智能制造研究熱點及趨勢分析

趙傳武

摘要：當前世界經濟處于一個歷史大變革時期，人工智能、云計算以及大數據等信息技術的發展，促使城市化建設邁入智能化城市階段，不僅增強了國家的綜合國力與現代化水平，而且為人們帶來了更加舒適的生活。本文首先介紹了智能制造對于當代經濟發展的重要意義，詳細描述了智能制造的特征，分析了在智能制造系統中應用的關鍵技術以及研究現狀。最后，依據智能制造現有的研究成果，針對智能制造的發展趨勢進行了深入的分析，促進產業結構的成功轉型，形成新的產業格局。

關鍵詞：智能制造;經濟發展;研究熱點;趨勢分析

0 ?引言

智能制造裝備是制造行業發展高端裝備的核心，更代表了制造業的前沿水平，相較于數控化裝備，智能制造裝備具有預測、分析、推理、感知、決策等功能。發展智能制造裝備是世界各國提升國家實力的重要體現，它深度融合了工業化與信息化技術，不僅可以高效提升制造行業的技術水平與產品質量，符合高端制造裝備業的發展方向，而且還能促進制造業的轉型升級，有效減少資源和能源的消耗，在保證制造業智能化生產的基礎上，實現綠色化發展。

1 ?智能制造對于當代經濟發展的意義

1.1 理論層面的意義

首先，智能制造可以對制造產業的組織結構進行更好地優化和升級，企業應用智能制造技術會改變企業的組織形態，由傳統的供應鏈或大企業主導型轉化成產業生態主導型。除此之外，隨著產業變革的進一步發展，企業為了更好地取得市場競爭的優勢，會將企業的結構進行扁平化的劃分，從而在產品個性定制化、產業生態以及企業組織結構等方面取得競爭優勢，擴大智能制造企業中相關產業組織的理論空間，優化企業的組織結構;其次，通過智能制造可以將第二產業與第三產業充分結合起來，進而實現制造業的智能化與服務化，為產業機構理論開辟新的理論空間;最后，對于發展中國家而言，在工業生產中應用智能制造技術的水平遠低于發達國家，因此，要實現國家產業的智能化需要充分實施技術創新戰略，找出適合本國的智能制造發展方案，在產業政策理論層面不斷進行突破。

1.2 現實層面的意義

制造業作為國家發展和建設的關鍵性行業，要在國際市場競爭中獲得一席立足之地，就必須抓住技術革新的關鍵，爭取獲得發展的先機，打造具有國際競爭力的制造業。當前世界經濟和產業發展處于一個歷史變革時期，即使部分發達國家在智能制造方面已取得了一些成就，但各國之間的實力懸殊并不大，通過不斷進行技術創新可以成功趕超發達國家，實現智能制造的跨越式發展。因此，準確把握智能制造的技術創新以及合理分析其發展路徑對實現中華民族的偉大復興和國家崛起具有重要的現實意義。

2 ?智能制造技術的相關特征

2.1 數據之間全面互聯

由于智能的主要來源在于數據，因此，只有實現產品整個生產制造流程活動中的各種數據之間的互聯感知，才能打破生產過程中遇到的技術性壁壘，真正實現制造產業的智能化。

2.2 大數據的處理分析

產品在整個制造生命周期中不僅需要數據支持，而且還會在制造的過程中產生大量的數據。為了實現產品的研發創新、后臺運維服務實時動態預測、生產過程不斷優化的目標，就需要運用智能制造技術來進行大數據的處理分析工作，實現數據驅動生產。

2.3 物理信息空間融合

智能制造技術的應用中，需要進行物理信息空間的融合工作，即將生產制造過程中的各項數據同步到信息空間，通過科學分析和仿真制造過程來做出智能的決策，而后再將決策的結果同步到物理空間，從而保證能夠優化控制各項制造流程以及服務，并合理分配資源，確保智能制造系統能夠高效平穩運行。

2.4 進行智能自主決策

智能制造系統由于能夠在運行時充分集成專家知識與實際的制造過程，且具有良好的判斷能力，因此可以根據生產狀況的變化來進行自主決策，實現制造服務與制造生產的智能化。

2.5 實現資源開放共享

傳統的制造方式為集中統一經營，通過智能制造技術可以將社會資源進行開放共享，可以打破企業之間的壁壘，實現分散化經營，能夠充分利用社會上的優質資源進行生產制造，最大程度上滿足顧客的個性化需求。

3 ?智能制造系統中的關鍵技術以及研究現狀

在智能制造系統中充分運用基于物聯網的先進感知技術、賽博物理系統（Cyber-PhysicalSystems，CPS）技術、基于云制造的智能服務技術、基于大數據的智能生產調度與優化技術等4個關鍵技術將制造技術與智能技術進行深度的融合，從而探索出一條具體的智能制造系統實現路徑。

3.1 基于物聯網的先進感知技術

在智能制造技術中，應用物聯網架構上的感知技術可以對產品制造的整個過程中所涉及到的人、物、機器、環境等相關資源和信息進行清晰的感知，從而更好地實現工業制造的智能化。基于物聯網的先進感知技術在應用的過程中主要有數據采集、數據處理與數據通信等3大關鍵問題，再通過傳感器的感知與識別，從而更好地了解產品全生命周期過程中涉及的機器設備、加工對象以及制造狀態等。然而，在運用物聯網的先進感知技術對數據的分析與處理方面，還存在許多問題，包括在數據傳輸過程中通信帶寬、存儲容量以及數據處理的能力等，當前主要的解決方式就是采用數據融合技術。基于物聯網的先進感知技術目前在數據采集、處理分析與即時通信方面取得一定成就的同時也要進一步提高數據采集的準確度、效率以及在數據傳輸和數據通信方面的可靠性，促使感知技術能夠朝著更加智能化的方向發展。

3.2 CPS技術

CPS技術主要是一種基于制造過程數字模型以及物理設備的人機交互式的智能制造技術，具備智能感知、分析、預測、優化等功能，通過運用計算機網絡、云計算和大數據技術，深度融合了產品全生命周期中的物理對象與數據信息，有效提升了制造業生產的信息化與智能化水平。目前國內外對于CPS技術的研究重點主要有網絡技術和安全性技術以及CPS系統建模等領域。關于CPS系統建模，最關鍵的是要真實再現現實系統的運作方式，此外，還需要充分考慮在建模時因大量信息的物理交互而產生的信息流動和能量流動，采取CPS離散建模、混合建模以及連續建模的方法來進行改進。然而，目前關于CPS技術的研究大多數都只是取得了局部性的突破，在具體的科學原理以及生產制造方面還具有很大的不足，還需要進行深入的研究。

3.3 基于大數據的智能生產調度技術

在工業生產制造的過程中運用先進感知技術會產生制造數據，因此必須充分應用大數據的智能生產調度技術來進行相應的數據挖掘處理工作，進一步提升生產效率，加快產品更新換代的速度，盡快適應市場的變化。所謂生產調度主要是指在具體的生產過程中進行資源的合理利用與有效配置，不僅做到盡可能符合工業生產的要求，還可以對工廠車間的加工作業和工序流程進行適當的安排，最終實現產品性能最優化的目標。目前針對工業制造的整個生產流程，主要有基于運籌學的調度、基于仿真的調度、基于人工智能的調度以及啟發式調度的方法。盡管基于大數據的智能生產調度技術具有很多優點，能夠解決一些生產調度的問題，但是到目前為止，并未形成一套完整的生產調度方案。

3.4 基于云制造的智能服務技術

云制造的理念為“制造即服務”，充分融合了互聯網、人工智能以及信息通信等技術優勢，能夠為產品制造的整個生產過程提供高效的組織與管理模式。云制造服務主要有以下幾個特點：①服務范圍覆蓋整個產品的生產周期;②服務質量和水平具有非常高的可靠性和安全性;③服務資源個性化、虛擬化、共享化;④服務流程符合綠色環保低碳的理念。當前針對云制造的智能服務技術研究主要包括智能搜索與匹配、評價以及組合優化這三個方面。然而，由于當前在云制造智能服務技術方面取得的成果還具有一定的局限性，當面臨更復雜的問題時，需要對云制造中的資源組合、優化以及評價方面進行完善，促進智能制造系統的優化與升級。

4 ?智能制造的發展趨勢分析

盡管當前國際上對于智能制造的研究已經非常廣泛，每個國家也制定了相關的戰略方案來推進制造業智能化的轉型，但因為在國際上并沒有統一的技術標準，導致對智能制造技術的研究比較分散，難以將其組合成一系列的研究成果。另外，當前物理信息融合技術還處于初級階段，有許多技術難題還無法攻克，無法實現融合物理世界與信息世界的目標。而當前制造業的現狀是數據充足卻缺乏相應的知識，面臨著如何高效分析產品全制造過程的相關數據并進一步優化決策的重要挑戰，為此，智能制造需要在以下幾個方面進行技術的突破。

4.1 智慧制造

智慧制造旨在通過物聯網、人際網、互聯網等網絡的融合來對現有的制造模式（例如云制造、物聯制造等）的思想與理念進行整合、延伸以及拓展，從而形成一種兼容性較高的制造模式，能夠最大程度上滿足智能制造的發展需求。

4.2 數字孿生

隨著信息化時代的到來，制造業早已擺脫了傳統的物理機械加工制造手段，目前主要是信息世界與物理世界之間的交互更迭，為了能夠加快制造業的資源和服務在信息空間與物理空間的融合，必須充分利用好新一代信息技術，而數字孿生的出現恰好能夠完美地解決這一問題，實現智能制造的目標。數字孿生作為產品制造整個生命周期中連接信息世界與物理世界的重要橋梁，可以為制造業的智能化生產提供新思路和新方法。但是，目前數字孿生的應用還處于初級階段，需要進一步探索該技術的應用。

4.3 生命周期大數據

智能制造產生的數據呈現爆發式的增長，這對制造企業來說，既是機遇亦是挑戰。制造企業從大量的數據當中能夠挖掘出豐富的資料與知識，可以進一步增強企業洞察商機的能力，有助于促進企業的長效發展，提高產品生產的效率和質量。同時，除了關注產品全生命周期的初期制造和服務設計的創新、優化產品中期的運維服務之外，還要重視對產品使用終期的回收決策過程，并且要將產品的整個生命周期階段的數據與涉及到的知識進行整合。

5 ?結語

構建一個完整的智能制造系統需要運用各種先進技術，包括傳感器技術、大數據、物聯網、CPS技術、云制造、生產調度技術等，在產品生產制造的整個過程中通過感知、預測、人機交互等來最終實現制造業的智能化。智能制造充分融合了制造技術與信息技術，集多種先進技術于一身，融多種先進的制造模式理念于一體，不僅促進了傳統制造業的結構化轉型，而且還能夠確保制造業的可持續發展，實現由“制造大國”向“制造強國”的轉變。

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