智能制造：开启新时代的金钥匙

刘亚男

提到智能制造，一些人脑海中首先浮现的大概是星球大战、终结者、人机大战等炫酷科幻，抑或是无人驾驶、VR等时尚浪潮。尤其是近两年，AlphaGo击败围棋世界冠军，更是人工智能与人类智力巅峰对决的里程碑事件。从最初手工制造单靠心灵手巧的兢兢业业，到机械制造假借器具的巧夺天工，再到最近数字制造逐渐演进的自动化、智能化，似乎人工智能已经让我们生长出开启新智能时代的“金手指”。

那么，到底什么是智能制造，航空制造转向“智造”有什么特征，又有什么局限？智能制造时代，人类能否如愿“袖手旁观”便可“坐享其成”？

智能制造的前世今生

“智能制造”一词最早出现在1988年美国作家P.K.Wright和D.A.Bourne的《Manufacturing Intelligence》一书中。该书指出，智能制造是利用集成知识工程、制造软件系统及机器人视觉等技术，在没有人工干预的条件下，智能机器人独自完成小批量生产的过程。自这一概念提出后，很多国家开始关注和重视对智能制造的研究。

我国对智能制造的研究始于20世纪90年代。2011年，中国机械工程学会出版的《中国机械工程技术路线图》一书中提出，智能制造是研究制造活动中的信息感知与分析、知识表达与学习、智能决策与执行的一门综合交叉技术，是实现知识属性和功能的必然手段。

后来，不同的学者对智能制造的含义又有不同的理解和修正。总体而言，大家公认，智能制造是新一代信息技术与制造技术的深度融合，是用智能技术解决制造的问题，是指对产品全生命周期中设计、加工、装配等环节的活动进行知识表达与学习、信息感知与分析、智能决策与执行，实现制造过程、制造系统与制造装备的知识推理、动态传感与自主决策。

与传统制造相比，智能制造有其特有的内涵。智能制造的本质是虚拟网络和实体生产的相互渗透。一方面，智能制造通过信息化、网络化改变制造业的生产组织方式；另一方面，智能制造作为互联网的延伸和重要结点，扩大了网络经济的范围和效应。从软件和硬件结合的角度看，智能制造是一个“虚拟网络+实体物理”的制造系统。美国的“工业互联网”、德国的“工业4.0”以及我国的“互联网+”战略，都体现出虚拟网络与实体物理的深度融合。

智能制造的实施涉及四个层面的智能化：首先是产品的智能化。智能制造的产品都趋于变成智能终端，可通过物联网相互连接。其次是装备的智能化。从智能制造的单元，如某台机床、某个机器人，向智能生产线、智能车间、智能生产系统演变。再次是流程的智能化。企业的组织架构、企业和企业之间的交互都需要重新构建。最后是服务的智能化。制造业服务化就是制造企业为了获取竞争优势，将价值链由以制造为中心向以服务为中心转变。因此，如何将数字技术、智能技术、泛在网络技术等集成应用到服务中也需要企业重新思考和规划。

智能制造的主要特征包括信息感知、优化决策、执行控制。智能工厂是智能制造的重要表现，与传统的数字化工厂、自动化工厂相比，智能工厂具备以下几个突出特征：

一是制造系统的集成化。智能工厂是一个系统工程，每个单元按照功能需求组成不同规模、不同层级的系统，系统内的所有元素都是相互关联的。在智能工厂中，制造系统的集成主要体现在企业数字化平台的集成以及虚拟工厂与真实制造现场的集成。

二是决策过程的智能化。在传统的人机交互中，主要是人支配“机器”。而智能制造中的“机器”，因拥有部分人类智能，可与人共同组成决策主体，在同一信息物理系统中实施交互，信息量、信息种类以及交流方法更加丰富，从而使人机交互与融合达到前所未有的深度。

三是加工过程的自动化。为了能够准确、高效地执行制造指令，数字化、自动化、柔性化是智能制造单元的必备条件。智能加工单元中的加工设备、检验设备、装夹设备、储运设备等均是基于单一数字化模型驱动的。智能制造车间中的各种设备、物料等，大量采用数字识别技术，任何实体均具有唯一的身份标识。在加工过程中，通过使用智能传感技术，可以实时采集相关数据，实时控制设备，使之处于最优的效能状态，从而实现设备的自适应加工。

四是服务过程的主动化。通过信息技术，制造企业可以根据用户的地理位置、产品运行状态等信息，为用户提供在线服务。此外，企业还可以通过对用户特征的分析，辨识用户的显性及隐性需求，主动为用户推送高价值的资讯与服务。

航空制造的智能化发展

由于对安全性极高的要求，航空工业一直处于制造业的尖端，代表着一个国家制造业的最高水平。随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与制造业的逐步融合，智能制造已成为未来制造业的发展趋势。在此形势下，航空制造企業传统的组织模式与制造方法已难以满足未来的需求，发展智能制造技术势在必行。

航空智能制造包括网络化、数字化、智能化三个核心要素。其中，网络化是基础，数字化是手段，智能化是目的。智能制造是在数字制造的基础上发展而来的，其实现离不开数字制造的基础。通过将智能制造技术应用于各个制造子系统，实现制造过程的智能感知、智能推理、智能决策和智能控制，可显著提高整个制造系统的自动化和柔性化程度。航空智能制造以智能加工与装配为核心，同时覆盖设计、服务及管理等多个环节。

波音、洛克希德·马丁等世界先进航空制造企业在实施新的战略规划时，高度重视智能工厂的建设。波音公司自20世纪90年代以来，先后在波音777和787项目中推广MBD技术（基于模型的产品定义）体系。这一过程是逐步发展的。首先，波音公司为MBD技术的应用选用了新的设计系统，将产品的定义和管理纳入到同一个系统中。

其次，波音公司借助737-X项目所取得的成功经验，将其新技术应用在数据发放管理、数字化设备应用与先进质量系统中。MBD技术体系在各个供应商的应用和部署也逐步展开，如英国Messier-Dowty公司在787主起落架研制中，将基于模型的定义技术贯穿到整个设计、工艺工程、生产制造和检验的全过程。

在虚拟装配方面，美国华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所合作开发的虚拟装配设计环境（VADE）是一个很有代表性的虚拟装配系统，其目标是通过生成一个用于装配规划和评价的虚拟环境，来探索产品装配过程中应用虚拟现实技术的可能性。利用这个系统，设计人员在产品设计初期便可并行考虑产品拆装等相关环节，避免设计缺陷。

洛克希德·马丁公司在JSF项目中以产品全生命周期管理（PLM）软件为集成平台，以数字化设计制造管理方式，改组公司流程，使JSF飞机的设计时间减少50%、制造时间减少66%，总装工装减少90%。

与欧美企业相比，中国航空制造企业在智能制造技术研究方面起步较晚。近年来，相关企业虽然在数字化、信息化等方面取得了长足进步，但仍存在大量的问题亟待解决。

首先，企业的数字化、自动化水平仍然较低。这是导致产品质量不稳定、生产效率难以提升的重要原因。

其次，一些企业缺乏高效的生产流程管理手段。飞机产品的制造流程非常复杂，一些航空制造企业对制造流程的管控仍然主要依赖经验丰富的工人。这种方式难以综合考虑制造过程中的各种因素，难以保证生产线的流畅运转，容易导致产能失衡等问题。

第三，对制造过程无法形成闭环管控。目前，一些航空制造企业对加工过程中的具体数据并不能充分利用，从车间、生产线采集的数据，大多仅用于显示与统计，而对于加工设备的实时数据则尚未做到实时采集，更未能实现基于这些数据的过程分析与优化。

此外，中国的航空制造企业在先进复合材料制造方面的自动化或智能化程度不足，导致产品质量不稳定，不合格率高，返工率高，使复合材料的制造成本居高不下，严重制约了复合材料在国民经济中的应用，尤其是限制了高端制造业的发展。

智能制造的挑战和未来

作为一种可持续发展的制造模式，智能制造可以减少制造过程中对资源与能源的消耗，减少废弃物的产生与排放，提高效率与质量，改善用户体验，已经成为现代制造业的发展方向。随着数字化制造技术的迅猛发展，以产品设计、制造、服务智能化为特点，融合传感技术、自动化技术、信息网络技术、人工智能的智能制造技术也有了长足发展。但是，我们应该看到，智能化在带来重大机遇的同时，也提出新的挑战。

首先，智能制造会引发就业替代效应及劳动力转移效应。这一转变产生的短期效应无疑将产生机器替代人的结果，导致部分工作岗位流失。而从长期来看，智能制造将会创造一系列新的就业机会。

其次，智能制造基于数字化与网络化，必将引发新的信息安全的挑战。在传统的工业控制网络中，企业信息网络与内部的生产控制网络组成一个较封闭的环境，需要通过介质的摆渡攻击或者恶意邮件、买通内部员工等手段才能入侵这样的系统。而智能制造融合云计算技术、大数据技术、物联网技术，将生产制造环节与互联网信息系统连接起来，不仅要求企业信息网络连入互联网，而且要求将原来较为独立的生产制造环节与公司的业务信息系统（如仓储系统、采购系统等） 连接起来。工业大数据在帮助设计、生产变得更加智能化的同时，也要求原本封闭的工控网络与外部建立连接。因此，黑客可以直接通过互联网攻击工控网络，智能制造环境下的工控系统必将面临新的安全挑战。

从《星球大战》、《终结者》等科幻电影，到无人驾驶、智能物流等工业现实，關于智能制造时代人类与机器如何相处的讨论从未间断。一方面是智能制造时代，人工智能将最终完全取代人类的伦理担忧，另一方面是人工智能完全为人服务、人类袖手旁观便可坐享其成的美好预期。

智能制造是先进制造技术与信息技术的深度融合，起步于工业智能，逐渐融入人工智能，所有的争议和期待都将随着信息技术、网络技术的发展而变化。智能制造时代的人类如何把握主动权，确保人工智能服务于人，而非人类被反控制，将是对我们的不变拷问。虽然不能准确预期，但笔者认为，无论制造如何智能化，真正有意义的变革都需“以人为本”。

首先，在智能制造的设计与实施中，人类的劳动模式将发生根本性的变革。劳动者借助自动化、智能化系统，可以从原来实施者的身份中脱离，只需对智能制造系统“袖手旁观”。但是，无论如何智能化，人类都是整个系统的设计者，绝不是坐享其成，也不可能被完全取代。同时，我们也必须清醒地认识到，智能制造生产模式的改变也对劳动者提出了新的要求，劳动者必须具备更强的专业性、能动性和灵活性，才能把握智能时代人的主导地位。

其次，智能制造达到一定程度后，企业服务也更需以人为本。伴随智能化而来的消费结构和管理结构的全面变革，将形成以服务为主导的智能制造系统，企业将不得不充分考虑和尊重消费者的多元化个性需要，并由此产生“大规模个性化定制”、“个性化规模定制”等新型制造模式。此外，智能制造时代的工作人员将在广义上互联协同，不同职位、不同场所的工作人员都将实时广泛互联，使用即时通讯来协助更加智能的产品设计、生产与后期维护。

智能制造是科技发展的必然趋势，尽管目前世界各国对智能制造的认识有所不同，发展水平也参差不齐，许多构思与设想还只是停留在规划阶段，但各国政府和先进制造企业对智能制造的重视和投入却有目共睹，国家层面的战略政策也层出不穷。当然，要真正实现智能制造，我们还需要解决一系列问题。未来究竟会怎样，历史终将给出最后的答案。