人工智能與智能產(chǎn)業(yè)
——關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

譚建榮

中國工程院院士

數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域?qū)＜?/p>

過去很長一段時(shí)間，我們?cè)e(cuò)誤地認(rèn)為美國不再發(fā)展制造業(yè)，而開始致力于發(fā)展虛擬技術(shù)。事實(shí)上，美國信息技術(shù)之所以領(lǐng)先世界，是因?yàn)樗麄儞碛蓄I(lǐng)先的制造技術(shù)。制造技術(shù)的發(fā)展引領(lǐng)和促進(jìn)了信息技術(shù)的發(fā)展，包括虛擬現(xiàn)實(shí)和大數(shù)據(jù)。如果沒有強(qiáng)大的制造技術(shù)支持，就沒有辦法提供虛擬技術(shù)所需要的設(shè)備。

美國的基礎(chǔ)制造業(yè)一直處于全球領(lǐng)先地位。發(fā)動(dòng)機(jī)是制造業(yè)的王冠，以民航發(fā)動(dòng)機(jī)為例，目前我們使用的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)都出自兩個(gè)公司，一個(gè)是美國的，一個(gè)是英國的。美國為了保持制造技術(shù)的領(lǐng)先地位，提出了先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃，從技術(shù)、勞動(dòng)力、供應(yīng)鏈三方面提出了不同目標(biāo)，體現(xiàn)出提升制造業(yè)核心競爭力的決心。而同樣是制造強(qiáng)國的德國為了保持制造裝備領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，提出了工業(yè)4.0，主要強(qiáng)調(diào)三大主題，即智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流。

習(xí)主席曾經(jīng)說過，核心技術(shù)是買不來的。因此，我們國家要攻克的技術(shù)難關(guān)還有很多，待解決的技術(shù)難題非常大，需要走的路還很長。中國改革開放40年，取得了很好的成績，但目前我國大部分制造企業(yè)還處于產(chǎn)業(yè)鏈中下端，且以粗放型和代加工、資源密集型和勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)為主。因此，現(xiàn)在中國制造企業(yè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級(jí)。如何轉(zhuǎn)型升級(jí)？這就需要靠數(shù)字化制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、智能化制造技術(shù)。

無論是美國先進(jìn)制造計(jì)劃還是德國工業(yè)4.0，甚至是中國企業(yè)需要轉(zhuǎn)型升級(jí)，最終都聚焦到工業(yè)物聯(lián)與智能制造方面。諸如大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)為代表的新興信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展，使得整個(gè)制造業(yè)向數(shù)字化、智能化、移動(dòng)化、綠色化方向發(fā)展。

我國制造業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱。傳統(tǒng)工業(yè)制造業(yè)有“三基”，即基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)工藝和基礎(chǔ)器件；現(xiàn)在是“四基”，即加上了基礎(chǔ)軟件或者說基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。舉例來說，工藝的先進(jìn)性決定了產(chǎn)品的先進(jìn)性，而工藝需要模具，模具需要設(shè)計(jì)。但是我國很多企業(yè)主要是代加工，在加工方面能力很強(qiáng)，但是設(shè)計(jì)能力偏弱，尤其在嚴(yán)格意義上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面可以說十分薄弱，大部分企業(yè)的設(shè)計(jì)是改進(jìn)型設(shè)計(jì)。總之，要做好產(chǎn)品就需要先進(jìn)的設(shè)計(jì)，而先進(jìn)的設(shè)計(jì)必須要有先進(jìn)的技術(shù)作為支撐，但是我國在核心技術(shù)方面還有很多不足。比如我國的高鐵是中國制造的一張響亮的名片，但是高鐵的很多重要部件都是進(jìn)口的，就是因?yàn)橹圃爝@個(gè)部件的核心技術(shù)我們沒有掌握。為此，國內(nèi)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)勢在必行。制造企業(yè)升級(jí)需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，依托數(shù)字化制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、智能化制造進(jìn)行升級(jí)。

智能制造的含義包括兩方面，其一是智能技術(shù)與制造技術(shù)的融合；其二是用智能技術(shù)解決制造的問題。智能技術(shù)包括交互、感知、學(xué)習(xí)、決策等技術(shù)，制造技術(shù)則包括設(shè)計(jì)、加工、裝配、服務(wù)等技術(shù)。經(jīng)由人工智能技術(shù)和設(shè)計(jì)制造技術(shù)的融合，智能制造得以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化樣機(jī)、機(jī)器人應(yīng)用、精準(zhǔn)化管理等。

其中重點(diǎn)談一下數(shù)字樣機(jī)。它是指用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加上裝備設(shè)計(jì)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上表達(dá)的機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或子系統(tǒng)的數(shù)字化模型，它與真實(shí)物理產(chǎn)品之間具有1∶1的精確比例，具有與物理樣機(jī)一樣的功能和性能，可以用來代替物理樣機(jī)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，提升企業(yè)創(chuàng)新的能力。從數(shù)字樣機(jī)目前的發(fā)展趨勢來看，一是從數(shù)字仿真發(fā)展到圖形仿真，二是從虛擬仿真發(fā)展到虛實(shí)融合，三是從幾何建模發(fā)展到物理建模，四是從階段性設(shè)計(jì)性能模擬發(fā)展到產(chǎn)品全生命周期的模擬。數(shù)字樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，第一是異構(gòu)設(shè)計(jì)分析模型轉(zhuǎn)換與集成技術(shù)，第二是多學(xué)科耦合建模與仿真技術(shù)，第三是零件真實(shí)表面建模與虛擬裝配技術(shù)，第四是機(jī)器人作業(yè)的規(guī)劃與車間仿真技術(shù)。

數(shù)字樣機(jī)在我國航空航天領(lǐng)域有許多成功應(yīng)用的案例。用以上技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真裝配，在解決了裝備順序和可靠性的問題后，幾千個(gè)零件不僅能夠裝配起來，而且可以模擬真實(shí)運(yùn)動(dòng)，可以進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、應(yīng)力分布多性能模型實(shí)時(shí)耦合求解。此外，數(shù)字樣機(jī)還應(yīng)用在汽車車門生產(chǎn)、全斷面大型掘進(jìn)裝備、大型造船虛擬仿真等等諸多方面，在超大型空分裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)、高檔數(shù)控機(jī)床數(shù)字化正向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)等的研發(fā)工作中發(fā)揮了重要的作用。“ 智能制造的含義包括兩方面，其一是智能技術(shù)與制造技術(shù)的融合；其二是用智能技術(shù)解決制造的問題。智能技術(shù)包括交互、感知、學(xué)習(xí)、決策等技術(shù)，制造技術(shù)則包括設(shè)計(jì)、加工、裝配、服務(wù)等技術(shù)。經(jīng)由人工智能技術(shù)和設(shè)計(jì)制造技術(shù)的融合，智能制造得以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化樣機(jī)、機(jī)器人應(yīng)用、精準(zhǔn)化管理等。”