關于智能制造技術研究現(xiàn)狀及未來趨勢的探討

周曉軍，羅軍，白麗，解艷維，周學博

（1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.西部鉆探管具與井控技術服務分公司，新疆 鄯善 838200；3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002）

人工智能制造技術在經(jīng)歷幾十年的發(fā)展后逐步演化出了快速響應制造、虛擬制造成多種制造模式，人工智能制造技術的快速發(fā)展使得未來制造行業(yè)會逐步向著集成化和智能化的方向發(fā)展。在智能制造技術的引領下，逐步出現(xiàn)了智能生產(chǎn)線、智能車間等一些概念。

1 智能制造概論

1.1 智能制造在國外的發(fā)展

國外實際上從1988 年開始就已經(jīng)開始研究智能制造，而智能制造概念首次是由來自美國的懷特和布恩教授提出的，在他們的學術研究中，對智能制造的基本設想和具體實施途徑進行了詳細的闡述。而智能制造系統(tǒng)則是在1989 年出現(xiàn)于日本，而日本也是首次在世界上誕生制造工廠的國家。德國的寶馬公司在汽車總裝中首次應用了智能制造技術，且取得了良好的效果。

1.2 智能制造在我國的發(fā)展

我國在2015 年由國家工業(yè)部牽頭聯(lián)合中國工程院初步擬定了《中國制造2025》國家發(fā)展戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略的出臺為我國制造業(yè)未來的創(chuàng)新發(fā)展指明了方向，也進一步支撐了制造行業(yè)中信息技術的深度融合和應用，在該概念中，重點指出未來我國制造業(yè)的發(fā)展中要重點解決智能化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化制造等一些核心問題，以工業(yè)制造智能化全面推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化發(fā)展，同時，加大高端智能制造業(yè)發(fā)展，全面推動制造業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

2 智能制造技術基本內(nèi)涵

智能制造技術的最終目標是要實現(xiàn)制造企業(yè)價值鏈的智能化，也就是說，在制造業(yè)的產(chǎn)品設計、制造以及裝配過程中，實現(xiàn)與云計算、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)等先進智能技術的融合。圖1 所示為智能制造關鍵技術基本構架圖。

圖1 智能制造關鍵技術基本構架

3 智能制造關鍵技術及研究現(xiàn)狀

3.1 CPS 技術

構建CPS 模型時，需要針對CPS 技術在應用過程中技術的應用所涉及的大量信息物理交換生的能量流動和信息流動進行充分考慮。CPS 建模的關鍵在于將現(xiàn)實系統(tǒng)運作模式進行真實再現(xiàn)。目前，在相關研究中，通過提出了連續(xù)建模、離散建模和混合建模的方法改進后，出現(xiàn)了擴展模型理論、基于數(shù)據(jù)驅動以及統(tǒng)一模型理論等多種構建CPS 模型的方法。

網(wǎng)絡服務質(zhì)量、傳輸協(xié)議以及擁塞控制管理是CPS網(wǎng)絡技術研究的重點內(nèi)容，傳輸協(xié)議重點是針對時空數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃詥栴}進行解決，通過傳輸協(xié)議，能夠讓系統(tǒng)信息傳輸中的能耗帶寬控制在最低程度。擁塞控制關鍵是針對各項物理參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸速率進行解決，面對CPS 技術應用過程中存在的網(wǎng)絡擁堵，利用不同力度時間和空間方法進行有效消除，從而使數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性和正確性得到保障。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的感知技術

物聯(lián)網(wǎng)目前主要有網(wǎng)絡層、感知層和應用層等三層構架，與感知層相關的主要是感知技術。先進的感知技術是實現(xiàn)智能制造的基本前提。針對數(shù)據(jù)采集層面，各類制造設備、加工對象及設備狀態(tài)上在傳感器技術的基礎上能夠實現(xiàn)有效識別和感知。而在當前的制造領域中，數(shù)據(jù)采集主要是通過手工、自動化或半自動化等方式進行采集。手工采集仍然會涉及一些紙質(zhì)表格制作，半自動化采集主要應用的有條形碼、手持終端設備、二維碼等；自動采集則主要是利用芯片卡、射頻識別和藍牙等。視頻識別由于具有非接觸、多目標高速識別等一些優(yōu)點，在當前機械加工、質(zhì)量控制、生產(chǎn)監(jiān)控、物料運輸以及智能倉儲等方面應用非常廣泛。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎能夠實現(xiàn)智能制造決策、優(yōu)化得以實現(xiàn)，也進一步推動了智能化工廠、數(shù)字化車間的建設。

3.3 3D 打印技術

3D 打印技術的主要是利用3D 打印機和各類原材料打印出立體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的打印機相比，3D 打印機在原料輸出方面具有極大差別。從輸入材料來講，3D 打印機應用的并不是傳統(tǒng)的墨水，而是輸入真實產(chǎn)品原材料，通過打印技術形成黏合的材料立體產(chǎn)品。在3D 打印技術的應用過程中，應用的材料種類最常見的有塑料、陶瓷、金屬、橡膠等。此外，一些3D 打印機還可以實現(xiàn)多種材料的綜合應用，這樣就能夠讓打印產(chǎn)品具備不同性質(zhì)。由此也可以看出，充分利用材料的組合，3D 打印機就可以打印出具有各種性質(zhì)的產(chǎn)品。目前，世界上掌握3D 打印材料最多的公司屬于以色列的Object 公司，在3D 打印技術的實踐應用過程中，該公司所應用的基本材料為14 種，而通過各種材料的自由組合可以最終形成107 種打印材料，在這種情況下，最終打印出的產(chǎn)品性能更加豐富。在農(nóng)機制造、模具制造、科研研發(fā)、產(chǎn)品升級維修等各個領域中3D 打印技術的應用都非常廣泛，如圖2。作為一種新型的打印技術，在智能制造領域的應用可以將企業(yè)的研發(fā)成本控制在最低程度，也能有效提升企業(yè)科研的研發(fā)效率。目前，我國經(jīng)濟正處在高速增長階段，在智能制造發(fā)展中，3D 打印技術的應用能發(fā)揮出巨大作用，也可以有效地提升我國的整體科研能力。

圖2 工業(yè)3D 打印機

4 智能制造技術未來發(fā)展

4.1 智能制造未來發(fā)展

智能制造必將成為未來制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢，其本身屬于一項非常復雜的系統(tǒng)性工程，也是一種先進的制造技術。在當前制造行業(yè)的發(fā)展過程中，人工智能技術的應用在產(chǎn)品制造全生命周期的優(yōu)勢更加明顯，人工智能制造技術的應用使得制造業(yè)一直以來面臨著實時控制、智能服務、互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)優(yōu)化等問題得以解決。未來，智能制造的研究領域將呈現(xiàn)出以下一些發(fā)展趨勢。

智能設備互聯(lián)互通?；ヂ?lián)互通是實現(xiàn)智能制造的基礎，新型智能制造技術能實現(xiàn)生產(chǎn)設備和生產(chǎn)系統(tǒng)之間的信息互通，而且也將使各設備互聯(lián)互通過程中的傳輸方式、通訊協(xié)議、擁塞控制等多種問題得以進一步完善。

物聯(lián)網(wǎng)為基礎的設備實時感知、人工交互技術。智能制造設備的全面感知是建立在傳感器技術的基礎上。目前，傳感器正向著智能化、符合化和微型化的方向發(fā)展，在此基礎上，如果能夠實現(xiàn)智能處理、智能判斷以及自適應等功能，必將推動智能制造行業(yè)的快速發(fā)展。

4.2 我國智能制造的可持續(xù)發(fā)展

在《中國制造2025》中，對我國智能制造的發(fā)展做出了一些政策性指導，但是從總體層面看，仍然沒有實現(xiàn)細化，缺乏一定的可操作性。

鑒于此，首先，我國應該對自身智能制造當前發(fā)展現(xiàn)狀進行深入分析，從發(fā)展基礎、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術水平、企業(yè)競爭力、產(chǎn)業(yè)集群等幾個方面進行全面評估，要深入挖掘自身在智能制造領域的發(fā)展優(yōu)勢。

其次，要針對我國在智能制造發(fā)展過程中存在的各類問題進行系統(tǒng)性分析。從發(fā)展水平、智能制造基礎理論、人才培養(yǎng)、政策支撐、自主創(chuàng)新等多個層面對我國制造業(yè)的整體發(fā)展進行深入探討，以此為我國智能制造未來的發(fā)展找準方向。

最后，找出我國智能制造可持續(xù)發(fā)展的正確路徑。一方面，要針對新興市場國家從產(chǎn)業(yè)政策的角度對其在同發(fā)優(yōu)勢下的產(chǎn)業(yè)政策進行全面分析，進而實現(xiàn)自身智能制造的跨越式發(fā)展；另一方面，要針對我國智能制造的發(fā)展從實際操作層面對政策體系的構建進行全面分析，其中會涉及組織政策、產(chǎn)業(yè)結構政策、產(chǎn)業(yè)布局政策等。

5 結語

智能制造是未來制造行業(yè)發(fā)展的一種趨勢，因此，我國制造行業(yè)在未來發(fā)展過程中要不斷加大智能制造相關關鍵技術的研究，這樣才能推動我國制造強國夢的實現(xiàn)。