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1、产品智能化的特征分析与结构框架 方毅芳 宋彦彦 杜孟新 吴亚平 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 摘 要： 智能产品和智能装备是智能制造的重要内容和最终载体。通过先进制造技术、新一代信息技术以及人工智能技术在终端产品与制造装备的深度集成, 智能产品与装备是实现高效、高质、低耗以及生产、服务智能化升级换代的重要保障。本文梳理了国内外能制造智能产品的发展现状, 提出了智能制造发展需求下产品智能化的 8 个基本特征, 并基于此构建了智能产品的基本结构框架, 为产品智能化改造升级提供指引, 推动智能制造发展。关键词： 产品; 智能化; 基本特征; 结构框架; 作者简介：方毅芳, 博士, 工程师, 主
2、要从事智能制造、大数据可视分析、战略规划等方面研究。参加 IECTC65/AHG3 等标准工作组。担任智能制造专项智能化产品术语和通用技术要求标准研究和试验验证项目课题负责人, 参与智能制造工业云、大数据标准研究和试验验证项目研究, 参与“京津冀联网协同制造示范行动实施方案”、“北京市智能制造创新中心建设实施方案”等战略研究。Analysis of Characteristics and Structure Framework of Products IntelligentializationAbstract： Intelligent products and equipment are th
3、e core content and end-supporter of intelligent ma nufacturing. With the deep integration of advanced manufacturing, ICT and AI technology in the fields of end products and manufacturing equipment, intelligent products provide important guarantee to achieve high-efficiency, high-quality, low-consump
4、tion and intelligent services. Therefore, after reviewing the latest study status of intelligent manufacturing at home and abroad, this paper proposes eight basic characteristics of product intelligetialization under the needs of i ntelligent manufacturing, then to est ablish the structure system of
5、 intelligent products based on these characters, which will provide guidelines for product intelligentialization and development of intelligent manufacturing.Keyword： Product; Intelligentialize; Basic characteristics; Structure system; 产品与装备智能化是智能制造的重要内容。智能制造除了要重点推进生产过程智能化的建设发展外, 还要通过不断提升终端产品的智能化水平,
6、 从而对社会经济、人民生活的各领域产生直接、实质的影响。因此, 智能产品和智能装备对促进制造业智能化转型发展具有重要意义。1 智能产品的研究现状关于智能产品的实践探索与研究很早便已开始。当前, 世界各主要工业化国家纷纷推行智能制造建设, 都将智能产品与智能装备作为重要的实践研究内容。美国自 2011 年起提出了“先进制造伙伴计划”, 智能制造装备与产品得到高度重视, 围绕增材制造、先进传感器、数字化创新与设计 (DMD) 、机器人 (ARM) 等先后设立研究计划。德国 2014 年正式提出“工业 4.0”战略, 将智能工厂、智能产品作为两个核心发展主题。日本 2015 年提出的“机器人新战略”
7、, 计划通过大力发展机器人产业继续稳固本国的制造业水平。在 2015 年 5 月我国发布的中国制造 2025中已明确提出:“加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展, 把智能制造作为两化深度融合的主攻方向;着力发展智能装备和智能产品, 推进生产过程智能化, 培育新型生产方式, 全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。”因此, 智能产品与智能装备是我国建设智能制造的核心主题。基于上述智能产品发展现状, 本文将提出智能制造领域下智能产品的基本特征与结构框架, 为产品和装备智能化发展提供参考。2 智能产品的基本特征2.1 智能产品的研究范畴本文提出的智能制造领域的智能产品研究范畴包括:(1)
8、 从智能产品的内涵而言, 智能产品的核心体现为“智能”, 不同领域对于“智能”的理解不尽相同。对于智能制造领域而言, “智能”主要指对象 (器件、设备、终端) 对客观事物进行合理分析, 判断及有目的地行动和有效地处理周围环境事宜的综合能力。智能至少包括:1) 获取、采集与传输信息的能力;2) 通过自我调节、诊断以适应环境、保证正常运行的能力;3) 理解、分析数据和决策、执行以解决问题、提供服务的能力;4) 归纳推理能力和演绎推理的能力。(2) 从智能产品的外延而言, 通过已有研究和实践分析, 智能产品很难进行直接定义, 因此通过实际应用过程中产品展现的具体功能与智能化相关特性, 可以简介阐述智
9、能产品的外延。智能制造领域中, 智能产品是能够实现产品的预期功能, 且具备一项或多项智能特性的智能装置、智能设备或智能终端, 不同的智能产品拥有不同的智能等级。(3) 从智能产品的对象范围而言, 分为部件级、系统级、终端级 3 个层级。1) 部件级智能产品主要包括关键基础零部件与通用部件, 如液压、液力、气动和密封元件, 精密、重载轴承, 精密、重载齿轮传动装置、泵、阀门, 仪器仪表与控制仪器等。2) 系统级智能产品主要是指智能装备, 根据工信部发布相关文件, 我国智能制造装备主要包括高档数控机床与工业机器人、增材制造装备、智能传感与控制装备、智能检测与装配装备、智能物流与仓储装备 5 类关键
10、技术装备。3) 终端级智能产品指生产制造和生活服务用的各类智能终端, 如可穿戴设备、智能电子产品、智能家电等。2.2 产品智能化的基本特征辨析不同的产品或同样产品在不同时期会处于不同的智能水平。基于前文对智能、智能产品的基础研究, 本文提出产品的智能化能力层次主要分为基础智能、系统智能、交互智能 3 个智能化层次, 并总结了 8 项产品智能化的基本特征。智能化功能可以表现为具体的产品功能, 依据产品智能功能所体现的智能特征的不同程度, 可以进行产品的智能化水平评估。产品智能化的特征如图 1 所示。图 1 产品智能化水平的“金字塔”层次结构 下载原图(1) 基础智能实现产品数据的泛在采集与感知;
11、对数据进行集成与统计分析, 实现设备自诊断与产品自适应、自决策;对应于智能特征中的感知、监测与控制、互联与集成、适应与优化。(2) 系统智能通过机器学习、数据挖掘, 获取、分析用户行为、产品偏好信息, 实现产品自学习与自适应;对应于智能特征中的交互与协同、数据与信息服务。(3) 交互智能通过人工智能、大数据分析, 建立智能化人机交互系统, 实现产品与用户需求的高效、智能匹配;对应于智能特征中的人工智能。基于上述智能特征及具体产品的智能功能, 形成智能制造的新兴商业模式。结合产品智能化的层次模型, 可得出智能产品包括 8 个智能特征:(1) 感知基于自动识别、泛在互联与数据通信技术, 能够实现对
12、自身状态、内部与外部环境变化的感知。(2) 监控基于产品感知与适应优化的数据处理结果, 产品进行监测与监控的相关功能。(3) 适应与优化能够根据感知的信息调整自身的运行模式, 使装备 (产品) 处于最优状态。(4) 互联互通通过标准数据结构和开放数据接口等, 实现产品与 (子) 系统、制造设备、产品零部件之间的数据传送和功能集成。(5) 人机交互能够实现产品与产品、产品与系统、产品与用户之间的高效对话, 快速、准确地满足用户信息交互需求, 以及设备、产品接受与理解操作者、用户, 实现高效人机交互、人机协同的能力。(6) 数据信息服务面向产品全生命周期, 采集智能产品在生产、使用各环节关键流程节
13、点、环节的数据与信息, 实现基础零件配件、部件到成品、服务每个环节的信息可溯源、深度挖掘等增值管理。(7) 人工智能智能产品基于其内部的软硬件组件或系统级的交互过程, 模拟人的某些思维过程和智能行为 (如学习、推理、决策、记忆等) 。(8) 基于产品的新兴商业模式制造企业由单纯销售产成品延伸到了提供服务混合包的明显趋势, 也就是将产品与服务相结合以向终端用户不断提供新的价值增长点。其中, 数据和信息为基础智能层次, 包括智能产品及其系统的感知、监测监控、适应与优化, 高度智能化的产品可以实现自感知的信息获取、自诊断的信息分析、自适应的行为映射;提取知识为系统智能层次, 包括系统互联互通、数据信
14、息服务, 典型的智能产品功能包括数据溯源、信息融合、信息安全等增值服务;形成智能认知为交互智能层次, 包括人机交互、人工智能, 基于人工智能、协同技术实现智能化人-机交互、机-机交互、自学习、自进化能力。3 智能制造产品的基本结构/体系框架结合如上得出的智能制造产品基本特征, 可以得出智能化产品的基本结构主要包括:感知与通信子系统 ( (1) ) 、监测监控子系统 ( (2) ) 、数据分析与优化子系统 ( (3) ) 、人机接口 ( (4) ) 、数据跟踪记录 ( (5) ) 、人工智能子系统 ( (6) ) 构成, 其模型如图 2 所示。(1) 感知与通信子系统感知与通信子系统负责智能化产
15、品内部及其与外部的状态感知、数据通信。其中, 感知子系统是智能化产品实现自感知的必要条件。将被测的物理量、化学量或生物量转变成电信号, 经调理和数字化后供数据处理单元使用。通信子系统连接智能化产品和外部系统的桥梁, 是实现互联互通功能的必要条件。通过接口 (数字通信链路) 传递测量和控制数据, 也提供了智能化产品组态数据的存取。感知与通信子系统的感知与信息通信对象包括智能化产品内部的组成元件、部件, 也包括智能化产品所处的外部环境、关联设备与外围装置。图 2 基于智能化基本特征的智能产品逻辑结构 下载原图(2) 监测监控子系统为执行特定的系统任务, 实时监测产品运行状态与所处环境, 并能够依据
16、程序自动调整自身运行状态或 (与) 切换工作模式, 保证产品及其系统安全、高效运转。智能产品的状态监控通常仅需要少量或不需人工操作。监控的内容包括产品系统整体运行工况、产品内部核心装置的运转状态、产品所处环境的变化状态等。(3) 数据分析与优化子系统数据处理子系统为人、通信接口和 (或) 电输出子系统的实时应用提供数据存储、分析、优化处理等功能, 是智能化产品进行监控、自适应与优化的核心。这些功能可以存在于各个独立的系统元件中, 也可以与其他功能结合在一个多功能元件。或链接与外部设备中 (如组态软件、服务云等) 。例如, 智能传感器通常在数据分析与优化部分中包括了环境条件监测、自组态、自调整和整定、自测试、自诊断、趋势记录和数据存储等功能。(4) 人机接口人机接口是智能化产品直接与操作者交互和通信的重要工具。它由读出数据 (本地显示) 、输入数据和发出请求 (本地按钮) 的集成功能模块组成。人机界面是智能化产品人机接口的普遍形式。智能化产品不配备人机界面时, 可通过通信接口、外部系统或手持终端访问内部数据。(
