智能制造的内涵和特征

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1、智能制造的内涵和特征摘要本章阐述了智能制造的内涵，给出了智能制造的定义，分析了智能制造 的建设目标，梳理了智能制造的技术体系，最后总结了智能制造的系统特征并， 就智能制造相关问题进行了探讨。一、制造与智能智能制造(IM, Intelligent Manufacturing)通常泛指智能制造技术和智 能制造系统，它是人工智能技术和制造技术相结合后的产物。因此，要理解 智能制造的内涵,必须先了解制造的内涵和人工智能技术。制造是把原材料变成有用物品的过程,它包括产品设计、材料选择、加 工生产、质量保证、管理和营销等一系列有内在联系的运作和活动。这是对制 造的广义理解。对制造的狭义理解是指从原材料到成

2、品的生产过程中的部分工 作内容,包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体环节。对制造 概念广义和狭义的理解使“制造系统”成为一个相对的概念,小的如柔性制造单 元(FMC, Flexible Manufacturing Cell)、柔性制造系统(FMS, Flexible Manufacturing System),大至一个车间、企业乃至以某一企业为中心包括其供 需链而形成的系统，都可称之为“制造系统”。从包括的要素而言，制造系统 是人、设备、物料流/信息流/资金流、制造模式的一个组合体。人工智能( AI，Artificial Intelligence )是智能机器所执行的与人类智能

3、有关的功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学 习和问题求解等思维活动。人工智能具有一些基本特点，包括对外部世界的感知能力、记忆和思维能力、学习和自适应能力、行为决策能力、执行控 制能力等。一般来说，人工智能分为计算智能、感知智能和认知智能三个阶 段。第一阶段为计算智能，即快速计算和记忆存储能力。第二阶段为感知智 能，即视觉、听觉、触觉等感知能力。第三阶段为认知智能，即能理解、会 思考。认知智能是目前机器与人差距最大的领域，让机器学会推理和决策异 常艰难。将人工智能技术和制造技术相结合，实现智能制造，通常有如下好处：（1）智能机器的计算智能高于人类，在一些有固定数学优化

4、模型、需要 大量计算、但无需进行知识推理的地方，比如，设计结果的工程分析、高级 计划排产、模式识别等，与人根据经验来判断相比，机器能更快地给出更优 的方案，因此，智能优化技术有助于提高设计与生产效率、降低成本，并提 高能源利用率。（2）智能机器对制造工况的主动感知和自动控制能力高于人类，以数控 加工过程为例，“机床/工件/刀具”系统的振动、温度变化对产品质量有重要影 响，需要自适应调整工艺参数，但人类显然难以及时感知和分析这些变化。因此 应用智能传感与控制技术，实现“感知分析决策执行”的闭环控制，能 显著提高制造质量。同样，一个企业的制造过程中，存在很多动态的、变化的 环境，制造系统中的某些要

5、素（设备、检测机构、物料输送和存储系统等）必 须能动态地、自动地响应系统变化，这也依赖于制造系统的自主智能决策。（3）随着工业互联网等技术的普及应用，制造系统正在由资源驱动型向 信息驱动型转变。制造企业能拥有的产品全生命周期数据可能是非常丰富 的，通过基于大数据的智能分析方法，将有助于创新或优化企业的研发、生产、 运营、营销和管理过程，为企业带来更快的响应速度、更高的效率和更深远的 洞察力。工业大数据的典型应用包括产品创新、产品故障诊断与预测、企业供需 链优化和产品精准营销等诸多方面。由此可见，无论是在微观层面，还是宏观层面，智能制造技术都能给制 造企业带来切实的好处。我国从制造大国迈向制造强

6、国过程中制造业面临 5 个转变：产品从跟踪向自主创新转变；从传统模式向数字化、网络化、智能化的转变；从粗放型向质量效益型转变；从高污染、高能耗向绿色制造转变； 从生产型向“生产+服务”型转变。在这些转变过程中，智能制造是重要手段。 在“中国制造2025”中，智能制造是制造业创新驱动、转型升级的制高点、突 破口和主攻方向。二、智能制造概念的产生与发展国际上智能制造的研究始于 20 世纪七八十年代，智能制造领域的首本 研究专著1于1988 年出版，它探讨了智能制造的内涵与前景，定义其目的是 “通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造技工 们的技能与专家知识进行建模，以使智能机

7、器能够在没有人工干预的情况下进行 小批量生产 ”。1989 年，Kusiak 出版专著Intelligent Manufacturing Systems 2，并于次年创办智能制造领域著名的国际学术期刊 Journal of Intelligent Manufacturing 3。20世纪90年代初，日本提出了“智能制造系统IMS”国际合作研究计 划，其目的是把日本工厂的专业技术与欧盟的精密工程技术、美国的系统技 术充分地结合起来，开发出能使人和智能设备都不受生产操作和国界限制， 且能彼此合作的高技术生产系统。美国于 1992 年执行新技术政策，大力支 持包括信息技术、新的制造工艺和智能制造技术

8、在内的关键重大技术。欧盟 于 1994 年启动新研发项目，在其中的信息技术、分子生物学和先进制造技 术中均突出了智能制造技术的地位。这段时期，由于人工智能进展缓慢，智 能制造技术未能在企业广泛应用。21 世纪以来，在经历一段时间的沉寂后，智能制造又蓬勃发展起来。美国 以智能制造新技术引领“再工业化”，2011 年 6 月，启动包括工业机器人在内 的“先进制造伙伴计划”；2012 年 2 月，出台“先进制造业国家战略计划”， 提出建设智能制造技术平台以加快智能制造的技术创新20；1 2年3月， 建立全 美制造业创新网络，其中智能制造的框架和方法、数字化工厂、 3D 打印等均被列为优先发展的重点领

9、域。德国通过政府、弗劳恩霍夫研究所和 各州政府合作投资于数控机床、制造和工程自动化行业的智能制造研究。 2011年，日本发布了第四期科技发展基本计划，在该计划中主要部署了多功能 电子设备、信息通信技术、测量技术、精密加工、嵌入式系统等重点研发方 向；同时加强智能网络、高速数据传输、云计算等智能制造支撑技术领域的 研究。2012年，美国通用公司提出“工业互联网(Industrial Internet)”，通过它将智能设备、人和数据连接起来，并以智能的方式分析这些交换的数据从， 而能帮助人们和设备做出更智慧的决策AT&T、思科、通用电气、IBM和英 特尔随后在美国波士顿成立工业互联网联盟5，以期打

10、破技术壁垒，促进物 理世界和数字世界的融合，目前，该联盟的成员已经超过 200 个。在 2013 年 4 月的汉诺威工业博览会上，德国政府宣布启动“工业 4.0(Industry 4.0)”国家级战略规划，意图在新一轮工业革命中抢占先机，奠定德国工业在国际上的领先地位。“工业.0”通过利用信息-物理系统(CPS, Cyber-Physical Systems)，实现由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转 变，其目标是建立高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式， 推动现有制造业向智能化方向转型。在中国，“智能制造”的研究问题于1988 年首次在国家自然科学基金委(NSFC)提出，并于

11、1993年设立NSFC重大项目“智能制造系统关键技术”，之后相关的理论研究一直在进行，但大规模的应用探索研究并未开2展01。0 年， 国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定中首次将“智制能造及装 备”列为高端制造装备中的重点发展领域。之后，智能制造技术被列入国家“十二五”规划、国家中长期发展规划优先发展和支持的重点领域并，制定了智能制造装备产业“十二五”发展规划和智能制造科技发展“十二五” 专项规划。2015 年，国务院正式发布中国制造2025，在“战略任务和重点” 一节中，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

12、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。”纵观智能制造概念与技术的发展，经历了兴起和缓慢推进阶段，直到2013 年以来的爆发式发展。究其原因有很多，其一，近几年来，世界各国都 将“智能制造”作为重振和发展制造业战略的重要抓手；其二，随着以互联 网、物联网和大数据为代表的信息技术的快速发展，智能制造的范畴有了较 大扩展，以CPS、大数据分析为主要特征的“智能制造”已经成为制造企业 转型升级的巨大推动力。三、智能制造的定义关于“智能制造”一词的定义非常多，下面列举了其中一些定义：（1）1991 年，日、美、欧共同发起实施的“智能制造国际合作研究

13、计 划”中定义“智能制造系统是一种在整个制造过程中贯穿智能活动，并将 这种智能活动与智能机器有机融合，将整个制造过程从订货、产品设计、 生产到市场销售等各个环节以柔性方式集成起来的能发挥最大生产力的先 进生产系统”。（2）百度百科中“智能制造”一词采用了路甬祥报告中的定义6，“一种由 智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进 行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合 作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制 造自动化的概念更新、扩展到柔性化、智能化和高度集成化”。（3） 2011年6月，美国智能制造领导联盟SM

14、LC, Smart Manufacturing Leadership Coalition）发表了实施21世纪智能制造报告。定义智能制造 是先进智能系统强化应用、新产品制造快速、产品需求动态响应，以及工业 生产和供应链网络实时优化的制造。智能制造的核心技术是网络化传感器、 数据互操作性、多尺度动态建模与仿真、智能自动化，以及可扩展的多层次 的网络安全。（4）在中国智能制造科技发展“十二五”专项规划中，定义智能制 造是“面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造，是在现代 传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上， 通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设

15、计过程智能化、制 造过程智能化和制造装备智能化等。智能制造系统最终要从以人为主要决策 核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行转变”。(5) 在中国2015 年智能制造试点示范专项行动实施方案中，定义智 能制造是“基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动 各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能 的先进制造过程、系统与模式的总称。具有以智能工厂为载体，以关键制造 环节智能化为核心，以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征，可 有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、降 低资源能源消耗”。(6) 2015年12月，国家智能制造标准体系建设指南(2015 年版)提 出了智能制造系统架构模型，该模型从生命周期、系统层级和智能功能三个 维度来阐述智能制造的内涵，所构建的智能制造标准体系结构包括基础共性 标准、关键技术标准和重点行业标准三大部分，其中，关键技术标准包括智能 装备、智能工厂、智能服务、工业软件和大数据、工业互联网5 个部分。从上 述定义可以看出，随着各种制造新模式的产生和新一代信息技术的 快速发展，智能制造的内涵在不断变化，人工智能的成分在弱化，而信息技 术、网络互联等概念在强化，同时，智能制造的范围也在扩大，横向上从传 统制造环节延伸到产品全生命周期，纵向上从制造装备延伸到制造车间、制 造企业甚