迈向智能制造的探讨

沈彦明

(泰山玻璃纤维有限公司，泰安 271000)



迈向智能制造的探讨

沈彦明

(泰山玻璃纤维有限公司，泰安 271000)

摘 要：介绍了智能制造与智慧工厂的概念，阐述了发展智能制作的理由，探讨了实现智能制造、建设智慧工厂的方法和途径，表明智能制造在玻纤领域应用的重要性，并期望今后在玻纤生产中，可实现窑炉热点温度与燃烧气氛、窑压、液位、投料等方面的完全智能化控制。

关键词：智能制造；智慧工厂；自动化；信息化；人工智能

0前言

众所周知，玻纤行业到目前为止，依然是劳动力密集型产业。近些年来，玻纤企业不得不面对来自多方面的严峻挑战：一方面劳动力成本越来越高，招工愈加困难；另一方面客户对品质的要求越来越严，而激烈的竞争使得产品售价很难提高。招工难度的提升，使得企业不得不降低对新员工的素质要求，员工操作水平参差不齐，产品品质因而难以稳定。

在同时面对成本提升、品质要求提高、劳动力短缺的多重压力下，目前玻纤行业也和其他行业一样，开始大规模采用自动化设备和自动化物流线，减少对劳动力的需求，提高产品的质量稳定性。

泰山玻纤在泰安满莊新区的建设过程中，基于对目前以及未来长期趋势的把握，从一开始就把提高自动化程度纳入了设计规划中，在全面采用各种自动化控制系统的同时，建设了自动化物流线和覆盖全厂的光纤网络。从将近两年多的运行效果来看，在产品品质得到有效提升的同时，产品成本约下降100元/t，用工数量约减少1/3，人均产能达到了200 t/(人·a)，基本达到了国际一流水准，初步实现了最初的建设目标。但是竞争是无止境的，中国的劳动力数量很快就将出现悬崖式的跌落，当一个工厂已经采用了大量自动化系统时，下一步的发展方向在哪里？——建设智慧工厂、实现智能制造。

在最近几年里，自动化系统，尤其是物流自动化系统在中国出现了爆发式的增长，与此同时，智能制造与智慧工厂的说法越来越流行，在相关文献中出现的频次越来越高，也吸引了越来越多从业者的关注。2014年，德国工业4.0的概念开始广为流传，成为目前自动化、信息化和企业管理方面的热点[1-2]。中国政府站在国家层次也提出了自动化、信息化两化融合，将中国制造变成中国“智造”的要求[3]。

那么，究竟什么是智能制造，什么是智慧工厂，为什么要发展智能制造，又应该如何迈向智能制造呢？

针对这几个问题，笔者将多年来的思考和理解整理在本文中，以飨读者，供同行们探讨。

1智能制造和智慧工厂

在探讨什么是智能制造之前，首先要明确，什么是“智能”。一般来说，智能是指具有信息处理能力并且能够对信息做出反应的能力，也就是接受信息→构思→选择对策。

按照这个定义，我们目前的工厂本身都已经是智能制造了，因为我们的工厂运作中时时刻刻都有众多的管理者和技术人员在参与、在调整、在处理，智能无处不在。不过，毫无疑问，世界各国所追求的智能制造并不是指由人来完成的制造，而是指采用智能设备代替人来完成的制造，在通常意义上我们理解为采用自动化设备来自动完成对各种情况的处理[4-5]。

当一个工厂里的制造过程全部是自动化设备在操控，整个运作都是自动进行的时候，以玻纤为例，由于生产过程涉及到各种不同的工艺和工序环节之间的配合协作，复杂程度是非常高的。因此，如果这时候的全自动化工厂已经能够处理各种情况，那么不难理解，这个工厂必须具有一定的智能才行。

因此，所谓智能制造，就是在自动化的基础上叠加人工智能。所谓智慧工厂，就是在大规模智能制造的基础上，叠加信息化网络，实现系统间自动协作，并叠加更强大的人工智能。

单纯的自动化不等于智能制造，单纯的信息化也不等于智能制造，但是自动化和信息化确实是智能制造和智慧工厂的基石。

换句话说，智能制造就是设备能够自动进行情况分析并完成选择、判断和执行。智慧工厂则是在智能制造的基础上，能够分析和处理以前没有遇到过的新情况[6-7]。这里的关键在于“智能”——也就是人工智能的发展和应用。

2为什么要发展智能制造

尽管有很多人认为人的智能是最强大的，机器只会按照人事先规定好的条条框框来活动，但是笔者认为，由于人类的文明已经发展到了一个非常高级而复杂的阶段，我们目前的社会里，时时刻刻都充斥着各种复杂的、并发的、多任务的、交叉的、大规模的活动。面对这些活动，人类的智能所存在的局限性已经越来越明显，人脑处理信息的能力已经越来越不能满足社会竞争的需要了。在竞争的驱动下，人类不由自主地开始发展更加适应这种竞争需要的工具，也就是人工智能。

图1中展示了人脑的工作模式，用一个形象的例子来表达，同时画方和画圆是不行的，只能按顺序来。

图2说明了目前的主流计算机系统是如何处理多个信息的，多任务并行处理已经是目前计算机最基本的功能[8]。

此外，人脑神经元之间传递信息的速度只有每秒几百米[9]，面对工业生产中的大量的以毫秒和秒为时间单位的任务，人脑的反应速度已经远远不能满足需要。现在Intel公司的主流家用CPU的速度都是2 GHz以上，在简单任务的响应速度上远远超过了人类。

同样，我们可以举玻纤生产中的一个实例来说明。图3是泰山玻纤从拉丝到制品的自动化物流示意图。物理上，这片区域有200多米宽，500多米长，中间还有建筑物阻挡。实际生产中，会经常出现几乎在同一时间，有多个纱车需要送出来，有多个空位需要被弥补，还有多条烘干炉发出了需要进炉与出炉的请求，大量的设备需要立即运转以响应这些要求。如果是人工处理，就无法同时应对这么多任务，而且也无法井井有条地进行处理。

现在，依靠先进的自动化系统和AGV系统，同一时间，距离纱车最近的AGV接到了运走满车的任务，距离空车返回线最近的AGV则接到了取空车的任务，炉前炉后数十台输送机则已经开始运转，这些都发生在短短的几秒钟之内。

大多数现场员工虽然天天看见AGV来回穿梭，但是并没有意识到，以上系统里就已经包含了最初级的人工智能——由于系统能够在非常短的时间里快速而有条不紊地自动判断和选择多个AGV和多台设备去执行任务，因此才能够对现场随机发生的各项任务进行妥善处理——虽然很多时候从执行的细节以及局部来看，还不够完美。

实际上，上面这个例子的本质是交通管理——扩大一个层面来看，目前国内的城市堵车现象越来越严重，原因就是尽管开车的个体都属于地球上迄今为止最聪明的物种，但是从整个城市所有车辆的活动来看，会发现其中充满了大量的随机的无序而杂乱的运动，也就是说这是一个缺乏有效调度的低效率系统。换句话说，从整体上来看，人类的社会化活动是缺乏智能的。其中的根本原因在于人类的个体之间缺乏快速有效的信息沟通，而且人脑也无法同时处理大量信息。

网络化的人工智能系统则完全可以轻易克服人类的这个重大缺陷，人工智能在其最初级的阶段，在这类问题上就已经显露出了它远远胜过人类的潜力。这说明，借助于包含了人工智能的自动化系统，我们将能够轻松地处理各种复杂的任务，即使是像泰山玻纤物流系统这样的只包含了最初级的人工智能的系统，也能够在牺牲局部最优的情况下，大大提升整个系统运行的稳定性和运行效率。因此，发展智能制造，从目前来讲，不仅可以减少企业对人工的需求量，同时还能够提升生产效率和生产的稳定性，下一步还非常有可能全面改善制造的过程。

举个例子，在玻纤生产中，窑炉热点温度的控制与燃烧气氛、窑压、液位、投料之间是相互关联的，在控制上来说，由于变量多、影响因素多，被控制对象也多，目前仍未能实现理想的全面自动控制。国内外目前的一种解决方案，是发展窑炉专家控制系统。专家系统本质上是一种模仿式的智能系统，类似于多次击败了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫的IBM深蓝系统，依靠大量的实例库和强大的计算能力来解决问题。

笔者认为，在智能制造的高级阶段，将不仅仅是模仿人类的解决方案，我们可以预期到，智能系统由于可以长时间的、同时关注所有这些我们看得见的以及看不见的变化，加上智能系统还有能力自学习，进行复杂的运算，最终智能系统完全有可能发展出它独有的复杂的控制策略，从而实现对窑炉工艺的分析、改进和全面改善。

毫无疑问，率先实现这一目标的工厂将会拥有压倒性的竞争优势。

由此，我们可以理解，不仅德国提出了工业4.0的概念，世界发达国家也纷纷提出了各种相似的概念，中国政府也跟随这一趋势，提出了要大力发展信息化、自动化两化融合，本质上都是要大力发展智能制造，希望在未来的竞争中获得压倒性优势。

3迈向智慧工厂

智慧工厂是以智能制造为基础的，但在层次上又比智能更高。智慧，某种程度上是指能够分析和处理以前没有遇到过的新情况。智慧工厂，就是指无需人工干预或者只需要少量的人工干预，就能自行分析和处理制造过程中出现的各种新情况的工厂。

打造智慧工厂，首先要充分发展智能制造，而实现智能制造的唯一的途径是自动化+信息化+人工智能。

具体到工厂的设计阶段，首先各种设备必须是自动化设备；其次，所有设备必须连接到一个网络上，实现信息的无障碍快速共享，这是信息化的任务；第三，在这个网络上，运行着嵌入了人工智能的软件。

当前来看，我们往往只在工厂的局部区域做到了以上三点，还有大量的生产环节不在这个范围内。因此目前仅仅是智能制造的原始阶段。随着技术的进步，以后的工厂会有越来越多的区域达到以上3个要求，当整个工厂都被覆盖时，就具备了迈向智能制造，实现智慧工厂的基础条件。唯一需要等待的，就是人工智能的突破。

4结语

人类的文明自有记录以来，一直呈现出加速度上升的趋势，尤其是工业文明以来，人类在科技和社会生活方面的变化更是呈几何级数上升。现在人类每天取得的进步，在过去可能需要用几年、几十年、几百年甚至古人类时期的上千年才能取得。与此同时，人类面临的压力也是越来越大，尽管这种压力更多的时候来源于我们人类自身。

据国外预测，未来的几十年内，人工智能将会获得重大突破，由此，真正的彻底的智能制造、智慧工厂将登上人类的舞台，人类的社会乃至人类自身都将面临有史以来最大的最彻底的翻天覆地的变化——当一座座工厂乃至整个社会都已经智慧化了的时候，大量的工作岗位就消失了，物质的生产可能却更加高效、更加丰富了，此时的人类社会将何去何从呢？人类面临的是前所未有的严峻挑战还是史无前例的压力解放？

无论如何，我们除了继续往前走，别无选择。对于玻纤行业来说，窑炉拉丝等作业过程的调整以及最终玻纤与树脂等的复合过程，长期以来都只有有限的数据和规则，对经验的依赖十分严重。生产作业状态的调整，最终产品的性能变化的调整，往往都没有明确的肯定见效的思路，而随着智能制造技术的飞速发展，这些问题都有望得到解决，而率先获得了这种能力的玻纤企业，完全有可能获得压倒性的竞争优势。

参考文献

[1]德国联邦教育研究部.德国工业4.0战略计划实施建议[J].机械工程导报，2013，12(9)：23-25.

[2]杜品圣.智能工厂——德国推进工业4.0战略的第一步[J].自动化博览，2014，12(1)：12-16.

[3]宋慧欣.中国制造2025，中国版“工业4.0”?[J].自动化博览[J].2015，12(6)：31-35.

[4]孙志楠.人工智能在电气自动化控制中的应用[J].现代商贸工业，2013，24(7)：12-16.

[5]李春生.人工智能在电气自动化控制中的应用[J].科技创新与应用，2012(30)：36-39.

[6]姚锡凡，练肇通，杨屹，等.智慧制造——面向未来互联网的人机物协同制造新模式[J].计算机集成制造系统，2014，20(6)：1490-1498.

[7]顾新建，祁国宁，唐任仲.智慧制造企业——未来工厂的模式[J].航空制造技术，2010，24(12)：34-38.

[8]胡守仁.现代超级计算机系统[J].计算机学报，1991，12(1)：13-16.

[9]Wood I K.Neuroscience：Exploring the brain[J].Journal of Child and Family Studies，1996，5(3)：377-379.

Discussion on Advance toward Intelligent Manufacturing

Shen Yanming

(Taishan Fiberglass Inc.，Taian 271000)

Abstract:In this article，the author explains the concepts of intelligent manufacturing and smart factory，elaborates the reasons for developing intelligent manufacturing and explores the ways of realizing intelligent manufacturing and building up smart factories.The study shows the importance of intelligent manufacturing in glass fiber industry and expects the complete intelligent controls of furnace hot spot temperature，combustion atmosphere，furnace pressure，metal level，batch charging，etc.in futural glass fiber production.

Key words:intelligent manufacturing；smart factory；automation；informationization；artificial intelligence

中图分类号：TQ171.77+6

文献标识码：A

收稿日期：2015-05-21

作者简介：沈彦明，男，1971年生，总工程师。主要从事自动化以及智能制造方向的研究。

修回日期：2016-03-01