fā)展的重要方向。

五、結(jié)語

智能制造是中國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主要抓手，是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑。當(dāng)前，全球正迎來第四次工業(yè)革命浪潮，我國必須抓住這一歷史機(jī)遇， 把智能制造作為建設(shè)制造強(qiáng)國的主攻方向，堅(jiān)持創(chuàng)新引領(lǐng)，推進(jìn)智能制造，加快建設(shè)制造強(qiáng)國。