智能制造現(xiàn)狀與前景

公司內(nèi)部編號(hào)：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-9018）公司內(nèi)部編號(hào)：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-9018）智能制造現(xiàn)狀與前景智能制造的發(fā)展與前景展望摘要:簡(jiǎn)述了智能制造形成的因素及智能制造的概念；分析了智能制造國(guó)內(nèi)外的發(fā)呈現(xiàn)狀；指出了智能制造的發(fā)展趨勢(shì)及其面臨的問題。核心詞：智能制造人工智能機(jī)械制造工業(yè)ThedevelopmentandresearchofintelligentmanufacturingJiaYuWang(CollegeofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofAeronautics＆Astronautics,Nanjing,210016,China;)Abstract：ThispaperdepictsthecauseofformationandconceptionofpresentsstatusinthedevelopmentonindicationisgivenofthetrendofdevelopmentandquestionconfrontingIM.Keywords:IM;AI;mechanicalmanufacture;Industrie0前言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融合，是實(shí)現(xiàn)高效、高品質(zhì)、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)呈現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)敘述了現(xiàn)在智能制造存在的問題，并得出結(jié)論，認(rèn)為德國(guó)的”工業(yè)”和美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備將是智能制造裝備將來的發(fā)展方向。1研究背景制造業(yè)是國(guó)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，大致上每十年上一種臺(tái)階:50-60年代是單機(jī)數(shù)控，70年代后來則是CNC機(jī)床及由它們構(gòu)成的自動(dòng)化島，80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，但與實(shí)用化相距甚遠(yuǎn)。隨著計(jì)算機(jī)的問世與發(fā)展，機(jī)械制造大致沿兩條路線發(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，傳統(tǒng)制造技術(shù)得到了不同程度的發(fā)展，但存在著諸多問題。近明年，人們對(duì)制造過程的自動(dòng)化程度賦予了極大的研究熱情，這是由于從1870年到1980年間，制造過程的效率提高了20倍，而生產(chǎn)管理效率只提高了倍，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率只提高了倍，這表明體力勞動(dòng)通過采用自動(dòng)化技術(shù)得到了極大的解放，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，制造過程中人的因素尚未得到充足的認(rèn)識(shí)，人尚未真正地從復(fù)雜的生產(chǎn)過程中解放出來，多個(gè)問題求解的最后決策在很大程度上仍依賴于人的智慧。因而，人類群體所面臨的眾多問題（涉及社會(huì)問題、生理問題等）在制造過程中都有所反映。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)規(guī)定以及多個(gè)社會(huì)因素的綜合影響，制造過程的自動(dòng)化程度的提高面臨眾多問題，譬如:（1）專家人才的短缺和轉(zhuǎn)移致使某些專門技能不能及時(shí)或長(zhǎng)久地得到提供；（2）當(dāng)代制造過程中信息量大而繁雜，傳統(tǒng)的信息解決方式已不能滿足規(guī)定，大量的信息資源需要開發(fā)與共享；（3）制造環(huán)境柔性規(guī)定更大，決策過程更加復(fù)雜，決策時(shí)間規(guī)定更短；（4）制造過程的自動(dòng)化程度受制于制造系統(tǒng)的自組織能力，即智能水平；（5）當(dāng)代生產(chǎn)規(guī)定專家們?cè)诟蠓懂爟?nèi)進(jìn)行更及時(shí)的合作，小到一種公司內(nèi)部的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大至一種國(guó)家甚至世界范疇內(nèi)的工業(yè)界中的眾多公司之間。多個(gè)跡象表明，“我們正處在制造歷史上的一種危險(xiǎn)時(shí)期”。幸運(yùn)的是，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)科學(xué)以及其它高技術(shù)的發(fā)展，通過集成制造技術(shù)、人工智能等而發(fā)展起來的一種新型制造工程—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)。這是由于，制造過程所面臨的眾多問題的核心是“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，通過計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動(dòng)，進(jìn)行分析、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、完善、共享、繼承與發(fā)展。將來工業(yè)生產(chǎn)的基本特性應(yīng)當(dāng)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)呈現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀：現(xiàn)在，IMT&IMS的研究正快速受到眾多國(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，并且已經(jīng)把它作為21世紀(jì)占領(lǐng)世界制造技術(shù)領(lǐng)先地位的基石。從上世紀(jì)90年代開始，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（NSF）就著重資助有關(guān)智能制造的諸項(xiàng)研究，項(xiàng)目覆蓋了智能制造的絕大部分，涉及制造過程中的智能決策、基于多施主（multi-agent）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［1］。，美國(guó)國(guó)標(biāo)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)的重要目的和研究?jī)?nèi)容涉及：（1）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。即將有關(guān)工藝過程和設(shè)備知識(shí)加以集成后進(jìn)行建模，進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化；（2）設(shè)備特性化。即開發(fā)特性化的測(cè)量辦法、模型和原則，并在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)機(jī)床性能進(jìn)行測(cè)量和通信；（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)器控制能夠無縫運(yùn)行；（4）狀態(tài)監(jiān)控和可靠性。即開發(fā)測(cè)量、傳感和分析辦法；（5）在加工過程中直接測(cè)量刀具磨損和工件精度的辦法。，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布實(shí)施涉及工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的”AdvancedManufacturingPartnershipPlan”（先進(jìn)制造聯(lián)盟計(jì)劃），立刻得到同日公布的“實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)智能制造”新報(bào)告的主動(dòng)響應(yīng)。在這份由美國(guó)智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟（smartmanufacturingleadershipcoalition,SMLC）公布的報(bào)告中，不僅描繪了該領(lǐng)域?qū)淼陌l(fā)展藍(lán)圖，并且擬定了十大優(yōu)先行動(dòng)目的，意圖通過采用21世紀(jì)的數(shù)字信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，加緊對(duì)20世紀(jì)的工廠進(jìn)行當(dāng)代化改造過程，以變化以往的制造方式，借此獲得經(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年首先提出為期的智能制造系統(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)定國(guó)在1991年開展了聯(lián)合研究，其目的是為了克服柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的局限性，把日本工廠和車間的專業(yè)技術(shù)與歐盟的精密工程技術(shù)、美國(guó)的系統(tǒng)技術(shù)充足地結(jié)合起來，開發(fā)出能使人和智能設(shè)備都不受生產(chǎn)操作和國(guó)界限制，且能彼此合作的高技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)。

歐盟歐盟于啟動(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)，繼實(shí)施智能工廠（Smartfactory）之后［4］，又啟動(dòng)了一種投入達(dá)2億歐元的工業(yè)（Industry）項(xiàng)目［5］。德國(guó)政府制訂的《高技術(shù)戰(zhàn)略》計(jì)劃行動(dòng)中，意圖以將來項(xiàng)目“工業(yè)”奠定德國(guó)在核心工業(yè)技術(shù)上的國(guó)際領(lǐng)先地位，并在4月舉辦的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式將此計(jì)劃推出?！肮I(yè)”概念最初是在德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成，現(xiàn)在其已上升為國(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，現(xiàn)在還處在探討人工智能在制造領(lǐng)域中應(yīng)用的階段。幾年來，開發(fā)出了眾多類型、水平各異的面對(duì)制造過程中特定環(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)境的全方面“智能化”研究工作還處在剛剛起步階段。我國(guó)自年5月《裝備制造業(yè)調(diào)節(jié)和振興規(guī)劃》出臺(tái)以來，國(guó)家對(duì)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的政策支持力度不停加大，國(guó)家有關(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)展輪廓得到進(jìn)一步地明晰。工業(yè)與信息化部公布了《高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，同時(shí)公布了《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》子規(guī)劃，明確提出到將我國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)哺育成為含有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。科學(xué)技術(shù)部也公布了《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實(shí)施了智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)；工業(yè)與信息化部制訂和公布了《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)制造過程智能化為目的，以突破九大核心智能基礎(chǔ)共性技術(shù)為支撐，其思路是：以推動(dòng)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，以提高八類重大智能制造裝備集成創(chuàng)新能力為重點(diǎn)，增進(jìn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)六大重點(diǎn)領(lǐng)域的示范應(yīng)用推廣。3問題與展望存在問題總的說來，現(xiàn)在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)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程控制、材料解決、信息管理、設(shè)備維護(hù)等眾多方面，獲得了豐碩的成果，開發(fā)了種類繁多的面對(duì)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）。這中間涉及CIMS研究中所獲得的有關(guān)進(jìn)展。然而，隨著研究與應(yīng)用工作的進(jìn)一步，人們逐步地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高依賴制造系統(tǒng)的自組織能力，研究工作還面臨著一系列理論、技術(shù)和社會(huì)問題，、問題的核心是“智能化”。普通說來，當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)作為一種有機(jī)的整體要受技術(shù)（涉及生產(chǎn)系統(tǒng)）、人（涉及間接影響生產(chǎn)過程的社會(huì)群體）和經(jīng)濟(jì)（涉及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)）三方面因素的制約。從技術(shù)的角度來看，對(duì)于一種公司來說，市場(chǎng)預(yù)測(cè)、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原料訂購(gòu)與解決、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)彼此互相影響，構(gòu)成產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程。該過程的自動(dòng)化程度取決于各環(huán)節(jié)的集成自動(dòng)化（integratedautomation）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（integratedintelligence）水平?，F(xiàn)在，尚缺少這種“集成”制造智能的技術(shù)，這也是現(xiàn)在“并行工程”的研究重點(diǎn)。發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)在，智能制造的發(fā)展趨勢(shì)以德國(guó)的”工業(yè)”和美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備最為清晰。德國(guó)“工業(yè)”德國(guó)“工業(yè)”通過充足運(yùn)用信息物理系統(tǒng)（CPS），實(shí)現(xiàn)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目的是建立高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推動(dòng)現(xiàn)有制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型。CPS是一種綜累計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)制造裝備系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同。德國(guó)電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)于公布了德國(guó)首個(gè)“工業(yè)”原則化路線圖，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，確保德國(guó)制造的將來［7-8］?！肮I(yè)”項(xiàng)目重要分為兩大主題：（1）智能工廠。重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過。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)智能工廠如圖1所示）；（2）智能生產(chǎn)。重要涉及整個(gè)公司的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。圖1工業(yè)智能工廠美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備，美國(guó)通用電氣公司（GE）發(fā)表了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)-打破智慧與機(jī)器的邊界》報(bào)告［9］。該報(bào)告提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IndustrialInternet）的概念。工業(yè)化發(fā)明了無數(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，以提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率、減少資源消耗。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。隨著著工業(yè)革命，出現(xiàn)了無數(shù)臺(tái)機(jī)器、設(shè)備、機(jī)組和工作站；（2）強(qiáng)大的網(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)而生并不停發(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，是將來高端裝備制造業(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果和部分產(chǎn)品面世，德國(guó)的“工業(yè)”項(xiàng)目也主動(dòng)地推動(dòng)了制造業(yè)向智能化的轉(zhuǎn)型。我國(guó)政府也充足認(rèn)識(shí)到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，已出臺(tái)政策推動(dòng)智能制造裝備的產(chǎn)業(yè)化水平提高。能夠預(yù)見，將來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)一步得到顯現(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、新型傳感器、自動(dòng)化成套生產(chǎn)線等重點(diǎn)領(lǐng)域形成快速發(fā)展