智能制造技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展與研究

汪洋 朱小萍

摘 要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟全球化進程，國際制造行業(yè)取得了一定的進步與發(fā)展，但仍存在重復(fù)投資、技術(shù)轉(zhuǎn)移、人員因素等多種挑戰(zhàn)與危機，有必要引入智能制造技術(shù)與系統(tǒng)來解決相關(guān)問題。本文主要針對智能制造技術(shù)及系統(tǒng)，從發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，根據(jù)存在的主要問題，對智能制造技術(shù)與系統(tǒng)進行分析與探究，希望為相關(guān)人員更好地認識智能制造技術(shù)及系統(tǒng)提供一些幫助和建議，以此推動制造業(yè)的進一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能制造;系統(tǒng)設(shè)計;工業(yè)制造

中圖分類號：TP29? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-2596（2020）08-0053-05

智能制造指的是面向整個產(chǎn)品的生命周期，以信息化方式進行制造的行為。智能制造技術(shù)以擬人化技術(shù)、自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過執(zhí)行技術(shù)、決策技術(shù)、人機交互、智能感知實現(xiàn)智能化的制造裝備、制造過程與制造設(shè)計，充分集成并融合了裝備制造技術(shù)、智能技術(shù)與信息技術(shù)，可以說智能制造是未來工業(yè)化、信息化融合的必然趨勢。

所謂制造業(yè)是指機械工業(yè)時代企業(yè)根據(jù)市場需要，經(jīng)過一系列的制造過程，將人力、信息、技術(shù)、資金、工具、設(shè)備、能源、物料等制造資源變成人們能夠利用、使用的生活用品、工業(yè)品、大型工具等物品的一個行業(yè)。制造業(yè)能夠?qū)耶斍吧a(chǎn)力實際水平充分反映出來，是分辨發(fā)達國家、發(fā)展中國家的因素之一，對于發(fā)達國家來講，制造業(yè)占據(jù)很大的國民經(jīng)濟份額。按照生產(chǎn)過程中物質(zhì)形態(tài)，可以把制造業(yè)分成流程制造業(yè)與離散制造業(yè)，涵蓋零售、經(jīng)營批發(fā)、處理訂單、運輸倉儲、組裝設(shè)備、采購原料、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造等多個方面。

經(jīng)過短短一百年的時間，制造行業(yè)的效率幾乎提升了二十倍，但管理與生產(chǎn)的效率卻只提升兩倍左右，設(shè)計效率僅提升了一倍。從這里我們不難發(fā)現(xiàn)，借助自動化技術(shù)，人們的體力勞動得以充分解放，不過腦力勞動卻在自動化方面發(fā)展緩慢，制造業(yè)中人員因素尚且沒有被人們高度重視，人也沒有在真正意義上擺脫生產(chǎn)的煩瑣過程，很多問題要想得到最終解決依然需要借助人們的智力，這使得制造業(yè)的自動化仍然存在各種難題和阻礙。

一、制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀機械制造行業(yè)整個發(fā)展歷程，主要有人工、泰勒化生產(chǎn)、高自動化制造、柔性制造、集成制造、并行設(shè)計制造等多個時期。從自動化制造角度來說，平均十年左右會出現(xiàn)一次重大突破。在20世紀五六十年代為單機數(shù)控，到了七十年代之后為cnc機床與自動化島，而八十年代掀起了全球范圍內(nèi)的自動化柔性制造潮流，并且提出了集成制造的概念，但是卻難以投入到實際生產(chǎn)中。伴隨計算機的產(chǎn)生和發(fā)展，制造行業(yè)大致表現(xiàn)出兩個發(fā)展路線，一個是傳統(tǒng)的制造技術(shù)，另一個是以自動化科學(xué)和計算機技術(shù)為依托的制造系統(tǒng)、制造技術(shù)。

從20世紀八十年代至今，傳統(tǒng)的制造技術(shù)雖然取得較大進展，但是依然有多種類型的問題存在，各種先進制造技術(shù)、計算機技術(shù)對制造系統(tǒng)、制造工藝的管理者、設(shè)計者提出更高的要求，制造業(yè)原有的管理方式和設(shè)計方式已經(jīng)無法全面處理制造系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)的問題，急需尋找和使用先進制造方式和制造工具，吸收和借鑒不同領(lǐng)域的最新研究內(nèi)容，對人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)、原有制造技術(shù)進行集成，研究出全新的制造系統(tǒng)和制造技術(shù)。因此，智能制造系統(tǒng)、智能制造技術(shù)應(yīng)運而生。

目前，智能服務(wù)、智能管理、智能生產(chǎn)、智能設(shè)計是國際上人們重點關(guān)注的內(nèi)容。依照目前全球智能制造的發(fā)展趨勢，預(yù)計未來幾年內(nèi)全球智能制造行業(yè)將保持10%左右的年均復(fù)合增速。比起西方先進的發(fā)達國家，國內(nèi)智能制造方面的技術(shù)依然有所欠缺，大部分都是借鑒、參考、應(yīng)用國外的制造經(jīng)驗、研究成果，沒有較高的創(chuàng)新性，并且智能制造技術(shù)的理論性太強，未能有效應(yīng)用于具體生產(chǎn)之中。

二、存在的主要問題

當前人們研究的智能制造系統(tǒng)依然維持在制造行業(yè)運用人工智能這一時期，并且主要課題包括維護設(shè)備、管理信息、處理材料、控制過程、設(shè)計產(chǎn)品、分析市場等，獲得了非常不錯的效果，對多個行業(yè)和領(lǐng)域的輔助系統(tǒng)、知識系統(tǒng)、專家系統(tǒng)進行了開發(fā)，有些地方甚至建立了智能制造工作站，并涌現(xiàn)大批智能孤島。伴隨該系統(tǒng)應(yīng)用及研究的持續(xù)開展，人們開始意識到自組織能力在提升自動化程度中的重要作用，智能制造方面的研究依然有許多社會、技術(shù)與理論難題，且智能化是難題的核心。通常來講，當代的各種工業(yè)生產(chǎn)都會在不同程度上受到經(jīng)濟、人員、技術(shù)等因素的影響。

（一）經(jīng)濟問題

在經(jīng)濟層面，首先，智能制造系統(tǒng)是為了增加制造的經(jīng)濟效益、生產(chǎn)效益，使制造自動化延伸至智能化、集成化程度，使得市場競爭力進一步提高，不過智能制造系統(tǒng)中不同經(jīng)濟性能、經(jīng)濟指標的評價與設(shè)定等問題依然需要探討。其次，當前很多發(fā)達國家勞動力價格十分高昂，而且勞動力成本在總成本中的占比不斷增加，為了經(jīng)濟利益，很多制造企業(yè)從本國向發(fā)展中國家進行轉(zhuǎn)移，從而被勞動者因素、生產(chǎn)技術(shù)等不同方面牽制，其制造出的產(chǎn)品在市場中核心競爭力容易喪失[1]。由于智能制造系統(tǒng)是一種全新制造技術(shù)，能夠在很大程度上解決制造中勞動力的問題，因此對于發(fā)展中國家價格低廉的勞動力依賴性就會大大減少。再次，發(fā)達國家制造人員的專業(yè)素質(zhì)、知識水平在提升之后，會選擇脫離工廠并尋求適合自己的工作，導(dǎo)致發(fā)達國家制造方面的技術(shù)人員、專業(yè)人員出現(xiàn)一定的斷檔[2]。目前，我國因經(jīng)濟效益問題而進行技術(shù)轉(zhuǎn)移、企業(yè)轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象還不是十分明顯，但是存在一個現(xiàn)實問題，如果發(fā)達國家掌握智能制造系統(tǒng)，但國內(nèi)的系統(tǒng)和它們存在較大差距，則我國和發(fā)達國家的工業(yè)競爭機會就會減少。這就使得我國需要開發(fā)出符合本國國情和工業(yè)企業(yè)發(fā)展的智能制造系統(tǒng)，不斷增加經(jīng)濟利益，從而得到更多市場競爭機遇。最后，現(xiàn)代化企業(yè)在生產(chǎn)之時，不同的制造產(chǎn)品環(huán)節(jié)和銷售產(chǎn)品部門兩者處于脫節(jié)狀態(tài)，但經(jīng)濟利益又受銷售部門業(yè)績所影響，從這個角度來講，需要增強銷售部門整體的智能化水平，進行銷售智能的研究、開發(fā)與應(yīng)用，使其能夠服務(wù)于智能制造。

（二）人員問題

在人員層面，首先，一個企業(yè)中不同環(huán)節(jié)都有技術(shù)人員、技術(shù)專家，他們的問題解決方法與知識背景各不相同，為了更好地進行制造，這些人需要溝通、交流、理解、協(xié)商從而展開合作，而且要并行完成不同環(huán)節(jié)的制造工作，將未來有可能出現(xiàn)的重復(fù)、隱患等問題降至最低。其次，在制造的這個過程中，人們關(guān)于智能的知識和行為存在不同類型、水平與層次，需要使用不同表示方法。再次，進行制造的這些人都是社會的一部分，會受到社會的各方面影響，從而給制造帶來消極影響與積極影響[3]。最后，不同的人有背景、語言、生活等差異。總體來看，當代生產(chǎn)智能化在很大程度上受人為因素所影響，早在上個世紀末，人們就逐漸發(fā)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)之中人員發(fā)揮的重要作用，英國還發(fā)起過制造研討會，主要討論人在制造中的作用，而大量事實也表明智能制造系統(tǒng)中人是主要的智能來源[4]。

（三）技術(shù)問題

在技術(shù)層面，企業(yè)活動中的發(fā)展研究、銷售產(chǎn)品、儲運原料、管理生產(chǎn)、加工制造、處理訂購、設(shè)計產(chǎn)品、市場決策、市場預(yù)測等環(huán)節(jié)互相影響，一起組成了整個生產(chǎn)產(chǎn)品的過程，不同環(huán)節(jié)集成自動化的能力決定了這個過程整體自動化的水平，并且不同環(huán)節(jié)集成智能的能力決定了生產(chǎn)系統(tǒng)自組織的水平。當前這樣的智能制造集成技術(shù)仍舊很少，使其成為現(xiàn)階段重點的一項并行工程研究。日本曾在國際范圍內(nèi)制定了一個研究合作計劃，在這個計劃中對智能制造系統(tǒng)進行了分析，指出研究智能制造系統(tǒng)主要包括三點，分別是智能機器、智能活動、機器和活動的結(jié)合，問題主要核心為智能活動。與此同時，在研究智能制造技術(shù)的多種不同技術(shù)之中，智能制造的處理技術(shù)是研究的一個關(guān)鍵問題，該技術(shù)對智能制造不同環(huán)節(jié)的智能活動和集成負責。客觀來說，工業(yè)行業(yè)在全球范圍內(nèi)都存在緊密的聯(lián)系，比如很多工業(yè)使用的生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備相同，很多工業(yè)的生產(chǎn)管理與生產(chǎn)控制方法相近，一些工業(yè)會有產(chǎn)品的業(yè)務(wù)往來。其中最為尖銳的問題便是技術(shù)與產(chǎn)品的通用性、標準性與規(guī)范性，另外還包括智能共享信息結(jié)構(gòu)、交換形式等。

三、智能制造技術(shù)與系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

智能制造技術(shù)本質(zhì)上就是傳統(tǒng)制造技術(shù)與系統(tǒng)工程技術(shù)和現(xiàn)代人工智能與自動化技術(shù)等的相互融合的一門綜合性的技術(shù)，而智能制造系統(tǒng)是建立在智能制造技術(shù)基礎(chǔ)上的。故而應(yīng)首先從技術(shù)層面上進行相關(guān)的研究。

（一）設(shè)計技術(shù)

智能制造系統(tǒng)基本概念是近年來提出的，對于制造工程來講依然是比較新的概念，且理論體系和理論基礎(chǔ)沒有完全成熟，其設(shè)計技術(shù)、精神內(nèi)涵等也要深入地進行研究[5]。第一，應(yīng)研究評價技術(shù)，包括制造中的功能評價、報價評價、經(jīng)濟評價、市場評價、管理評價、材料評價、生產(chǎn)評價、設(shè)計評價等。第二，應(yīng)研究設(shè)計方法、開發(fā)環(huán)境。智能制造系統(tǒng)主要的設(shè)計方法、開發(fā)方法和其他類型系統(tǒng)設(shè)計方式存在一定差異，智能制造系統(tǒng)需要實現(xiàn)制造過程整體系統(tǒng)與每一環(huán)節(jié)的智能化，從這里我們不難發(fā)現(xiàn)，對智能制造系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、設(shè)計策略進行研究具有必要性，既要研究開發(fā)工具、操作系統(tǒng)、開發(fā)語言，又要加強設(shè)計的通用化、模塊化、標準化程度[6]。第三，應(yīng)研究發(fā)展方略、結(jié)構(gòu)體系。應(yīng)積極構(gòu)建統(tǒng)一的智能制造系統(tǒng)體系，全面開展其發(fā)展方向、系統(tǒng)組成、國際動態(tài)等方面的研究。

（二）處理技術(shù)

人們習(xí)慣性地將工業(yè)生產(chǎn)當成有機的一個整體，這是因為制造的不同環(huán)節(jié)間具有技術(shù)型關(guān)系。智能制造處理技術(shù)和理論便是對制造環(huán)境這一整體的智能處理、智能共享、智能集成、智能描述、智能開發(fā)進行研究，然后使智能機器能夠進行智能活動。第一，應(yīng)進行智能活動融合方法、生成方式、機械化技術(shù)的研究。第二，應(yīng)進行智能制造共享、集成、表示、獲取、開發(fā)的研究，這是處理技術(shù)的中心環(huán)節(jié)。第三，應(yīng)做好制造環(huán)境建模和描述的工作，進行制造過程的不確定因素處理、不同因素塑粉、建模、體系構(gòu)建等研究。

（三）單元技術(shù)

人工智能在這幾十年里得到了制造行業(yè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用，其研究也有很大的進展，成功建立了與智能制造有關(guān)的單元技術(shù)。要想將單元技術(shù)運用到制造的具體過程，需要全面發(fā)展并完善單元技術(shù)，不同單元技術(shù)的集成也成為人們研究的重點內(nèi)容之一。

第一，智能決策的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要是針對企業(yè)的經(jīng)營管理和生產(chǎn)管理，對智能決策的多目標、多因素模型進行研究，開發(fā)動態(tài)跟蹤制造過程的技術(shù)，建立產(chǎn)品的市場預(yù)測和市場評估模型。第二，智能控制、補償、診斷、監(jiān)視的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要是針對企業(yè)的制造系統(tǒng)和制造過程。對多因素和強干擾環(huán)境中診斷、監(jiān)視的模型進行研究，開發(fā)自適應(yīng)技術(shù)、動態(tài)分辨技術(shù)并應(yīng)用到制造的整個過程。第三，智能處理的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要是針對企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量信息，對產(chǎn)品質(zhì)量的智能控制、智能決策進行研究，構(gòu)建質(zhì)量數(shù)據(jù)庫及全質(zhì)量模型。第四，智能優(yōu)化、仿真、規(guī)劃、調(diào)度的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要是針對企業(yè)生產(chǎn)的整個過程，現(xiàn)階段，企業(yè)生產(chǎn)需要面對不同對象、不同因素、不同信息來源的處理問題，這使得生產(chǎn)調(diào)度與規(guī)劃決策等研究勢在必行[7]。要想對過程、設(shè)計進行有效評估，離不開優(yōu)化、仿真的工作，尤其是維修、使用、裝配、制造、設(shè)計等優(yōu)化、仿真。第五，智能并行設(shè)計。并行工程的理論由美國的國防部最早提出，并運用到了武器開發(fā)的系統(tǒng)，為了在制造時可以在設(shè)計時期對不同制造環(huán)節(jié)專家組的行為進行模仿，并對多種智能制造方面和環(huán)節(jié)進行共享、集成，使產(chǎn)品的不同環(huán)節(jié)設(shè)計得以并行實施，就要進行智能并行設(shè)計有關(guān)的設(shè)計方法、智能交互、描述模型、支撐環(huán)境進行研究[8]。

（四）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及知識庫系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、知識庫系統(tǒng)能夠提供給制造環(huán)節(jié)、制造系統(tǒng)所需的智能化集成支持，它在智能制造系統(tǒng)和智能制造技術(shù)的研究領(lǐng)域占據(jù)較高地位。其中，知識庫系統(tǒng)主要進行數(shù)據(jù)庫分布、知識庫聯(lián)想、知識庫維修、分布式策略、知識庫異構(gòu)等方面研究，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要進行智能制造系統(tǒng)中控制操作方式、信息通訊技術(shù)、交換信息接口等方面研究[9]。與此同時，智能機器也是研究的一項重要內(nèi)容，在智能制造系統(tǒng)之中，智能機器可以對專業(yè)人員的智能活動進行模仿，屬于新型制造工具，這使得其設(shè)計方法、有關(guān)技術(shù)的研究價值極高。研究內(nèi)容包括三個方面：一是智能機器人的技術(shù)，該技術(shù)的重要性表現(xiàn)在機器人控制和視覺控制上，需要進行夾具設(shè)計、自適應(yīng)定位、機械手、傳感器、信息感知、機械眼等方面研究。二是智能維護、智能學(xué)習(xí)技術(shù)，需要進行智能機械的維護機械系統(tǒng)、恢復(fù)系統(tǒng)誤差、適應(yīng)模仿模型等方面研究[10]。三是單元機制造設(shè)計，單元機主要運用于智能制造，需要進行單元機的材料選取、設(shè)計方式、結(jié)構(gòu)組成等方面研究。

總而言之，研究智能制造技術(shù)、智能制造系統(tǒng)具有十分重要的意義。相關(guān)人員應(yīng)對智能制造系統(tǒng)當前發(fā)展的現(xiàn)狀和研究的背景有一個全面認識，發(fā)現(xiàn)并找出智能制造系統(tǒng)現(xiàn)存的經(jīng)濟問題、人員問題、技術(shù)問題，深入研究智能制造系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)及理論基礎(chǔ)、處理技術(shù)及主要理論、單元技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及知識庫系統(tǒng)等方面，從而實現(xiàn)制造行業(yè)的智能化與信息化，推動企業(yè)的長期、穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻：

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（責任編輯 徐陽）