浅谈智能制造的发展与挑战

（北京市中关村中学，北京 100190）

0.引言

制造业是利用各种资源依据市场需求进行制造从而转化为工业制成品、生活消费品的一种产业，如食品制造业、纺织业、医药制造业等。制造业在一定程度上可以直接作为一个国家生产水平能力的体现，对国民经济发展有着重要的推动作用。改革开放后我国的制造业发展迅速，2010年，我国制造业占比提高到19.8%，成为世界第一制造国家，被称为“世界工厂”。

制造业领域，我国的技术自主创新能力弱，对各产业的核心技术较为缺乏，进而使中国企业产品的国际竞争力薄弱。此外，我国的产业组织不合理，原材料相关产业产能过剩。相比国外先进企业，我国制造企业在生产效率、质量方面还存在许多问题[1]。为促进制造业的转型发展，借助人工智能等技术发展智能制造已经成为传统制造企业的共识。

1.智能制造及其关键技术

智能制造是指将“智能”和传统制造技术相结合，高效生产节能、环保、智能的新产品[2]。从日本的“智能制造系统IMS”和美国的“工业互联网”，到中国的“中国制造2025”，可以看出许多国家都在抢占制造业的制高点，进行产业的转型。

智能制造能够在产品设计、制造全流程中实现智能化。借助大数据技术，智能制造能够在产品需求分析上实现个性化；产品设计过程中，通过人工智能、物联网等技术实现产品设计智能化；在生产制造过程中，利用人工智能、物联网、5G等技术对设备进行可视化管理、协调各部门的运作并实现设备和产品维护的自动化。

1.1 人工智能

人工智能是计算机科学的一个分支，是一种用计算机程序模仿人类思维方式的技术，于1950年图灵测试被提出而随之诞生。近年来由于计算机硬件水平的提高，作为人工智能领域重要分支的深度学习发展迅速，目前在用于深度学习的算法中，医疗、经济、智能制造等诸多行业现已取得了不凡的成绩。

人工智能技术在智能制造中是很重要的一环。一方面，人工智能技术可以将人工从重复的工作中解脱出来，另一方面，人工智能技术更加精确、严谨，不会出现人为操作错误，能够提高生产的质量和效率[3]。例如，将人工智能技术应用在制造业的生产过程，可以提升机器设备的自动化水平，实现在复杂情况下的自主生产，能够在减少人工成本的同时全面提升企业的生产效率。

1.2 IOT（物联网）

IOT(物联网)在互联网的基础上将各种设备连接在一起进行数字交换和通信。整体感知、智能处理和可靠传输等是物联网的主要特征。这意味着物联网可以利用如RFID标签（电子标签）等感知设备来获取信息，并且能够将获取的信息进行实时准确地发送和处理。

通过应用物联网技术，在智能制造中能够对局部乃至全局的设备和环境数据进行采集，从而进一步提高设备的升级、操作和维护能力。物联网也可以结合大数据技术了解设备的状态并预测潜在风险，实现降低智能制造中设备的维护成本和运行风险场景的功能。

1.3 工业机器人

工业机器人是在工业领域内执行特定任务和工作的多自由度机器，由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成，具有可编程、通用性、模拟人类动作的特点。工业机器人在智能制造中的地位十分重要。在经济效益方面，它可以降低人力成本。在生产方面，工业机器人的精度通常大于人工，且产出产品的一致性较高，因此，应用工业机器人有助于提高产品质量[4]。

1.4 5G技术

4G在生活中已得到广泛普及之后，5G技术应运而生，该技术是作为第五代通信技术的新一代蜂窝移动网络，5G网络所具有的Gbit/s峰值速率、低延时性、大幅度提高的流量密度、系统协同化，智能化水平提升等优点，弥补了4G网络的缺陷，受到全世界关注。

5G对智能制造具有许多促进作用。5G技术传输速率快并且具有低延时性的特征，空中接口的延时性仅为1ms，能够满足远程医疗、自动化驾驶、智能制造等领域的实时性要求。除此之外，5G的容量较大，可以连接设备的数量可达千亿级别，能够较好地解决智能制造中设备的联网需求量大的问题。与此同时，5G可以协同进行多用户、点、天线组网，更好地为智能制造多设备的运作进行支持。

1.5 大数据技术

大数据是指无法在有限时间内使用现有的软件工具进行管理和分析的海量数据集合。大数据具有数据规模大、数据流转迅速、信息种类多和价值密度低的4个特点。大数据技术的战略意义不仅仅只在于巨大的信息量，而着重于通过这些数据的处理所带来的意义和价值。

大数据可以为智能制造带来许多便利。它可以通过分析各设备产生的大量数据来及时解析故障、问题和缺陷的根源，节省企业开支；大数据可以分析用户购买习惯，实现精准营销以及分析市场趋势，实现利益最大化。根据用户的使用习惯及时对产品进行维护保养，并依照使用反馈对旧产品的改进和新产品的设计提供帮助。

2.发展现状

2.1 国外发展现状

根据《全球智能制造发展指数报告（2017）》评价结果如图1所示，属于第一梯队引领型的国家有美国、日本、德国，属于第二梯队先进型的国家有韩国、英国、中国、瑞典、瑞士、芬兰、法国、奥地利、加拿大。如今智能化制造的发展及排名形成了一个较为稳定的趋势：第一和第二梯队作为引领，第三、四梯队相互追赶。

图1 全球智能制造发展指数评价结果

为更好地促进智能制造的发展，德国提出了“工业4.0”以构建物联网、互联网和智能系统相融合的发展框架，英国提出“英国制造2050”以推动制造业和服务业的相互融合，使得高技术工人数量提升，韩国为协助中小企业优化生产及建立智慧化程序于2014年提出“制造界创新3.0策略”。

2.2 国内发展现状

在2014和2015两个年度内，我国的智能制造行业得到迅速发展，相关企业成立数量迅猛增加，传统制造业和互联网科技等领域的企业也纷纷进军智能制造产业。自2016年度后，智能制造企业数量逐步稳定，我国智能制造有较为明显的地域差异性，诸多智能制造企业分布于一线城市。

上汽大众MEB工厂是智能制造行业的标杆工厂，整个制造过程具有智能化和环保性。新型智能汽车采用了AGV小车，融合了RFID人工智能识别技术、光学识别技术，在上汽大众的电池车间超过150台机器人，自动化率超过了80%。企业通过智能化制造技术的应用，实现了协同供应链，透明制造过程。

3.讨论

如今我国的智能制造技术发展十分迅速，但仍有以下几类问题尚未解决：（1）智能制造基础弱。我国在关键核心技术方面如芯片技术、人工智能技术、高端传感器等，多数企业仍在引进和仿制缺乏自主创新动力。（2）基础配套能力有待加强。在传统工业制造领域中，控制和信息难以结合进行解决，使其无法满足企业智能化改造要求。（3）在现实环境中，企业转型困难。企业的转型需要大量资金的投入，然而如今融资成本高的问题给企业转型带来的难点。（4）智能制造的技术门槛高，对高精尖技术人才的需求大，因此企业面临人才短缺问题。（5）智能制造缺乏统一标准。目前我国智能制造缺乏一个统一标准使得企业与企业间的沟通协调能力差。

针对上述问题，国家应组织各高校研究院进行技术攻关，突破国外对我国的技术封锁，加强对芯片技术、人工智能技术等核心产业的扶持，培养一批拥有高精尖技术的企业；加强高校对相关人才的培养，增加国外相关技术人才的引进；加强校企合作，帮助企业解决技术和人才问题；增强相关领域间的技术合作，制定统一标准，为实现全面智能制造化奠定基础[5]。

我国是一个制造业大国，作为一个有“世界工厂”之称的国家，随着人口红利的逐渐消失，单靠人力所进行的制造已经无法满足发展的需求，而实现智能制造是中国制造业的未来发展的关键。