智能制造發展過程體現的創新原理

謝文強，王俊鵬， 江燕（北京理工大學管理與經濟學院，

北京100081）

智能制造發展過程體現的創新原理

謝文強，王俊鵬， 江燕（北京理工大學管理與經濟學院，

北京100081）

本文從智能制造的技術創新、模式創新和組織方式創新三個角度分析了其發展過程中體現的科學創新原理。其中，技術創新過程主要體現了集成原理和移植原理；模式創新過程體現了集成原理和組合原理；組織方式創新過程體現了系統原理和集成原理。最后對智能制造未來發展方向做了預測。

科學創新原理；智能制造；技術創新；模式創新；組織方式創新

創新是一個民族乃至一個國家發展的不竭動力，是人類生存與發展的基本方式，在人類漫長的發展史上，有過無數次的創新活動。人類在探索自然和社會發展規律的同時，也在探索創新活動本身的規律。科學創新原理就是人類對創新活動規律的總結，它包含思維原理、創新原理、決策原理。思維原理是基于人腦機能和認知機制對人的思維機理和思維規律的科學總結；創新原理揭示的是人及人類如何在遵循事物發展規律基礎上有目的地開展創新活動的內在機理和基本規律；決策原理是對人們如何做出決策的生理、心理和行為內在規律性的科學總結[1]。智能制造作為21世紀制造業的發展方向，必然會引起制造業的變革，其發展過程也蘊涵了諸多的創新原理，研究智能制造發展過程中的科學創新原理，必將會為人類的生產實踐提供創新的靈感。

一、智能制造——制造方式演化的高級階段

自第一次工業革命以來，制造業發生了翻天覆地的變化。20世紀50年代以后，科學技術的發展進入到一個空前繁榮的時代，電子信息技術和自動化技術發展迅速，以互聯網為代表的信息技術革命為制造業注入了新的生命力，計算機集成制造、敏捷化制造、虛擬制造等技術系統應運而生。另外，隨著經濟的發展，人們的生活水平得到大幅提高，消費者的需求在不斷變化，這促使制造業不斷發展，由最初的規模化戰略、成本導向戰略發展到后來的質量戰略、服務戰略[2]；為了更好地滿足市場和社會需求，智能制造應運而生。1988年美國學者首次提出了智能制造這一概念，探討了智能制造的內涵與前景；1990年4月，日本同美國、歐盟、澳大利亞等國家和地區建立了國際IMS研究中心機構，制定了國際間最大的制造技術計劃——IMS研究計劃；進入21世紀，借助計算機技術和人工智能技術的智能制造發展到了新的階段[3]。

智能制造是制造業發展的一個形態，因此它繼承了其他制造技術和系統的優勢，并不斷補充新的內容；其本質是制造技術與信息技術的深度融合，是各種知識的集中體現，是集成創新的成果。對于智能制造的涵義，普遍認為其是指在產品設計和制造過程中具有感知、分析、決策、執行功能的制造系統的總稱[4]；現代傳感技術、互聯網技術、自動化技術是其基礎，通過信息物理融合系統將人工智能技術與制造裝備深度融合與集成，實現設計、制造、服務過程智能化和制造裝備的智能化，從而帶來制造模式的改變，這體現了移植原理、集成原理、組合原理是智能制造最核心的原理。

二、核心技術創新夯實智能制造基礎

對于智能制造，其本身并沒有產生出新技術，但是它通過將其他技術移植到制造系統中，形成了制造業發展的新的形態，因此移植原理是智能制造核心技術創新體現的最主要原理。圖1為智能制造核心技術創新體系。

1、智能制造系統下的現代傳感器技術

傳感器技術是一種比較成熟的技術，廣泛應用于各行各業，傳感器是其最主要的組成部分。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。在智能制造系統中，傳感器技術得到極大的利用，比如，通過將許多的傳感器布置在工廠的不同位置，結合計算機網絡等，形成一個傳感器網絡，這樣就可以監控不同位置的物理或環境狀況（如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物等）。而傳感網絡中的每個節點由1個或多個傳感器、1個無線電收發器、1個很小的微控制器和1個能源（通常為電池）構成。這些單個節點組合而形成的網絡，其作用遠大于單個節點作用的簡單相加[5]。

通過將傳感器技術移植到制造系統中，使得制造系統如同增加了一雙眼睛，能夠時刻察覺到周圍環境的細微變化。

2、智能制造系統下的射頻識別技術

在智能制造系統中，需要時刻掌握其中每個物件的狀態，射頻識別技術就能滿足這種需求。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術又稱為無線射頻識別，是一種無線通信技術，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間進行機械或光學接觸。只要將含有產品信息的無線設備貼在物件表面，并采用RFID 接受器進行自動的遠距離識別和讀取，就能實現對生產物件的信息讀取、實時跟蹤和定位。其原理是由無線設備發送無線電信號，處在不同位置的RFID接收器對電信號進行識別和讀取，隨后將讀取的信息傳遞到一個軟件系統中，從而確定物件的信息和位置[3]。

通過將射頻識別技術移植到制造系統中，系統便能輕松獲取物件信息，并對系統中的物件進行跟蹤和定位。

3、智能制造系統下的人工智能技術

在智能制造系統中，幾乎每個環節都體現著人工智能技術，它是整個智能制造系統的最核心的技術。

人工智能技術本身是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。人類一直希望克服自身智力的不足，期望利用技術系統對人腦的部分功能代替、延伸和加強，讓機器完成那些單靠人的智能無法進行或帶有危險性的工作，從而使人類的智慧能集中到那些更富于創造性的工作中去[6]。在智能制造系統中，人工智能技術是整個系統的大腦，控制著系統的運行，可以說，將人工智能技術移植到制造系統中是智能制造的起點。

在智能制造系統中，每種技術對制造系統的單方面作用都很有限，只有當這些技術集成在一起，才能發揮出巨大的作用，保證智能制造系統的正常運作。

圖1 智能制造的創新體系

三、信息化、網絡化推動智能制造升級

隨著生產效率的大幅度提高和產品的極大豐富，工業制成品的市場競爭越來越激烈，而消費者的話語權也越來越大，最大程度地滿足消費者的個性化需求成為企業的重心；傳統的制造模式已經失去了其價值，制造企業需要以一種全新制造模式來適應復雜的市場環境。為了加快對消費者需求的響應速度，互聯網思維被引入智能制造中，消費者通過互聯網能夠對產品進行自行設計，對生產過程進行監控，由此網絡技術的應用呈爆發式增長[2]。互聯網技術、云計算、大數據、寬帶網絡等一系列技術構成的廣義互聯網成為智能制造升級的保障。

為了更好地服務消費者，制造業出現了由單純制造向服務型制造模式轉變的新趨勢。在服務型制造模式下，制造企業以“產品＋服務”的形式為客戶提供全面解決方案；制造模式創新使智能制造不再是空中樓閣，而是存在于消費者之中真實存在的。智能制造的升級離不開互聯網，將互聯網技術融入到智能制造中，體現了集成原理，但其本質上是互聯網思維同制造業的結合，所以又體現了組合原理。

四、組織方式創新實現智能制造的推廣應用

19世紀中葉到20世紀中葉的工業社會階段，制造系統和模式是剛性的大批量生產，流水線和泰勒工作制得到廣泛的應用。到了20世紀后半葉，市場需求的多樣化迫使工業制造向多品種、小批量、縮短生產周期方向演進，剛性制造模式逐漸被柔性制造模式所替代，與之對應的生產組織也由金字塔式的科層管理向扁平化、矩陣式管理的方向演變。到了網絡化制造階段，一些企業發展成為平臺型企業，通過研發平臺、營銷平臺和信息平臺實現與大量中小企業的連接。扁平化有了新的內涵，集中垂直式管理被分散合作式所替代，生產者與消費者聯系更加直接[2]。智能制造階段，整個生產系統更加人性化，更能適應消費者的需求；而且生產過程不再依賴人的智慧，不需要人去監督；信息物理融合系統成為一種新的組織方式，成為智能制造的一種表現形式，得到廣泛應用。

信息物理融合系統（Cyber-Physical System，CPS）亦稱“虛擬網絡—實體物理”生產系統，是計算、通信和物理過程高度集成的系統。其通過在物理設備中嵌入感知、通信和計算能力，實現對外部環境的分布式感知、可靠數據傳輸、智能信息處理，并通過反饋機制實現對物理過程的實時控制[7]。該系統最早由美國國家科學基金會（NSF）的Helen Gill 提出。在環境變化時，CPS可以動態地自我調整以滿足用戶需求，而人處于輔助地位，且其具有實時、安全、可靠、高性能等特點，能實現大規模復雜系統和廣域環境的實時感知與動態監控。CPS集成了多種系統，包括計算機系統、工業控制系統、無線傳感器網絡、物聯網、網絡控制系統和混雜系統等，因此具有其他各種系統的特點，體現了系統原理；此外，CPS系統將企業的產品設計、制造過程和優化管理集成起來，實現技術流程和業務流程的融合，使產品在制造質量、時間、成本方面擁有巨大的競爭優勢，體現了集成原理。

五、結論與啟示

2015年3月5日，李克強總理在政府工作報告中指出，要實施“中國制造2025”，加快從制造大國轉向制造強國。同年5月8日，國務院印發了“中國制造2025”，提出我國實施制造強國戰略第一個十年行動綱領[8]。國際上，西方國家也紛紛提出制造業發展戰略，這些戰略都將智能制造作為制造業的發展方向，如美國的《先進制造業國家戰略計劃》、德國的“工業4.0計劃”和日本的《制造業白皮書》等，智能制造已成為新一輪工業革命的核心。

未來，智能制造研究將會取得更大的進展：第一，智能制造基礎理論和技術將會有一個統一的標準和規范；第二，智能裝備將成為各國研究的熱點，例如智能工業機器人、智能高端設備等；第三，智能系統將會更加完善、高級；第四，智能服務將越來越普及，涉及的領域將更廣泛，如數據分析與決策支持、智能監控與診斷、智能服務平臺等。

智能制造是制造業發展的一個階段，它繼承了之前的先進制造的所有優勢，是集成創新的成果。在智能制造的大廈中，包括技術創新、模式創新和組織方式創新。技術創新的內容包括現代傳感器技術、人工智能技術和射頻識別技術；模式創新的內容包括互聯網思維的應用，體現了組合原理、集成原理；信息物理融合系統屬于組織方式的創新，其體現了系統原理，集成原理，如圖1所示。

[1] 侯光明、李存金、王俊鵬：十六種典型創新方法[M].北京：北京理工大學出版社，2015.

[2] 王曉明：從三個維度認識“智能制造”[N/OL].經濟日報，2015-08-06. http：//www.qstheory.cn/zhuanqu/bkjx/2015-08/06/c_ 1116169522.htm.

[3] 魏源遷：智能制造技術及系統[J].中國機械工程，1995，6（6）.

[4] 智能制造——制造業變革的核心[J].裝備制造，2013（8）.

[5] 鄒方：智能制造中關鍵技術與實現[J].航空制造技術，2014（14）.

[6] 鞠全勇：略論智能制造技術的發展[J].金陵科技學院學報，2004（1）.

[7] 溫景容、武穆清、宿景芳：信息物理融合系統[J].自動化學報，2012（4）.

[8] 周濟：智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015（17）.

（責任編輯：張瓊芳）

新能源汽車產業中的創新方法應用研究與示范，運用創新方法解決新能源汽車產業10項關鍵核心技術難題，編號：2015IM030100。