關(guān)于智能制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)的探討

周曉軍，羅軍，白麗，解艷維，周學(xué)博

（1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.西部鉆探管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司，新疆 鄯善 838200；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002）

人工智能制造技術(shù)在經(jīng)歷幾十年的發(fā)展后逐步演化出了快速響應(yīng)制造、虛擬制造成多種制造模式，人工智能制造技術(shù)的快速發(fā)展使得未來制造行業(yè)會(huì)逐步向著集成化和智能化的方向發(fā)展。在智能制造技術(shù)的引領(lǐng)下，逐步出現(xiàn)了智能生產(chǎn)線、智能車間等一些概念。

1 智能制造概論

1.1 智能制造在國外的發(fā)展

國外實(shí)際上從1988 年開始就已經(jīng)開始研究智能制造，而智能制造概念首次是由來自美國的懷特和布恩教授提出的，在他們的學(xué)術(shù)研究中，對(duì)智能制造的基本設(shè)想和具體實(shí)施途徑進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。而智能制造系統(tǒng)則是在1989 年出現(xiàn)于日本，而日本也是首次在世界上誕生制造工廠的國家。德國的寶馬公司在汽車總裝中首次應(yīng)用了智能制造技術(shù)，且取得了良好的效果。

1.2 智能制造在我國的發(fā)展

我國在2015 年由國家工業(yè)部牽頭聯(lián)合中國工程院初步擬定了《中國制造2025》國家發(fā)展戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略的出臺(tái)為我國制造業(yè)未來的創(chuàng)新發(fā)展指明了方向，也進(jìn)一步支撐了制造行業(yè)中信息技術(shù)的深度融合和應(yīng)用，在該概念中，重點(diǎn)指出未來我國制造業(yè)的發(fā)展中要重點(diǎn)解決智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化制造等一些核心問題，以工業(yè)制造智能化全面推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化發(fā)展，同時(shí)，加大高端智能制造業(yè)發(fā)展，全面推動(dòng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

2 智能制造技術(shù)基本內(nèi)涵

智能制造技術(shù)的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)價(jià)值鏈的智能化，也就是說，在制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造以及裝配過程中，實(shí)現(xiàn)與云計(jì)算、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)智能技術(shù)的融合。圖1 所示為智能制造關(guān)鍵技術(shù)基本構(gòu)架圖。

圖1 智能制造關(guān)鍵技術(shù)基本構(gòu)架

3 智能制造關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

3.1 CPS 技術(shù)

構(gòu)建CPS 模型時(shí)，需要針對(duì)CPS 技術(shù)在應(yīng)用過程中技術(shù)的應(yīng)用所涉及的大量信息物理交換生的能量流動(dòng)和信息流動(dòng)進(jìn)行充分考慮。CPS 建模的關(guān)鍵在于將現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)運(yùn)作模式進(jìn)行真實(shí)再現(xiàn)。目前，在相關(guān)研究中，通過提出了連續(xù)建模、離散建模和混合建模的方法改進(jìn)后，出現(xiàn)了擴(kuò)展模型理論、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及統(tǒng)一模型理論等多種構(gòu)建CPS 模型的方法。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、傳輸協(xié)議以及擁塞控制管理是CPS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，傳輸協(xié)議重點(diǎn)是針對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃詥栴}進(jìn)行解決，通過傳輸協(xié)議，能夠讓系統(tǒng)信息傳輸中的能耗帶寬控制在最低程度。擁塞控制關(guān)鍵是針對(duì)各項(xiàng)物理參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸速率進(jìn)行解決，面對(duì)CPS 技術(shù)應(yīng)用過程中存在的網(wǎng)絡(luò)擁堵，利用不同力度時(shí)間和空間方法進(jìn)行有效消除，從而使數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性和正確性得到保障。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的感知技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)目前主要有網(wǎng)絡(luò)層、感知層和應(yīng)用層等三層構(gòu)架，與感知層相關(guān)的主要是感知技術(shù)。先進(jìn)的感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的基本前提。針對(duì)數(shù)據(jù)采集層面，各類制造設(shè)備、加工對(duì)象及設(shè)備狀態(tài)上在傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)有效識(shí)別和感知。而在當(dāng)前的制造領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集主要是通過手工、自動(dòng)化或半自動(dòng)化等方式進(jìn)行采集。手工采集仍然會(huì)涉及一些紙質(zhì)表格制作，半自動(dòng)化采集主要應(yīng)用的有條形碼、手持終端設(shè)備、二維碼等；自動(dòng)采集則主要是利用芯片卡、射頻識(shí)別和藍(lán)牙等。視頻識(shí)別由于具有非接觸、多目標(biāo)高速識(shí)別等一些優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前機(jī)械加工、質(zhì)量控制、生產(chǎn)監(jiān)控、物料運(yùn)輸以及智能倉儲(chǔ)等方面應(yīng)用非常廣泛。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)智能制造決策、優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)，也進(jìn)一步推動(dòng)了智能化工廠、數(shù)字化車間的建設(shè)。

3.3 3D 打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)的主要是利用3D 打印機(jī)和各類原材料打印出立體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的打印機(jī)相比，3D 打印機(jī)在原料輸出方面具有極大差別。從輸入材料來講，3D 打印機(jī)應(yīng)用的并不是傳統(tǒng)的墨水，而是輸入真實(shí)產(chǎn)品原材料，通過打印技術(shù)形成黏合的材料立體產(chǎn)品。在3D 打印技術(shù)的應(yīng)用過程中，應(yīng)用的材料種類最常見的有塑料、陶瓷、金屬、橡膠等。此外，一些3D 打印機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)多種材料的綜合應(yīng)用，這樣就能夠讓打印產(chǎn)品具備不同性質(zhì)。由此也可以看出，充分利用材料的組合，3D 打印機(jī)就可以打印出具有各種性質(zhì)的產(chǎn)品。目前，世界上掌握3D 打印材料最多的公司屬于以色列的Object 公司，在3D 打印技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用過程中，該公司所應(yīng)用的基本材料為14 種，而通過各種材料的自由組合可以最終形成107 種打印材料，在這種情況下，最終打印出的產(chǎn)品性能更加豐富。在農(nóng)機(jī)制造、模具制造、科研研發(fā)、產(chǎn)品升級(jí)維修等各個(gè)領(lǐng)域中3D 打印技術(shù)的應(yīng)用都非常廣泛，如圖2。作為一種新型的打印技術(shù)，在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用可以將企業(yè)的研發(fā)成本控制在最低程度，也能有效提升企業(yè)科研的研發(fā)效率。目前，我國經(jīng)濟(jì)正處在高速增長階段，在智能制造發(fā)展中，3D 打印技術(shù)的應(yīng)用能發(fā)揮出巨大作用，也可以有效地提升我國的整體科研能力。

圖2 工業(yè)3D 打印機(jī)

4 智能制造技術(shù)未來發(fā)展

4.1 智能制造未來發(fā)展

智能制造必將成為未來制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，其本身屬于一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，也是一種先進(jìn)的制造技術(shù)。在當(dāng)前制造行業(yè)的發(fā)展過程中，人工智能技術(shù)的應(yīng)用在產(chǎn)品制造全生命周期的優(yōu)勢(shì)更加明顯，人工智能制造技術(shù)的應(yīng)用使得制造業(yè)一直以來面臨著實(shí)時(shí)控制、智能服務(wù)、互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)優(yōu)化等問題得以解決。未來，智能制造的研究領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)出以下一些發(fā)展趨勢(shì)。

智能設(shè)備互聯(lián)互通。互聯(lián)互通是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，新型智能制造技術(shù)能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)之間的信息互通，而且也將使各設(shè)備互聯(lián)互通過程中的傳輸方式、通訊協(xié)議、擁塞控制等多種問題得以進(jìn)一步完善。

物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的設(shè)備實(shí)時(shí)感知、人工交互技術(shù)。智能制造設(shè)備的全面感知是建立在傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上。目前，傳感器正向著智能化、符合化和微型化的方向發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，如果能夠?qū)崿F(xiàn)智能處理、智能判斷以及自適應(yīng)等功能，必將推動(dòng)智能制造行業(yè)的快速發(fā)展。

4.2 我國智能制造的可持續(xù)發(fā)展

在《中國制造2025》中，對(duì)我國智能制造的發(fā)展做出了一些政策性指導(dǎo)，但是從總體層面看，仍然沒有實(shí)現(xiàn)細(xì)化，缺乏一定的可操作性。

鑒于此，首先，我國應(yīng)該對(duì)自身智能制造當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析，從發(fā)展基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)水平、企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、產(chǎn)業(yè)集群等幾個(gè)方面進(jìn)行全面評(píng)估，要深入挖掘自身在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

其次，要針對(duì)我國在智能制造發(fā)展過程中存在的各類問題進(jìn)行系統(tǒng)性分析。從發(fā)展水平、智能制造基礎(chǔ)理論、人才培養(yǎng)、政策支撐、自主創(chuàng)新等多個(gè)層面對(duì)我國制造業(yè)的整體發(fā)展進(jìn)行深入探討，以此為我國智能制造未來的發(fā)展找準(zhǔn)方向。

最后，找出我國智能制造可持續(xù)發(fā)展的正確路徑。一方面，要針對(duì)新興市場(chǎng)國家從產(chǎn)業(yè)政策的角度對(duì)其在同發(fā)優(yōu)勢(shì)下的產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)行全面分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自身智能制造的跨越式發(fā)展；另一方面，要針對(duì)我國智能制造的發(fā)展從實(shí)際操作層面對(duì)政策體系的構(gòu)建進(jìn)行全面分析，其中會(huì)涉及組織政策、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策、產(chǎn)業(yè)布局政策等。

5 結(jié)語

智能制造是未來制造行業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)，因此，我國制造行業(yè)在未來發(fā)展過程中要不斷加大智能制造相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，這樣才能推動(dòng)我國制造強(qiáng)國夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)。