智能制造裝備的現狀與發展

□ 張文毓

中國船舶集團有限公司第七二五研究所 河南洛陽 471023

1 智能制造裝備概述

具有預測、感知、分析、決策等功能的各種類型制造裝備統稱為智能制造裝備。智能制造裝備是在將裝備數控化作為基礎的前提條件下,提出的一種更為先進,能使生產相關工作效率及生產精準程度得到一定程度提升的裝備。智能制造裝備是先進裝備的核心,已經逐漸演變為世界范圍內各個國家競爭的目標。作為高端裝備制造業的重點發展方向和信息化工業化有機融合的具體表現,智能制造裝備在提升制造業轉型升級速度、生產效率及產品質量水平過程中所起到的作用是十分明顯的,并且也在制造業朝智能化和綠色化方向轉變過程中發揮著推動性作用[1]。

智能制造裝備是對傳統制造業的升級改造,是實現生產過程智能化、自動化、精密化、綠色化的基本工具,也是實現生產過程和產品使用過程節能減排的重要手段。目前,智能制造裝備產業的發展水平已經成為衡量一個國家從制造大國向制造強國轉變的重要標志。對于國防制造領域而言,智能制造裝備可以更有效和更經濟地實現飛機、坦克、裝甲車輛、導彈、艦船等普通數控裝備難以實現的超常規制造任務,是保障當前及未來武器裝備研制生產能力的重要基礎[2]。

2015年5月8日,國務院正式公布中國制造2025計劃,將智能制造作為主攻目標,以創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本為基本方針,堅持市場主導、政府引導,立足當前、著眼長遠,整體推進、重點突破,自主發展、開放合作的基本原則,推進兩化深度融合,提升我國制造業國際化發展水平。中國制造2025計劃通過三步走來實現成為制造強國的戰略目標。第一步,到2025年邁入世界制造強國行列。第二步,到2035年制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平。第三步,到2050年制造業大國的地位更加鞏固,綜合實力進入世界制造強國的前列[3]。

2 智能制造技術

智能制造體系基于新一代信息技術,貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節,是先進制造過程、系統、模式的總稱。智能制造過程通過自動化裝備及通信技術實現生產自動化,能夠通過各類數據采集技術,應用通信互聯手段,將數據連接至智能控制系統,并將數據應用于企業統一管理控制平臺,從而提供最優化的生產方案、協同制造和設計、個性化定制,最終實現智能化生產。

智能制造發展需要經歷自動化、信息化、互聯化、智能化四個階段,每一個階段對應智能制造體系中的某一個核心環節。智能制造技術的顯著特點主要包括三個方面:① 將數字技術、智能技術、網絡技術融為一體;② 制造產品的過程具有智能化特點,對產品制造數量、管理等多方面實時監控;③ 制造出的產品具有高質量和使用方便的特點。

3 智能制造裝備特征

與傳統制造裝備相比,智能制造裝備具有對裝備運行狀態和環境實時感知、處理、分析的能力。根據裝備運行狀態變化,具備自主規劃、控制、決策的能力。智能制造裝備對故障具備自診斷自修復能力,對自身性能劣化具備主動分析和維護能力,具備參與網絡集成和網絡協同能力,還具備自我感知能力、自主規劃和決策能力、自學習和自維護能力、自優化能力、容錯能力、網絡集成能力等。

智能制造裝備可應用于計算機智能系統、智能機床、智能機器人、虛擬現實智能技術、自動化智能制造、高智能機器裝備、增材制造裝備等[4]。

4 國外研究現狀

4.1 美國

美國智能制造裝備產業采用研發與生產-出口-進口的發展模式。跨國公司是裝備制造業發展的主體,美國政府大力支持跨國公司。美國新興裝備制造業正逐步成為推動社會發展的主導力量。

美國是智能制造概念的發源地,美國政府十分重視對智能制造設備的發展和研究,美國政府認為,智能制造是可以幫助美國在制造科技領域取得領先地位的重要手段之一。自20世紀末以來,美國政府在智能制造設備領域投入了大量研究資金,還開設了許多與智能制造設備相關的研究項目,例如智能設計和智能物流傳輸等[5]。

4.2 日本

日本智能制造裝備產業采用進口-國內生產-出口的發展模式。日本政府實行了合理有效的產業政策,但是日本裝備制造業目前面臨優勢弱化的風險。

在對智能制造裝備的研究過程中,日本能夠與其它智能制造裝備研究水平較高的國家共同努力,填補彼此的缺點,同時填補在智能制造設備行業發展中的空白。通過合作和謙虛的態度,日本已迅速改善了智能制造產業,達到全球先進水平。20世紀末,日本開始積極與美國、澳大利亞及其它國家溝通并聯合研究,以解決當時日本在生產系統和計算機控制系統方面存在的缺陷。日本將美國、澳大利亞及其它國家的先進技術與日本的實際研究狀況相結合,開發了一些高效的生產系統。

4.3 德國

德國智能制造裝備產業采用以人為本理念、德國制造品牌、創新實力驅動的發展模式[6]。

德國是歐盟中制造業最強的國家,對歐盟智能制造設備水平的研究與分析主要就是對德國智能制造設備水平的研究與分析。現階段,德國在智能制造裝備發展方面處于有利地位。2010年,德國與其它歐盟國家共同啟動了第七框架計劃,德國將此計劃稱為工業4.0計劃。在這一計劃中,其它歐盟國家將德國作為生產行業的領導者,投資大量資金用于研究智能生產設備,至今德國已投資2億歐元。德國能否在科學技術上處于領先地位,與工業4.0計劃密切相關。針對當前的發展狀況,德國已將工業4.0計劃更新為國家戰略目標。

4.4 小結

自信息技術問世以來,智能制造裝備使工業生產又經歷了一次全新的革命。一方面,美國作為計算機的發源地,科技水平和制造工藝均處于國際領先地位,智能化的思想也最早起源于美國,因此美國發展較快。作為超級大國,美國在智能化和創新方面一直處于世界領軍地位,智能手機、物聯網、最早的數控機床,以及多功能、自動化傳感器都來源于美國。另一方面,智能化的發展逐步加深,從一開始的機床生產自動化到全自動生產流水線,生產過程日漸簡潔方便。智能元件和數字電子技術的普及使智能制造裝備產業體系日趨完善,生產線不僅可以有序地完成生產任務,還可以對外部情況做出分析和判斷。當有故障出現時,還可以做出決策和處理,比如終止生產任務或將個別有問題的部件重新生產。工業機器人的出現是技術上的一個革新,基本解放了人類生產力。機器人作為勞動力,與人類相比,在勞動時間、勞動強度等方面都有更大的優勢。在工業機器人領域,歐洲、美國和日本處于領先地位。為了提高生產效率和創造更大收益,世界各國都陸續出臺相關政策來推動制造裝備產業智能化進程,使產業的發展有了法律保障。2010年,美國出臺制造業促進法案,同年歐盟開始實施IMS2020計劃和第八框架計劃,均對相關產業的發展提供了大力支持。在歐盟,德國提出的工業4.0計劃尤其明確,是歐盟智能制造的領軍者,計劃的核心是利用信息通信及物聯網技術實現制造裝備工業的智能化。通過實行工業4.0計劃,德國已經在新一輪的工業革命中占得了先機,制造工業領域的競爭力顯著提高。目前在智能制造企業中,最多的是德國和美國企業,其次是日本企業。

5 國內研究現狀

中國雖然是制造大國,但在技術上與先進國家相比還有一定差距。智能化的核心技術在國內有一定發展,但還沒有達到德美等發達國家的水平。在信息技術和網絡飛速發展的背景下,智能制造裝備產業在中國同樣受到前所未有的重視。隨著中國制造2025計劃和智能制造發展規劃等出臺,高端裝備制造業發展的核心逐漸聚焦于智能制造裝備。近幾年來,中國的網絡覆蓋面積越來越廣,4G網絡幾乎已經全面覆蓋。網絡和計算機的發展是智能化得以實現的前提條件,這兩個問題在中國已經基本得到解決,最關鍵的是創新與融合。以智能手機和大數據計算機為例,中國僅承擔生產任務,核心的芯片和設計技術依然由歐美國家掌握。如果想要使用相關產品,需要高價購買,而制造業所得的利潤與技術擁有者相比十分微薄,由此可見,創新勢在必行。工業機器人在中國起步于20世紀70年代初期,863計劃開始實施后,智能機器人的研究取得了重大突破。進入21世紀后,中國研制出了一大批具有特殊功能的機器人,可以進行焊接、搬運、切割、噴漆、打撈等工作。雖然中國的機器人產業在不斷進步,但是與國際先進水平相比還有明顯差距,這決定中國自行生產的機器人在精密工作的場合存在不足,比如手術機器人等。目前,中國市場對機器人的需求比較大,必須加大投資發展機器人。在中國推進制造裝備行業智能化的進程中,應借鑒美國、德國、日本等發達國家的經驗,大力發展物理信息技術,以實現關鍵技術的突破和核心領域的創新[7]。

6 應用進展

雖然中國目前已經成為制造業大國,但是大而不強依然是中國制造業發展的主要問題。在高端裝備領域,中國80%的集成電路芯片制造裝備、40%的大型石化裝備、70%的汽車制造關鍵設備及先進集約化農業裝備仍然依靠進口。

智能制造中的核心技術包括實時化定位技術、識別技術、信息物理化融合技術、系統協同化技術、網絡安全信息技術等。依據裝備制造行業的制造特點與要求,裝備制造行業的核心制造技術基本上可以劃分為三類,即信息物理系統技術、數字線索科學技術、人工智能增強技術。從簡單層面來分析,信息物理系統技術屬于智能制造綜合系統中的一項核心技術,可以實時化感知與分析各種狀態信息,在此基礎上實現自主性決策,并做出相應精準動作,再依據操作過程與結果反饋等,為系統提供自主學習提升功能。數字線索科學技術基于信息傳遞,屬于系統軟件、模型等一體化的全壽命周期性管理架構,可以實現信息數據與知識的無縫連接。人工智能增強技術基于數字線索科學技術,借助分解、細化各種復雜系統及操作過程,有效輔助增強人工對于整個系統運行過程的理解及掌握能力,確保準確高效地執行各種復雜任務[8]。

6.1 汽車電子智能制造技術

展望未來,汽車電子制造技術在自動化、集成化、信息化的基礎上,將進一步向高度智能化升級。高度智能化的汽車電子制造技術可以通過規模化生產效益實現汽車電子產品個性化生產的需求,通過先進制造技術與人工智能、虛擬現實、大數據、云計算等信息技術的融合,利用數據采集、工況自適應控制、大數據與機器學習、機器視覺等關鍵技術,具有感知、分析、推理、決策、控制、學習、互聯等特征。新一代汽車電子智能制造生產線不僅可以實現減人提效、降本高質的要求,而且支持設備在線檢測、設備狀況監控、產品質量大數據分析、設備運行大數據統計等功能。

汽車電子智能制造技術從早期的自動化升級到集成化、柔性化、信息化、高度智能化,是打造汽車產業鏈核心競爭力的關鍵要素,也是汽車產業價值鏈的重要環節。汽車電子智能制造將為實現汽車由簡單代步工具向人類智能伙伴轉變提供核心支撐,不僅僅是先進技術和系統的應用,更是生產模式和工業理念的轉變,這些轉變將促進汽車電子制造乃至汽車工業發展,并產生深遠影響[9]。

6.2 軌道交通裝備行業智能化發展

中國提出利用10 a時間,形成較為完備的智能制造設備體系,滿足國民經濟建設需求,實現智能制造設備的自動化,大幅度提高企業生產效率及產品質量,縮短產品開發周期,降低資源消耗。根據中國軌道交通裝備行業的發展現狀,建議中國高鐵裝備行業朝智能化方向發展,并且從標準化、精益化、產品智能服務化、供應鏈可視化、經營全球化、信息安全體系化等方面進行進一步的探索和深入的發展,為實現中國軌道交通裝備行業的快速發展奠定良好的基礎。

新一代智能制造是一個大系統,主要由智能產品、智能生產、智能服務三大功能系統,以及智能制造云、工業智聯網兩大支撐系統集合而成。新一代智能產品有三方面需求。第一是傳感技術,產品需要能夠感受外部的變化情況,或者能夠整合產品內部的數據。第二是計算技術,包括產品自身的操作系統,以及產品使用的各種應用系統。第三是聯網技術,隨著全球物聯網的發展,產品可能具有霧計算、邊緣計算、云計算相連接的功能。鐵路裝備領域需要從以上三個方面加強技術創新,突破關鍵技術,依托于傳感器、工業軟件、網絡通信、新型人機交互,實現人、設備、產品等制造要素和資源的相互識別、實時聯通、有效交流,促進鐵路裝備行業建設、管理、服務與工業物聯網、人工智能、大數據、云計算的緊密結合,推動制造方式的柔性化、綠色化、網絡化,從而不斷充實、提升鐵路裝備行業的競爭能力。目前,智能制造技術在鐵路裝備制造領域已經得到越來越多的應用[10]。

6.3 信息物理系統技術

信息物理系統技術屬于集物理實體、網絡、計算等為一體的復雜性系統,通過有效融合通信、計算機、控制技術及深度化協作,配合人機交互接口來實現與物理進程之間的交互,確保網絡電磁空間能夠基于智能化、協作、安全、實時化、可靠、遠程化方式操控物理實體。信息物理系統技術基本架構包含認知層、連接層、配置層、網絡層、轉換層。在能力架構方面,主要包含資源集成、數據增值、智能化分析、資源調配等能力。應用框架主要包含裝備數字化與自監測、工廠自配置與自決策、工廠網絡化等。能力架構與應用架構兩者存在著相互作用關系。

6.4 人工智能增強技術

智能制造中的人工智能技術在裝備制造業中應用,能夠對復雜和枯燥等工作環境下難以實現的制造目標進行調整,通過運用綜合性技術來提高操作水平與效率。人工智能增強技術主要以虛擬現實科技為基礎,通過增強現實技術與虛擬現實技術的應用,作用于感知、數據、信息分析,以及綜合對比和決策執行,為裝備制造業核心目標的實現提供有效保障。人工智能增強技術的功能主要是將人工和智能兩個領域的技術綜合融入與連接,強化數據與信息分析能力,幫助制造業更好地決策與執行。這一技術在創新與應用中被賦予較高的權利,并且在實際運行中展露頭角,發揮出較高的功能與作用,被制造業支持和認可。

6.5 數字線索科學技術

智能制造是一個復雜性和綜合性的運行系統,所涉及的每一環節和過程都相互連接。其中,數字線索科學技術主要依托產品壽命周期,進行綜合性管理與控制。這一技術基于建模和仿真設備,結合產品實際,構建相應的操作體系,通過實際數據傳輸,分析產品壽命周期,以此綜合匹配數據和信息,為系統運行及產品壽命周期構建基礎模型。這一技術依托信息和網絡技術,將數據信息和工程認知技術、無縫銜接交互等進行有效融合,滿足當前裝備制造業對產品風險、成本、設計、生產進度的控制,通過實時監控進行全面評估,以此為裝備制造業的制造和生產提供綜合性數據與信息。數字線索科學技術還能夠通過數字系統,從設計、分析、物理化、綜合數字制造等方面全面構建新型生產模型,提供真實、可靠的數據與信息,從而對生命周期數據基礎模型的構建起到促進作用[11]。

在中國經濟發展的新形勢下,工業部門不斷進行產業結構升級換代,從而使數控技術在智能制造業中的需求不斷上升,智能自動化工業市場異常繁榮。由此,提高數控技術已經迫在眉睫。目前,數控技術無論是在數控機床加工方面,還是在智能機器人方面,自身已相對成熟,應用范圍逐步擴大,遍及多個領域。另一方面,中國還堅持生產屬于自己的智能控制核心技術,不再依賴于國外技術,由此提升中國數控技術的發展水平。

從中國當前的工業生產來看,發展的大趨勢就是智能制造,這樣使工業生產實現智能化管理,提高加工生產的質量和效率。數控技術作為智能制造的一個關鍵因素,應用水平在很大程度上影響智能制造的質量。所以,必須對數控技術進行合理應用,發揮功能優勢,確保推動智能制造朝著更好的方向發展,力求提高智能制造的整體質量,同時為企業創造出經濟效益[12]。

7 發展趨勢

智能化是未來發展的趨勢,人工智能技術的發展將會攻克許多難關,克服關鍵領域的瓶頸,最終形成完整的、體系化的智能生產裝備行業。如今,各種智能產品層出不窮,為人們的日常生活提供了極大便利。智能穿戴設備可以用于檢測患者的身體狀態,從而避免搶救不及時所帶來的傷亡。智能家居的發展為家庭生活帶來了更高的舒適度。智能工廠、智能汽車等也已經開始普及。在未來,集信息技術、電子技術、物理技術等于一體的智能制造裝備產業將會迅速發展,并引導傳統制造業朝節能和高效的方向發展,提高勞動生產率和經濟收益。

7.1 美國工業互聯網裝備

美國智能制造設備的發展促進了工業互聯網裝備制造系統的研究和建立。2013年,美國發布了有關智能制造裝備開發的文件,闡明了工業互聯網的概念。工業化發展涉及機器、互聯網系統和裝備問題,工業互聯網將這三個因素結合在一起,可以促進綠色、節能、高效的工業生產。隨著工業革命的發展,世界的制造工藝水平發展迅速,互聯網的出現加速了信息的傳播,促進了世界融合。工業互聯網融合了工業革命和網絡技術的優勢,使工業制造業繼續朝著數字化和智能化的方向發展。

7.2 德國工業4.0計劃

德國工業4.0計劃主要使用信息物理系統,可以將德國智能制造裝備行業從集中式生產轉變為分散式生產。工業4.0計劃最終要建立一個數字化和智能化制造模型,能夠進一步促進德國傳統制造業向現代智能產業轉變。工業4.0計劃的關鍵是信息物理系統,信息物理系統將通信、計算機、物理整合為一體,可以有效提高制造業的生產效率,也可以保證系統的安全性。確定工業4.0計劃的發展路線,對促進德國智能制造業的發展方向起到了積極的推動作用。

7.3 中國智能制造

中國已意識到與其它國家先進智能制造之間的差距及制造業的重要性,近年來在智能制造行業的投資不斷增加。隨著中國智能制造產業研究的不斷深入,以及中國對德國和美國發展經驗的總結,中國結合基本國情,確定了未來智能制造產業發展的五個目標,即集成化、定制化、信息化、數字化、綠色化。集成化指在制造過程中建立制造模型,并提高制造效率。定制化指向個性化和扁平化方向發展智能制造。信息化和數字化指在實際開發中采用網絡技術、傳感器技術等先進技術。綠色化指減少制造過程中產生的污染,實現中國資源的可持續發展。

8 結束語

裝備制造業是制造業的核心和支柱,高度發達的裝備制造業是實現工業智能化的必要條件,也是一個國家技術水平和綜合國力的集中體現。以智能制造帶動裝備制造業智能化升級,再以裝備制造業智能改造來推動智能制造在全行業的普及,可以更好地實現制造強國夢。在制造工藝水平和信息技術高速發展的條件下,智能制造裝備產業必將蓬勃發展,未來智能化水平、自動化程度都將達到新的高度。中國對于智能制造裝備不斷加大投資和研究力度,將促進中國智能制造裝備產業的不斷發展。