智能制造技术与数字化工厂应用

东莞华中科技大学制造工程研究院、广东省智能制造新型感知技术国际创新团队王瑜辉教授

一、智能制造产业与技术背景

    随着制造业的不断发展，制造产业已经成为全球经济持续发展的发动机。为了发展先进制造业，美国推行“再工业化”战略，力图重振本土工业，寻找能够支撑未来经济增长的高端产业，通过产业升级化解高成本压力，实现经济的复苏；德国为确保其工业领先的地位，提出了工业4.0的国家战略，旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统CPS（Cyber-Physical System)相结合的手段，将制造业向智能化转型。世界制造强国纷纷推出制造发展计划，但无论是美国的工业互联网还是德国的工业4.0，都是为了应对制造产业的快速变化，提升本国制造的核心竞争力。

    制造产业的变化主要体现在三个方面，即定制化、个性化、绿色化。多品种产品生产的动态配置资源的柔性生产模式成为越来越多企业追求的目标，用以满足市场上定制化的需求。另一方面，产品从设计到销售一直到最终服务的生命周期的概念，在企业中越来越多的被认同，生命周期的制造流程模式帮助企业更好的为市场个性化需求服务。最后是绿色制造的提出，制造企业需要不断提高能源利用效率，实现工业生产“绿色环保”。这些变化促使制造需求向多品种多批量、高质量低成本、柔性制造快速响应、节能减排的方面发展。就制造企业自身而言，面对日益加剧的市场竞争环境，必须通过提升效率、缩短生产周期、提高制造柔性的方式增强竞争力。

    在中国，随着智能制造科技发展“十二五”专项规划的出台，失去成本优势之后的中国制造拉响了转型变革的号角，面对产业升级压力、劳动力成本上升、能耗排放压力的挑战，中国制造2025明确了战略需求、目标任务、关键技术等，同时也迎来了“发展先进制造技术，实现产业升级”的新机遇。

二、智能制造基本内涵与关键技术

    1.智能制造基本内涵

    所谓智能制造离不开两个要素，第一个要素就是生产的物理要求，如产品制造的装备、制造的车间等等。另一个则是信息。21世纪以来，随着物联网等新一代信息技术的快速发展及应用，智能制造被赋予了新的内涵，即智能制造是将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与先进自动化技术、传感技术、控制技术、数字制造技术结合，实现工厂和企业内部、企业之间和产品全生命周期的实时管理和优化的新型制造系统。智能设备、智能系统和智能决策代表着机器、设备组、设施和系统网络的 工业世界能够更深入地与连接、大数据和分析所代表的数字世界融合。德国正式推出工业4.0战略，虽没明确提出智能制造概念，但包含了智能制造的内涵，即将企业的机器、存储系统和生产设施融入到虚拟网络—实体物理系统（CPS）。

    2.智能制造技术核心

    智能制造的技术目标是通过嵌入式互联网技术，离散的信息-物理系统（CPS）进行连接交互。它包含了三个方面：首先产品制造过程中包含所有必要信息；其次要考虑全价值链进行生产设备整合、自组织；第三个是要在生产过程中按照实际工况灵活决策。具备了以上三个特点就是智能制造系统的基本要素。

    智能制造技术路线包含通过软件和网络进行产品开发、生产和服务沟通，也包括机器与产品实时进行信息和指令交互，并在此基础上可以实现自主控制和优化。其发展的阶段可能都为人熟知。我们一直在做信息化，那首先就必须要实现数字化，然后利用自组织网络，动态配置资源，实现研究、设计、生产和销售各种资源重组，形成跨地域的生产网络，从而构成了未来智能制造的基础。未来，在产品设计、制造过程中具有感知、分析、决策、执行的能力。这便是构筑的智能化的阶段。

    智能制造的核心覆盖了生产的全要素，从设计到生产到后期的服务，整个营销的过程中，其实是通过信息系统以及信息采集系统把它剥离起来，形成一个制造的网络，具体来说包含三个层面：第一个层面是产品智能化，如无人机、无人驾驶汽车等都是智能化的产物。它包括了自主决策（如环境感知、路径规划、智能识别等）、自适应工况（控制算法及策略等）、人机交互（多功能感知、语音识别、信息融合等）等技术。

    第二个层面是装备智能化。在制造企业中，尽管有机床，有很多的加工设备，但是这些都离不开人，因为机器没有办法实现自主感知和控制，未来的发展趋势是要让机器能够实现自律地、自主地、自控地制造。即智能装备的特点包括将专家的知识和经验融入感知、决策、执行等制造活动中，并赋予产品制造在线学习和知识进化能力，从而实现自学自律制造。其次是车间智能化。对于车间来说应该是一个制造系统，它包含的要素包括了生产的对象、生产的设备状态、生产的质量的监控、生产物流、人员等等，一旦企业规模够大，变化够快的时候，是要靠智能化的车间系统来解决管理问题。如果把车间的制造环节再延伸到物流供应链以及到销售的环节，那就是整个工厂的智能化，其中也包括了供应链的智能化。

图1 典型的数字化车间

    第三个层面是制造模式智能化。首先互联网的发展带来了很多的机会，如Facebook、微信等，社交服务平台的出现改变了人们沟通的发昂视；其次，电子商务平台的出现造就了阿里巴巴和亚马逊这样的企业的模式，带来的是制造的相关的链条的改变，而不是制造本身。那么未来的制造业模式是怎样的？尽管互联网+已经提出，但如何与工业发展相连通，依旧没有成熟的定势，值得研究和探讨。但智能制造绝对是一个方向，包含产品的研发、数字控制的管理以及跨企业之间的协作、机器人、3D打印、传感器等等。