朱海平：智能制造与智能化工厂建设

    作为一个“制造大国”，中国有着庞大的制造业市场基础，而智能化将推动整个市场进一步升华。因此，智能制造成为了《中国制造2025》中的一大关键词，《中国制造2025》中指出，我国将大体分“三步走”、用3个10年左右时间，最终跻身世界制造强国前列。在这个过程中，必须依靠创新驱动，推广“智能制造”，做大“互联网+”模式，实现从“制造”向“智造”的新突破。那么，“智能制造”的内涵和特征究竟是什么？产业如何实现落地？在日前青岛举办的2015“创新IT驱动产业升级”城市CIO论坛上，华中科技大学机械学院教授通过学术与实践两个维度与大家分享了智能制造与智能化工厂的建设。

华中科技大学机械学院教授 朱海平

 

以下为演讲实录：

 

    很高兴，有这么一个机会能够在青岛跟大家交流，我是来自华中科技大学的朱海平，我今天和大家分享的也是针对“互联网+”，现在一个很热的方向——智能制造和智能工厂。

 

    首先是个人的简单介绍，我来自华中科技大学机械学院，在全国的机械学校华中科技大学应该是全国排第一的。我目前在工业工程这个专业，主攻生产和运作管理方向。如今，国家启动了智能制造的项目，我在里面参与了几个项目，后面我也会就目前科研项目的情况跟大家做一些交流。

 

    今天我这个报告分为两部分，第一部分是比较学术化的，关注智能制造的内涵与特征。第二部分是落地的一个方向，就是产业建设的实力。

 

智能制造的内涵与特征

 

    讲到智能制造首先离不开两个词，一个是制造，一个是智能。关于“制造”我们大家都知道，它有广义与狭义之分，我们有时候说它是一个加工环节，有时候说它是不仅包括了具体的工艺过程，还包括市场分析、产品设计、质量监控、生产过程、管理营销、售后服务直至产品报废处理等在内的整个产品寿命周期的全过程，这是制造的定义。而“智能”大家可能都会联想到“人工智能”。那么“智能制造”这样的一个结合，我们通常认为它是泛指智能制造的技术和智能制造的系统。我们为什么去搞智能制造呢？它有这么几个好处：其一，智能机器的计算能力很强，适于大规模优化运算，比方说工程分析、云计算等等，它需要大量的计算，而人肯定是比不过机器的。其二，智能机器的感知能力很强，易于实现生产过程的实时自适应控制。其三，就是很热的一个词“大数据”，基于大数据有各种各样的智能方案，能够创新企业的研发服务。所以，智能制造应该说不是一个新的概念，早在上个世纪80年代，在国际上就已经有智能制造的专著。在中国，我们学校也是国内最早引入智能制造的高校，1988年，我们研究所的吴院士就已经把智能制造这个概念引入到国内了。

 

    但是我们看到从90年代初到2011年左右，将近15年的时间，很少有人去谈智能制造，到了2011年以后就是爆发出来了，这是一个很奇怪的现象。从2012年的工业互联网到2013年的工业4.0，再到现在我们说的中国制造2025，实际上它的主题都是“智能制造”。但是我们思考一个问题，为什么会出现这样的现象呢？实际上我们早期谈智能制造，一般都倾向于人工智能基础用于制造过程，偏向于系统。但是近20年以来，随着新技术的快速发展，我们现在讲的智能制造，在德国的工业4.0中叫Smart Manufacturing，它更强调的是信息化的制造，它的特点是CPS还有大数据，在这个过程中智能制造的内涵实际上也发生了一些细微的变化。此外，智能制造实际上是目前各国政府，重振制造业的一个抓手。我认为以上就是智能制造概念为什么在这两年突然爆发的原因。

 

    那么，什么叫智能制造呢？首先就是面向产品全生命周期，而不只是狭义的一部分。其次，是以新一代的信息技术为基础，去发展信息化制造。第三，是以智能制造系统为载体，在其关键环节或过程，具有一定自主性的感知、学习、分析、决策、通讯与协调控制能力，能动态地适应制造环境的变化，从而实现某些优化目标。制造系统是一个先进的概念，小概念设备是一个制造系统，大到一个企业，企业联盟都可以叫制造系统。但是我觉得没必要所有的环节都智能化，有一些关键环节具有一定的自主性的感知、学习、分析、决策、通信和控制能力，这有别于“数字化制造”与“自动化制造”的基本特征。

 

    同时，对于一个航空企业和一个服装企业，它们讲智能制造目标肯定是不同的，要因行业、企业、和系统的层次而定。总体来说，我觉得有四个方面，第一个在某些行业比如说家电、3C、服装等，非常强调满足客户个性化定制的需求。此外，例如当前的航空、航天、船舶、汽车等它们本来就是个性化制造，强调的就是实现复杂零件的高品质制造。大家都知道现在国内的航空发动机还造不好，原因是什么？就是航空发动机的工业、材料我们解决不了，这就要用到智能制造的技术。第三个，就是保证高效率的同时，实现可持续制造，这在石油化工、钢铁、电力行业很关键。最后一个就是提升产品价值，拓展价值链，包括工程机械、重点装备等行业，它的服务价值可能比我们卖产品的价值更高，那就是提升产品价值的事。

 

智能制造的技术体系

 

    大家都关心智能制造的技术体系，这里我也做了一个梳理，把它分为两部分，包括智能产品和智能制造过程。在智能制造的过程中，有一些基础的关键技术，包括通信技术，新一代信息技术，人工智能，智能优化等等。下面我就逐一地做一个简单的介绍。

 

    首先，是智能产品，指深度嵌入信息技术，在其制造、物流、使用和服务过程中，能够体现出自感知、自诊断、自适应、自决策等智能特征的产品。这个定义可能大家都看到过，把它做一个梳理，就是智能产品所谓的智能体现出三个环节，第一个是产品使用过程的智能化，典型的例子是无人机，无人机在工作的时候受到研发人的控制，能够自觉的根据环境做一些反应，这个就是使用过程的智能化，包括无人驾驶技术。第二个，是制造过程的产品智能化，大家可能都看过西门子的一个宣传片，它的PRC产品能够自动的寻找分类、加工，我觉得这很简单，自己列一个标签，体现了在制造过程中产品能够跟机器，或者机器跟机器之间能够相互规划，这就是制造过程的智能化。第三个，是服务过程的智能化，有个例子，三一重工的客户在几千公里以外工作，而它的信息可以传到ETC控制中心，从而实现功能机的远程监控，这就是服务过程的产品智能化。

 

    第二部分是智能设计，关于智能设计目前谈的比较少。我们现在讲智能制造，智能设计肯定是智能制造的一个重要的环节，但它是很难实现的。凡是我们现在谈的少的，其实都是很难的，因为它是几十年都解决不了的问题。但是智能设计它又尤其关键，未来智能设计主要分为几个环节，第一是面向工业海量数据的需求，通过大数据分析客户的需求，能够更好的描述设计需求。第二是设计概念智能创新的解决方案，比如我们现在讲的ICME、集成制造材料工程等等。最后是性能优先的智能设计，现在谈3D打印的很多，事实上3D打印应该不是智能制造的范畴，但是它可以为我们的智能设计提供帮助。以前我们印一个名片，设计的时候首先要考虑的是能不能把它造出来，否则设计的再好也没有用。但是现在有了3D打印，不管是什么复杂的文件，都可以用3D打印打出来，这个时候就可以产生从实现优先到性能优先的巨大改变。

 

    第三部分是智能装备与工艺，这个制造企业非常熟悉，我把它做了个分类。第一个是高品质复杂能力的智能加工，我刚才举了一个例子比如航空发动机，或者其他行业各个复杂的软件它能够加工，几个关键词就是工业的自学习、装备的智力执行、感知等等，实现智能工艺的智能性。第二个是高度的人机协同，大家可能都看过一个攻克未来工厂的视频，通过操作机器人进行互动，这就是一个高度的人机协同。此外，是虚拟与物理融合制造，例如在工厂中某个工人拉着焊钳进行比划，后面的虚拟产品就可以进行焊接并做焊工的检测，这个就是虚拟物理融合的制造，而这些都体现了装备和工业的智能成分。

 

    第四部分是智能工厂，现在大国的制造企业都上了这个系统，可能还有很多厂家在宣传自己的产品多么智能，但是实际上我们离构建智能化的工厂还很远。那么什么叫智能工厂？我做了一个总结，第一你的工厂要具有适应性，不管你生产多少批量、多少品种的产品，系统都能很好地实现自适应的支持。第二是基于实时反馈信息的智能动态调度，这也是工业4.0里面一个很重要的概念，就是计划管控从集中型向分散型转变，智能制造单元可以通过自主协商来决定加工任务和顺序，从而快速响应制造环境的变化。以前我们经常说把计划做好了，生产按照计划来走就不调整了，这在以前大批量生产的情况下可以成为现实，但是现在存在多批小批量的情况，这是实现不了的。所以需要把计划分散控制，在执行过程中，根动态地去调整。第三是预测性制造，就是所谓的自省性特征，未来设备的状态能够预测产品质量的变化和生产技能，从而提前采取主动的策略。如果这三个方面能够实现，那么我们的工厂就够智能了，但是显然我们现在的系统还难以支持以上三个特点。

 

    第五部分是智能管理与服务。管理包括了物流、供应链、能源管理以及智能服务等等。