智能制造技術在工業設計中的應用及其發展趨勢

邵 菲， 袁新林

（常州大學美術與設計學院， 江蘇 常州 213159）

0 引言

“制造大國”中國一直堅持推進制造技術的創新，幾十年來，制造融合了信息技術、邊緣計算技術、網絡安全技術等技術，并逐漸轉變為“智造”。為了快速發展經濟，需要充分利用和挖掘技術價值，對中國制造智能化的前景作出合理的展望，并投入實踐。智能制造融入了設計，通過技術賦能，為設計領域提供有益的幫助，實現了突破性的進展。

1 工業設計的主攻方向——智能制造

隨著中國發展逐步進入高質量發展階段，制造業成為中國經濟發展的核心力量。工業設計領域也受到了一定的影響，在近些年的發展中愈發重視對智能制造的創新發展。“智能制造”向前追溯是以計算通信為特征的數字化制造，這是一個受到重視的時代性話題。發展至今，成為了網絡化制造的局面。發展智能制造，是中國制造業提高自身競爭力的重要手段，也是工業設計領域發展的重點之一，因此智能制造已經成為了工業設計的主攻方向[1]。

1.1 中國“智能制造”的提出及其智能化內涵

在我國工業和信息部發布的智能制造發展規劃中，智能制造被視為新時代發展的重要組成部分，它將通信技術與先進制造技術有機結合，使得生產方式變得更加多元化，可以在設計、生產等各個環節實現高效率、高質量的運行。

智能制造不僅涉及到技術的創新，還涵蓋了對先進制造系統的深入研究和開發。其中智能制造技術需要通過一代又一代的技術創新來完成，技術的創新中不乏無線傳感技術、射頻識別技術、互聯網技術等技術，這些技術都是智能制造需要實現的目標。企業通過一種全新的生產方式，借助智能制造系統，實現產品的智能化，將傳感器等傳輸系統融入產品。通過工業機器人等設備的應用，解決生產的效率問題。

1.2 中國智能制造在工業設計中的現狀

對于我國制造業來說，制作成本一直是一個影響發展的關鍵因素。制造過程中的核心裝備以及零部件由于受到限制，國產的裝備很難在短時間內起到替代作用，這就造成國內制造業的成本一直居高不下。由于成本的原因，而導致工業設計的產品制作成本過高，難以大量生產進而投入市場使用。由于國內租金、生產成本高的原因，一些負責設計和生產的企業也正在向印度、越南等地遷移。

企業的規模也影響著中國智能制造業的發展。對于大型企業來說，他們可以申請各類基金項目來獲得經濟的支持以此支撐完成智能制造的目標。而中小型企業很難像大企業一樣展開大規模的智能型改造，他們面對的是更多的成本和風險。在很難控制的情況下，這些小型企業可能會因為開發的失誤而面臨破產。

2 借助智能制造中的網絡技術發展工業設計

近年來，智能制造技術的發展對工業設計領域無疑是一個巨大的幫助。在實現智能化設計和生產的目標時，引入了一系列的數字化設備，使得設計和生產的信息技術資料能夠被有效地保存下來。一些前沿的網絡信息技術，如虛擬網絡- 實體物理技術、防火墻網絡安全技術、無線傳感網絡技術、射頻識別無線通信技術等，都對工業設計的發展作出了一定的貢獻。

在這些技術的帶領之下，工業設計迎來了智能化設計的時代，通過技術賦能讓設計和計算機網絡緊密的聯系在一起，實現了高效的設計。

2.1 虛擬網絡- 實體物理技術

信息物理融合系統（Cyber-Physical System，CPS）也被稱為“虛擬網絡- 實體物理”生產系統。這種系統主要是通過三類技術的有效融合去實現的，包括了計算機技術、通信技術和控制技術，簡稱3C。CPS 系統通過計算和通信技術賦予實物生產系統新的能力，同時實現高效和可靠。構建一個信息物理融合系統需要兩個維度。第一個維度為物理上的維度，指的是生產所用的材料、機器、工具等等。第二個維度則是代表信息，比如使用者的需求、設計信息、設計要求、生產經費等等。

中建鋼材有限公司就是通過這種CPS 系統來滿足公司裝配建筑材料的生產需要。借助中國電信CPS的構架，制定了新型的大規模的生產模式。在數字化設計上實施確切的解決方案，憑借智能的數字化技術來決策并分配下發任務，對客戶的設計需求進行隨時的跟蹤，實現了設計、制造、服務的一體化，提高了生產效率，減少了產品交付周期的時間。

2.2 防火墻網絡安全技術

網絡安全技術的原理包括很多內容，由安全策略、密碼學、操作系統等內容共同組成。在內部網的隔離上會使用防火墻的技術，將計算機軟件和硬件結合起來建立一個安全網，以此來保護內部網不會受到外來用戶的入侵。

網絡安全主要指的是網絡系統中的軟件、硬件以及重要的數據得到一定的保護，不會因為莫名的問題而被破壞或者竊取，始終能夠正常運行。為了保證制造過程中的網絡安全，需要指定切實的網絡安全計劃，包括了數字供應網絡、供應商處理和智能工廠的建立。

對比近幾年工業設計的發展，傳統的技術早已不適應當前互聯網高速發展的現狀，如今智能家居的大熱彰顯了網絡安全的地位。將互聯網安全和家居結合在一起，不僅使人們的日常生活變得更加便利，也能保障人們使用時的網絡安全。網絡安全作為智能家居的核心要素，只有將安全問題徹底解決，人們才能更放心地使用智能家居。

2.3 無線傳感網絡技術

無線傳感網絡是一種由許多自動裝置組成的無線計算機網絡，主要是由感應、通信和計算構成的。這些自動裝置分布在空間中，可以利用傳感器來觀察環境，監測的內容大致有溫度、聲音或者污染狀況等等。各種類型的傳感器可以被用于探測地震、監測溫度、觀察移動的物體等多種現象。

無線傳感網絡技術在交通管理系統中有著廣泛的運用。利用傳感器可以對道路車輛實施實時的監控，對緩解城市交通問題有一定程度上的幫助。傳感器也具有報警功能，如果發生安全事故、違規行為，傳感器會及時傳輸信息并報警，確保交通安全性，使車輛行駛更加規范。在道路的兩邊裝上傳感器，可以通過無線傳感網絡監測交通自然環境，包括路況、積水、粉塵、噪聲等，既可以保障交通安全，也可以滿足環保要求[2-3]。

2.4 射頻識別網絡技術

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種無線通信技術。射頻識別技術是具備自動識別功能的技術，利用自動識別的技術將數據進行無線電信號的輸入，整個過程不需要進行化學的接觸。這種技術深受人們的喜愛，被廣泛運用于日常生活中，被人們認為是具有巨大發展潛力的技術之一。

在工業設計領域范圍內，經濟生產過程中需要使用到的產品受到很大程度上的重視，其中就有常見的安全用品——安全帽。在工地安全事故中，工人對自己的保護是十分有限的，僅僅是使用傳統的安全帽進行保護。傳統的安全帽具有一定程度上的使用不便和安全隱患，有時很難達到保護工人安全和施工管理的目的。而加入RFID 技術的智能安全帽可以實現實時定位的功能，能夠解決普通的GPS 系統定位信息不準確的問題。采用RFID 技術的安全帽能夠進行對移動物體的自動識別，實現精準定位。除此之外，還有低成本、廣范圍、無需干預等優點。多功能安全帽通過RFID 技術建立考勤系統和測溫系統，在工作之余能夠計算工人工作時間，查看工人行動的軌跡。同時進行人體體溫測量，實時監測人體健康，提醒工人體溫過高或過低，及時休息，有效保證了人員的安全[4]。

3 智能制造技術助力工業設計發展相關產業集群

3.1 工業設計產業集群概述

智能制造技術在工業設計中得到了一定的發展，逐漸形成了相關的產業集群。智能制造作為主攻方向，和傳感器、人工智能、云計算、邊緣計算等產業密切相關，促進工業設計在產業集群上的建設。其中人工智能和傳感器產業作為智能制造的核心技術，未來的發展空間巨大。利用這些新型產業，可以實現實時的網絡互聯，建立起網絡的大環境，幫助工業設計占據市場發展的經濟地位。

3.2 新型工業設計產業集群

3.2.1 傳感器產業

傳感器產業是聯合萬物和智能產業的基礎部分，對帶動全產業領域的發展具有推動作用，還會帶動電網、移動設備以及工業設計產品制造的快速發展，為新經濟的增長提供無限動力。

在工業設計領域中，傳感器是智能產品中的核心部分。在許多高端電子物理系統中也是如此，例如智能網聯汽車、智能家居、移動網絡終端等等。傳感器影響著系統的品質、能力等多方面的好壞，扮演著系統中十分重要的角色。以智能產品中的手機為例，手機中使用到的傳感器約有十幾款，其中攝像頭、麥克風、天線、觸摸屏等部件分別使用了圖像、聲音、信號、壓力等各類傳感器，傳感器的功能會直接影響到手機的品質和用戶的使用體驗[5]。

屬于傳感器產業中的微機電系統是世界關注的科技領域之一，中國在微機電上的發展迅速，涌現了不少國內著名的上市公司。其中歌爾聲學公司主要是生產麥克風，是微型麥克風領域的領先公司。漢威電子主要生產氣體傳感器，該氣體傳感器適用于各種監測產品以及一些智能穿戴設備等。

3.2.2 人工智能產業

目前來看，人工智能主要涉及醫療、交通、家居、金融、游戲等領域，旨在發展智能語音處理、智能金融、量子智能、機器學習等關鍵技術。把人工智能技術應用到使用場景中，能夠大力推動工業設計發展。常見的工業和服務機器人擁有著工業互聯網、智能機器人及自動化產業的領先水平。此外人工智能在汽車自動駕駛的開發中也顯得極其重要，將人工智能應用于汽車自動駕駛，主要是將計算機視覺和機器學習與GPS 定位技術、傳感器技術、大數據技術等進行有機融合，以此實現汽車的自感知、自學習、自適應和自控制，實現對汽車的自動化、智能化控制[6]。

3.2.3 云計算產業

我國的云計算產業發展趨勢良好，產業進入了相對成熟的發展期，產業結構基本穩定，設施集群分布明確。國內云計算領域中有著領先的企業，他們不斷提高創新能力和計算能力，產品應用范圍也在逐步擴大，是我國發展數字化經濟的重要支撐。

我國推動云計算發展的主力軍是基礎設施，即服務的運營維護。支撐著云計算進一步發展的動力是數據中心，這也是運營商的一個優勢。目前我國的三大運營商是中國電信、移動和電信，他們在部分地區建設了數以萬計的具備服務器的數據中心。這些運營商的數據中心為全國的信息業務提供了便利，這也是運營商在云計算產業中的一大賣點。

3.2.4 邊緣計算產業

邊緣計算是在物體周圍或者是數據源附近完成網絡的集成和信息的計算、儲存及應用的開放平臺。通過就近提供服務，來滿足信息連接、實時傳輸和隱私保護的需求。隨著5G 時代的到來，邊緣計算的整體市場中得到了大幅度增長。

我國的邊緣計算產業以建設邊緣計算平臺為媒介，促進邊緣計算產業健康發展，以此完成產業應用的實踐，至今已經涉及能源與電力、信息和通信技術、工業設計等眾多行業領域。在國際電工委員會的支持下，建立了智慧工廠，邊緣計算在國際組織的支持下得到了進一步的推廣。5G 時代、5G 網絡為邊緣計算應用提供了助力，使邊緣計算運用于智能駕駛、智慧醫療、工業互聯網等領域。

4 智能制造技術對工業設計的影響

4.1 智能管理推動工業設計產業園區建設

智能制造的發展推動我國經濟發展，是工業設計行業發展的動力源泉。通過構建完善的智能制造裝備、使用先進制造技術，引領工業設計產品走向規模化、智能化和專業化。更多的產業園區能滿足設計和制造的需求。例如華之翼無人機園區，它的理念是專業化、規模化、品牌化，其宗旨旨在構建一個無人機的全套業務系統和完整的無人機生產系統。園區利用專業化的手段，結合國內外的先進技術形成產業的集聚，構建完整系統的無人機產業系統，最終建立了一個在發展潛力上、專業化程度上都較為領先的無人機產業園區。園區的建設為無人機的研發和設計提供了大量空間，寬裕的空地有利于無人機的試飛和練習，促進了設計的多元化。

設計產業園區的建設可為產品試驗提供專用的區域和場所，為產品的試用、試驗提供專業的服務，未來設計行業的空間巨大。除此之外，產業園會配備專業的科研人才和設計環境，具有發展工業設計的雄厚基礎和優勢條件。

4.2 智能輔助技術轉變工業設計思維與設計方法

隨著智能技術的發展，越來越多的計算機技術輔助系統也誕生了，這使工業設計方法發生了轉變。設計師不再依賴手繪的草圖去表達設計想法，他們學會了合理運用輔助表現方式，利用圖片生成軟件，營造一種較為直觀的感覺，這種視覺感可以幫助設計師更有效地思考。除此之外，也會使用一些根據遺傳算法而生成的輔助評價系統，可以幫助設計師擺脫固有經驗的限制，產生一些新型的配色方案[7]。

通過建設一些產品服務系統，可以幫助設計師進行自主化設計。在這種發展情況下，工業設計方法變得愈發多樣化，設計思維更加活躍。利用產業系統化設計思想結合設計師敏銳的觀察力，能夠進行充分地思考，在這過程中找到創意的解決方案。

在尋找設計痛點的初期可以借助一些數據分析的手段，通過大數據的收集對用戶進行需求分析，解決設計中的缺點，滿足人們對各種工業設計產品的需求。

4.3 智能服務打造人類新生活

在技術不斷創新的今天，智能工廠、城市的智能交通管理系統、先進的智能工作機器人、學校的快遞收件送件系統、智能互聯家居無不傳遞著智能制造的便利。當智能設備走進生活的日常中，人們生活的方式也開始發生了一些微妙的變化，智能家居記載著人們的喜好和習慣，為使用者提供了便利[8]。

智能制造為工業設計產品的實現提供了支撐,在工業設計領域中，工業產品被賦予各具特色的能力，以此滿足人們對智能化產品的需求。

5 智能制造在工業設計中的發展趨勢

“互聯網+制造”的模式是未來十年內中國發展的重點之一，5G 技術的推廣能幫助企業確立競爭的優勢，5G 的應用將開啟一個全新的智能化制造的時代。5G 技術有著低延時、廣連接的優勢，能夠把分布廣泛、零散的信息收集起來，建立起統一的網絡平臺。將互聯網和智能制造融合在一起，協同制造的新模式，能幫助中國智能制造行業創建一個專業的網絡體系。

工業設計的發展在智能、系統以及細節上的設計體現得較為明顯，未來的發展趨勢呈現出多元化的特點，工業設計產業的系統化規劃、智能技術開發會將這個領域推向一個創新發展的高峰，巨大的投入給設計的進步提供了強大的動力[9]。

我國目前也正在由制造業強國向工業化設計、智能制造大國的繼續奮進中。市場的建設也促進了工業產品設計的不斷優化，為了順應新時代，滿足現代人的物質文化需要，工業產品設計也同樣推動著世界范圍的市場經濟進一步快速發展。同時，在工業設計領域，設計師也是越來越關注人的感受和需要，強調個性化設計，將商品的內在特性、情感因素與當代的智能化功能結合到一起。所以，工業設計能力的持續提升，離不開設計者、生產者、消費者群體及政府部門等多方的共同投入，如此才能促進工業設計能力與產品品質的持續提高和改善。

6 結語

在國民經濟快速發展的今天，人們對工業制造的要求越來越高，與此同時智能制造的發展情況、核心技術的研發程度成為我國經濟核心競爭力的主要要素。尤其是在云計算、邊緣計算、網絡安全等方面加快了推進的步伐，使得智能制造走在了工業設計與制造領域的前沿。在未來的智能制造時代，工業制造將擁有更多的優秀人才和優良技術，從而實現智能制造技術的全面運用，推動向智能化生產邁進的步伐[10]。