工業設計對新一代智能制造技術的影響

衛彥博 馬彧 張寧

關鍵詞：工業設計;新一代;智能制造技術;影響

當今世界正經歷著前所未有的變化，特別是新一代信息技術與制造技術的不斷深入融合，深刻改變了全球制造業的發展格局。智能制造已成為新一代機械制造及其自動化的標志，是未來制造業持續發展和進步的關鍵因素，其作為“中國制造2025”國家戰略規劃的重要組成部分，對我國經濟轉型升級和國家競爭力整體提升具有重要意義[1]。從長遠來看，制造業創新研發的重點應該向新一代信息技術靠攏，尤其是大數據、超級計算、AI、AR、物聯網、工業機器人等數字化智能技術，這將為進一步升級轉型提供重要的技術支撐。而工業設計是生產鏈的最前端，對增加產品附加值、樹立自主品牌形象、提升制造業競爭力等方面的意義不容小覷。本文將以智能制造目前的發展現狀及需求為切入點，結合工業設計對新一代智能制造技術的影響因素，闡述如何實現工業設計和新一代智能制造的支撐轉化和協調發展。

1 新一代智能制造技術的概述

制造業是一個國家的命脈，是比拼創新能力的重要標桿，也是決定經濟發展和社會進步的基礎產業。現今的世界是知識經濟時代，為了控制人力支出的成本，越來越多的高科技信息技術進入傳統行業，尤其是制造業中，在這種趨勢下，智能制造應運而生且逐步走向成熟，其在經濟發展中的地位也不斷攀升。智能制造技術簡單來說就是集知識系統、制造軟件、機器人控制系統于一體而形成的自學習功能來收集理解環境和自身信息，通過專家和工人的技能來分析和規劃自身行為，在實踐中不斷豐富知識庫，從而使智能機器在無人干預的狀態下完成一定規模的批量生產。新一代智能制造技術主要分為智能感知、分析決策、學習積累、預測診斷和優化五個關鍵環節，如圖1。

2 新一代智能制造技術的發展現狀

金融危機以來，世界各國尤其是發達國家面臨著制造業實力下滑的問題，發達國家充分認識到實體經濟的重要性，將智能制造寫入戰略計劃，以期通過信息技術在制造業中的廣泛深入來重振制造業。各國都想占據科技制高點，在國際競爭中占據主動，其中智能制造已成為國家創新戰略的重要組成部分。經過數十年發展，我國制造業的整體規模和技術水平有了質的轉變，綜合實力不斷增強。在技術方面，我國制造業經歷了從模仿、集成改造到引進升華、吸收再創新的發展過程，由跟隨式向引領式不斷轉型。如今，我國既是世界領先的制造基地，也是全球制造供應鏈的關鍵環節。雖然我國智能制造業已經形成了一批具有國際競爭力的龍頭企業，但就工業化的質量和水平而言，我國智能制造還處于初級發展階段。相比在20 世紀70 年代制造技術已經成熟的發達國家，我國在智能制造的關鍵技術和基礎工藝方面還有待提升，智能制造裝備產業能力、應用范圍、服務質量等與發達國家相比，仍存在較大差距。雖然我國已經開始倡導制造業轉型升級，并制定了“中國制造2025”計劃，但是我國制造業的轉型升級遠沒有達到智能制造、無人化生產，缺少工人的工廠將無法達到正常的生產模式[2]。大多數制造企業已經意識到，如果想要適應不確定的未來，他們需要放棄傳統的粗放型發展思維，擺脫傳統生產力的束縛，用新的生產要素保障運營和預測風險[3]。

3 工業設計對新一代智能制造技術的影響分析

工業設計賦予產品材質、結構、構造、造型、色彩、表面處理、裝飾等方面新的規格和價值[4]，是技術革新的關鍵所在。與此同時還要對生產者進行分析、整合、包裝、管理和服務，貫穿前期的策劃及創意、中期的研發與生產到后期的管理和完善乃至展覽與競賽，覆蓋了從研發到推廣的每個階段。它兼顧了管理者、制造者、使用者和全社會的利益，已成為企業塑造形象、增強自身競爭力、提升產品附加值的重要手段。而智能制造技術是新時代的一項新技術，使制造業提高了效率、制造水平和經濟效益。兩者的結合不僅是工業界和設計界面對今后發展環境審時度勢的認識精華，更是時代發展對此事業的迫切要求。工業設計對智能制造的具體支撐表現為規劃與設計、研發與量產、管理與服務三個方面[5]。

3.1 工業設計對智能規劃及設計的影響分析

工業設計是一門涉及多個領域的復雜學科，具有很高的商業價值。在商品經濟高速發展的今天，消費層級的不同、消費應用目標的不同、消費區域的不同對產品設計的多樣化提高了要求。智能制造需要在研發的早期階段即考慮個性化定制研發，增加定制服務支持的比例，并減輕多樣化的要求對實際生產帶來的成本壓力。第一步是虛擬化。利用數字技術創造的數字圖像，能夠對生產現場進行模擬，實時展現現場生產制造的實際狀況，部分操作及管理人員無需到現場就可以了解及操作現場生產設備，從而實現虛擬和現實的一致。第二步是虛擬制造及調試環節。將制造過程中的產品研發、制造和運營轉化為相對低成本的數字信息，用于虛擬世界中的協作和模型優化，提高研發制造效率。數據的連續迭代和模型的連續優化，得到最優解。接著可以在產品生產之前進行虛擬調試。調試完成后，認為整個生產線和整個系統符合標準規范，即可進行制造。第三步是樣品生產環節。傳統的制造模式要求工程師在設計完成后進行樣品制作。樣品會有很多缺陷，所以可以根據缺陷進行設計更改，需要改進后才能進行量產，而這個過程費時又費力。有了工業設計編程虛擬仿真系統，根據樣品缺陷而整改的傳統制造模式可以在軟件的基礎上完成。系統通過每一個細節認證和測試后，將一次性投入生產，縮短新產品的開發和測試周期。

3.2 工業設計對智能研發與量產的影響分析

研發和生產是智能制造提高資源綜合利用率、降低成本消耗的關鍵。一是信息化的直接作用。隨著制造企業產業結構調整優化，不斷引入人工智能、大數據等新興技術，與其緊密連接的供應鏈體系也將隨之變化。同時，制造產業鏈的無縫集成需要工業設計的軟件支撐，像如何搭建設計模型并將其應用到制造過程中。二是模塊化生產。將模塊化生產直接對接設計環節尤為關鍵，將規劃、設計、流程和資源的綜合管理引入規范化的知識庫將大大提高生產效能和速率。三是智慧型工廠的搭建。從長遠來看，制造業領導者將不可避免地更加重視無人操作的生產線，引入更多的智能生產設備，雇傭更智能的終端操作員和高技能工人，以更好地應對勞動力波動的影響。同時利用相應的管理系統來監控運行和使用數據，優化完善運行模式發揮最大效率，維護系統來預測和修復故障。工業設計在幫助制造企業研發生產環節中克服重點障礙與提高效能方面表現優異。

3.3 工業設計對智能管理與服務的影響分析

在智能制造的背景下，研發、制造、管理、服務等環節將緊密結合，體現出智能化的特點。大多制造企業的重心從“研發”“生產”向“服務”“管理”靠攏。這個改變的過程并不只是考慮設計本身，在設計中的協作管理方式也十分重要，需要建立云平臺集百家之所長，基于云協同的環境高效運行。工業設計與服務設計的融合也是大勢所趨，通過服務轉換和系統管理，以滿足用戶的實際需求和創造新的云協作管理模式而為企業創造利潤和附加值。通過云計算，大數據分析和其他技術，建立起針對目標用戶而設定的整體服務設計應用程序框架。共享物流概念、無人機快遞、無接觸快遞柜、快遞機器人等新技術是工業設計對智能管理與服務影響的代表，無人物流生產線指的是貨物從入庫、上架、揀選、補貨，到包裝、檢驗、出庫等物流作業流程全部實現無人化操作，是高度自動化、智能化的生產模式[6]，這大大提升了效率并減少了人與人之間的接觸，也被稱為“無接觸傳遞”服務。

4 結語

智能制造系統規模龐大而復雜，發展仍處于探索階段，其對于中國大多數企業來說是一個新的挑戰。人、機器和信息如何實現較好地融合是當今制造業謀求發展的主要問題。“少人化、無人化、智能化”在高速發展的今天中呈現了優勢，由此許多企業會采用智能化、數字化、自動化等管理模式[7]。應該大力推廣制造業和數字智能化的有效融合，面對突如其來的風險，有足夠的能力去抵抗。要讓我國的制造業在國際上保持競爭力，需要工業設計源源不斷為其注入活力，需要給予工業設計足夠的重視，只有這樣才能提高制造業的生產水平，生產出具有國際競爭力的產品。因此，作為制造業的高端人才的工業設計學生應該提高對自身的要求，制定科學的學習目標，探索培養創新能力的有效途徑，重視實踐環節并總結經驗，為我國工業經濟增長的道路推波助瀾。