智能制造发展现状及趋势

孔凡国，俞雯潇

（五邑大学 智能制造学部，广东 江门529020）

0 引 言

当前，国内外的各制造业企业不仅要面对来自消费者日益增长的物质需求，更要应对资源和环境等带来的挑战。因此，依靠现有的制造技术水平是不足以满足消费者对物质的需求及应对环境所带来的负面影响。为了妥善处理这类问题，解决制造业面临的瓶颈，就必须对制造工业进行一场科技改革[1]。随着科技的不断进步，以互联网、大数据、物联网等为主的新一代信息技术的飞速发展[2],各种现代化、智能化技术越来越广泛地应用在制造业上，推动着制造业不断创新发展，同时也成为新工业革命强有力的推动力量。智能制造作为新工业革命的关键技术，与传统制造业相比，其不仅在发展理念上有着重大的改变；在制造方式上更是通过融合了ICT技术来实现制造的智能化。当然，新一代的制造技术还处于发展和不停探索阶段，但其对制造业的发展路径、体系及产业形态已经产生根本性跨越，并推动着制造业迈向新的时代[3]。

1 国内外智能制造发展现状

1.1 德国

工业4.0概念是由德国在汉诺威工业博览会上最先提出来的，它指的是第四次工业革命，在此次工业革命中，以智能化为主的智能通信网络系统和云计算服务平台被研制出来[4]，并投放于智能制造产业中。不仅如此，德国还专注于对智能遥感、无线传感网络等方面的研究。将其与通信系统和云计算平台相结合可以对制造业生产中的数据进行集成和分析[5]，通过数据分析及反馈信息可以对各个制造部位进行实时监控，确保生产制造的每个环节顺利进行。

数据的精确分析和处理是智能制造的关键所在，工业4.0的目标就是通过一系列的现代化技术对制造机械实施精确控制，通过网络通信技术对生产制造过程进行远程控制和生产管理[6]。

1.2 美国

2012年，美国通用电气公司（GE）提出了工业物联网（IIOT）概念，在该理念中将智能制造设备、数据分析和网络人员作为未来制造业的关键要素，以实现人机结合的智能决策。

工业互联网由三部分组成，分别是智能设备、智能系统和智能决策[7]。它可以被认为是数据与软硬件之间的互通桥梁，还可以分析和处理来自智能设备的数据，为智能决策提供数据上的支撑。工业互联网最大的潜力是通过将自身组成部分与制造机器、材料、系统网络等整体进行集成，得到最后的智能决策，最终实现智能制造。

1.3 日本

在德国工业4.0计划的影响下，日本于2015年启动了与工业4.0相对应的产业价值链促进会（IVI），即通过互联网将所参与不同的企业连接起来，且参与此次计划的企业大都是本行业的佼佼者。利用政府提供的平台，各企业相互合作，将网络信息技术与工业制造相结合来推动“智能工厂”的实现。此外，IVI还在基于企业自然合作前提下提倡两个基本原则：关联制造和可变标准。前者是依靠智能化连接的工厂来处理过剩资源，达到不浪费、充分利用资源的目的；后者提出的是一种自适应模式，在外部条件发生变化时可以自动进行自我调整以适应当前变化。无论是以智能化方式利用过剩资源还是一种可变化的自适应模式，都是在发展智能制造过程中所必备的。

1.4 中国

为了提升中国制造能力，将中国由制造大国变为制造强国，中国国务院在2015年颁布了一项针对国内制造业为期10年的计划《中国制造2025》。在此计划中明确了中国制造业的下一步指导思想和战略目标，其中包括以下9项任务：1）全面增加国内制造业创新能力；2）促进信息和工业化的深度融合；3）加强基础工业产能；4）发展中国质量品牌建设；5）推广环保制造；6）推进重点领域的突破；7）推动制造业的结构调整和重组；8）推进面向服务的制造和生产行业；9）增加国际制造业的参与。

近年来，在国家出台支持制造业转型的政策后，中国在智能制造方面取得了不少的进展。云制造作为一种先进、前沿的制造方式，最早也是由中国提出的，且其诸多成果被国际学术界所引用和认可[8]。此外，中国在无人驾驶汽车、工业机器人、增材制造等关键领域也取得突破性进展，初步形成了智能制造标准体系[9]，为国际智能制造业做出了重大贡献。

2 智能制造关键技术

科学技术是社会发展的根本动力，进入21世纪以来，随着数字化、网络化和智能化水平的不断进步和突破，推动着制造业进入了一个新的发展阶段：智能制造。其从根本上提高了生产和利用效率，极大地解放了人类的体力和脑力。而使得智能制造系统越来越强大的则是新一代的网络通信技术、云制造、物联网和大数据等关键技术的发展和应用。

2.1 物联网

物联网指的是电力、软件、传感器等事物所连接的一个网络互联世界。在物联网中，各种物体都嵌入了传感器或其它电子设备，在网络的互联下进行数据的采集和交换[10]。物联网以网络为基础设施提供物理现实对象和计算机系统的高级连接，并实现对传感器采集数据的分析，提高制造的质量和效率。将物联网用于制造业相当于给制造系统装配了信息网络技术，这为开发人员实现智能制造提供了制造信息集成基础。

2.2 Cyber-Physical系统

网络物理系统（CPS）是物理对象和软件进行紧密联系的计算协作系统，同时也可以访问互联网上的数据及提供数据处理服务。CPS涉及多门学科知识，其应用也涉及多个领域，尤其在制造业中，CPS与物联网、大数据等密切相关，是实现智能制造的关键技术之一。虽然目前对CPS的研究还处于起步阶段[11]，但学术界和工业界早已将其作为重点研究领域，也将其视为发展制造业的有力竞争手段。

2.3 云制造

云制造是一种创新型制造方法，是指在物联网、面向服务技术支持下将制造资源转化为可共享和一种以客户为中心的先进制造模式[12]。它利用按需访问和分布式制造方式实现最优资源加载响应和提高产品制造效率，同时它也涵盖了产品从设计、制造、测试到维护整个生命周期。因此也被称为一个集智能生产和管理的制造系统。在云制造中，利用虚拟化技术将生产资源上传到云服务系统中，利用相关互联网技术对上传的资源进行分类和封装，并提供用户访问和调用资源等各项服务[13]，实现资源的共享和流通。同时也促进云制造的发展，为智能制造提供技术上的支持。

2.4 大数据分析

大数据指的是因其范围广、规模大、结构复杂而无法在一定时间内用常规数据处理方法进行处理的数据集合。随着互联网技术的迅猛发展，数据的获取无处不在，大数据来源于生活中的方方面面。因此，需要特殊的技术和方法对大数据进行预测分析，从中提取出有价值的数据。在此背景下，大数据分析技术逐渐形成。虽然利用现代化工具（例如智能传感器）可以很方便获取到数据，但要实现智能制造需要对产品开发的每一个环节中的数据进行有效处理，以便在确定的开发环节中获取到正确的信息[14]。因此大数据分析技术的关键就在于数据能否被正确处理和利用，这对实现智能制造是至关重要的。

3 智能制造发展趋势

智能制造正在发展，它所带来的既是机遇更是挑战，要实现现在的制造业向未来的制造业转变是一项艰巨且持久的任务。由于对未来的技术和发展水平的不确定性，因此很难准确把控智能制造的走向。但尽管如此，我们还是可以依据现有的技术发展方向及制造业的一些特征对智能制造的发展趋势做如下几点概述。

3.1 材料和工艺

新材料和新工艺的开发促进了产品的设计和制造，为产品的发展带来创新性，同时也为智能制造打开了一扇新的大门。制造创新在很大程度上依赖于材料的可获取性及新工艺的出现。一般情况下，由于材料的开发周期要长于产品开发周期，所以应加快对材料的研发；而新工艺的出现将会加大材料、产品设计、产品制造和设备的整合。但考虑到材料的种类和工艺的数量庞大，以及材料和工艺的信息与数据的微观结构、性能、功能和组成。面对如此大量的信息，需要相关领域的工作人员进行有效挖掘和分析，并通过互联网将关键信息传递给相关部门，以加速材料和工艺的发展创新，为进一步推动智能制造做准备。

3.2 预测工程

预测工程是制造业在解决预期方案领域的最新研究方向之一，也将是未来制造业发展的重要趋势之一。它带来的是对制造过程及设备未来状态的预测，而在传统制造业上对数据进行采集分析、对产品进行质量监控等主要是针对制造的过去。预测工程提供了一种高保真模型，利用此模型可以在一定程度上预测未来状态。显然，如果在制造业中能够提前预测到生产力、产品质量和运输状况等关键信息，就能提前做出决策防患于未然。此外，在保证产品质量和效率的同时降低设备维护的成本，开发相应的智能维护模型是至关重要的。目前，已研究出一种利用历史数据时间行为的深度递归神经网络，可用于预测缺陷的扩展和估算出机械设备或零部件的剩余使用寿命[15]，以便知道何时应该维护或更换已报废的零部件。

对于目前已有的预测工程来说，主要存在两点还有待在未来进一步发展：其一，在制造业当中用于实际工程应用的预测分析种类还不多，很多需要进行工程预测的环节都因为缺少相关预测方法而无法执行；其二，现有的预测方法在精度上还有待优化和提高。

3.3 资源共享

随着互联网的发展和普及，制造业也变得越来越数字化和虚拟化，且许多创造性技术也将在虚拟空间中进行。虽然对于专有技术的实体制造可以得到知识产权的保护，但在数字化空间里的资源可能是高度透明的，这就允许企业间可以相互共享资源。目前，共享资源模式已在其它行业中取得了阶段性成功，例如：为缓解交通压力减少私家车出行的共享汽车和共享单车，还有住宿服务领域的Airbnb等共享行业。因此，在未来的智能制造领域也将会出现共享制造设备、软件、知识及共享协作建模等共享模式[16]。

在制造业中除了制造设备之外，运输也是一种很重要的资源，且任何制造都离不开运输。运输可分为两类：外部运输，主要是指向公司提供供应服务和公司产品对外分销服务；内部运输，主要是指材料在生产流程中的运输。从制造的角度来看，无论是外部运输还是内部运输都是一种非增值活动。而运输的距离是相对固定的，因此，引发了一种可降低运输成本的想法，即共享运输：一种利用互联网将制造与供应和分销连接组成的运输网络，可同时为多家供应端和配送提供一个最优解决方案。资源共享的利用无疑是推动制造业发展的重要因素之一。

3.4 可持续制造

制造业在给世界经济带来飞速发展的同时，也导致了许多环境问题。并且随着人口的日益增长和消费水平的提高，人类将面临更严重的社会环境压力[17]。因此当前全球化所面临的最大挑战是既要满足世界人口不断增长的物质需求，同时又要确保人类在环境、经济和社会上的可持续发展。为了应对这个巨大的挑战，迫切需要将制造业朝着可持续化制造方向发展。

可持续制造是实现可持续发展目标在制造业实施的结果[18]，是一种以节约自然资源，努力将制造产生的污染物降到最低，且在经济上是可行的生产过程[19]。因此实现制造业的可持续性对可持续发展是至关重要的。虽然可持续制造理念已被广大群众所接受，但对制造商而言仍然要面临许多挑战：投资成本高、回报周期长及在实践层面上缺乏技术性指导[20]。因此要完成可持续制造从理念到现实的转变还任重而道远。

4 结 论

智能制造是制造业的一场新革命，它是制造技术与前沿ICT相融合的新典范；但尽管如此，对于开始是应用于其它领域的前沿技术，如大数据或CPS，必须要结合制造业的特点和要求进行应用和发展。为了实现智能制造，从物联网、大数据、CPS到增材制造、全息图等各个领域的尖端技术都应用于制造业的开发和研究。此外，智能制造所遵循的并非仅仅只在经济效益上产生效果，如降低成本和提高生产率，更应该创造出新价值，不断为社会做贡献。同时还必须坚持以人为本，以社会为导向的先进理念，实现制造业的可持续发展战略。