離散型制造智能工廠發展戰略

盧秉恒，邵新宇，張俊，王磊

（1. 西安交通大學，西安 710054；2. 華中科技大學，武漢 430074）

一、前言

當前，制造業成為全球經濟競爭制高點，世界各國紛紛加快謀劃和布局，積極參與全球產業再分工。中國制造業總體而言大而不強，利潤率不高，面臨著工業發達國家“高端回流”和發展中國家“中低端分流”的雙重擠壓。以新一代人工智能技術（以大數據為驅動，使人工智能具備了學習的能力，具備了生成知識和更好地運用知識的能力）與先進制造業深度融合發展為主要特征的新一代智能制造正在全球范圍內孕育興起，成為新一輪工業革命的核心技術，將給世界產業技術和分工格局的深刻調整帶來革命性影響[1]。抓住智能制造這個核心，推進中國制造業提質增效、由大變強是中國制造業面臨的緊迫問題，也是我國打造經濟發展新動能，促進經濟結構轉型升級的重要戰略考量。

發展智能制造是中國制造業轉型升級的主要路徑。習近平總書記在黨的“十九大”報告中指出：加快建設制造強國，加快發展先進制造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合，在中高端消費、創新引領、綠色低碳、共享經濟、現代供應鏈、人力資本服務等領域培育新增長點、形成新動能。《中國制造2025》明確提出：以新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，實現制造業由大變強的歷史跨越[2]。

新一代智能制造是一個大系統，主要由智能產品、智能生產及智能服務三大功能系統以及工業智聯網和智能制造云兩大支撐系統集合而成[1]。Mittal等人[3]收集和討論了智能制造系統的各種特征和技術。智能生產是新一代智能制造系統的主線。智能工廠是智能生產的主要載體。

智能工廠在工業界和學術界得到了巨大的發展和深入探索[4～9]。智能工廠的基本特征是將柔性自動化技術、物聯網技術、人工智能和大數據技術等全面應用于產品設計、工藝設計、生產制造、工廠運營等各個階段。發展智能工廠有助于滿足客戶的個性化需求、優化生產過程、提升制造智能、促進工廠管理模式的改變。智能工廠根據行業的不同可分為離散型智能工廠和流程型智能工廠，追求的目標都是生產過程的優化，大幅度提升生產系統的性能、功能、質量和效益。全球制造業正在向個性化、服務化、智能化、協同化、生態化和綠色化的方向發展，為實現提振制造業的戰略目標，歐美工業發達國家都在積極發展新一代網絡制造和智能工廠的技術體系，構建創新生態環境，搶占技術升級換代的戰略制高點。

中國是世界制造工廠，擁有全球最大的制造業，對智能工廠需求最強烈。建設智能工廠是形成高度靈活、個性化、智能化的生產模式，推動我國制造業的生產方式從大規模生產向大規模定制轉型、從生產型制造向服務型制造轉型、從要素驅動向創新驅動轉型的關鍵途徑。本文重點研究離散型制造智能工廠發展戰略，有望促進我國在智能工廠方面走到世界的前列，推動中國從制造大國走向制造強國。

二、智能工廠的內涵與基本架構

（一）智能工廠的內涵

智能制造是人工智能技術與制造技術的結合，是面向產品全生命周期，以新一代信息技術為基礎，以制造系統為載體，在其關鍵環節或過程，具有一定自主性的感知、學習、分析、預測、決策、通信與協調控制能力，能動態地適應制造環境的變化，從而實現質量、成本及交貨期等目標優化。

制造系統從微觀到宏觀有不同的層次，如制造裝備、制造單元、生產線、制造車間、制造工廠和制造生態系統等；其構成包括產品、制造資源、各種過程活動以及運行與管理模式。

智能工廠是面向工廠層級的智能制造系統。通過物聯網對工廠內部參與產品制造的設備、材料、環境等全要素的有機互聯與泛在感知，結合大數據、云計算、虛擬制造等數字化和智能化技術，實現對生產過程的深度感知、智慧決策、精準控制等功能，達到對制造過程的高效、高質量管控一體化運營的目的。智能工廠是信息物理深度融合的生產系統，通過信息與物理一體化的設計與實現，制造系統構成可定義、可組合，制造流程可配置、可驗證，在個性化生產任務和場景驅動下，自主重構生產過程，大幅降低生產系統的組織難度，提高制造效率及產品質量。智能工廠作為實現柔性化、自主化、個性化定制生產任務的核心技術，將顯著提升企業制造水平和競爭力。

（二）智能工廠的基本架構

智能工廠的基本架構可通過圖1所示三個維度進行描述。

1. 功能維：產品從虛擬設計到物理實現

（1）智能設計

通過大數據智能分析手段精確獲取產品需求與設計定位，通過智能創成方法進行產品概念設計，通過智能仿真和優化策略實現產品高性能設計，并通過并行協同策略實現設計制造信息的有效反饋。智能設計保證了設計出精良的產品，快速完成產品的開發上市。

（2）智能工藝

包括工廠虛擬仿真與優化、基于規則的工藝創成、工藝仿真分析與優化、基于信息物理系統（CPS）的工藝感知、預測與控制等。智能工藝保證了產品質量一致性，降低了制造成本。

（3）智能生產

針對生產過程，通過智能技術手段，實現生產資源最優化配置、生產任務和物流實時優化調度、生產過程精細化管理和智慧科學管理決策。智能制造保證了設備的優化利用，從而提升了對市場的響應能力，攤薄了在每件產品上的設備折舊。智能生產保證了敏捷生產，做到“just in case”，保證了生產線的充分柔性，使企業能快速響應市場的變化，以在競爭中取勝。

（4）智能物流

通過物聯網技術，實現物料的主動識別和物流全程可視化跟蹤；通過智能倉儲物流設施，實現物料自動配送與配套防錯；通過智能協同優化技術，實現生產物流與計劃的精準同步。另外，工具流等其他輔助流有時比物料流更為復雜，如金屬加工工廠中，一個物料就可能需要上百種刀具。智能物流保證生產制造的“just in time”，從而降低在制品的資金消耗。

圖1 智能工廠的基本架構

2. 范式維：從數字工廠、數字互聯工廠到智能工廠的演變

數字化、網絡化、智能化技術是實現制造業創新發展、轉型升級的三項關鍵技術，對應到制造工廠層面，體現為從數字工廠、數字互聯工廠到智能工廠的演變。數字化是實現自動化制造和互聯，實現智能制造的基礎。網絡化是使原來的數字化孤島連為一體，并提供制造系統在工廠范圍內，乃至全社會范圍內實施智能化和全局優化的支撐環境。智能化則充分利用這一環境，用人工智能取代了人對生產制造的干預，加快了響應速度，提高了準確性和科學性，使制造系統高效、穩定、安全地運行。

（1）數字工廠

數字工廠是工業化與信息化融合的應用體現，它借助于信息化和數字化技術，通過集成、仿真、分析、控制等手段，為制造工廠的生產全過程提供全面管控的整體解決方案，它不限于虛擬工廠，更重要的是實際工廠的集成，如圖2所示，其內涵包括產品工程、工廠設計與優化、車間裝備建設及生產運作控制等。

（2）數字互聯工廠

數字互聯工廠是指將物聯網（IoT）技術全面應用于工廠運作的各個環節，實現工廠內部人、機、料、法、環、測的泛在感知和萬物互聯，互聯的范圍甚至可以延伸到供應鏈和客戶環節。通過工廠互聯化，一方面可以縮短時空距離，為制造過程中“人-人”“人-機”“機-機”之間的信息共享和協同工作奠定基礎，另一方面還可以獲得制造過程更為全面的狀態數據，使得數據驅動的決策支持與優化成為可能。

（3）智能工廠

制造工廠層面的兩化深度融合，是數字工廠、互聯工廠和自動化工廠的延伸和發展，通過將人工智能技術應用于產品設計、工藝、生產等過程，使得制造工廠在其關鍵環節或過程中能夠體現出一定的智能化特征，即自主性的感知、學習、分析、預測、決策、通信與協調控制能力，能動態地適應制造環境的變化，從而實現提質增效、節能降本的目標。

3. 結構維：從智能制造裝備、智能車間到智能工廠的進階

智能可在不同層次上得以體現，可以是單個制造設備層面的智能，生產線的智能，單元等車間層面的智能，也可以是工廠層面的智能。

（1）智能制造裝備

制造裝備作為最小的制造單元，能對自身和制造過程進行自感知，對與裝備、加工狀態、工件材料和環境有關的信息進行自分析，根據產品的設計要求與實時動態信息進行自決策，依據決策指令進行自執行，通過“感知→分析→決策→執行與反饋”大閉環過程，不斷提升性能及其適應能力，實現高效、高品質及安全可靠的加工。

（2）智能車間（生產線）

如圖3所示，車間（生產線）由多臺（條）智能裝備（產線）構成，除了基本的加工/裝配活動外，還涉及計劃調度、物流配送、質量控制、生產跟蹤、設備維護等業務活動。智能生產管控能力體現為通過“優化計劃-智能感知-動態調度-協調控制”閉環流程來提升生產運作適應性，以及對異常變化的快速響應能力。

圖2 數字工廠

圖3 制造車間（生產線）的主要活動

（3）智能工廠

制造工廠除了生產活動外，還包括產品設計與工藝、工廠運營等業務活動，如圖4所示。智能工廠是以打通企業生產經營全部流程為著眼點，實現從產品設計到銷售，從設備控制到企業資源管理所有環節的信息快速交換、傳遞、存儲、處理和無縫智能化集成。

（三）智能工廠的信息系統架構

參照IEC/ISO 62264國際標準，智能工廠的信息系統架構如圖5所示，從下到上依次為制造設施層、信息采集與控制層、制造運營層、工廠運營層、決策分析層。決策分析層依靠互聯網及工業互聯網決策生產模式、制造任務的廠內外分配，制造設施層和信息采集與控制層之間通過工業網絡總線建立連接，其余各層之間則通過局域網連接。

（四）智能工廠的基本特征

智能工廠的特征如圖6所示，可以從三個角度來描述。

從建設目標和愿景角度來看，智能工廠具備五大特征：敏捷、高生產率、高質量產出、可持續、舒適人性化。

從技術角度來看，智能工廠具備五大特征：全面數字化、制造柔性化、工廠互聯化、高度人機協同和過程智能化（實現智能管控）。

從集成角度來看，智能工廠具備三大特征：產品生命周期端到端集成、工廠結構縱向集成和供應鏈橫向集成，這與“工業4.0”的三大集成理念是一致的。

三、智能工廠的重點突破方向和實施途徑方案

（一）重點突破方向與關鍵技術

1. 智能工廠的基礎建設——智能制造裝備與工業大數據技術

圍繞智能工廠的低層——制造裝備的智能化及多源異構數據的獲取與轉換、大數據安全可靠傳遞與高效計算、制造業務驅動的工業大數據分析等關鍵問題，重點開展如下研究：①制造過程的信息采集與制造裝備的智能化；②智能工廠信息物理系統；③制造大數據標準與信息安全；④智能工廠大數據分析應用平臺；⑤制造云數據組織與實時運行。

圖4 制造工廠的一般性業務流程

2. 制造資源建模與優化組織

針對動態多變的市場，需要優化利用社會資源及企業內部資源，需要對制造資源建模。具體包括：①工廠資源建模（開發能力、制造能力、管理）；②制造任務描述建模（質量、成本、交貨期）；③制造資源的柔性設計與動態管理；④基于交貨期、制造資源、資金鏈建模。

3. 智能工廠使能技術

智能工廠的核心軟、硬件是智能制造的重要使能技術，具體包括：①適應個性化需求的設計研發（包括增材制造技術）；②面向任務的物聯網構建；③面向智能工廠應用的虛擬現實/增強現實（VR /AR）系統；④制造裝備智能監測與安全保障技術與系統；⑤制造工程智能控制及軟件，如切削工藝、刀具優化控制；⑥生產線管控系統；⑦效益約束的制造任務智能決策軟件；⑧智能物流技術與裝備。

4. 技術驗證與示范區域規劃

提供示范驗證技術，推動發展與推廣應用，具體包括：①各項使能技術的技術驗證；②新一代人工智能技術（大數據智能、人機混合智能、群體智能、跨媒體智能、自主智能等）在智能工廠中的應用；③培育智能技術服務型產業；④區域示范：選擇以下有代表性的示范區：珠江三角洲、長江三角洲、京津冀魯、大西安（一帶一路及航空航天）地區；⑤領域示范：航空航天、數控機床與基礎制造裝備、電子信息、工程機械、軌道交通、家電等；⑥3D打印生產線示范，3D打印已經呈現其顛覆性，將成為21世紀的重要生產模式。

圖5 制造工廠的信息系統架構

（二）實施途徑方案

結合中國工廠的具體情況和特點，智能工廠需從以下三個方面考慮智能工廠的落地方案，同時應突出發展的階段性及不同階段的具體內容：

圖6 智能工廠的特征

（1）數字化轉型

實現基于產品生命周期管理端到端集成的產品全生命周期數字化，并拓展工業數據感知獲取、初步數據挖掘和數據可視化；

（2）網絡化升級

實現以工業互聯網和工業大數據驅動的工廠規劃、管理、運營、執行等的縱向集成，并以智能裝備打下智能工廠的基礎；

（3）智能化提升

以構建和應用產品、制造裝備、工藝過程、供應鏈（物流過程）等不同方面、不同層級的數字孿生為基礎，建立網絡信息物理生產系統（CPPS），并應用新一代人工智能，實現工廠間的橫向集成。

（4）智能化改造

面對已經形成并有效運行的龐大數量的制造企業采用傳感技術、大數據技術、智能軟件技術進行改造（制造裝備與生產線），使大部分企業實現智能化轉型，以較小投資獲得巨大效益。

四、發展智能工廠的政策建議

建議政府部門積極支持和引導智能制造產業發展和智能工廠示范；在示范基礎上，大規模推行制造裝備的智能化改造工程及企業的智能化改造工程，支持形成具有區域優勢的智能制造生態鏈。

鼓勵企業根據自己的實際情況，針對性地建設智能工廠，既要彌補“工業2.0”和“工業3.0”所缺失的內容，又要關注和布局“工業4.0”中智能制造的前沿技術，做到二者的有機銜接，可以在智能制造功能維、結構維與范式維的不同水平上發展，構建技術競爭優勢和提升企業經濟效益是硬道理。

建立和落實協同創新機制。在科技計劃協同方面，國家科技計劃應以標準、基礎研究為先，重視產業化共性技術，以創新思想、發明專利為評審依據；在產學研協同方面，企業應成為投資研發、應用成果、集成創新的主體；在金融與科技、產業協同方面，應改善制造業的資金環境；在人才協同方面，應建立科學的學科評估標準，引導創新與工程能力培養。

在智能工廠發展中，突出核心技術、關鍵裝備、工業軟件的“中國制造”，警惕和防止未來中國智能制造成為發達國家高端裝備、工業軟件的傾銷地，出現高端裝備和核心技術“空心化”問題及“中國制造”為他人操控。