智能制造空間基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系分析

日前，中國(guó)工程院王天然院士等撰文，詳細(xì)闡述了在制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、人機(jī)關(guān)系方面正在發(fā)生的巨大變革，指出以“分散與集中相統(tǒng)一的制造系統(tǒng)、虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)與制造手段、人機(jī)共融的生產(chǎn)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(shù)驅(qū)動(dòng)下的智能制造發(fā)展模式和技術(shù)體系。

精彩內(nèi)容：在基于泛在信息的智能制造時(shí)代，信息技術(shù)的大量涌現(xiàn)，以從未有過的能力，不斷滿足市場(chǎng)對(duì)制造業(yè)變革的技術(shù)需求，極大地沖擊和促進(jìn)制造業(yè)從傳統(tǒng)模式向未曾有過的模式轉(zhuǎn)變，使其逐步進(jìn)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(xì)闡述了在制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、人機(jī)關(guān)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(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)與制造手段、人機(jī)共融的生產(chǎn)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(shù)驅(qū)動(dòng)下的智能制造發(fā)展模式和技術(shù)體系。

1? 引言

當(dāng)前，全球正爆發(fā)新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命，特別是在制造業(yè)，2008年的經(jīng)濟(jì)危機(jī)以后，過去的“夕陽產(chǎn)業(yè)”重新受到重視。世界各國(guó)爭(zhēng)相調(diào)整戰(zhàn)略、順應(yīng)時(shí)代變革，對(duì)先進(jìn)制造業(yè)進(jìn)行前瞻布局。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，使得人們已不僅僅滿足產(chǎn)品的可用，還要求個(gè)性化、高質(zhì)量、不斷翻新等。在這種需求牽引下，制造業(yè)的核心任務(wù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的擴(kuò)大規(guī)模向如何滿足用戶的個(gè)性化需求、如何為用戶提供全流程個(gè)性化體驗(yàn)、如何為用戶提供更好的服務(wù)方向轉(zhuǎn)變。相應(yīng)地，對(duì)制造企業(yè)來說，面臨著縮短交貨期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和改進(jìn)服務(wù)的壓力，需要對(duì)不斷變化的市場(chǎng)做出快速反應(yīng)。在多樣化市場(chǎng)需求牽引的同時(shí)，以物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、工業(yè)無線、３Ｄ 打印、機(jī)器人等為代表的智能設(shè)備與技術(shù)，以及人工智能、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的大量涌現(xiàn)，使得信息驅(qū)動(dòng)下先進(jìn)的制造技術(shù)成為釋放未來制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

自此，制造業(yè)進(jìn)入了基于泛在信息的智能制造時(shí)代，信息爆炸的壓力、技術(shù)的快速進(jìn)步、新產(chǎn)品的快速研制、可持續(xù)發(fā)展的要求、全球性技術(shù)支持和售后服務(wù)、市場(chǎng)和勞務(wù)競(jìng)爭(zhēng)的全球化等，不僅給制造業(yè)帶來前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)，而且與此相適應(yīng)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(jīng)濟(jì)呼喚誕生更先進(jìn)的新一代制造模式，這也是全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的下一個(gè)戰(zhàn)略高地，信息技術(shù)將扮演著極其重要的角色。

信息技術(shù)進(jìn)入制造業(yè)是源于制造業(yè)需求，同時(shí)也推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展。信息技術(shù)并不是簡(jiǎn)單地被應(yīng)用，而是衍生出了物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)（服務(wù)）聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)無線、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)制造等一系列新概念和新技術(shù)，并促成了一系列智能化設(shè)備研制和應(yīng)用。泛在信息條件下，制造業(yè)在需求牽引和信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下將快速形成先進(jìn)制造領(lǐng)域的信息環(huán)境與相應(yīng)的模式，也就是智能制造空間。

2? 智能制造空間的特征分析

隨著信息技術(shù)與制造技術(shù)的不斷深度融合，制造業(yè)將在制造系統(tǒng)、設(shè)計(jì)與制造手段、人機(jī)關(guān)系三個(gè)方面產(chǎn)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(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)與制造手段、人機(jī)共融的生產(chǎn)方式”為 ３ 大鮮明特征的智能制造空間，并以此推進(jìn)在生產(chǎn)組織方式、資源聚集模式、產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段、人機(jī)融合關(guān)系方面的新一代智能制造的發(fā)展。

（1）制造系統(tǒng)的構(gòu)成變革

歷史上，從手工制造到大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了大眾化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，而目前大規(guī)模生產(chǎn)正在向市場(chǎng)和客戶驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化定制方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，并且將基于更高生產(chǎn)效率、更高的技術(shù)層次實(shí)現(xiàn)用戶的個(gè)性化需求。

生產(chǎn)模式的歷程

在滿足個(gè)性化需求的過程中，制造企業(yè)正在向設(shè)計(jì)和服務(wù)端延伸，如下圖所示，服務(wù)的內(nèi)容已不僅僅是傳統(tǒng)的售后、維修服務(wù)，生產(chǎn)鏈中所包括的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造等任何一部分都可以獨(dú)立出來，成為為其它企業(yè)服務(wù)的內(nèi)容。

服務(wù)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(wǎng)絡(luò)的支持下，才使得它在經(jīng)濟(jì)上、實(shí)現(xiàn)技術(shù)上和時(shí)間效率上能夠?qū)嶋H可行。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造技術(shù)和不斷涌現(xiàn)的其它信息技術(shù)，支持和驅(qū)動(dòng)著生產(chǎn)方式的發(fā)展。

大規(guī)模個(gè)性化定制生產(chǎn)和服務(wù)型制造的發(fā)展趨勢(shì)，使得制造模式由目前的集中式向分布式方向發(fā)展。生產(chǎn)鏈條將由更專業(yè)的單元進(jìn)行靈活組織，形成分布式制造模式，這種模式的本質(zhì)是企業(yè)為追求利益最大化，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)有賴于信息技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(gè)性化定制生產(chǎn)和服務(wù)型制造。相反地，大批量標(biāo)準(zhǔn)化制造仍將是高效率的生產(chǎn)方式，而一部分制造企業(yè)將在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、３Ｄ 打印、機(jī)器人等新一代信息技術(shù)的驅(qū)動(dòng)和支持下，獲得更強(qiáng)的分布式制造能力。因此，制造系統(tǒng)的變革將是一個(gè)循序漸進(jìn)、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(biāo)準(zhǔn)化制造、個(gè)性化定制和服務(wù)型制造等多維度制造的需求。

（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造手段發(fā)生變革

三維 ＣＡＤ 技術(shù)，仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使得一些領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作發(fā)生了革命性的變革。通過三維 ＣＡＤ 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，通過虛擬仿真，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行虛擬制造，完成驗(yàn)證和修改，大大減少試制與反復(fù)，不僅加快了設(shè)計(jì)時(shí)間，而且節(jié)約了大量材料。虛擬制造將不僅僅是設(shè)計(jì)的手段，未來虛實(shí)結(jié)合的制造手段將覆蓋從產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展到工藝設(shè)計(jì)、過程設(shè)計(jì)，售后維護(hù)及回收等全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

虛實(shí)結(jié)合的制造手段

隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，“數(shù)字孿生”技術(shù)，“平行系統(tǒng)”技術(shù)為代表的虛實(shí)結(jié)合技術(shù)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬對(duì)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(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)企業(yè)鏡像。

未來制造將是虛擬空間和物理空間相結(jié)合的制造，并將覆蓋全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使得整個(gè)制造過程進(jìn)入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)世界。實(shí)體產(chǎn)品制造的全生命周期過程將在虛擬空間中產(chǎn)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(duì)物理模型、傳感器和智能參數(shù)等的更新，最終實(shí)現(xiàn)虛擬空間的優(yōu)化結(jié)果在物理空間的及時(shí)反饋和智能優(yōu)化運(yùn)行。隨著虛實(shí)并行能力的增強(qiáng)，虛擬制造空間所反映出的產(chǎn)品系統(tǒng)真實(shí)程度將不斷增強(qiáng)，不僅企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、生產(chǎn)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(shí)結(jié)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(guān)系產(chǎn)生新的變革

現(xiàn)代新信息技術(shù)使人能夠“再進(jìn)入”生產(chǎn)系統(tǒng)。人將在物理層、執(zhí)行層、決策層與制造系統(tǒng)加強(qiáng)介入與合作，實(shí)現(xiàn)人、智能制造裝備與機(jī)器人在制造過程中的合作。

人機(jī)共融的層次體系

未來人機(jī)共融不僅是生產(chǎn)方式變革的重要發(fā)展方向，而且是構(gòu)筑智能制造空間的重要特征，也將是智能制造中的一個(gè)新模式。將機(jī)器的搜索、推理能力與人的推理、反饋、聯(lián)想、頓悟、學(xué)習(xí)能力相融合，協(xié)同處理決策問題，機(jī)器有效地支持人完成組織的任務(wù)，人有效輔助監(jiān)管機(jī)器進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行和學(xué)習(xí)，在制造系統(tǒng)規(guī)劃與管理、設(shè)備維護(hù)和制造執(zhí)行等方面實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合發(fā)展。

3? 未來智能制造空間結(jié)構(gòu)及發(fā)展

分散與集中共存、虛實(shí)結(jié)合和人機(jī)共融將成為未來智能制造空間的主要特征，其結(jié)合關(guān)系如下圖所示，這種關(guān)系的形成是制造業(yè)需求牽引和信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的必然結(jié)果，關(guān)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(shù)條件下的信息技術(shù)同工業(yè)技術(shù)進(jìn)行深度融合，而且利用信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展新的工業(yè)技術(shù)。

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(shù)將推動(dòng)分布式制造能力的快速發(fā)展，以便滿足產(chǎn)品大規(guī)模個(gè)性化定制的迫切需求，生產(chǎn)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(jìn)一步推動(dòng)生產(chǎn)模式的變革。

在微觀技術(shù)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(jì)算等信息技術(shù)在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式、組織體系、管理模式等方面的深入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(shù)體系。

智能制造空間基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系

建立以人機(jī)融合、虛實(shí)結(jié)合、分集統(tǒng)一為主要特征的制造模式新結(jié)構(gòu)和新框架，實(shí)現(xiàn)從需求走向?qū)嵺`，這涉及大量的理論有待進(jìn)一步研究，包括面向服務(wù)型制造的橫向集成模式；面向大批量個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的協(xié)同創(chuàng)新；支持制造資源網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化和專業(yè)化的制造過程協(xié)同管理；物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算環(huán)境下新型工業(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)；面向產(chǎn)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(fù)雜裝備的主動(dòng)運(yùn)維服務(wù)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(guān)鍵技術(shù)方面，將首先在設(shè)備級(jí)制造空間、單元級(jí)制造空間、工廠跨層制造空間和跨域生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)空間等層面上產(chǎn)生影響，并產(chǎn)生出與之相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，具體包括：面向虛實(shí)并行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化；人機(jī)物三元協(xié)同與知識(shí)集成共享；支持制造企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)和大眾參與的社會(huì)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)；分散與集中共存環(huán)境下的制造資源連接、配置調(diào)度與協(xié)同優(yōu)化；支持制造單元靈活自組織、服務(wù)虛擬化和全價(jià)值網(wǎng)絡(luò)調(diào)度與優(yōu)化；人機(jī)共融與互操作服務(wù)管理；人機(jī)共融過程的智能監(jiān)控、健康分析、產(chǎn)品性能和質(zhì)量評(píng)估。

4? 結(jié)論和展望

縱觀整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，制造工藝和適應(yīng)工藝的制造裝備是制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，一直受到人們的關(guān)注。在基于泛在信息的智能制造時(shí)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(shù)進(jìn)步的標(biāo)志，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。隨著信息技術(shù)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(duì)制造業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要影響的領(lǐng)域。

智能制造空間的研究是對(duì)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(yù)測(cè)。我們有必要對(duì)分集統(tǒng)一的制造系統(tǒng)組織、虛實(shí)結(jié)合的制造過程、人機(jī)融合的制造手段所涉及的相關(guān)技術(shù)開展深入研究，探索其相互之間的關(guān)系、組成要素、運(yùn)行機(jī)理、協(xié)同機(jī)制和演化規(guī)律，并結(jié)合新一代信息信息技術(shù)開展智能制造空間共性關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建智能制造空間基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)、試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)和公共服務(wù)平臺(tái)，保障和促進(jìn)智能制造的發(fā)展，為迎接制造業(yè)的大變革做好充分準(zhǔn)備。