智能制造現(xiàn)狀與前景

1、智能制造的開展與前景展望摘要:簡述了智能制造形成的原因及智能制造的概念；分析了智能制造國內(nèi)外的開展現(xiàn)狀；指出了智能制造的開展趨勢及其面臨的問題。關(guān)鍵詞：智能制造 人工智能 機械制造 工業(yè)4.0The development and research of intelligent manufacturing JiaYu Wang(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of AeronauticsAstronautics, Nanjing, 210016, China;)Abstract：This paper depicts t

2、he cause of formation and conception of IM.And presents status in the development on IM.Finally indication is given of the trend of development and question confronting IM.Key words:IM;AI;mechanical manufacture;Industrie 4.00 前言智能制造裝備是先進制造技術(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，是實現(xiàn)高效、高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保和平安可靠生產(chǎn)的下一代制造裝備。在

3、綜述了智能制造裝備國內(nèi)外開展現(xiàn)狀的根底上，重點論述了目前智能制造存在的問題，并得出結(jié)論，認為德國的工業(yè)4.0和美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備將是智能制造裝備未來的開展方向。1研究背景制造業(yè)是國民經(jīng)濟的根底工業(yè)部門，是決定國家開展水平的最根本因素之一。從機械制造業(yè)開展的歷程來看，經(jīng)歷了由手工制作、泰勒化制造、高度自動化、柔性自動化和集成化制造、并行規(guī)劃設(shè)計制造等階段。就制造自動化而言，大體上每十年上一個臺階: 50-60年代是單機數(shù)控， 70年代以后那么是CNC機床及由它們組成的自動化島， 80年代出現(xiàn)了世界性的柔性自動化熱潮。與此同時，出現(xiàn)了計算機集成制造，但與實用化相距甚遠。隨著計算機的問世與開展，機

4、械制造大體沿兩條路線開展:一是傳統(tǒng)制造技術(shù)的開展，二是借助計算機和自動化科學的制造技術(shù)與系統(tǒng)的開展。80年代以來，傳統(tǒng)制造技術(shù)得到了不同程度的開展，但存在著很多問題。近來年，人們對制造過程的自動化程度賦予了極大的研究熱情，這是因為從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1.8-2倍，產(chǎn)品設(shè)計的效率只提高了1.2倍，這說明體力勞動通過采用自動化技術(shù)得到了極大的解放，而腦力勞動的自動化程度其實質(zhì)是決策自動化程度那么很低，制造過程中人的因素尚未得到充分的認識，人尚未真正地從復雜的生產(chǎn)過程中解放出來，各種問題求解的最終決策在很大程度上仍依賴于人的智慧。因而，人類群

5、體所面臨的眾多問題包括社會問題、生理問題等在制造過程中都有所反映。面對批量小、品種多、質(zhì)量高、更新快的產(chǎn)品市場競爭要求以及各種社會因素的綜合影響，制造過程的自動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)移致使一些專門技能不能及時或長久地得到提供；2現(xiàn)代制造過程中信息量大而繁雜，傳統(tǒng)的信息處理方式已不能滿足要求，大量的信息資源需要開發(fā)與共享；3制造環(huán)境柔性要求更大，決策過程更加復雜，決策時間要求更短；4制造過程的自動化程度受制于制造系統(tǒng)的自組織能力，即智能水平；5現(xiàn)代生產(chǎn)要求專家們在更大范圍內(nèi)進行更及時的合作，小到一個企業(yè)內(nèi)部的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大至一個國家甚至世界范圍內(nèi)的工業(yè)界中的眾多企

6、業(yè)之間。各種跡象說明，“我們正處在制造歷史上的一個危險時期。幸運的是，計算機與計算機科學以及其它高技術(shù)的開展，通過集成制造技術(shù)、人工智能等而開展起來的一種新型制造工程智能制造技術(shù)intelligent manufacturing technology,IMT與智能制造系統(tǒng)intelligent manufacturing system,IMS使我們有可能走出這個危機。這是因為，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)的各個環(huán)節(jié)以一種高度柔性與高度集成的方式，通過計算機模擬人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人

7、的局部腦力勞動；并對人類專家的制造智能進行收集、存貯、完善、共享、繼承與開展。未來工業(yè)生產(chǎn)的根本特征應該是知識密集型，制造自動化的根本是決策自動化。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2開展現(xiàn)狀2.1國外研究現(xiàn)狀：目前，IMT&IMS的研究正迅速受到眾多國家的政府、工業(yè)界和科學家們的廣泛重視：2.1.1美國美國是國際智能制造思想的發(fā)源地之一，美國政府高度重視智能制造的開展，并且已經(jīng)把它作為21世紀占領(lǐng)世界制造技術(shù)領(lǐng)先地位的基石。從上世紀90年代開始，美國國家科學基金NSF就著重資助有關(guān)智能制造的諸項研究，工程覆蓋了智能制造的絕大局部，包括制造過程中的智能決策、基于多施主multi-agent

8、的智能協(xié)作求解、智能并行設(shè)計、物流傳輸?shù)闹悄茏詣踊?。2005年，美國國家標準與技術(shù)研究所NIST提出了“聰明加工系統(tǒng)smart machining system,SMS研究方案。聰明加工系統(tǒng)的實質(zhì)是智能化，該系統(tǒng)的主要目標和研究內(nèi)容包括：1系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化。即將相關(guān)工藝過程和設(shè)備知識加以集成后進行建模，進行系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化；2設(shè)備特征化。即開發(fā)特征化的測量方法、模型和標準，并在運行狀態(tài)下對機床性能進行測量和通信；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，使基于模型的機器控制能夠無縫運行；4狀態(tài)監(jiān)控和可靠性。即開發(fā)測量、傳感和分析方法；5在加工過程中直接測量刀具磨損和工件精度的

9、方法。2021年，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布實施包括工業(yè)機器人在內(nèi)的Advanced Manufacturing Partnership Plan先進制造聯(lián)盟方案，立即得到同日發(fā)布的“實現(xiàn) 21世紀智能制造新報告的積極響應。在這份由美國智能制造領(lǐng)導聯(lián)盟smart manufacturing leadership coalition,SMLC公布的報告中，不但描繪了該領(lǐng)域未來的開展藍圖，而且確定了十大優(yōu)先行動目標，意圖通過采用21世紀的數(shù)字信息技術(shù)和自動化技術(shù)，加快對20世紀的工廠進行現(xiàn)代化改造過程，以改變以往的制造方式，借此獲得經(jīng)濟、效率和競爭力方面的多重效益2。2.1.2 日本日本于1990年首先提

10、出為期10年的智能制造系統(tǒng)IMS的國際合作方案，并與美國、加拿大、澳大利亞、瑞士和歐洲自由貿(mào)易協(xié)定國在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、計算機集成制造系統(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)、美國的系統(tǒng)技術(shù)充分地結(jié)合起來，開發(fā)出能使人和智能設(shè)備都不受生產(chǎn)操作和國界限制，且能彼此合作的高技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)。2.1.3 歐盟歐盟于2021年啟動了第七框架方案FP7的制造云工程3，特別是制造業(yè)強國的德國，繼實施智能工廠Smart factory之后4，又啟動了一個投入達2億歐元的工業(yè)4.0Industry 4.0工程5。德國政府2021年制定的?高技

11、術(shù)戰(zhàn)略2021?方案行動中，意圖以未來工程“工業(yè)4.0奠定德國在關(guān)鍵工業(yè)技術(shù)上的國際領(lǐng)先地位，并在2021年4月舉行的漢諾威工業(yè)博覽會上正式將此方案推出?！肮I(yè)4.0概念最初是在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成，目前其已上升為國家級戰(zhàn)略6。2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(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，目前還處在探討人工智能在制造領(lǐng)域中應用的階段。幾年來，開發(fā)出了眾多類型、水平各異的面向制造過程中特定環(huán)節(jié)、特定間題的“智能化孤島，諸如專家系統(tǒng)、基于知識的系統(tǒng)和智能輔助系統(tǒng)等，而對制造環(huán)境的全面“智能化研究工作還處于剛剛起步階段。我國自 2021

12、年 5 月?裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃?出臺以來，國家對智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的政策支持力度不斷加大，2021年國家有關(guān)部委更集中出臺了一系列規(guī)劃和專項政策，使得我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的開展輪廓得到進一步地明晰。工業(yè)與信息化部發(fā)布了?高端裝備制造業(yè)“十二五開展規(guī)劃?，同時發(fā)布了?智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五開展規(guī)劃?子規(guī)劃，明確提出到2021年將我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)培育成為具有國際競爭力的先導產(chǎn)業(yè)?？茖W技術(shù)部也發(fā)布了?智能制造科技開展十二五專項規(guī)劃?；國家開展改革委員會、財政部、工業(yè)與信息化部三部委組織實施了智能制造裝備開展專項；工業(yè)與信息化部制定和發(fā)布了?智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五開展路線圖?，該路線圖明確

13、把智能制造裝備作為高端裝備制造業(yè)的開展重點領(lǐng)域，以實現(xiàn)制造過程智能化為目標，以突破九大關(guān)鍵智能根底共性技術(shù)為支撐，其思路是：以推進八項智能測控裝置與部件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化為核心，以提升八類重大智能制造裝備集成創(chuàng)新能力為重點，促進在國民經(jīng)濟六大重點領(lǐng)域的示范應用推廣。3 問題與展望3.1 存在問題總的說來，目前IMS的研究仍處在人工智能在制造領(lǐng)域中應用的階段，研究課題涉及到市場分析、產(chǎn)品設(shè)計、制造過程控制、材料處理、信息管理、設(shè)備維護等眾多方面，取得了豐碩的成果，開發(fā)了種類繁多的面向特定領(lǐng)域的專家系統(tǒng)、基于知識的系統(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islands of

14、 intelligence。這中間包括CIMS研究中所取得的有關(guān)進展。然而，隨著研究與應用工作的深入，人們逐漸地認識到自動化程度的進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)和社會問題，、問題的核心是“智能化。一般說來，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)作為一個有機的整體要受技術(shù)包括生產(chǎn)系統(tǒng)、人包括間接影響生產(chǎn)過程的社會群體和經(jīng)濟包括市場競爭和社會競爭三方面因素的制約。從技術(shù)的角度來看，對于一個企業(yè)來說，市場預測、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計、原料訂購與處理、制造加工、生產(chǎn)管理、原料產(chǎn)品的儲運、產(chǎn)品銷售、研究與開展等環(huán)節(jié)彼此相互影響，構(gòu)成產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程。該過程的自動化程度取決于各環(huán)節(jié)的集成自動化in

15、tegrated automation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integrated intelligence水平。目前，尚缺乏這種“集成制造智能的技術(shù)，這也是目前“并行工程的研究重點。3.2開展趨勢當前，智能制造的開展趨勢以德國的工業(yè)4.0和美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備最為清晰。3.2.1 德國“工業(yè)4.0德國“工業(yè) 4.0通過充分利用信息物理系統(tǒng)CPS，實現(xiàn)由集中式控制向分散式增強型控制的根本模式轉(zhuǎn)變，目標是建立高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與效勞的生產(chǎn)模式，推動現(xiàn)有制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型。CPS是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，通過3CComputation、

16、Communication、Control技術(shù)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)制造裝備系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息效勞。CPS實現(xiàn)計算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實時協(xié)同。德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會于2021年發(fā)布了德國首個“工業(yè)4.0標準化路線圖，以加強德國作為技術(shù)經(jīng)濟強國的核心競爭力，確保德國制造的未來7-8?！肮I(yè)4.0工程主要分為兩大主題：1智能工廠。重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過。程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)工業(yè)4.0智能工廠如圖1所示；2智能生產(chǎn)。主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。圖1 工業(yè)4.0智能工廠3.2.2

17、 美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備2021年，美國通用電氣公司GE發(fā)表了?工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)-打破智慧與機器的邊界?報告9。該報告提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Industrial Internet的概念。工業(yè)化創(chuàng)造了無數(shù)的機器、設(shè)施和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)那么是指讓這些機器和先進的傳感器、控制和軟件應用相連接，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：1工業(yè)革命。伴隨著工業(yè)革命，出現(xiàn)了無數(shù)臺機器、設(shè)備、機組和工作站；2強大的網(wǎng)絡(luò)革命；3在網(wǎng)絡(luò)化的影響下，計算、信息與通訊系統(tǒng)應運而生并不斷開展。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，是未來高端裝備制造業(yè)的重點開展方向。各國政府

18、高度重視智能制造裝備的研發(fā)和應用，美、日、歐已有一系列的研究成果和局部產(chǎn)品面世，德國的“工業(yè)4.0工程也積極地推動了制造業(yè)向智能化的轉(zhuǎn)型。我國政府也充分認識到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，已出臺政策推動智能制造裝備的產(chǎn)業(yè)化水平提升。可以預見，未來智能制造裝備在引領(lǐng)制造業(yè)低碳、節(jié)能、高效開展上的作用將進一步得到顯現(xiàn)；同時，行業(yè)也將在工業(yè)機器人、智能機床和根底制造裝備、智能儀器儀表、三維打印裝備、新型傳感器、自動化成套生產(chǎn)線等重點領(lǐng)域形成快速開展與突破。5 參考文獻1 GUO Qing-lin,ZHANG Ming. An agent-oriented approach to resolve scheduling optimization in intelligent manufacturingJ.Robotics and Computer- Integrated Manufacturing,202126：39-45.2 羅克韋爾自動化. 奧巴馬總統(tǒng)的先進制造聯(lián)盟方案得到今日最新發(fā)布報告的支持EB/OL.2021-07-24.3 Manu CloudEB/OL.2021-03-01. ：/ Manu-cloud-project. eu/.4 JAM