智能制造：開啟新時代的金鑰匙

劉亞男

提到智能制造，一些人腦海中首先浮現的大概是星球大戰、終結者、人機大戰等炫酷科幻，抑或是無人駕駛、VR等時尚浪潮。尤其是近兩年，AlphaGo擊敗圍棋世界冠軍，更是人工智能與人類智力巔峰對決的里程碑事件。從最初手工制造單靠心靈手巧的兢兢業業，到機械制造假借器具的巧奪天工，再到最近數字制造逐漸演進的自動化、智能化，似乎人工智能已經讓我們生長出開啟新智能時代的“金手指”。

那么，到底什么是智能制造，航空制造轉向“智造”有什么特征，又有什么局限？智能制造時代，人類能否如愿“袖手旁觀”便可“坐享其成”？

智能制造的前世今生

“智能制造”一詞最早出現在1988年美國作家P.K.Wright和D.A.Bourne的《Manufacturing Intelligence》一書中。該書指出，智能制造是利用集成知識工程、制造軟件系統及機器人視覺等技術，在沒有人工干預的條件下，智能機器人獨自完成小批量生產的過程。自這一概念提出后，很多國家開始關注和重視對智能制造的研究。

我國對智能制造的研究始于20世紀90年代。2011年，中國機械工程學會出版的《中國機械工程技術路線圖》一書中提出，智能制造是研究制造活動中的信息感知與分析、知識表達與學習、智能決策與執行的一門綜合交叉技術，是實現知識屬性和功能的必然手段。

后來，不同的學者對智能制造的含義又有不同的理解和修正?？傮w而言，大家公認，智能制造是新一代信息技術與制造技術的深度融合，是用智能技術解決制造的問題，是指對產品全生命周期中設計、加工、裝配等環節的活動進行知識表達與學習、信息感知與分析、智能決策與執行，實現制造過程、制造系統與制造裝備的知識推理、動態傳感與自主決策。

與傳統制造相比，智能制造有其特有的內涵。智能制造的本質是虛擬網絡和實體生產的相互滲透。一方面，智能制造通過信息化、網絡化改變制造業的生產組織方式；另一方面，智能制造作為互聯網的延伸和重要結點，擴大了網絡經濟的范圍和效應。從軟件和硬件結合的角度看，智能制造是一個“虛擬網絡+實體物理”的制造系統。美國的“工業互聯網”、德國的“工業4.0”以及我國的“互聯網+”戰略，都體現出虛擬網絡與實體物理的深度融合。

智能制造的實施涉及四個層面的智能化：首先是產品的智能化。智能制造的產品都趨于變成智能終端，可通過物聯網相互連接。其次是裝備的智能化。從智能制造的單元，如某臺機床、某個機器人，向智能生產線、智能車間、智能生產系統演變。再次是流程的智能化。企業的組織架構、企業和企業之間的交互都需要重新構建。最后是服務的智能化。制造業服務化就是制造企業為了獲取競爭優勢，將價值鏈由以制造為中心向以服務為中心轉變。因此，如何將數字技術、智能技術、泛在網絡技術等集成應用到服務中也需要企業重新思考和規劃。

智能制造的主要特征包括信息感知、優化決策、執行控制。智能工廠是智能制造的重要表現，與傳統的數字化工廠、自動化工廠相比，智能工廠具備以下幾個突出特征：

一是制造系統的集成化。智能工廠是一個系統工程，每個單元按照功能需求組成不同規模、不同層級的系統，系統內的所有元素都是相互關聯的。在智能工廠中，制造系統的集成主要體現在企業數字化平臺的集成以及虛擬工廠與真實制造現場的集成。

二是決策過程的智能化。在傳統的人機交互中，主要是人支配“機器”。而智能制造中的“機器”，因擁有部分人類智能，可與人共同組成決策主體，在同一信息物理系統中實施交互，信息量、信息種類以及交流方法更加豐富，從而使人機交互與融合達到前所未有的深度。

三是加工過程的自動化。為了能夠準確、高效地執行制造指令，數字化、自動化、柔性化是智能制造單元的必備條件。智能加工單元中的加工設備、檢驗設備、裝夾設備、儲運設備等均是基于單一數字化模型驅動的。智能制造車間中的各種設備、物料等，大量采用數字識別技術，任何實體均具有唯一的身份標識。在加工過程中，通過使用智能傳感技術，可以實時采集相關數據，實時控制設備，使之處于最優的效能狀態，從而實現設備的自適應加工。

四是服務過程的主動化。通過信息技術，制造企業可以根據用戶的地理位置、產品運行狀態等信息，為用戶提供在線服務。此外，企業還可以通過對用戶特征的分析，辨識用戶的顯性及隱性需求，主動為用戶推送高價值的資訊與服務。

航空制造的智能化發展

由于對安全性極高的要求，航空工業一直處于制造業的尖端，代表著一個國家制造業的最高水平。隨著物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與制造業的逐步融合，智能制造已成為未來制造業的發展趨勢。在此形勢下，航空制造企業傳統的組織模式與制造方法已難以滿足未來的需求，發展智能制造技術勢在必行。

航空智能制造包括網絡化、數字化、智能化三個核心要素。其中，網絡化是基礎，數字化是手段，智能化是目的。智能制造是在數字制造的基礎上發展而來的，其實現離不開數字制造的基礎。通過將智能制造技術應用于各個制造子系統，實現制造過程的智能感知、智能推理、智能決策和智能控制，可顯著提高整個制造系統的自動化和柔性化程度。航空智能制造以智能加工與裝配為核心，同時覆蓋設計、服務及管理等多個環節。

波音、洛克希德·馬丁等世界先進航空制造企業在實施新的戰略規劃時，高度重視智能工廠的建設。波音公司自20世紀90年代以來，先后在波音777和787項目中推廣MBD技術（基于模型的產品定義）體系。這一過程是逐步發展的。首先，波音公司為MBD技術的應用選用了新的設計系統，將產品的定義和管理納入到同一個系統中。

其次，波音公司借助737-X項目所取得的成功經驗，將其新技術應用在數據發放管理、數字化設備應用與先進質量系統中。MBD技術體系在各個供應商的應用和部署也逐步展開，如英國Messier-Dowty公司在787主起落架研制中，將基于模型的定義技術貫穿到整個設計、工藝工程、生產制造和檢驗的全過程。

在虛擬裝配方面，美國華盛頓州立大學與美國國家標準技術研究所合作開發的虛擬裝配設計環境（VADE）是一個很有代表性的虛擬裝配系統，其目標是通過生成一個用于裝配規劃和評價的虛擬環境，來探索產品裝配過程中應用虛擬現實技術的可能性。利用這個系統，設計人員在產品設計初期便可并行考慮產品拆裝等相關環節，避免設計缺陷。

洛克希德·馬丁公司在JSF項目中以產品全生命周期管理（PLM）軟件為集成平臺，以數字化設計制造管理方式，改組公司流程，使JSF飛機的設計時間減少50%、制造時間減少66%，總裝工裝減少90%。

與歐美企業相比，中國航空制造企業在智能制造技術研究方面起步較晚。近年來，相關企業雖然在數字化、信息化等方面取得了長足進步，但仍存在大量的問題亟待解決。

首先，企業的數字化、自動化水平仍然較低。這是導致產品質量不穩定、生產效率難以提升的重要原因。

其次，一些企業缺乏高效的生產流程管理手段。飛機產品的制造流程非常復雜，一些航空制造企業對制造流程的管控仍然主要依賴經驗豐富的工人。這種方式難以綜合考慮制造過程中的各種因素，難以保證生產線的流暢運轉，容易導致產能失衡等問題。

第三，對制造過程無法形成閉環管控。目前，一些航空制造企業對加工過程中的具體數據并不能充分利用，從車間、生產線采集的數據，大多僅用于顯示與統計，而對于加工設備的實時數據則尚未做到實時采集，更未能實現基于這些數據的過程分析與優化。

此外，中國的航空制造企業在先進復合材料制造方面的自動化或智能化程度不足，導致產品質量不穩定，不合格率高，返工率高，使復合材料的制造成本居高不下，嚴重制約了復合材料在國民經濟中的應用，尤其是限制了高端制造業的發展。

智能制造的挑戰和未來

作為一種可持續發展的制造模式，智能制造可以減少制造過程中對資源與能源的消耗，減少廢棄物的產生與排放，提高效率與質量，改善用戶體驗，已經成為現代制造業的發展方向。隨著數字化制造技術的迅猛發展，以產品設計、制造、服務智能化為特點，融合傳感技術、自動化技術、信息網絡技術、人工智能的智能制造技術也有了長足發展。但是，我們應該看到，智能化在帶來重大機遇的同時，也提出新的挑戰。

首先，智能制造會引發就業替代效應及勞動力轉移效應。這一轉變產生的短期效應無疑將產生機器替代人的結果，導致部分工作崗位流失。而從長期來看，智能制造將會創造一系列新的就業機會。

其次，智能制造基于數字化與網絡化，必將引發新的信息安全的挑戰。在傳統的工業控制網絡中，企業信息網絡與內部的生產控制網絡組成一個較封閉的環境，需要通過介質的擺渡攻擊或者惡意郵件、買通內部員工等手段才能入侵這樣的系統。而智能制造融合云計算技術、大數據技術、物聯網技術，將生產制造環節與互聯網信息系統連接起來，不僅要求企業信息網絡連入互聯網，而且要求將原來較為獨立的生產制造環節與公司的業務信息系統（如倉儲系統、采購系統等） 連接起來。工業大數據在幫助設計、生產變得更加智能化的同時，也要求原本封閉的工控網絡與外部建立連接。因此，黑客可以直接通過互聯網攻擊工控網絡，智能制造環境下的工控系統必將面臨新的安全挑戰。

從《星球大戰》、《終結者》等科幻電影，到無人駕駛、智能物流等工業現實，關于智能制造時代人類與機器如何相處的討論從未間斷。一方面是智能制造時代，人工智能將最終完全取代人類的倫理擔憂，另一方面是人工智能完全為人服務、人類袖手旁觀便可坐享其成的美好預期。

智能制造是先進制造技術與信息技術的深度融合，起步于工業智能，逐漸融入人工智能，所有的爭議和期待都將隨著信息技術、網絡技術的發展而變化。智能制造時代的人類如何把握主動權，確保人工智能服務于人，而非人類被反控制，將是對我們的不變拷問。雖然不能準確預期，但筆者認為，無論制造如何智能化，真正有意義的變革都需“以人為本”。

首先，在智能制造的設計與實施中，人類的勞動模式將發生根本性的變革。勞動者借助自動化、智能化系統，可以從原來實施者的身份中脫離，只需對智能制造系統“袖手旁觀”。但是，無論如何智能化，人類都是整個系統的設計者，絕不是坐享其成，也不可能被完全取代。同時，我們也必須清醒地認識到，智能制造生產模式的改變也對勞動者提出了新的要求，勞動者必須具備更強的專業性、能動性和靈活性，才能把握智能時代人的主導地位。

其次，智能制造達到一定程度后，企業服務也更需以人為本。伴隨智能化而來的消費結構和管理結構的全面變革，將形成以服務為主導的智能制造系統，企業將不得不充分考慮和尊重消費者的多元化個性需要，并由此產生“大規模個性化定制”、“個性化規模定制”等新型制造模式。此外，智能制造時代的工作人員將在廣義上互聯協同，不同職位、不同場所的工作人員都將實時廣泛互聯，使用即時通訊來協助更加智能的產品設計、生產與后期維護。

智能制造是科技發展的必然趨勢，盡管目前世界各國對智能制造的認識有所不同，發展水平也參差不齊，許多構思與設想還只是停留在規劃階段，但各國政府和先進制造企業對智能制造的重視和投入卻有目共睹，國家層面的戰略政策也層出不窮。當然，要真正實現智能制造，我們還需要解決一系列問題。未來究竟會怎樣，歷史終將給出最后的答案。