淺談智能制造的發(fā)展與挑戰(zhàn)

（北京市中關(guān)村中學(xué)，北京 100190）

0.引言

制造業(yè)是利用各種資源依據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行制造從而轉(zhuǎn)化為工業(yè)制成品、生活消費(fèi)品的一種產(chǎn)業(yè)，如食品制造業(yè)、紡織業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)等。制造業(yè)在一定程度上可以直接作為一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)水平能力的體現(xiàn)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用。改革開放后我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展迅速，2010年，我國(guó)制造業(yè)占比提高到19.8%，成為世界第一制造國(guó)家，被稱為“世界工廠”。

制造業(yè)領(lǐng)域，我國(guó)的技術(shù)自主創(chuàng)新能力弱，對(duì)各產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)較為缺乏，進(jìn)而使中國(guó)企業(yè)產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力薄弱。此外，我國(guó)的產(chǎn)業(yè)組織不合理，原材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩。相比國(guó)外先進(jìn)企業(yè)，我國(guó)制造企業(yè)在生產(chǎn)效率、質(zhì)量方面還存在許多問題[1]。為促進(jìn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，借助人工智能等技術(shù)發(fā)展智能制造已經(jīng)成為傳統(tǒng)制造企業(yè)的共識(shí)。

1.智能制造及其關(guān)鍵技術(shù)

智能制造是指將“智能”和傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，高效生產(chǎn)節(jié)能、環(huán)保、智能的新產(chǎn)品[2]。從日本的“智能制造系統(tǒng)IMS”和美國(guó)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，到中國(guó)的“中國(guó)制造2025”，可以看出許多國(guó)家都在搶占制造業(yè)的制高點(diǎn)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。

智能制造能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造全流程中實(shí)現(xiàn)智能化。借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，智能制造能夠在產(chǎn)品需求分析上實(shí)現(xiàn)個(gè)性化；產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通過人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)智能化；在生產(chǎn)制造過程中，利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行可視化管理、協(xié)調(diào)各部門的運(yùn)作并實(shí)現(xiàn)設(shè)備和產(chǎn)品維護(hù)的自動(dòng)化。

1.1 人工智能

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，是一種用計(jì)算機(jī)程序模仿人類思維方式的技術(shù)，于1950年圖靈測(cè)試被提出而隨之誕生。近年來由于計(jì)算機(jī)硬件水平的提高，作為人工智能領(lǐng)域重要分支的深度學(xué)習(xí)發(fā)展迅速，目前在用于深度學(xué)習(xí)的算法中，醫(yī)療、經(jīng)濟(jì)、智能制造等諸多行業(yè)現(xiàn)已取得了不凡的成績(jī)。

人工智能技術(shù)在智能制造中是很重要的一環(huán)。一方面，人工智能技術(shù)可以將人工從重復(fù)的工作中解脫出來，另一方面，人工智能技術(shù)更加精確、嚴(yán)謹(jǐn)，不會(huì)出現(xiàn)人為操作錯(cuò)誤，能夠提高生產(chǎn)的質(zhì)量和效率[3]。例如，將人工智能技術(shù)應(yīng)用在制造業(yè)的生產(chǎn)過程，可以提升機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜情況下的自主生產(chǎn)，能夠在減少人工成本的同時(shí)全面提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1.2 IOT（物聯(lián)網(wǎng)）

IOT(物聯(lián)網(wǎng))在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上將各種設(shè)備連接在一起進(jìn)行數(shù)字交換和通信。整體感知、智能處理和可靠傳輸?shù)仁俏锫?lián)網(wǎng)的主要特征。這意味著物聯(lián)網(wǎng)可以利用如RFID標(biāo)簽（電子標(biāo)簽）等感知設(shè)備來獲取信息，并且能夠?qū)@取的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送和處理。

通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在智能制造中能夠?qū)植磕酥寥值脑O(shè)備和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而進(jìn)一步提高設(shè)備的升級(jí)、操作和維護(hù)能力。物聯(lián)網(wǎng)也可以結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)了解設(shè)備的狀態(tài)并預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)降低智能制造中設(shè)備的維護(hù)成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景的功能。

1.3 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人是在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)執(zhí)行特定任務(wù)和工作的多自由度機(jī)器，由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成，具有可編程、通用性、模擬人類動(dòng)作的特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人在智能制造中的地位十分重要。在經(jīng)濟(jì)效益方面，它可以降低人力成本。在生產(chǎn)方面，工業(yè)機(jī)器人的精度通常大于人工，且產(chǎn)出產(chǎn)品的一致性較高，因此，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量[4]。

1.4 5G技術(shù)

4G在生活中已得到廣泛普及之后，5G技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)是作為第五代通信技術(shù)的新一代蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)所具有的Gbit/s峰值速率、低延時(shí)性、大幅度提高的流量密度、系統(tǒng)協(xié)同化，智能化水平提升等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了4G網(wǎng)絡(luò)的缺陷，受到全世界關(guān)注。

5G對(duì)智能制造具有許多促進(jìn)作用。5G技術(shù)傳輸速率快并且具有低延時(shí)性的特征，空中接口的延時(shí)性僅為1ms，能夠滿足遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)化駕駛、智能制造等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性要求。除此之外，5G的容量較大，可以連接設(shè)備的數(shù)量可達(dá)千億級(jí)別，能夠較好地解決智能制造中設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)需求量大的問題。與此同時(shí)，5G可以協(xié)同進(jìn)行多用戶、點(diǎn)、天線組網(wǎng)，更好地為智能制造多設(shè)備的運(yùn)作進(jìn)行支持。

1.5 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)是指無(wú)法在有限時(shí)間內(nèi)使用現(xiàn)有的軟件工具進(jìn)行管理和分析的海量數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)迅速、信息種類多和價(jià)值密度低的4個(gè)特點(diǎn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義不僅僅只在于巨大的信息量，而著重于通過這些數(shù)據(jù)的處理所帶來的意義和價(jià)值。

大數(shù)據(jù)可以為智能制造帶來許多便利。它可以通過分析各設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)來及時(shí)解析故障、問題和缺陷的根源，節(jié)省企業(yè)開支；大數(shù)據(jù)可以分析用戶購(gòu)買習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營(yíng)銷以及分析市場(chǎng)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)利益最大化。根據(jù)用戶的使用習(xí)慣及時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，并依照使用反饋對(duì)舊產(chǎn)品的改進(jìn)和新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供幫助。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)《全球智能制造發(fā)展指數(shù)報(bào)告（2017）》評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示，屬于第一梯隊(duì)引領(lǐng)型的國(guó)家有美國(guó)、日本、德國(guó)，屬于第二梯隊(duì)先進(jìn)型的國(guó)家有韓國(guó)、英國(guó)、中國(guó)、瑞典、瑞士、芬蘭、法國(guó)、奧地利、加拿大。如今智能化制造的發(fā)展及排名形成了一個(gè)較為穩(wěn)定的趨勢(shì)：第一和第二梯隊(duì)作為引領(lǐng)，第三、四梯隊(duì)相互追趕。

圖1 全球智能制造發(fā)展指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

為更好地促進(jìn)智能制造的發(fā)展，德國(guó)提出了“工業(yè)4.0”以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和智能系統(tǒng)相融合的發(fā)展框架，英國(guó)提出“英國(guó)制造2050”以推動(dòng)制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的相互融合，使得高技術(shù)工人數(shù)量提升，韓國(guó)為協(xié)助中小企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)及建立智慧化程序于2014年提出“制造界創(chuàng)新3.0策略”。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在2014和2015兩個(gè)年度內(nèi)，我國(guó)的智能制造行業(yè)得到迅速發(fā)展，相關(guān)企業(yè)成立數(shù)量迅猛增加，傳統(tǒng)制造業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)科技等領(lǐng)域的企業(yè)也紛紛進(jìn)軍智能制造產(chǎn)業(yè)。自2016年度后，智能制造企業(yè)數(shù)量逐步穩(wěn)定，我國(guó)智能制造有較為明顯的地域差異性，諸多智能制造企業(yè)分布于一線城市。

上汽大眾MEB工廠是智能制造行業(yè)的標(biāo)桿工廠，整個(gè)制造過程具有智能化和環(huán)保性。新型智能汽車采用了AGV小車，融合了RFID人工智能識(shí)別技術(shù)、光學(xué)識(shí)別技術(shù)，在上汽大眾的電池車間超過150臺(tái)機(jī)器人，自動(dòng)化率超過了80%。企業(yè)通過智能化制造技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同供應(yīng)鏈，透明制造過程。

3.討論

如今我國(guó)的智能制造技術(shù)發(fā)展十分迅速，但仍有以下幾類問題尚未解決：（1）智能制造基礎(chǔ)弱。我國(guó)在關(guān)鍵核心技術(shù)方面如芯片技術(shù)、人工智能技術(shù)、高端傳感器等，多數(shù)企業(yè)仍在引進(jìn)和仿制缺乏自主創(chuàng)新動(dòng)力。（2）基礎(chǔ)配套能力有待加強(qiáng)。在傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域中，控制和信息難以結(jié)合進(jìn)行解決，使其無(wú)法滿足企業(yè)智能化改造要求。（3）在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，企業(yè)轉(zhuǎn)型困難。企業(yè)的轉(zhuǎn)型需要大量資金的投入，然而如今融資成本高的問題給企業(yè)轉(zhuǎn)型帶來的難點(diǎn)。（4）智能制造的技術(shù)門檻高，對(duì)高精尖技術(shù)人才的需求大，因此企業(yè)面臨人才短缺問題。（5）智能制造缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)智能制造缺乏一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)使得企業(yè)與企業(yè)間的溝通協(xié)調(diào)能力差。

針對(duì)上述問題，國(guó)家應(yīng)組織各高校研究院進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，突破國(guó)外對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，加強(qiáng)對(duì)芯片技術(shù)、人工智能技術(shù)等核心產(chǎn)業(yè)的扶持，培養(yǎng)一批擁有高精尖技術(shù)的企業(yè)；加強(qiáng)高校對(duì)相關(guān)人才的培養(yǎng)，增加國(guó)外相關(guān)技術(shù)人才的引進(jìn)；加強(qiáng)校企合作，幫助企業(yè)解決技術(shù)和人才問題；增強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域間的技術(shù)合作，制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)全面智能制造化奠定基礎(chǔ)[5]。

我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，作為一個(gè)有“世界工廠”之稱的國(guó)家，隨著人口紅利的逐漸消失，單靠人力所進(jìn)行的制造已經(jīng)無(wú)法滿足發(fā)展的需求，而實(shí)現(xiàn)智能制造是中國(guó)制造業(yè)的未來發(fā)展的關(guān)鍵。