智能制造的现状与未来

引言

    近年来，在工业领域与信息技术领域，都发生了深刻的变革。在工业领域主要包括工业机器人、3D打印等，而在信息技术领域主要包括大数据、云计算、社交网络、移动互联、人工智能等。这些变革带来了制造业的新一轮革命，特别是作为信息化与工业化高度融合产物的智能制造得到了长足发展。与以往发生的工业革命相同，西方发达国家在新的一轮制造业革命中依然扮演着重要的角色。具有代表性的是美国创新战略、先进制造业国家战略计划；日本的新产业创造战略；欧盟的智能制造系统(IMS2O20)路线图计划、德国的“工业4.0”计划；韩国的高级先进制造技术计划(G-7)等。中国也提出了“中国制造2025”，加快从制造大国转向制造强国。

1 智能制造的概念

    智能制造技术是指在制造工业的各个环节，以一种高度柔性与高度集成的方式，通过计算机来模拟人类专家制造的智能活动，对制造问题进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动；并对人类专家的制造过程进行收集、存贮、完善、共享、继承和发展。智能制造技术是制造技术、自动化技术、系统工程、人工智能等学科相互渗透和融合的一种综合技术。智能制造技术的研究对象是世界范围内的整个制造环境的集成化与自组织能力，包括智能制造处理技术、自组织加工单元、自组织机器人、智能生产管理信息系统、多级竞争式控制网络、全球通讯与操作网等。

    智能制造系统就是要通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉与机器人控制等来对制造技术的技能与专家知识进行模拟，使智能机器在没有人干预情况下进行生产，实现人类智能活动向制造机械智能活动的转化。智能制造系统的研究内容包括智能活动、智能机器以及两者的有机融合技术，其中智能活动是研究问题的核心。在众多基础技术的研究中，智能制造处理技术负责各环节的智能制造的集成和生成智能机器的智能活动，成为世界各国普遍重视研究的重要课题。智能制造系统是与其环境有物质、能量和信息交换的，是依赖于“强制性”的损耗(磨损、耗散)的开放式自组织系统，是远离平衡态的耗散结构。

2 智能制造的发展现状

    美国为保持其制造业的全球竞争优势，出台了一系列的制造业振兴计划，如2009年12月提出的《重振美国制造业政策框架》、2011年6月提出的《先进制造伙伴计划》与2012年2月提出的《先进制造业国家战略计划》。依托新一代信息技术、新材料、新能源等创新技术在美国加快发展技术密集型的先进制造业。

    欧洲国家早在1982年制订的信息技术发展战略计划中就强调了智能制造核心技术的开发。德国西门子、瑞士ABB、法国施耐德电气等公司已将部分人工智能技术应用到工业控制设备与系统中。由欧盟资助的智能制造系统IMS2020计划囊括了意大利、德国、瑞士、美国、日本、韩国等多个先进国家与SAP，IBM ，Siemens ，BMW，MIT，Cambridg等多家企业与高校。针对可持续制造领域、节能制造领域、关键技术领域、标准化领域、创新培训领域五个关键领域，规划并逐步完成1-3年的短期目标、7-10年的中期目标以及10-15年后的智能制造蓝图。德国针对来自亚洲制造业的竞争威胁和美国的“先进制造业”发展，提出了“工业4.0”计划，期望充分发挥德国在制造业的现有优势，以确保德国制造业的未来。“工业4.0”是以智能制造为主导的第四次工业革命，旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统一信息物理系统(Cyber-Physical System)相结合的手段，将制造业向智能化转型。“工业4.0”项目主要分为两大主题：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

    日本早在1989年就发起过“智能制造系统”计划，从1992至1994年进行可行性研究，投资10亿美元建立了六项工业界主导的“可行性国际合作测试案例”，包括《流程工业洁净制造》、《全球化制造同步工程》、《 21世纪全球化制造》、《全方位制造系统》、《快速产品开发》、《知识系统化》等智能系统，重点研究了开发全球化制造、下一代制造系统、全能制造系统等技术。2004年，日本启动了“新产业创造战略”，为制造业寻找未来战略产业，并将信息家电、机器人、环境能源等7个领域作为重点发展对象，努力提高日本制造业在国际上的产业竞争力。

    韩国于1991年底提出了“高级先进技术国家计划”，即G-7计划，包括七项先进技术及七项基础技术，目标是到2000年把韩国的技术实力提高到世界第一流发达国家的水平，该目标已基本达到。为占领智能化生产技术的制高点，韩国目前又将智能制造技术列入“高级先进技术国家计划”之中，重点研究智能化生产技术。

    国内也对智能制造进行了探索与研究。最早在1993年，国家自然科学基金重大项目就研究了“智能制造系统关键技术”。而到1999年，又开展了“支持产品创新先进制造技术若干基础性研究”。在智能制造的企业应用方面，有部分企业的智能工厂将智能传感器技术、工业无线传感网技术、国际开放现场总线和控制网络的有线/无线异构智能集成技术、信息融合与智能处理技术等融人到生产各环节，通过与现有的企业信息化技术融合，实现了复杂工业现场的数据采集、过程监控、设备运维与诊断、产品质量跟踪追溯、优化排产与在线调度、用能优化及污染源实时监测，开发了工业现场分析与装备健康运行监测平台、大型离散制造过程的可视化系统与智能工厂应用的云计算平台。2015年3月5日，李克强总理在政府工作报告中指出，要实施“中国制造2025”，加快从制造大国转向制造强国。

3 智能制造的未来趋势

    中国工程院院士李伯虎指出，未来智能制造的发展将会集中研究以下几个方向：

    (1)基础理论与技术——行业统一标准与规范、关键智能基础共性技术、核心智能装置与部件、工业领域信息安全技术等。

    (2)智能装备——典型行业数控机械装备、智能工业机器人、智能化高端成套设备等。

    (3)智能系统——信息物理融合系统、智能制造执行系统、智能柔性加工成形装配系统、绿色智能连续制造系统、3D生产系统等。

    (4)智能服务——数据分析与决策支持、智能监控与诊断、智能服务平合、产业链横向集成等。

    从国内形势看，实施制造业信息化，是我国制造业应对经济全球化、提高国际竞争力的迫切需要，是以信息化带动工业化，促进传统制造业结构调整和优化升级的必然选择。我国目前还处在工业化进程之中，距离实现现代化还有很长的一段路要走。工业化的进程是不可逾越的，但是在信息时代工业化的过程是可以缩短的。应该充分利用后发优势，大力推进以制造业信息化为代表的国民经济信息化，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，实现全社会生产力的跨越发展。