智能制造現(xiàn)狀及前景

智能制造的發(fā)展與遠(yuǎn)景展望大綱簡(jiǎn):述了智能制造形成的原因及智能制造的看法；解析了智能制造國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀；指出了智能制造的發(fā)展趨勢(shì)及其面對(duì)的問(wèn)題。重點(diǎn)詞：智能制造人工智能機(jī)械制造工業(yè)4.0ThedevelopmentandresearchofintelligenlmanufacturingJiaYuWang（CollegeofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofAeron&adtiTsnautics,Nanjing,210016,China;）Abstract:ThispaperdepictsthecauseofformationandconceptionofIM.AndpresentsstatusinthedevelopmentonIM.FinallyindicationisgivenofthetrendofdevelopmentandquestionconfrontingIM.Keywords：IM;AI;mechanicalmanufacture;Industrie4.00刖5智能制造裝備是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)在制造裝備上的集成和深度交融，是實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保和安全可靠生產(chǎn)的下一代制造裝備。在綜述了智能制造裝備國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了當(dāng)前智能制造存在的問(wèn)題，并得出結(jié)論，認(rèn)為德國(guó)的”工業(yè)4.0”和美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備將是智能制造裝備未來(lái)的發(fā)展方向。1研究背景制造業(yè)是公民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)部門，是決定國(guó)家發(fā)展水平的最基本因素之一。從機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的歷程來(lái)看，經(jīng)歷了由手工制作、泰勒化制造、高度自動(dòng)化、柔性自動(dòng)化和集成化制造、并行規(guī)劃設(shè)計(jì)制造等階段。就制造自動(dòng)化而言，大體上每十年上一個(gè)臺(tái)階：50-60年代是單機(jī)數(shù)控，70年代今后則是CNC機(jī)床及由它們組成的自動(dòng)化島，8（）年代出現(xiàn)了世界性的柔性自動(dòng)化熱潮。與此同時(shí)，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)集成制造，但與合用化相距甚遠(yuǎn)。隨著計(jì)算機(jī)的問(wèn)世與發(fā)展，機(jī)械制造大體沿兩條路線發(fā)展：一是傳統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展，二是借助計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化科學(xué)的制造技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展。80年代以來(lái)，傳統(tǒng)制造技術(shù)獲取了不同樣程度的發(fā)展，但存在著很多問(wèn)題。近來(lái)年，人們對(duì)制造過(guò)程的自動(dòng)化程度賜予了極大的研究熱情，這是因?yàn)閺?870年到1980年間，制造過(guò)程的效率提升了20倍，而生產(chǎn)管理效率只提升了1.8-2倍，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率只提升了1.2倍，這表示體力勞動(dòng)經(jīng)過(guò)采用自動(dòng)化技術(shù)獲取了極大的解放，而腦力勞動(dòng)的自動(dòng)化程度（其實(shí)質(zhì)是決策自動(dòng)化程度）則很低，制造過(guò)程中人的因素還沒(méi)有獲取充分的認(rèn)識(shí)，人還沒(méi)有真正地從復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程中解放出來(lái)，各種問(wèn)題求解的最后決策在很大程度上仍依賴于人的智慧。所以，人類集體所面對(duì)的眾多問(wèn)題（包括社會(huì)問(wèn)題、生理問(wèn)題等）在制造過(guò)程中都有所反響。面對(duì)批量小、品種多、質(zhì)量高、更新快的產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求以及各種社會(huì)因素的綜合影響，制造過(guò)程的自動(dòng)化程度的提高面對(duì)眾多問(wèn)題，比方：（1）專家人才的短缺和轉(zhuǎn)移致使一些特地技術(shù)不能夠?qū)崟r(shí)或長(zhǎng)久地獲取供應(yīng)；（2）現(xiàn)代制造過(guò)程中信息量大而繁瑣，傳統(tǒng)的信息辦理方式已不能夠滿足要求，大量的信息資源需要開(kāi)發(fā)與共享；（3）制造環(huán)境柔性要求更大，決策過(guò)程更加復(fù)雜，決策時(shí)間要求更短；（4）制造過(guò)程的自動(dòng)化程度受制于制造系統(tǒng)的自組織能力，即智能水平；（5）現(xiàn)代生產(chǎn)要求專家們?cè)诟蠓秶鷥?nèi)進(jìn)行更實(shí)時(shí)的合作，小到一個(gè)企業(yè)內(nèi)部的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大至一個(gè)國(guó)家甚至世界范圍內(nèi)的工業(yè)界中的眾多企業(yè)之間。各種跡象表示，“我們正處在制造歷史上的一個(gè)危險(xiǎn)時(shí)期”。好運(yùn)的是，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)科學(xué)以及其他高技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)集成制造技術(shù)、人工智能等而發(fā)展起來(lái)的一種新式制造工程一智能制造技術(shù)（intelligentmanufacturingtechnology,IMT）與智能制造系統(tǒng)（intelligentmanufacturingsystem,IMS使我們有可能走出這個(gè)危機(jī)。這是因?yàn)椋圃爝^(guò)程所面對(duì)的眾多問(wèn)題的核心是“制造智能”和制造技術(shù)的“智能化”。IMT是指在制造工'業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)以一種高度柔性與高度集成的方式，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動(dòng)，進(jìn)行解析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)；并對(duì)人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存貯、完滿、共享、繼承與發(fā)展。未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的基本特色應(yīng)該是知識(shí)密集型，制造自動(dòng)化的根本是決策自動(dòng)化。2發(fā)展現(xiàn)狀外國(guó)研究現(xiàn)狀.當(dāng)前，IMT&IMS的研究正迅速碰到眾多國(guó)家的政府、工業(yè)界和科學(xué)家們的廣泛重視:美國(guó)美國(guó)是國(guó)際智能制造思想的發(fā)源地之一，美國(guó)政府高度重視智能制造的發(fā)展，而且已經(jīng)把它作為21世紀(jì)占有世界制造技術(shù)當(dāng)先地位的基石。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（NSF）就重視資助相關(guān)智能制造的諸項(xiàng)研究，項(xiàng)目覆蓋了智能制造的絕大多數(shù)，包括制造過(guò)程中的智能決策、基于多施主（multi-agenO的智能協(xié)作求解、智能并行設(shè)計(jì)、物流傳輸?shù)闹悄茏詣?dòng)化等。2005年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）提出了"聰穎加工系統(tǒng)（smartmachiningsystem,SMS）”研究計(jì)劃。聰穎加工系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是智能化，該系統(tǒng)的主要目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容包括：（1）系統(tǒng)動(dòng)向優(yōu)化。馬上相關(guān)工藝過(guò)程和設(shè)備知識(shí)加以集成后進(jìn)行建模，進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)向性能優(yōu)化；（2）設(shè)施特色化。即開(kāi)發(fā)特色化的測(cè)量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn)，并在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)機(jī)床性能進(jìn)行測(cè)量和通訊；（3）下一代數(shù)控系統(tǒng)。即與STEP-NC兼容的接口和數(shù)據(jù)格式，使基于模型的機(jī)器控制能夠無(wú)縫運(yùn)行；（4）狀態(tài)監(jiān)控和可靠性。即開(kāi)發(fā)測(cè)量、傳感和解析方法；（5）在加工過(guò)程中直接測(cè)量刀具磨損和工件精度的方法。2011年，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布推行包括工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的"AdvancedManufacturingPartnershipPlan”（先進(jìn)制造締盟計(jì)劃），馬上獲取同日宣布的“實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)智能制造”新報(bào)告的積極響應(yīng)。在這份由美國(guó)智能制造領(lǐng)導(dǎo)締盟（smartmanufacturingleadershipcoalition,SMLC）宣布的報(bào)告中，不僅描繪了該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展宏圖，而且確定了十大優(yōu)先行動(dòng)目標(biāo)，妄圖經(jīng)過(guò)采用21世紀(jì)的數(shù)字信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，加快對(duì)20世紀(jì)的工廠進(jìn)行現(xiàn)代化改造過(guò)程，以改變過(guò)去的制造方式，借此獲取經(jīng)濟(jì)、效率和競(jìng)爭(zhēng)力方面的多重效益［2］。日本日本于1990年第一提出為期10年的智能制造系統(tǒng)（IMS）的國(guó)際合作計(jì)劃，并與美國(guó)、加拿大、澳大利亞、瑞士和歐洲自由貿(mào)易協(xié)議國(guó)在1991年睜開(kāi)了結(jié)合研究，其目的是為了戰(zhàn)勝柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的限制性，把日本工廠和車間的專業(yè)技術(shù)與歐盟的精美工程技術(shù)、美國(guó)的系統(tǒng)技術(shù)充分地結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出能令人和智能設(shè)施都不受生產(chǎn)操作和國(guó)界線制，且能彼此合作的高技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)。歐盟歐盟于2010年啟動(dòng)了第七框架計(jì)劃（FP7）的制造云項(xiàng)目［3］,特別是制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的德國(guó)，繼推行智能工廠（Smartfactor）y此后［&,又啟動(dòng)了一個(gè)投入達(dá)2億歐元的工業(yè)4.0（Industry4.）0項(xiàng)目15〕。德國(guó)政府2010年擬定的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》計(jì)劃行動(dòng)中，妄圖以未來(lái)項(xiàng)目“工業(yè)4.0”確定德國(guó)在重點(diǎn)工業(yè)技術(shù)上的國(guó)際當(dāng)先地位，并在2013年4月舉行的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式將此計(jì)劃推出。“工業(yè)4.0看法最初是在德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子企業(yè)等德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建講和推進(jìn)下形成,當(dāng)前其已上升為國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略［6］。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)在智能制造技術(shù)與系統(tǒng)方面的絕大多數(shù)研究工作，當(dāng)前還處在商議人工智能在制造領(lǐng)域中應(yīng)用的階段。幾年來(lái)，開(kāi)發(fā)出了眾多種類、水平各異的面向制造過(guò)程中特定環(huán)節(jié)、特定間題的“智能化孤島”，諸如專家系統(tǒng)、基于知識(shí)的系統(tǒng)和智能輔助系統(tǒng)等，而對(duì)制造環(huán)境的全面“智能化”研究工作還處于方才起步階段。我國(guó)自2009年5月《裝備制造業(yè)調(diào)整和中興規(guī)劃》出臺(tái)以來(lái)，國(guó)家對(duì)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的政策支持力度不斷加大，2012年國(guó)家相關(guān)部委更集中出臺(tái)了一系列規(guī)劃和專項(xiàng)政策，使得我國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展輪廓獲取進(jìn)一步地清楚。工業(yè)與信息化部宣布了《高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，同時(shí)宣布了《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》子規(guī)劃，明確提出到2020年將我國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)培育成為擁有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)?？茖W(xué)技術(shù)部也宣布了《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》；國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、財(cái)政部、工業(yè)與信息化部三部委組織推行了智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)；工業(yè)與信息化部擬定和宣布了《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展路線圖》，該路線圖明確把智能制造裝備作為高端裝備制造業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程智能化為目標(biāo)，以打破九大體點(diǎn)智能基礎(chǔ)共性技術(shù)為支撐，其思路是：以推進(jìn)八項(xiàng)智能測(cè)控裝置與部件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化為核心，以提升八類重要智能制造裝備集成創(chuàng)新能力為重點(diǎn)，促進(jìn)在公民經(jīng)濟(jì)六大體點(diǎn)領(lǐng)域的示范應(yīng)用推行。3問(wèn)題與展望存在問(wèn)題總的說(shuō)來(lái)，當(dāng)前IMS的研究仍處在人工智能在制造領(lǐng)域中應(yīng)用的階段，研究課題涉及到市場(chǎng)解析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程控制、資料辦理、信息管理、設(shè)施保護(hù)等眾多方面，獲取了豐富的成就，開(kāi)發(fā)了種類眾多的面向特定領(lǐng)域的專家系統(tǒng)、基于知識(shí)的系統(tǒng)和智能輔助系統(tǒng)，甚至智能加工工作站（IMW）,形成了一系列"智能化孤島"（islandsofintelligence這中間包括CIMS研究中所獲取的相關(guān)進(jìn)展。然而，隨著研究與應(yīng)用工作的深入，人們逐漸地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提升依賴制造系統(tǒng)的自組織能力，研究工作還面對(duì)著一系列理論、技術(shù)和社會(huì)問(wèn)題，、問(wèn)題的核心是“智能化”。一般說(shuō)來(lái)，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)作為一個(gè)有機(jī)的整體要受技術(shù)（包括生產(chǎn)系統(tǒng)）、人（包括間接影響生產(chǎn)過(guò)程的社會(huì)合體）和經(jīng)濟(jì)（包括市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)）三方面因素的限制。從技術(shù)的角度來(lái)看，對(duì)于一個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)展望、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原料訂購(gòu)與辦理、制造加工、生產(chǎn)管理、原料產(chǎn)品的儲(chǔ)運(yùn)、產(chǎn)品銷售、研究與發(fā)展等環(huán)節(jié)相互相互影響，組成產(chǎn)品生產(chǎn)的全過(guò)程。該過(guò)程的自動(dòng)化程度取決于各環(huán)節(jié)的集成自動(dòng)化（integratedautomatic））n水平，而生產(chǎn)系統(tǒng)的自組織能力取決于各環(huán)節(jié)的集成智能（integratedinteHigen）ce水平。當(dāng)前，尚缺乏這種“集成”制造智能的技術(shù)，這也是當(dāng)前“并行工程”的研究重點(diǎn)。發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前，智能制造的發(fā)展趨勢(shì)以德國(guó)的”工業(yè)4.0”和美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備最為清楚。321德國(guó)“工業(yè)4.0"德國(guó)“工業(yè)4.0”經(jīng)過(guò)充分利用信息物理系統(tǒng)（CPS）,實(shí)現(xiàn)由集中式控制向分別式加強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立高度靈便的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推進(jìn)現(xiàn)有制造'也向智能化方向轉(zhuǎn)型。CPS是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)3C（Computation.Communication.Control）技術(shù)的有機(jī)交融與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)制造裝備系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)向控制和信息服務(wù)。CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通訊與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)共同。德國(guó)電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)于2013年宣布了德國(guó)首個(gè)“工業(yè)4.0”標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，以加強(qiáng)德國(guó)作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，保證德國(guó)制造的未來(lái)/飛。“工業(yè)4.0”項(xiàng)目主要分為兩大主題：(1)智能工廠。重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)。程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)(工業(yè)4.0智能工廠如圖1所示)；(2)智能生產(chǎn)。主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。圖1工業(yè)4.0智能工廠美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備2013年，美國(guó)通用電氣企業(yè)(GE)公布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)打■破智慧與機(jī)器的界線》報(bào)告小。該報(bào)告提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(IndustrialInter)ne的t看法。工業(yè)化創(chuàng)立了無(wú)數(shù)的機(jī)器、設(shè)施和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是指讓這些機(jī)器和先進(jìn)的傳感器、控制和軟件應(yīng)用相連接，以提升制造業(yè)的生產(chǎn)效率、減少資源耗資。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備將整合兩大革命性轉(zhuǎn)變的優(yōu)勢(shì)：(1)工業(yè)革命。陪同著工業(yè)革命，出現(xiàn)了無(wú)數(shù)臺(tái)機(jī)器、設(shè)施、機(jī)組和工作站；(2)富強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)革命；(3)在網(wǎng)絡(luò)化的影響下，計(jì)算、信息與通訊系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生其實(shí)不斷發(fā)展。4小結(jié)智能制造裝備集制造、信息和人工智能技術(shù)于一身，是未來(lái)高端裝備制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。各國(guó)政府高度重視智能制造裝備的研發(fā)和應(yīng)用，美、日、歐已有一系列的研究成就和部分產(chǎn)品面世，德國(guó)的“工業(yè)4.0”項(xiàng)目也積極地推進(jìn)了制造業(yè)向智能化的轉(zhuǎn)型。我國(guó)政府也充分認(rèn)識(shí)到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，已出臺(tái)政策推進(jìn)智能制造裝備的產(chǎn)業(yè)化水平提升。能夠預(yù)示，未來(lái)智能制造裝備在引領(lǐng)制造業(yè)低碳、節(jié)能、高效發(fā)展上的作用將進(jìn)一步獲取展現(xiàn)；同時(shí)?,行業(yè)也將在工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備、智能儀器儀表、三維打印裝備、新式傳感器、自動(dòng)化成套生產(chǎn)線等重點(diǎn)領(lǐng)域形成迅速發(fā)展與突破。5參照文件L1JGUOQing-lin,ZHANGMing.Anagent-orientedap