智能制造系統與標準化發展分析

單芳

山東商智伙伴數字科技有限公司 山東 濟南 250000

引言

世界工業技術體系、發展模式、競爭模式發生了巨大的變化。智能制造是一個涉及眾多學科的新領域，也是一個十分復雜的系統工程。對智能制造的內涵和組成成分進行科學的理解，進而建立起一套科學的標準體系，是促進智能制造發展的關鍵。

1 智能制造系統的基本概念

智能制造的研究可以從二十世紀七八十年代開始，到1989年， Kusiak首先提出了“智能制造系統”。“通過知識工程、制造軟件系統、機器人視覺和機器人的控制技術，讓智能機器能夠獨立完成小型生產。”從那時起，“智能制造”的概念就逐漸被人們所關注和討論，但是到目前為止，還沒有一個統一的觀點[1]。①日、美、歐于1991年聯合發起的“智能制造國際合作研究”，將“智能制造系統”界定為將智慧活動貫穿于生產全流程，并將其與智能機械相結合，使其從訂貨、設計、生產、市場營銷等各環節，以靈活的方式整合為一套最具生產力的生產體系。②美國智能制造領軍企業聯合會（SMLC）于2011年6月發表了《實施21世紀智能制造》的報告。它的定義是：強化應用于先進的智能系統，快速制造新產品，動態反應產品需求，并實現制造與供應鏈的實時優化。③中國《2015年智能制造試點示范專項行動實施方案》以智能工廠為載體，實現關鍵制造環節的智能化，基于終端到終端的數據流，通過網絡連接，極大地縮短了產品的研發周期、降低了運行費用、提高了生產效率、提高了產品的質量和節約了資源。④IEC是世界電氣與電氣行業的標準化組織，對智能制造標準的確立給予了高度的關注。2017年，在 IEC/TC65/AHG3 （Imart Manufacturing）下，組建“智能制造”項目組，將“智能制造”這一術語進行了梳理，并提出了“智能制造”的基本概念，其中包括先進設計、制造能力、數字化技術、物聯網等基本特性，并與其他企業的合作伙伴一起實現價值增值，實現人員、嵌入、自動化和復雜系統的高效協同。就像英文術語中有“Smart Manufacturing”和“Intelligent Manufacturing”這兩個不同的名稱一樣，通過調查發現，兩者在“智能”這一突出的含義上存在著差異，在“smart”的定義中，“靈敏、機靈”的含義更加突出，在自動化的基礎上實現了機器的智能；在“intelligent”的定義中，“智能”則更加突出了“智能”的意義。盡管“工業4.0”、“工業互聯網”、“工業互聯網”以及“智能制造”等概念都沒有明確界定，但是“工業4.0”強調的是智能生產和智能工廠，而“工業互聯網”則著重于智能裝置、智能系統以及智能決策三大要素的集成。通過分析比較以上的定義，提出了基于新一代的信息技術，基于新一代的信息技術，以生產系統為載體，能夠根據生產環境的變化，實現特定的優化目的。

2 智能制造系統的核心內容

2.1 智能產品

智能產品是一種具有自感知、自診斷、自適應、自決策等智能特性的產品，它在生產、物流、使用、服務等方面具有一定的智能特性。與普通的非智能產品相比，智能產品通常具有如下特點[2]：能夠對自己的狀況、所處的環境進行自我感知，并能夠進行故障診斷；具有標準的開放式數據接口，具有網絡通信的能力；產品的智能化，使得制造業從“被生產”向“主動”的“協作制造”轉化。智能產品是一種具有自我感知、適應環境、自主決策和自主決策能力的智能產品。與市面上的普通產品相比，它可以自動調整環境，也可以自動調整產品的運行狀態，在使用的時候，它還能自動感應到自己的狀態。同時，它還可以與現代物聯網和因特網進行通訊，為用戶提供網絡數據接口，從而實現對多種應用的主動合作。

2.2 智能生產

智能生產是智能生產的關鍵，它包括設計、工藝和生產過程的智能化。①智能化的開發。智能設計包括產品設計、工藝設計、生產線設計等，并在設計過程中運用智能化技術。利用智能數據分析技術，獲得了設計要求，再利用智能創新的方法進行概念提取，對產品的功能和性能進行測試和優化，確保了最終的設計具有科學性和操作性。②智能化技術和設備。生產設備的智能化程度是反映生產技術水平的一個重要指標。智能生產設備能夠“主動”地與生產過程相結合，從而達到設備、人員、過程的有效協作。智能制造通過對設備、加工狀態、工件材料、環境等方面的信息進行自我分析，并根據產品的設計需求和實時的動態信息做出自我判斷，并根據決策命令實現自我執行。③生產工藝的智能化。通過將智能化技術和管理方法應用到生產車間或車間中，實現了生產資源的優化配置，實時優化生產任務和物流調度，實現了生產過程的精細化、智能化決策。

2.3 智能制造模式

隨著智能制造技術的不斷發展，各種新型的生產模式應運而生。尤其是工業互聯網和工業云平臺等技術的廣泛運用，使得各生產、研發、制造、物流、售后服務等各領域的公司可以進行有效的交流，從而拓展生產的地域和價值[3]。例如家電行業、汽車行業個性化定制模式、電力行業協同開發模式、航空裝備行業協同開發模式、云制造模式、遠程運維模式等。基于“泛在感知”和“工業大數據”等信息技術，智能制造是基于生產服務的，通過提升企業的運營效率，提高企業的能效，擴大企業的價值鏈，創造新的價值。另外，智能化生產模式的核心是建立一個一體化的整體解決方案。

3 智能制造系統的國內外標準化進展

3.1 國外智能制造標準化發展現狀

目前，世界各國標準化組織都在積極地調整其組織結構、研究內容，以適應目前的發展趨勢。與智能制造有關的國際標準主要有：自動化技術，IEC/TC65和ISO/TC184標準覆蓋了所有的核心技術，包括生產控制、生產控制、生產執行以及企業的資源管理。在資訊科技領域，國際標準化組織、IEC及其聯合技術委員會，都是持續推動資訊科技的通用標準和規范。例如，技術裝置的設備安全，裝置之間的通信（ISO/IEC8802系列），物聯網等，都將與 IE等密切相關，并在全球范圍內開展大量的項目合作。

3.2 我國智能制造系統標準化架構

將其核心元素與智能制造標準體系相結合，得到了該標準體系的體系結構。《國家智能制造標準體系建設指南》于2015年末正式頒布，并在此基礎上提出了基于智能制造的體系結構。從生命周期、系統層級、智能功能3個方面對智能制造進行了詳細的描述。基本通用規格（A）由5個主要部分組成：基礎、安全、管理、檢測和評價、可靠性；主要技術標準主要有以下5個方面：智能設備、智能工廠、智能服務、工業軟件及大數據、工業互聯網；工業應用服務（C）涵蓋了10個主要的智能制造領域。所設計的智能制造系統的各要素與國內的智能制造標準體系的主體結構基本相符，例如：“智能制造”中包含了“智能服務”和“智能制造”兩大類。然而，根據對智能制造的參考模型、智能制造標準體系的分析，目前智能制造標準還有待進一步完善和提高，這主要表現在以下2個方面：①缺乏對“智能產品”的理解。在實現智能制造的同時，也要不斷提高智能終端的智能化程度，它直接影響著人們的社會、經濟、生活的方方面面。智能化生產系統包括生產設備智能化、智能化、工藝智能化、模式智能化、智能化生產終端智能化等。目前國內的智能制造系統僅包括了智能化設備的標準化，對其標準化要求卻忽視了。②隨著智能制造技術的快速發展，隨著智能化生產技術與手段的不斷更新，智能制造的要素構成也隨之發生了變化。現有的智能設計、工藝、裝備、智能制造工藝已無法完全覆蓋“智能生產”的新技術和方法，人工智能、邊緣計算、大數據分析等技術已經從傳統的制造過程中逐漸轉變為智能制造的一種重要的工具和表現。因此，今后的智能制造系統和標準體系必須不斷地充實和擴展這些要素的內涵。

4 智能制造系統的關鍵技術分析

4.1 智能制造技術體系

4.1.1 智能制造基礎技術。一般認為，智能化生產的基本技術有：①智能化設備。為解決了智能化制造中設備與設備、裝備與智能化產品、軟件、物流、檢測等方面的信息交換和互聯。包含了CNC、傳感器、工業機器人、材料加工等設備的通訊、接口、整合、連接等。②先進制造工藝技術。使生產工藝更具彈性，效率更高。例如，采用增材技術，通過對零件的三維數據進行直接加工。人們可以更靈活地進行產品的設計，更注重產品的使用效果，而不是實施。③數字建模與仿真術。在產品設計、工程分析、工藝設計、制造、質量、服務等各個環節中，運用數碼技術對產品進行數字化的模擬，從而達到對產品設計、工程分析、工藝設計、制造、質量、服務等方面的全面數值模擬。隨著計算機技術的不斷進步，數字和實體模型也會逐漸走向融合，例如西門子公司所提倡的Digital Basic Twin技術。運用現代工程技術。通過對人、物、設備、能源、信息等組成的綜合生產系統進行設計、改進、實施、確認、預測和評價，并對其進行評價。

4.2 大數據分析技術

數據挖掘、知識發現、決策支持等技術已經廣泛地運用于生產實踐。近年來，隨著大數據的發展，這一領域的研究和應用得到了極大的擴展。制造業中的大數據來自于設備實時監測、 RFID數據采集、在線產品質量檢測、遠程維護。比如，利用大量的數據，可以在很短的時間內，就能發現產品的不正常的發展趨勢，從而對產品的品質產生原因進行分析，從而為產品的預測維護、個性化定制以及產品的優化設計提供技術支撐。

技術和信息技術的作用域分為兩個方面：產業控制與生產經營。工業控制包括 DCS，PLC，FCS，SCADA等工業控制系統，在工業通信協議、設備行業規范、行業規范等基礎上，實現了設備與系統的兼容與整合。企業的生產運營管理以 MES和ERP為核心，把各類信息、資源整合到整個生命周期中，達到節約能源、優化工藝的目的。第三個層次是服務平臺。工業以太網、無線網、物聯網、新一代網絡等已經在工業云、電子商務、工業大數據等領域得到了應用。為智能服務提供支撐。第四個層面是制造新的制造方式，通過云計算、大數據、電子商務等技術手段，實現智能制造、流程智能制造、個性化定制、網絡化協同制造、遠程運維服務等新的制造方式。第五層是在典型的離散制造和過程產業中，以上級別的技術內容的實施和應用。并提出了支撐智能制造各層面發展的技術與標準。信息安全和功能安全，智能管理和運維系統。

4.3 工業軟件

從財政稅收、人才培養、知識產權保護、產業服務體系和軟件貿易等幾個角度出發，提出了促進工業軟件產業發展的對策。通過聯盟、論壇等形式，支持企業與生產企業進行技術交流和需求對接，并進行產業軟件的研發，以提高企業的定制和二次開發能力。大力發展新的產業軟件，促進5G技術的發展和應用，促進5G技術的發展和應用。當前我國許多工業企業在制定智能制造標準時，忽視了其對社會的要求。除了這些，還有很多先進的研究技術，隨著智能制造技術的發展，智能制造的流程也在發生著變化，傳統的智能設計和工藝已經不能滿足智能制造的要求，所以大數據挖掘技術和人工智能技術已經成為智能制造應用的重要輔助手段。

5 結束語

智能化制造是發展的大勢所趨，而標準化則是推動智能化生產的一個重要因素。文章對智能制造的內涵、技術因素進行了討論，并就目前的智能制造規范提出了自己的看法和建議，對今后的研究具有一定的參考價值。