重塑需求牽引和技術驅動下的智能制造發(fā)展模式和技術體系

在基于泛在信息的智能制造時代，信息技術的大量涌現(xiàn)，以從未有過的能力，不斷滿足市場對制造業(yè)變革的技術需求，極大地沖擊和促進制造業(yè)從傳統(tǒng)模式向未曾有過的模式轉變，使其逐步進入新的、不斷發(fā)展的信息環(huán)境與制造模式之中，這種新的信息環(huán)境與制造模式組成了智能制造空間，它的發(fā)展與變化將影響智能制造的發(fā)展．文章詳細闡述了在制造系統(tǒng)結構、設計與制造技術、人機關系方面正在發(fā)生的巨大變革，并且指出以“分散與集中相統(tǒng)一的制造系統(tǒng)、虛實結合的設計與制造手段、人機共融的生產方式”為特征的智能制造空間將快速形成，重塑需求牽引和技術驅動下的智能制造發(fā)展模式和技術體系．

1

引言

當前，全球正爆發(fā)新一輪科技和產業(yè)革命，特別是在制造業(yè)，２００８ 年的經濟危機以后，過去的“夕陽產業(yè)”重新受到重視． 世界各國爭相調整戰(zhàn)略、順應時代變革，對先進制造業(yè)進行前瞻布局．同時，經濟的發(fā)展、社會的進步，使得人們已不僅僅滿足產品的可用，還要求個性化、高質量、不斷翻新等．在這種需求牽引下，制造業(yè)的核心任務已經從傳統(tǒng)的擴大規(guī)模向如何滿足用戶的個性化需求、如何為用戶提供全流程個性化體驗、如何為用戶提供更好的服務方向轉變． 相應地，對制造企業(yè)來說，面臨著縮短交貨期、提高產品質量、降低成本和改進服務的壓力，需要對不斷變化的市場做出快速反應．在多樣化市場需求牽引的同時，以物聯(lián)網、傳感網、工業(yè)無線、３Ｄ 打印、機器人等為代表的智能設備與技術，以及人工智能、云計算和大數(shù)據(jù)等信息技術的大量涌現(xiàn)，使得信息驅動下先進的制造技術成為釋放未來制造業(yè)競爭力的關鍵．自此，制造業(yè)進入了基于泛在信息的智能制造時代．信息爆炸的壓力、技術的快速進步、新產品的快速研制、可持續(xù)發(fā)展的要求、全球性技術支持和售后服務、市場和勞務競爭的全球化等，不僅給制造業(yè)帶來前所未有的技術挑戰(zhàn)，而且與此相適應的商業(yè)模式和制造系統(tǒng)也將隨之發(fā)生巨大變革．新科技和新經濟呼喚誕生更先進的新一代制造模式，這也是全球制造業(yè)競爭的下一個戰(zhàn)略高地．信息技術將扮演著極其重要的角色． 信息技術進入制造業(yè)是源于制造業(yè)需求，同時也推動了制造業(yè)的發(fā)展．信息技術并不是簡單地被應用，而是衍生出了物聯(lián)網、務（服務）聯(lián)網、工業(yè)無線、工業(yè)互聯(lián)網、互聯(lián)制造等一系列新概念和新技術，并促成了一系列智能化設備研制和應用．泛在信息條件下，制造業(yè)在需求牽引和信息技術驅動下將快速形成先進制造領域的信息環(huán)境與相應的模式，也就是智能制造空間．

2

2

智能制造空間的特征分析

隨著信息技術與制造技術的不斷深度融合，制造業(yè)將在制造系統(tǒng)、設計與制造手段、人機關系三個方面產生巨大變革，形成以“分散與集中相統(tǒng)一的制造系統(tǒng)、虛實結合的設計與制造手段、人機共融的生產方式”為３大鮮明特征的智能制造空間，并以此推進在生產組織方式、資源聚集模式、產品設計手段、人機融合關系方面的新一代智能制造的發(fā)展．

1. 制造系統(tǒng)的構成變革

歷史上，從手工制造到大規(guī)模生產的發(fā)展實現(xiàn)了大眾化產品的轉變，而目前大規(guī)模生產正在向市場和客戶驅動的個性化定制方向進行轉變，并且將基于更高生產效率、更高的技術層次實現(xiàn)用戶的個性化需求.

生產模式的歷程

在滿足個性化需求的過程中，制造企業(yè)正在向設計和服務端延伸．示，服務的內容已不僅僅是傳統(tǒng)的售后、維修服務，生產鏈中所包括的產品設計、加工制造等任何一部分都可以獨立出來，成為為其它企業(yè)服務的內容．

服務型制造

然而，分布式制造在管理上的難度是可想而知的．只有在網絡的支持下，才使得它在經濟上、實現(xiàn)技術上和時間效率上能夠實際可行．網絡技術及網絡協(xié)同制造技術和不斷涌現(xiàn)的其它信息技術，支持和驅動著生產方式的發(fā)展.

大規(guī)模個性化定制生產和服務型制造的發(fā)展趨勢，使得制造模式由目前的集中式向分布式方向發(fā)展．生產鏈條將由更專業(yè)的單元進行靈活組織，形成分布式制造模式，這種模式的本質是企業(yè)為追求利益最大化，其技術實現(xiàn)有賴于信息技術，特別是網絡技術的發(fā)展．但是選擇集中式制造模式還是分布式制造模式，要依據(jù)效益原則，不是所有制造業(yè)都將走向大規(guī)模個性化定制生產和服務型制造．相反地，大批量標準化制造仍將是高效率的生產方式．而一部分制造企業(yè)將在云計算、大數(shù)據(jù)、３Ｄ打印、機器人等新一代信息技術的驅動和支持下，獲得更強的分布式制造能力．因此，制造系統(tǒng)的變革將是一個循序漸進、逐步發(fā)展的過程，未來也必將形成集中式制造與分布式制造共存條件下的新一代制造系統(tǒng)，從而滿足標準化制造、個性化定制和服務型制造等多維度制造的需求.

2. 產品設計和制造手段發(fā)生變革

三維 ＣＡＤ 技術，仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術，使得一些領域的設計工作發(fā)生了革命性的變革． 通過三維 ＣＡＤ 設計的產品，通過虛擬仿真，在虛擬環(huán)境下進行虛擬制造，完成驗證和修改，大大減少試制與反復，不僅加快了設計時間，而且節(jié)約了大量材料． 虛擬制造將不僅僅是設計的手段，未來虛實結合的制造手段將覆蓋從產品設計發(fā)展到工藝設計、過程設計，售后維護及回收等全部生產環(huán)節(jié).

虛實結合的制造手段

隨著人工智能、機器學習和大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，“數(shù)字孿生”技術，“平行系統(tǒng)”技術為代表的虛實結合技術，將會實現(xiàn)物理實體和虛擬對象的高度融合，形成基于數(shù)字模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術的現(xiàn)實企業(yè)鏡像．

未來制造將是虛擬空間和物理空間相結合的制造，并將覆蓋全部生產環(huán)節(jié)，使得整個制造過程進入數(shù)字網絡世界．實體產品制造的全生命周期過程將在虛擬空間中產生映射，在虛擬空間中通過多物理量、多尺度、多概率的仿真過程完成對物理模型、傳感器和智能參數(shù)等的更新，最終實現(xiàn)虛擬空間的優(yōu)化結果在物理空間的及時反饋和智能優(yōu)化運行． 隨著虛實并行能力的增強，虛擬制造空間所反映出的產品系統(tǒng)真實程度將不斷增強，不僅企業(yè)產品設計質量、生產效率將大幅度提高，而且將引發(fā)面向全流程制造的變革． 虛實結合是智能制造空間研究的重要特征，也是智能制造的一種模式．

3. 人和制造系統(tǒng)的關系產生新的變革

現(xiàn)代新信息技術使人能夠“再進入”生產系統(tǒng)． 人將在物理層、執(zhí)行層、決策層與制造系統(tǒng)加強介入與合作，實現(xiàn)人、智能制造裝備與機器人在制造過程中的合作．

人機共融的層次體系

未來人機共融不僅是生產方式變革的重要發(fā)展方向，而且是構筑智能制造空間的重要特征，也將是智能制造中的一個新模式．將機器的搜索、推理能力與人的推理、反饋、聯(lián)想、頓悟、學習能力相融合，協(xié)同處理決策問題，機器有效地支持人完成組織的任務，人有效輔助監(jiān)管機器進行任務執(zhí)行和學習，在制造系統(tǒng)規(guī)劃與管理、設備維護和制造執(zhí)行等方面實現(xiàn)人機融合發(fā)展.

3

未來智能制造空間結構及發(fā)展

分散與集中共存、虛實結合和人機共融將成為未來智能制造空間的主要特征，其結合關系如下圖所示． 這種關系的形成是制造業(yè)需求牽引和信息技術驅動下的必然結果，關系的不斷發(fā)展也必將形成的一種新的制造模式和制造環(huán)境． 在這種環(huán)境中，不僅將泛在信息技術條件下的信息技術同工業(yè)技術進行深度融合，而且利用信息技術創(chuàng)新發(fā)展新的工業(yè)技術．

智能制造空間

在宏觀層面，智能制造空間將打破傳統(tǒng)的物理區(qū)域限制，不斷涌現(xiàn)的大量信息技術將推動分布式制造能力的快速發(fā)展，以便滿足產品大規(guī)模個性化定制的迫切需求，生產組織體系將快速發(fā)生變革，使制造業(yè)本身形成新的制造模式和信息環(huán)境，并進一步推動生產模式的變革．

在微觀技術層面，智能制造空間將加速人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、云計算等信息技術在制造業(yè)產品設計、生產方式、組織體系、管理模式等方面的深入應用，實現(xiàn)從產品設計、虛擬仿真到制造執(zhí)行的全息化智能制造系統(tǒng)，并將形成智能制造空間的技術體系.

智能制造空間基礎理論與技術體系

建立以人機融合、虛實結合、分集統(tǒng)一為主要特征的制造模式新結構和新框架，實現(xiàn)從需求走向實踐，這涉及大量的理論有待進一步研究，包括面向服務型制造的橫向集成模式；面向大批量個性化產品設計的協(xié)同創(chuàng)新；支持制造資源網絡化、服務化和專業(yè)化的制造過程協(xié)同管理；物聯(lián)網和云計算環(huán)境下新型工業(yè)軟件體系結構；面向產品全生命周期工業(yè)大數(shù)據(jù)管理和信息共享安全體系；面向復雜裝備的主動運維服務管理和決策優(yōu)化等，都將支持智能制造空間的發(fā)展． 在核心關鍵技術方面，將首先在設備級制造空間、單元級制造空間、工廠跨層制造空間和跨域生產網絡空間等層面上產生影響，并產生出與之相應的關鍵技術，具體包括：面向虛實并行的產品設計、仿真及優(yōu)化；人機物三元協(xié)同與知識集成共享；支持制造企業(yè)的產品協(xié)同設計和大眾參與的社會化產品設計；分散與集中共存環(huán)境下的制造資源連接、配置調度與協(xié)同優(yōu)化；支持制造單元靈活自組織、服務虛擬化和全價值網絡調度與優(yōu)化；人機共融與互操作服務管理；人機共融過程的智能監(jiān)控、健康分析、產品性能和質量評估.

4

結論和展望

縱觀整個制造業(yè)的發(fā)展進程，制造工藝和適應工藝的制造裝備是制造業(yè)技術發(fā)展的重要內容，一直受到人們的關注． 在基于泛在信息的智能制造時代，除了制造工藝與制造裝備之外，制造環(huán)境與條件的重要性越來越凸現(xiàn)出來，成為了制造技術進步的標志，對制造業(yè)的發(fā)展至關重要． 隨著信息技術的快速發(fā)展和兩化融合的深入發(fā)展，在智能制造的發(fā)展中，智能制造環(huán)境將是對制造業(yè)發(fā)展產生重要影響的領域．

智能制造空間的研究是對未來制造業(yè)信息環(huán)境和模式變革和發(fā)展的判斷與預測． 我們有必要對分集統(tǒng)一的制造系統(tǒng)組織、虛實結合的制造過程、人機融合的制造手段所涉及的相關技術開展深入研究，探索其相互之間的關系、組成要素、運行機理、協(xié)同機制和演化規(guī)律，并結合新一代信息信息技術開展智能制造空間共性關鍵技術研究，構建智能制造空間基礎設施平臺、試驗驗證平臺和公共服務平臺，保障和促進智能制造的發(fā)展，為迎接制造業(yè)的大變革做好充分準備.