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離散型制造智能工廠發(fā)展戰(zhàn)略
發(fā)布時間：2023-12-20 10:18:17
當前，以新一代人工智能技術與先進制造業(yè)深度融合發(fā)展為主要特征的新一代智能制造正在全球范圍內孕育興起，成為新一輪工業(yè)革命的核心技術。中國制造業(yè)總體而言大而不強，發(fā)展智能制造可推進中國制造業(yè)提質增效、由大變強，是中國制造業(yè)轉型升級的主要路徑。智能生產是新一代智能制造系統(tǒng)的主線，而智能工廠是智能生產的主要載體。
一 前言
當前，制造業(yè)成為全球經(jīng)濟競爭制高點，世界 各國紛紛加快謀劃和布局，積極參與全球產業(yè)再分 工。中國制造業(yè)總體而言大而不強，利潤率不高， 面臨著工業(yè)發(fā)達國家“高端回流”和發(fā)展中國家“中 低端分流”的雙重擠壓。以新一代人工智能技術（以 大數(shù)據(jù)為驅動，使人工智能具備了學習的能力，具 備了生成知識和更好地運用知識的能力）與先進制 造業(yè)深度融合發(fā)展為主要特征的新一代智能制造正 在全球范圍內孕育興起，成為新一輪工業(yè)革命的核 心技術，將給世界產業(yè)技術和分工格局的深刻調整 帶來革命性影響 [1]。抓住智能制造這個核心，推 進中國制造業(yè)提質增效、由大變強是中國制造業(yè)面 臨的緊迫問題，也是我國打造經(jīng)濟發(fā)展新動能，促 進經(jīng)濟結構轉型升級的重要戰(zhàn)略考量。
發(fā)展智能制造是中國制造業(yè)轉型升級的主要 路徑。習近平總書記在黨的“十九大”報告中指 出：加快建設制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)， 推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度 融合，在中高端消費、創(chuàng)新引領、綠色低碳、共享經(jīng)濟、現(xiàn)代供應鏈、人力資本服務等領域培育 新增長點、形成新動能。《中國制造 2025》明確提 出：以新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為主線， 以推進智能制造為主攻方向，實現(xiàn)制造業(yè)由大變 強的歷史跨越 [2]。
新一代智能制造是一個大系統(tǒng)，主要由智能 產品、智能生產及智能服務三大功能系統(tǒng)以及工 業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云兩大支撐系統(tǒng)集合而成 [1]。Mittal 等人 [3] 收集和討論了智能制造系統(tǒng)的各種 特征和技術。智能生產是新一代智能制造系統(tǒng)的主 線。智能工廠是智能生產的主要載體。
智能工廠在工業(yè)界和學術界得到了巨大的發(fā)展和深入探索 [4~9]。智能工廠的基本特征是將柔性 自動化技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能和大數(shù)據(jù)技術 等全面應用于產品設計、工藝設計、生產制造、工 廠運營等各個階段。發(fā)展智能工廠有助于滿足客戶 的個性化需求、優(yōu)化生產過程、提升制造智能、促 進工廠管理模式的改變。智能工廠根據(jù)行業(yè)的不同 可分為離散型智能工廠和流程型智能工廠，追求的 目標都是生產過程的優(yōu)化，大幅度提升生產系統(tǒng)的 性能、功能、質量和效益。全球制造業(yè)正在向個性 化、服務化、智能化、協(xié)同化、生態(tài)化和綠色化的 方向發(fā)展，為實現(xiàn)提振制造業(yè)的戰(zhàn)略目標，歐美工 業(yè)發(fā)達國家都在積極發(fā)展新一代網(wǎng)絡制造和智能工 廠的技術體系，構建創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，搶占技術升級 換代的戰(zhàn)略制高點。
中國是世界制造工廠，擁有全球最大的制造 業(yè)，對智能工廠需求最強烈。建設智能工廠是形 成高度靈活、個性化、智能化的生產模式，推動我國制造業(yè)的生產方式從大規(guī)模生產向大規(guī)模定 制轉型、從生產型制造向服務型制造轉型、從要 素驅動向創(chuàng)新驅動轉型的關鍵途徑。本文重點研究離散型制造智能工廠發(fā)展戰(zhàn)略，有望促進我國在智能工廠方面走到世界的前列，推動中國從制造大國走向制造強國。
二 智能工廠的內涵與基本架構
（一）智能工廠的內涵
智能制造是人工智能技術與制造技術的結合，是面向產品全生命周期，以新一代信息技術為基礎， 以制造系統(tǒng)為載體，在其關鍵環(huán)節(jié)或過程，具有一 定自主性的感知、學習、分析、預測、決策、通信與協(xié)調控制能力，能動態(tài)地適應制造環(huán)境的變化， 從而實現(xiàn)質量、成本及交貨期等目標優(yōu)化。
制造系統(tǒng)從微觀到宏觀有不同的層次，如制造 裝備、制造單元、生產線、制造車間、制造工廠和 制造生態(tài)系統(tǒng)等；其構成包括產品、制造資源、各 種過程活動以及運行與管理模式。智能工廠是面向工廠層級的智能制造系統(tǒng)。通 過物聯(lián)網(wǎng)對工廠內部參與產品制造的設備、材料、 環(huán)境等全要素的有機互聯(lián)與泛在感知，結合大數(shù)據(jù)、 云計算、虛擬制造等數(shù)字化和智能化技術，實現(xiàn)對生產過程的深度感知、智慧決策、精準控制等功能， 達到對制造過程的高效、高質量管控一體化運營的目的。
智能工廠是信息物理深度融合的生產系統(tǒng)， 通過信息與物理一體化的設計與實現(xiàn)，制造系統(tǒng)構成可定義、可組合，制造流程可配置、可驗證，在 個性化生產任務和場景驅動下，自主重構生產過程， 大幅降低生產系統(tǒng)的組織難度，提高制造效率及產 品質量。智能工廠作為實現(xiàn)柔性化、自主化、個性化定制生產任務的核心技術，將顯著提升企業(yè)制造水平和競爭力。
（二）智能工廠的基本架構
智能工廠的基本架構可通過圖 1 所示三個維度進行描述。
圖 1 智能工廠的基本架構
1. 功能維：產品從虛擬設計到物理實現(xiàn)
（1）智能設計。通過大數(shù)據(jù)智能分析手段精確獲取產品需求與 設計定位，通過智能創(chuàng)成方法進行產品概念設計， 通過智能仿真和優(yōu)化策略實現(xiàn)產品高性能設計，并 通過并行協(xié)同策略實現(xiàn)設計制造信息的有效反饋。智能設計保證了設計出精良的產品，快速完成產品 的開發(fā)上市。
（2）智能工藝。包括工廠虛擬仿真與優(yōu)化、基于規(guī)則的工藝 創(chuàng)成、工藝仿真分析與優(yōu)化、基于信息物理系統(tǒng) （CPS）的工藝感知、預測與控制等。智能工藝保證了產品質量一致性，降低了制造成本。
（3）智能生產。針對生產過程，通過智能技術手段，實現(xiàn)生產 資源最優(yōu)化配置、生產任務和物流實時優(yōu)化調度、 生產過程精細化管理和智慧科學管理決策。智能制 造保證了設備的優(yōu)化利用，從而提升了對市場的響 應能力，攤薄了在每件產品上的設備折舊。智能生產保證了敏捷生產，做到“just in case”，保證了生 產線的充分柔性，使企業(yè)能快速響應市場的變化， 以在競爭中取勝。
（4）智能物流。通過物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)物料的主動識別和物流 全程可視化跟蹤；通過智能倉儲物流設施，實現(xiàn)物 料自動配送與配套防錯；通過智能協(xié)同優(yōu)化技術， 實現(xiàn)生產物流與計劃的精準同步。另外，工具流等 其他輔助流有時比物料流更為復雜，如金屬加工工 廠中，一個物料就可能需要上百種刀具。智能物流 保證生產制造的“just in time”，從而降低在制品的資金消耗。
2. 范式維：從數(shù)字工廠、數(shù)字互聯(lián)工廠到智能工廠的演變
數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化技術是實現(xiàn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、轉型升級的三項關鍵技術，對應到制造工廠層面，體現(xiàn)為從數(shù)字工廠、數(shù)字互聯(lián)工廠到智能工廠的演變。數(shù)字化是實現(xiàn)自動化制造和 互聯(lián)，實現(xiàn)智能制造的基礎。網(wǎng)絡化是使原來的數(shù)字化孤島連為一體，并提供制造系統(tǒng)在工廠范 圍內，乃至全社會范圍內實施智能化和全局優(yōu)化 的支撐環(huán)境。智能化則充分利用這一環(huán)境，用人 工智能取代了人對生產制造的干預，加快了響應速度，提高了準確性和科學性，使制造系統(tǒng)高效、 穩(wěn)定、安全地運行。
（1）數(shù)字工廠。數(shù)字工廠是工業(yè)化與信息化融合的應用體現(xiàn)， 它借助于信息化和數(shù)字化技術，通過集成、仿真、 分析、控制等手段，為制造工廠的生產全過程提供 全面管控的整體解決方案，它不限于虛擬工廠，更 重要的是實際工廠的集成，如圖 2 所示，其內涵包 括產品工程、工廠設計與優(yōu)化、車間裝備建設及生 產運作控制等。
圖 2 數(shù)字工廠
（2）數(shù)字互聯(lián)工廠。數(shù)字互聯(lián)工廠是指將物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術全面 應用于工廠運作的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)工廠內部人、機、 料、法、環(huán)、測的泛在感知和萬物互聯(lián)，互聯(lián)的范圍甚至可以延伸到供應鏈和客戶環(huán)節(jié)。通過工廠互 聯(lián)化，一方面可以縮短時空距離，為制造過程中 “人 – 人”“人 – 機”“機 – 機”之間的信息共享和協(xié)同工作奠定基礎，另一方面還可以獲得制造過程 更為全面的狀態(tài)數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)驅動的決策支持與優(yōu)化成為可能。
（3）智能工廠。制造工廠層面的兩化深度融合，是數(shù)字工廠、 互聯(lián)工廠和自動化工廠的延伸和發(fā)展，通過將人工智能技術應用于產品設計、工藝、生產等過程，使得制造工廠在其關鍵環(huán)節(jié)或過程中能夠體現(xiàn)出一 定的智能化特征，即自主性的感知、學習、分析、 預測、決策、通信與協(xié)調控制能力，能動態(tài)地適應制造環(huán)境的變化，從而實現(xiàn)提質增效、節(jié)能降 本的目標。
3. 結構維：從智能制造裝備、智能車間到智能工廠的進階
智能可在不同層次上得以體現(xiàn)，可以是單個制造設備層面的智能，生產線的智能，單元等車間層面的智能，也可以是工廠層面的智能。
（1）智能制造裝備。制造裝備作為最小的制造單元，能對自身和制 造過程進行自感知，對與裝備、加工狀態(tài)、工件材 料和環(huán)境有關的信息進行自分析，根據(jù)產品的設計 要求與實時動態(tài)信息進行自決策，依據(jù)決策指令進行自執(zhí)行，通過“感知→分析→決策→執(zhí)行與反饋” 大閉環(huán)過程，不斷提升性能及其適應能力，實現(xiàn)高 效、高品質及安全可靠的加工。
（2）智能車間（生產線）。如圖 3 所示，車間（生產線）由多臺（條）智能裝備（產線）構成，除了基本的加工 / 裝配活動 外，還涉及計劃調度、物流配送、質量控制、生產跟蹤、設備維護等業(yè)務活動。智能生產管控能力體現(xiàn)為通過“優(yōu)化計劃 – 智能感知 – 動態(tài)調度 – 協(xié)調控制”閉環(huán)流程來提升生產運作適應性，以及對異常變化的快速響應能力。
圖 3 制造車間（生產線）的主要活動
（3）智能工廠。制造工廠除了生產活動外，還包括產品設計與 工藝、工廠運營等業(yè)務活動，如圖 4 所示。智能工廠是以打通企業(yè)生產經(jīng)營全部流程為著眼點，實現(xiàn)從產品設計到銷售，從設備控制到企業(yè)資源管理所有環(huán)節(jié)的信息快速交換、傳遞、存儲、處理和無縫智能化集成。
圖 4 制造工廠的一般性業(yè)務流程
（三）智能工廠的信息系統(tǒng)架構
參照 IEC/ISO 62264 國際標準，智能工廠的信息系統(tǒng)架構如圖 5 所示，從下到上依次為制造設施層、信息采集與控制層、制造運營層、工廠運營層、 決策分析層。決策分析層依靠互聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)決策生產模式、制造任務的廠內外分配，制造設施 層和信息采集與控制層之間通過工業(yè)網(wǎng)絡總線建立 連接，其余各層之間則通過局域網(wǎng)連接。
圖 5 制造工廠的信息系統(tǒng)架構
（四）智能工廠的基本特征
智能工廠的特征如圖 6 所示，可以從三個角度來描述。
從建設目標和愿景角度來看，智能工廠具備五大特征：敏捷、高生產率、高質量產出、可持續(xù)、 舒適人性化。
從技術角度來看，智能工廠具備五大特征：全面數(shù)字化、制造柔性化、工廠互聯(lián)化、高度人機協(xié)同和過程智能化（實現(xiàn)智能管控）。
從集成角度來看，智能工廠具備三大特征：產品生命周期端到端集成、工廠結構縱向集成和供應鏈橫向集成，這與“工業(yè) 4.0”的三大集成理念是 一致的。
圖 6 智能工廠的特征
三、智能工廠的重點突破方向和實施途徑方案
（一）重點突破方向與關鍵技術
1. 智能工廠的基礎建設——智能制造裝備與工業(yè)大數(shù)據(jù)技術
圍繞智能工廠的低層——制造裝備的智能化及多源異構數(shù)據(jù)的獲取與轉換、大數(shù)據(jù)安全可靠傳遞 與高效計算、制造業(yè)務驅動的工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等關 鍵問題，重點開展如下研究：①制造過程的信息采 集與制造裝備的智能化；②智能工廠信息物理系統(tǒng)；③制造大數(shù)據(jù)標準與信息安全；④智能工廠大數(shù)據(jù)分析應用平臺；⑤制造云數(shù)據(jù)組織與實時運行。
2. 制造資源建模與優(yōu)化組織
針對動態(tài)多變的市場，需要優(yōu)化利用社會資源及企業(yè)內部資源，需要對制造資源建模。具體包 括：①工廠資源建模（開發(fā)能力、制造能力、管理）；②制造任務描述建模（質量、成本、交貨期）；③制造資源的柔性設計與動態(tài)管理；④基于交貨 期、制造資源、資金鏈建模。
3. 智能工廠使能技術
智能工廠的核心軟、硬件是智能制造的重要使 能技術，具體包括：①適應個性化需求的設計研發(fā) （包括增材制造技術）；②面向任務的物聯(lián)網(wǎng)構建；③面向智能工廠應用的虛擬現(xiàn)實 / 增強現(xiàn)實（VR / AR）系統(tǒng)；④制造裝備智能監(jiān)測與安全保障技術 與系統(tǒng)；⑤制造工程智能控制及軟件，如切削工藝、刀具優(yōu)化控制；⑥生產線管控系統(tǒng)；⑦效益約束的制造任務智能決策軟件；⑧智能物流技術與裝備。
4. 技術驗證與示范區(qū)域規(guī)劃
提供示范驗證技術，推動發(fā)展與推廣應用，具體包括：①各項使能技術的技術驗證；②新一代人 工智能技術（大數(shù)據(jù)智能、人機混合智能、群體智 能、跨媒體智能、自主智能等）在智能工廠中的應 用；③培育智能技術服務型產業(yè)；④區(qū)域示范：選 擇以下有代表性的示范區(qū)：珠江三角洲、長江三角洲、京津冀魯、大西安（一帶一路及航空航天）地區(qū)；⑤領域示范：航空航天、數(shù)控機床與基礎制造裝備、電子信息、工程機械、軌道交通、家電等；⑥ 3D 打印生產線示范，3D 打印已經(jīng)呈現(xiàn)其顛覆性， 將成為 21 世紀的重要生產模式。
（二）實施途徑方案
結合中國工廠的具體情況和特點，智能工廠需從以下三個方面考慮智能工廠的落地方案，同時應突出發(fā)展的階段性及不同階段的具體內容：
（1）數(shù)字化轉型。實現(xiàn)基于產品生命周期管理端到端集成的產品 全生命周期數(shù)字化，并拓展工業(yè)數(shù)據(jù)感知獲取、初 步數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)可視化；
（2）網(wǎng)絡化升級。實現(xiàn)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)大數(shù)據(jù)驅動的工廠規(guī) 劃、管理、運營、執(zhí)行等的縱向集成，并以智能裝 備打下智能工廠的基礎；
（3）智能化提升。以構建和應用產品、制造裝備、工藝過程、供 應鏈（物流過程）等不同方面、不同層級的數(shù)字孿 生為基礎，建立網(wǎng)絡信息物理生產系統(tǒng)（CPPS）， 并應用新一代人工智能，實現(xiàn)工廠間的橫向集成。
（4）智能化改造。面對已經(jīng)形成并有效運行的龐大數(shù)量的制造企 業(yè)采用傳感技術、大數(shù)據(jù)技術、智能軟件技術進行改造（制造裝備與生產線），使大部分企業(yè)實現(xiàn)智能化轉型，以較小投資獲得巨大效益。
四 發(fā)展智能工廠的政策建議
建議政府部門積極支持和引導智能制造產業(yè)發(fā)展和智能工廠示范；在示范基礎上，大規(guī)模推行制造裝備的智能化改造工程及企業(yè)的智能化改造工程，支持形成具有區(qū)域優(yōu)勢的智能制造生態(tài)鏈。
鼓勵企業(yè)根據(jù)自己的實際情況，針對性地建設智能工廠，既要彌補“工業(yè) 2.0”和“工業(yè) 3.0”所缺失的內容，又要關注和布局“工業(yè) 4.0”中智能 制造的前沿技術，做到二者的有機銜接，可以在智能制造功能維、結構維與范式維的不同水平上發(fā)展， 構建技術競爭優(yōu)勢和提升企業(yè)經(jīng)濟效益是硬道理。
建立和落實協(xié)同創(chuàng)新機制。在科技計劃協(xié)同方面，國家科技計劃應以標準、基礎研究為先，重視產業(yè)化共性技術，以創(chuàng)新思想、發(fā)明專利為評審依 據(jù)；在產學研協(xié)同方面，企業(yè)應成為投資研發(fā)、應 用成果、集成創(chuàng)新的主體；在金融與科技、產業(yè)協(xié) 同方面，應改善制造業(yè)的資金環(huán)境；在人才協(xié)同方面，應建立科學的學科評估標準，引導創(chuàng)新與工程能力培養(yǎng)。
在智能工廠發(fā)展中，突出核心技術、關鍵裝備、 工業(yè)軟件的“中國制造”，警惕和防止未來中國智能制造成為發(fā)達國家高端裝備、工業(yè)軟件的傾銷地，出現(xiàn)高端裝備和核心技術“空心化”問題及“中國制造”為他人操控。
來源：制造前沿
