天津大學機械工程學院機械工程系教授 郭偉
一、智能制造發(fā)展及認識
1.智能化需求
（1）智能化是科技創(chuàng)新的發(fā)展方向
如今越來越多的信息隨手可得，但為什么我們卻感覺更加茫然和無知？這是一個信息檢索和知識發(fā)現(xiàn)的問題,其背后的深刻含義是：信息化是基礎(chǔ)，智能化是信息化發(fā)展的高級階段。
21世紀是生物科技的時代，隨著基因、腦神經(jīng)、認知等生命科學研究的逐步深入，智能科學正一步步揭開神秘的面紗，成為21世紀基礎(chǔ)科學的推動力。
在現(xiàn)代制造和信息技術(shù)領(lǐng)域，語言識別與理解、圖像識別與處理、計算機視覺、機器人規(guī)劃、多信息傳感與控制、知識表達獲取與處理、推理與決策、專家系統(tǒng)、智能優(yōu)化控制等智能技術(shù)應用越來越廣泛。
比如先進的Google無人駕駛汽車，可實現(xiàn)自動駕駛模式下最高限速60公里/小時，停車標志提供語音提示，主控系統(tǒng)故障檢測報警、陌生環(huán)境手動操作提示、路口路況自適應。其系統(tǒng)核心是車頂上的激光測距儀，該設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)時向周圍發(fā)射64束激光，激光碰到周圍的物體并返回，便可計算出車體與周邊物體的距離。計算機系統(tǒng)根據(jù)距離數(shù)據(jù)描繪出精細的3D地形圖，與高分辨率地圖結(jié)合，生成不同的數(shù)據(jù)模型供車載計算機系統(tǒng)使用。
Google無人駕駛汽車
最近熱門的3D打印制造技術(shù)，可以基于離散材料逐層堆積成形的原理，依據(jù)產(chǎn)品三維CAD模型，快速“打印”出產(chǎn)品原型或零部件，它是融合了計算機軟件、材料、機械、控制、網(wǎng)絡(luò)信息等多學科知識系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)。其原理是基于三維模型，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬/陶瓷粉末、塑料、細胞等材料進行逐層堆積黏結(jié)，疊加成型，制出實體產(chǎn)品。
再比如依靠傳感器數(shù)據(jù)與專家模型的融合，全面了解環(huán)境和發(fā)動機的狀態(tài)，實現(xiàn)自適應、自我診斷和自我預測，對發(fā)動機的性能和狀態(tài)進行主動的自我管理決策并采取物理動作執(zhí)行的智能發(fā)動機。這些都是科技創(chuàng)新中智能化的體現(xiàn)。
（2）智能化是客戶需求和社會發(fā)展的必然趨勢
人們生活質(zhì)量提高的方向正由物質(zhì)方面轉(zhuǎn)向精神方面，對產(chǎn)品的需求越來越數(shù)字化、微型化、個性化，操作簡便、安全、健康，貼心、人性化。只有智能化產(chǎn)品和設(shè)施才能具備高度柔性和適應性。
現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展與應用已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟各部門和社會生活的各領(lǐng)域，極大地推動了社會生產(chǎn)關(guān)系的發(fā)展變革。將智能化技術(shù)應用于商業(yè)貿(mào)易、文化教育、交通運輸、國家防務(wù)、行政管理等各部門，構(gòu)建智能家居、智能社區(qū)、智能電網(wǎng)、智能交通、智慧城市，是社會發(fā)展必然要求。
（3）智能化是制造業(yè)發(fā)展的必然要求
現(xiàn)今制造業(yè)生存發(fā)展環(huán)境面臨著資源難以支撐、環(huán)境壓力加大、用戶需求提高、貿(mào)易摩擦平發(fā)、市場競爭激烈、人工成本增加、運營費用增加等一系列難題，必須從傳統(tǒng)的制造業(yè)模式不斷向智能化生產(chǎn)服務(wù)、綠色環(huán)保、創(chuàng)新智能設(shè)計、高端裝備制造、自動化設(shè)備、智能精細管理等方向發(fā)展。
2.背景與意義
由此總結(jié)出實現(xiàn)智能化的三個驅(qū)動力，即科技創(chuàng)新發(fā)展方向、客戶需求和社會發(fā)展趨勢、制造業(yè)發(fā)展要求。智能化的具體內(nèi)涵包括智能裝備、智能化產(chǎn)品、智能設(shè)計、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)、智能物流。這些與微型曲線形成明確的對應，實現(xiàn)智能產(chǎn)品過程對應的方法叫智能設(shè)計，另外一端是未來市場的售后服務(wù)，包括智能裝備、服務(wù)。智能制造實現(xiàn)智能生產(chǎn)，智能物流可以有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。智能制造是制造業(yè)“兩化”深度融合發(fā)展、實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級高端制造的關(guān)鍵。
智能制造業(yè)務(wù)流程
3.智能制造發(fā)展演進
智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是上世紀八十年代末隨著CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的研究開始興起的，核心是借助人工智能系統(tǒng)實現(xiàn)制造過程的自測量、自適應、自診斷、自學習，達到制造柔性化、無人化。但由于人工智能進展緩慢，智能制造技術(shù)未能在企業(yè)廣泛應用。
新世紀之后，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（因特網(wǎng)和無線網(wǎng)）、信息技術(shù)（如嵌入式、大數(shù)據(jù)）、新型感知技術(shù)（如RFID）的發(fā)展，并與自動化測控技術(shù)相融合，智能制造范疇有了較大擴展。
當前制造業(yè)信息化領(lǐng)域，智能制造一般指綜合集成信息技術(shù)、先進制造技術(shù)和智能自動化技術(shù)，在整個制造企業(yè)的各個環(huán)節(jié)（如經(jīng)營決策、采購、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)計劃、制造、裝配、質(zhì)量保證、市場銷售和售后服務(wù)等）融合應用，實現(xiàn)企業(yè)研發(fā)、制造、服務(wù)、管理全過程的精確感知、自動控制、自主分析和綜合決策，所形成的一種新型制造模式，具有高度柔性化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化特征。
智能制造技術(shù)體系與應用
二、智能制造重點領(lǐng)域與技術(shù)支撐體系
1.智能設(shè)計技術(shù)
智能設(shè)計技術(shù)以縮短研發(fā)設(shè)計周期、設(shè)計自動化為目標，目前主要以兩條技術(shù)線索展開：①以CAD、CAE技術(shù)為主體，構(gòu)建研發(fā)設(shè)計虛擬現(xiàn)實仿真環(huán)境；②以PLM、知識管理為主體，構(gòu)建研發(fā)設(shè)計知識輔助環(huán)境。
智能設(shè)計技術(shù)的兩條線索
一個典型的知識管理案例就是計算知識引擎Wolfram|Alpha，它從公眾獲得授權(quán)的資源中，發(fā)掘、建立起一個異常龐大的經(jīng)過組織的數(shù)據(jù)庫，再利用高級的自然語言算法進行處理，最終構(gòu)造出一個知識搜索的引擎，直接給出問題解答，實現(xiàn)智能化知識組織與重用。
另外一個重要的技術(shù)就是統(tǒng)一多領(lǐng)域建模仿真語言Modelica，它是一種開放、面向?qū)ο蟮囊苑匠虨榛A(chǔ)的語言，適用于大規(guī)模復雜異構(gòu)物理系統(tǒng)建模，包括機械、電子、電力、液壓、熱、控制等。具有基于方程的模型重用性，提供參數(shù)化的需求管理方式，以便進行知識重用。
2.智能化生產(chǎn)技術(shù)
國外非常重視智能化生產(chǎn)技術(shù)，例如在德國“工業(yè)4.0”項目由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部聯(lián)手資助，聯(lián)盟政府投入達2億歐元。該未來項目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。
西門子安貝格自動化工廠
從十二五規(guī)劃來看，我國也高度重視智能化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，成立了科技部工信部重大專項——高檔活塞柔性生產(chǎn)線智能管理監(jiān)控系統(tǒng)，它基于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的自動化工藝設(shè)計與管理，物流工藝過程三維仿真與優(yōu)化；RDIF物料追蹤、自動堆料、上下料 ；設(shè)備、物料、質(zhì)量數(shù)據(jù)實時采集，自動監(jiān)控，全程可視化管理。
3.制造物聯(lián)與嵌入式技術(shù)
RFID、無線傳感網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)等是制造物聯(lián)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)智能制造可以實現(xiàn)制造的自動化、智能化、精益化、可視化，極大提升對產(chǎn)品及制造過程的感知、控制與管理水平。實施制造物聯(lián)技術(shù)可以在物流管理、設(shè)備監(jiān)控、質(zhì)量追溯、安全預警、能源控制等方面取得重大效益。
制造物聯(lián)與嵌入式技術(shù)
4.制造服務(wù)技術(shù)
面向成線成套、工程總包，提供整體解決方案。拓展后市場服務(wù)，重點開展在線監(jiān)測、遠程診斷、維修和大修服務(wù)。
裝備制造服務(wù)系統(tǒng)
例如在重型壓力機設(shè)備故障預警管理系統(tǒng)中，基于生產(chǎn)線上每臺設(shè)備的運行狀況數(shù)據(jù)自動采集，通過專家系統(tǒng)與故障樹實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的故障預警功能。對狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)挖掘分析，實現(xiàn)設(shè)備運動狀態(tài)綜合判斷和預警，避免機器故障的產(chǎn)生，提高生產(chǎn)效率。
在能耗計量監(jiān)測管理系統(tǒng)中，通過嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、在線監(jiān)測等功能，中心數(shù)據(jù)實時接收數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計計算完成能耗統(tǒng)計、管理、考核、測評、能耗審計和公示等工作。
5.云制造技術(shù)與應用
在當前這種發(fā)展環(huán)境下，制造企業(yè)面臨著很多困難，資源不足最為明顯。對此，科技部在十二五初期設(shè)立了云制造的技術(shù)項目，來探索云技術(shù)的應用。這其中包括中國模具產(chǎn)業(yè)云制造平臺，采用云端資源接入適配器，向平臺用戶提供接入資源的實時或歷史信息；以及接入資源的地理信息、圖像、視頻、文字等信息；對高級權(quán)限用戶提供遠程制造資源操作功能。同時提供公共知識服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)資訊、標準、文獻、專利等，促進知識資源交流和共享。
6.智能裝備—柔性制造—智能測控—智能維護技術(shù)
智能裝備技術(shù)
典型的智能裝備技術(shù)有智能機器人、智能加工中心、智能輸送設(shè)備、3D可視化監(jiān)控系統(tǒng)、自動化裝配檢測機器人、自動引導小車等。
柔性制造技術(shù)中，自適應數(shù)控加工技術(shù)是依據(jù)當前設(shè)備負荷的變化、零件變形、零件余量的不均、不精確的裝夾狀態(tài)等及時做出調(diào)整，以適應當前設(shè)備或零件狀態(tài)，完成特定加工。自適應加工是實現(xiàn)數(shù)字化車間及無人加工的前瞻性技術(shù)。
智能測控技術(shù)，比如PMC在各工藝系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對車間、設(shè)備、工藝參數(shù)及設(shè)備報警等數(shù)據(jù)的監(jiān)視和控制。以及紡絲企業(yè)中常用的DMIC在線檢測儀，水質(zhì)監(jiān)測中的PH自動監(jiān)測控制器，這些都是智能測控技術(shù)的應用。
三、智能制造應用實踐
1.智能設(shè)計領(lǐng)域應用——天發(fā)水電重型裝備設(shè)計知識平臺
在天發(fā)水電重型裝備設(shè)計知識平臺中，包括設(shè)計計算知識、設(shè)計仿真、知識存儲管理、研發(fā)過程管理、知識查詢、知識推送、知識表達等，通過軟件工具接口技術(shù)和PKM-PDM接口技術(shù)，將知識管理積累模塊、數(shù)據(jù)集成環(huán)境、軟件工具進行集成，實現(xiàn)了在這個平臺上進行任務(wù)規(guī)劃、參數(shù)化建模、多學科分析計算、產(chǎn)品管理和知識管理。
天發(fā)水電重型裝備設(shè)計知識平臺
2.全生命周期智能化管理—面向重型機床裝備的閉環(huán)PLM系統(tǒng)
針對重型機床高投入、高附加值，高技術(shù)含量，高信息密集度、高復雜性和關(guān)聯(lián)性強、生命周期長，在經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)中舉足輕重的特點,研究面向重型機床裝備生命周期的閉環(huán)管理模式，支持反饋式設(shè)計、MRO及加工過程質(zhì)量保證。
面向重型機床裝備的閉環(huán)PLM系統(tǒng)構(gòu)架
3.生產(chǎn)過程智能化監(jiān)控與保障支持系統(tǒng)
結(jié)合批量化汽車零部件生產(chǎn)過程，采用RFID技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場物流精準管理，通過系統(tǒng)確定生產(chǎn)流程對生產(chǎn)進度完成的影響關(guān)系，合理的布置監(jiān)控點，精準控管產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程。開發(fā)了制造現(xiàn)場物流與質(zhì)量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以和CAE、CAPP、CAM、ERP等系統(tǒng)結(jié)合起來形成了數(shù)字化企業(yè)精準管理平臺技術(shù)體系。
敏捷制造報警系統(tǒng)
4.天津汽車模具智能設(shè)計—智能制造—云制造實踐，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展
在天津汽車模具的整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史中，2003年引入CAE輔助工藝實現(xiàn)智能設(shè)計，模面的精細化設(shè)計，CAE報告指導下的鉗工調(diào)試。2006年引入CAM技術(shù)實現(xiàn)智能制造，使得鉗工作業(yè)只裝不配少修成為可能，實現(xiàn)了無人化加工，提高加工效率。
同時在整個公司拓展協(xié)同研發(fā)平臺應用，初步實現(xiàn)天津、湖北、湖南、河南、德國等多地協(xié)同研發(fā)，全方位利用各地專業(yè)化技術(shù)優(yōu)勢資源，縮短了新產(chǎn)品推向市場的時間。
天津汽車模具智能設(shè)計—智能制造—云制造實踐
結(jié)合汽車模具產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同需求，整合設(shè)計軟件資源、設(shè)計能力資源、制造資源、知識資源、工作分工與協(xié)同，形成云制造業(yè)務(wù)，實現(xiàn)“資源云化倍增”。
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