智能制造浅谈

1.智能制造的时代背景

进入新时代，国家确定并全力推进“制造强国战略”， 加快建设制造强国、加快发展先进制造业，成为我国的国家战略，新中国成立70多年来，特别是改革开放40多年来，中国制造业取得了伟大的历史性成就，走出了一条中国特色工业化发展道路。但目前我国制造业大而不强，面临着严峻的挑战，主要表现在自主创新能力还不强；有些产品质量问题还比较突出；部分企业劳动生产率低下。因此迫切需要对产业结构进行转型升级。同时在国际大背景下：美国、德国、法国及日本等国家相继提出工业制造振兴计划。

智能制造是制造业高质量发展的根本动力，它将成为我国制造业创新发展的核心驱动力和内在需求。我国需要创新发展以保证在国际上的竞争力，因此“加快建设制造强国，加快发展先进制造业”，已经成为我国当下重要的国家战略。

2.如何理解智能制造

1）何谓“智能”

智能一词在我国古代的《荀子·正名篇》中讲到：“所以知之在人者谓之知，知有所合谓之智。所以能之在人者谓之能，能有所合谓之能”。其中，“智”指进行认识活动的某些心理特点，“能”则指进行实际活动的某些心理特点，东汉王充更是提出了“智能之士”的概念，《论衡·实知篇》中讲到：“故智能之士，不学不成，不问不知”；“人才有高下，知物由学，学之乃知，不问不识。”他把“人才”和“智能之士”相提并论，认为人才就是具有一定智能水平的人，其实质就在于把智与能结合起来作为考察人的标志。

世界著名教育心理学家霍华德·加德纳于1983年在其《智能的结构》一书中首次提出多元智能理论，认为人类的智能可以分成七个范畴：语言 (Verbal/Linguistic) 、逻辑(Logical/Mathematical) 、空间 (Visual/Spatial) 、肢体运作 (Bodily/Kinesthetic) 、音乐 (Musical/Rhythmic) 、人际 (Inter-personal/Social) 以及内省 (Intra-personal/Introspective)。

图1 人类的智能

2）何谓“制造”：制造是把原材料加工成适用的产品制作，或将原材料加工成器物的过程。

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能模仿人类智能进行诸如分析、推理、判断、构思和决策等活动过程。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

图2 智能机器和人类专家共同组成智能系统

3.人类发展与制造密不可分

可以说人类要生存与发展就必须要进行生产制造，通过生产制造活动获得人类必需的生产与生活资料，维持人类的生存、繁衍与发展，而人类从事生产制造活动就需要使用工具，一部人类社会的发展史就是一部人类使用工具的发展史，从200多万年前，人类就会制造和使用工具，从石器时代、到青铜器时代、再到铁器时代，这种主要依靠人力和畜力为主要动力并使用简易工具的生产系统一直持续了百万多年。人类在使用工具，同时人类又在使用工具来加工制造工具。人制造工具并利用工具来改造自然，获得满足人类自身生存与发展需要的生产和生活资料。

图3 人类发展与制造密不可分

生产力是人们征服自然、改造自然以获得物质生活资料的能力，是人们改造自然的物质力量，它表示的是生产中人对自然界的关系，生产力的发展程度决定人们的生活水平，好的生活是人们发展生产力的目标和动力。生产力三要素包括以生产工具为主的劳动资料，引入生产过程的劳动对象以及具有一定生产经验与劳动技能的劳动者。

科学技术是第一生产力，科技的发展改变了生产技术和劳动工具，并使劳动者的素质和技能不断提高，人类在使用工具的过程中一直在不断追求创新发展，不断解放人类自身，通过生产技术的不断进步，劳动者素质和技能的不断提高，劳动手段的不断改进，来提高劳动生产率，以便在人类社会的生存竞争中占据优势。

以蒸汽机的发明为标志的动力革命引发了第一次工业革命，第一次工业革命是18世纪60年代从英国发起的技术革命，是技术发展史上的一次巨大革命，它开创了以机器代替手工劳动的时代。

图4 不同工业阶段的技术应用案例

以电机的发明为标志的动力革命引发了第二次工业革命，以计算机信息技术运用为标志的第三次工业革命，人类不断发明、创造与改进各种动力机器并使用它们来制造各种工业品，这种由人和机器所组成的制造系统大量替代了人的体力劳动，大大提高了制造的质量和效率，社会生产力得以极大提高。目前数字化、网络化、智能化技术与先进制造技术深度融合形成的智能制造技术，特别是新一代人工智能技术与先进制造技术，深度融合所形成的新一代智能制造技术，将成为新一轮工业革命的核心技术，成为了第四次工业革命的核心驱动力。

图5 工业革命发展阶段

2012年通用电气提出，倡导将人、机器以及数据连接起来，工业互联网与工业4.0相比较，更加注重网络、软件和大数据，实现通讯，控制，计算的融合。由智能设备，智能系统和智能决策组成。工业互联网为智能制造提供技术支撑，智能制造支撑企业实现业务目标。

图6 先进的制造技术

4.信息物理系统（CPS--Cyber Phsical System)

信息物理系统是使用数字化技术，将物理实体抽象为数字对象，通过应用网络技术、人工智能实现对象间的通讯与控制，信息物理系统中的软件应用可以直接与真实世界互动。智能环境下的信息物理系统是基于通讯技术将智能机器、仓储系统以及生产设备的电子化融合到整个网络中，涵盖内部物流、生产、市场销售、外部物流以及延伸服务，并使得他们之间可以互相独立的信息交换、进程控制、触发行动等，以此达到全部生产过程的智能化，从而将资源、信息、物体以及人紧密的联系在一起，进而创造物联网及服互联网，并将生产工厂转变为一个智能环境，这是实现工业4.0的基础。

信息物理系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通讯与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。真实物理世界与虚拟信息世界是双向交互的，两者通过工业物联网相互交换信息。

图7 信息物理系统

5.智能工厂

工厂又称制造厂，它是对原材料实施加工生产各单元的集合体，大部分工厂都拥有以大型机器或设备构成的生产线。工厂体现了生产力水平，工厂里有劳动者（工厂员工），生产资料（机器工具等），劳动对象（加工材料）。因此，若提高生产力水平需要提高工厂制造效率和科技水平。在工厂组织生产过程中，随着计算机技术的发展，人类部分脑力劳动被机器取代，计算机能够模仿人的思维方式进行条件判断、数据分析、资源管理、调度决策等行为。

在智能制造系统中，人类与机器之间的关系不是对立的，而是相互合作，共同协作，从而建立高度柔性的智能系统。智能制造系统不是简单的人工智能系统，而是在人工智能的辅助下，人与机器和谐相处，各自发挥自己的优势，其中人依然是整个过程的核心。

智能制造系统的关键体现在智能工厂，智能工厂具有自律、自组织、采集数据并分析，对特定条件下的生产情形进行判断和逻辑推理。可采集底层数据并对其进行详细分析，还可针对特定条件下的生产情形进行判断和逻辑推理。 同时通过三维模型可视化技术，实现物理世界与虚拟世界的无缝融合，将仿真融入产品的设计与制造过程中。

智能工厂是实现智能制造的前提与基础，它在组成上主要分为三大部分，在企业层对产品研发和制造准备进行统一管控，与ERP进行集成，建立统一的顶层研发制造管理系统。管理层、操作层、控制层、现场层通过工业网络进行组网，实现从生产管理到工业网底层的网络联接，满足管理生产过程、监控生产现场执行，采集现场生产设备和物料数据的业务要求。

图8 智能工厂层次结构

其中，制造执行系统 (manufacturing execution system， 简称MES)起着联接计划管理层与现场控制层的作用，制造执行系统是美国AMR公司(Advanced Manufacturing Research，Inc．)在上世纪90年代初提出的，旨在加强企业计划层的执行功能，它把企业计划层同工厂车间作业现场控制层，通过执行层联系起来。现场控制层包括PLC程控器、数据采集器、条型码、各种计量及检测仪器、机械手等。制造执行系统（MES）设置了必要的接口，与提供生产现场控制设施的厂商建立合作关系，制造执行系统（MES）能够帮助企业实现生产计划管理、生产过程控制、产品质量管理、车间库存管理、项目看板管理等，提高企业制造执行能力。

图9 智能工厂内的信息系统

图10 智能工厂内的网络系统

通过信息物理系统将工厂计划层、执行层、控制层以及现场设备层实现数据互联互通，形成了工业大数据网络。

图11 工业大数据网络

利用计算机通讯和工业互联网技术为多种维度和视角来视察与利用工业数据提供可能。在智能工厂里需要利用各种传感器探测、采集被检系统的相关参数信息，将收集数据进行有效信息转换以及信息传输。

图12 数据采集

依据工业数据对产品质量标准进行在线监控并对历史数据进行管理操作，由于每天有大量的工业数据产生，企业管理层可以对数据进行有针对性的分析处理。在此基础上应用数据挖掘、模型预测以及可视化技术等优化工艺流程，为企业管理层提供决策指导。

图13 企业管理决策

利用工业互联网技术还可以对工厂设备进行远程维护，工程人员通过Internet 远程接入设备，可以实现对目标对象的维护和调试，利用设备程序和过程模型进行模拟仿真，完成现场安装之前大部分的调试工作。

总之，人类通过科技革命不断解放人类自己，智能制造是生产力发展到一定阶段的必然要求，智能制造的关键体现在智能工厂，而智能工厂的信息化、数字化与智能化必将进一步提升未来工厂的价值。

整理供稿：张义方 上海第二工业大学、中国仪器仪表学会智能制造工厂主题科普基地