智能再制造技術體系研究

周自強，戴國洪

（1.常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟215500；2.江蘇省機電產品循環利用技術重點建設實驗室，江蘇常熟215500；3.蘇州市汽車綠色拆解智能裝備技術重點實驗室，江蘇常熟215500）

智能再制造技術體系研究

周自強1，2，3，戴國洪2，3

（1.常熟理工學院機械工程學院，江蘇常熟215500；2.江蘇省機電產品循環利用技術重點建設實驗室，江蘇常熟215500；3.蘇州市汽車綠色拆解智能裝備技術重點實驗室，江蘇常熟215500）

摘要：通過對再制造流程體系的分析，結合智能制造的理念和知識，提出了智能再制造的技術體系.分別從逆向供應鏈，再制造企業管理，再制造裝備中人工智能技術的應用方法進行了分析說明.從總體上論述了智能再制造的體系結構及其發展，最后對智能再制造的相關問題進行了討論.

關鍵詞：智能再制造；智能制造；再制造

隨著“中國制造2025”和“工業4.0”等概念的提出，智能制造作為一個新的議題在整個制造業成為一個新鮮事物.其實智能制造不是新事物，智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）的概念在20世紀90年代就已經提出.其基本思想是利用人工智能的相關技術來輔助制造過程中的推理、判斷和決策，從而提高制造業的技術水平和工作效率.其中的關鍵技術是機器學習、智能決策和智能優化算法.特別是近10年來，蟻群算法、粒子群算法、支持向量機等智能算法和自學習算法得到了蓬勃發展，在社會發展的各個領域中都得到了可行的應用，因此，也為智能制造的進一步發展提供了理論和技術支撐.再制造作為整個制造業的一個重要分支，是可持續發展理念在制造業中的體現.它是指以廢舊零部件為對象，通過技術手段恢復其原始尺寸，恢復甚至提升其服役性能的技術工藝［1］.再制造對于緩解資源短缺、保護環境具有重要的意義.但是相對于一般的產品制造，再制造過程有很多特殊之處，如被制造對象的質量和來源的分散性、工藝參數的不確定性，這些特點決定了智能再制造的研究和應用具有更加重要和深遠的意義.

1　再制造技術流程分析

圖1　廣義再制造的流程體系

這里以廣義的再制造概念進行技術流程分析，廣義再制造是指產品結束使用過程之后，通過回購、拆解、修復、再利用及材料利用的全過程，其流程體系如圖1所示.廣義再制造是從廢舊產品的回購開始的，由于廢舊產品存在地域和時間上的分散性，其收集和回購是一個十分復雜的體系，需要依賴于逆向供應鏈的相關技術來支撐.廢舊產品集中到處理企業后，一般需要對其進行拆解和清洗處理.由于廢舊產品的狀況各不相同，而其品牌和規格參數也存在很大的差異性，這些都為規模化的處理帶來了困難.在完成拆解后，部分質量較好的零部件可以進行直接再利用，如作為維修配件進行銷售.對于部分具有再制造價值的零部件，可以借助于表面工程技術，如激光熔覆、等離子熔覆等技術來對其進行修復，使其恢復使用功能.在通過質量檢測之后，既可以作為新產品制造的零部件進行使用，也可以直接進入市場進行銷售.而對于沒有再制造價值的零部件，在經過破碎和分選處理后，可作為再生材料重新回到制造過程中去，從而替代部分原生材料.

2　智能再制造的層次體系

智能再制造的相關技術和手段在廣義再制造的各環節中都能夠起到重要作用，這是因為廣義再制造過程中的不確定性因素要遠遠大于正向產品制造過程.智能制造在層次上一般分為管理決策層、制造執行層、設備控制層等若干層次，分別從管理決策、工藝流程控制和設備智能控制的角度來融合人工智能的相關知識.而對于再制造過程，本文提出一種基于層次關系的智能再制造技術體系（如圖2所示）.

圖2　智能再制造的技術體系

智能再制造從宏觀到微觀分為逆向物流層、再制造企業管理層和再制造裝備控制層三個層面.其中最上層為逆向物流層，它不僅包括了廢舊產品的回購、運輸等業務，也包括了再制造過程中被拆解件的運輸、周轉管理，以及作為再生材料的運輸和管理.此外，再制造產品的運輸和銷售也屬于這一層.其下層是再制造企業管理層.這一層從再制造企業的布局設點、再制造生產線的布局優化，以及再制造企業內部的拆解工藝規劃、生產工藝優化等都可以借助于人工智能的優化算法和技術進行信息的處理和決策.最下層是再制造裝備的控制層.這一層主要是利用智能信息處理手段和智能控制技術對再制造裝備的工藝參數進行實時的檢測和反饋控制，根據再制造產品的多樣性對工藝參數和加工路徑進行實時計算和實施規劃，并對需要再制造的零部件進行在線檢測和智能信息處理.在技術上保證再制造過程能夠和普通的正向制造一樣產生規模化效益，從而使再制造企業在創造社會效益的同時創造經濟效益.

2.1面向再制造的逆向供應鏈的智能技術

對于面向再制造的逆向供應鏈管理，國內外的學者已經開展了大量的研究.其中針對物流網絡優化或運輸路徑優化的研究較多［2-4］.遺傳算法、蟻群算法、Petri網模型等智能優化模型和算法在該領域中都得到了應用.此外，分支定界算法（Branch and Bound Algorithm）、啟發式算法在供應鏈布局和庫存管理中也得到了很多應用.從目前的研究來看，單純基于供應鏈網絡優化和運輸路徑優化的智能算法研究較多，結合了信息跟蹤技術、物聯網技術、電子商務的廢舊產品的逆向供應鏈方面的研究較少.針對具體廢舊產品特點的逆向供應鏈方面的研究就更少.因此，結合智能信息處理和物聯網領域的相關軟硬件技術來研究廢舊產品的逆向供應鏈具有重要的實際意義.

2.2面向再制造企業管理的智能技術

在這一層面中，首先需要解決的是再制造企業的規劃與評估.其目的是在充分考慮廢舊產品市場存量，以及投資額、勞動力、土地等約束條件的基礎上設計出優化的再制造企業的總體規劃，包括再制造生產線的布局形式.解決該問題的關鍵是在專家經驗的基礎上對不同的再制造模式進行建模，然后借助于智能優化算法進行求解.面向多目標優化的智能算法具有很重要的應用價值.

再制造企業在生產調度和生產工藝規劃方面的優化也是智能技術可以切入的一個領域.目前在該領域中主要是依靠人工經驗.但是當生產規劃和生產工藝的數據不斷膨脹之后，依賴于人工操作的方式就會大幅度影響生產效率.這一點在報廢汽車的拆解工藝規劃方面具有典型的特征.對于小型的拆解企業可以依靠人工經驗來進行生產，而對于大型的報廢汽車拆解企業，在拆解線的節拍極為緊湊的情況下，單純依靠人工經驗就會發生很多生產故障.這不僅是因為工人的技術水平參差不齊，還因為大型拆解企業所拆解的報廢汽車類型要遠遠多于小型拆解企業.因此，利用計算機信息處理技術和人工智能技術對報廢汽車的拆解工藝進行一定程度的規劃和管理，并將拆解作業的指導信息實時提供給操作工人，就能夠大幅度提高拆解企業的生產效率和管理水平.

2.3面向再制造裝備的智能技術

再制造裝備主要包括拆解裝備、檢測裝備、表面修復裝備、零件校正裝備等.與普通的正向制造相比，被再制造的廢舊零部件在幾何精度、表面質量等方面都存在較大的差異［5］，這就要求再制造裝備具備更高的柔性和智能化程度.再制造裝備的智能技術主要包括智能信息處理和智能控制等軟硬件技術.以報廢汽車的擋風玻璃拆卸為例，由于報廢汽車的類型、規格均不相同，采取和正向制造相同的機器人離線編程技術是無能為力的.為此，通過機器視覺和專用傳感器，以及基于二次跟蹤的輪廓軌跡求解算法，可以為每一個待拆解的報廢汽車實時地計算出擋風玻璃邊緣車身的切割路徑.然后利用等離子頭對車身進行切割即可獲得完整的擋風玻璃.

在表面修復裝備中智能技術更是必不可少的核心環節.利用專用傳感器對零件的待修復區域進行實時檢測，在對檢測數據進行處理和識別的基礎上，結合機器學習算法生成較為合理的工藝參數，并通過控制器來保證零件的修復精度，從而保證被修復零件在質量上的一致性［6］.

3　結束語

從上面的分析可知，智能再制造是將人工智能的相關理論和技術融入到再制造領域中，以解決再制造領域中存在的各種不確定性因素.在管理和供應鏈層面、拆解處理、再制造過程中都能起到十分重要的作用.但是由于人工智能技術本身的發展局限性，這些自學習算法、智能優化算法在具體運用過程中，其效果在很大程度上依賴于再制造過程分析建模的質量.此外，還有很多工藝決策方面的問題單純依靠人工智能技術還很難解決.因此，從目前的發展來看，我們必須正確對待智能再制造的相關技術理念.既要積極研究和發展智能再制造的相關技術，又要避免盲目擴展，期望用人工智能的手段解決廣義再制造領域中的所有問題.

參考文獻：

［1］徐濱士，董世運，朱勝，等.再制造成形技術發展及展望［J］.機械工程學報，2012，48（15）：96-104.

［2］XING B, GAO W J, BATTLE K, et al. Artificial Intelligence in Reverse Supply Chain. Management［EB/OL］. http：//arxiv.org/ftp/ arxiv/papers/1012/1012.4046.pdf.

［3］ARAVENDAN M, PANNEERSELVAM R. Literature Review on Network Design Problems in Closed Loop and Reverse Supply Chains［J］. Intelligent Information Management, 2014, 6：104-117.

［4］劉瓊，葉晶晶，邵新宇.不確定信息條件下制造再制造物流網絡優化設計［J］.華中科技大學學報，2007，35（10）：80-83.

［5］張晶，梁工謙.基于零件質量不確定性的再制造生產系統可靠性分析［J］.工業工程，2013，16（2）：117-121.

［6］劉睿，杜慶峰.激光再制造機器人的表面缺陷智能識別［J］.激光雜志，2015，36（9）：60-63.

A Study of Technical Architecture of Intelligent Remanufacturing

ZHOU Ziqiang1,2,3, DAI Guohong2,3
（1. School of Mechanical Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China；2. Jiangsu Key Laboratory of Recycling and Reusing Technology for Mechanical and Electronic Products, Changshu 215500, China；3. Suzhou Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for ELV Recycling, Changshu 215500, China）

Abstract：By analyzing the remanufacturing process and combining the concepts and knowledge of intelligent manufacturing, the technology system of intelligent remanufacturing is proposed in this paper. It is described and explained from the application of artificial intelligence technology in the field of reverse supply chain, remanufacturing enterprise management and remanufacturing equipment. The architecture and development of intelligent remanufacturing are introduced. Besides, remanufacturing-related intelligent issues are discussed in the paper.

Key words：intelligent remanufacturing；intelligent manufacturing；remanufacturing

中圖分類號：TH17

文獻標識碼：A

文章編號：1008-2794（2016）02-0001-03

收稿日期：2015-12-26

基金項目：江蘇省高校自然科學研究重大項目“面向再制造零件批量校正的變形表征模型研究”（15KJA460001）

通信作者：周自強，副教授，博士，研究方向：綠色制造、機電控制，E-mail：zzq_rrme@163.com.