智能制造現(xiàn)狀與前景

智能制造的發(fā)展與前景展望(南京航空航天大學機電學院，南京市，210016)摘要:簡述了智能制造形成的原因及智能制造的概念；分析了智能制造國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀；指出了智能制造的發(fā)展趨勢及其面臨的問題。關(guān)鍵詞：智能制造人工智能機械制造工業(yè)4.0ThedevelopmentandresearchofintelligentmanufacturingJiaYuWang(CollegeofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofAeronautics＆Astronautics,Nanjing,210016,China;)Abstract：ThispaperdepictsthecauseofformationandconceptionofIM.AndpresentsstatusinthedevelopmentonIM.FinallyindicationisgivenofthetrendofdevelopmentandquestionconfrontingIM.Keywords:IM;AI;mechanicalmanufacture;Industrie4.00前言智能制造裝備是先進制造技術(shù)、信息技術(shù)以及人工智能技術(shù)在制造裝備上的集成和深度融合，是實現(xiàn)高效、高品質(zhì)、節(jié)能環(huán)保和安全可靠生產(chǎn)的下一代制造裝備。在綜述了智能制造裝備國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點論述了目前智能制造存在的問題，并得出結(jié)論，認為德國的”工業(yè)4.0”和美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備將是智能制造裝備未來的發(fā)展方向。1研究背景制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)工業(yè)部門，是決定國家發(fā)展水平的最基本因素之一。從機械制造業(yè)發(fā)展的歷程來看，經(jīng)歷了由手工制作、泰勒化制造、高度自動化、柔性自動化和集成化制造、并行規(guī)劃設(shè)計制造等階段。就制造自動化而言，大體上每十年上一個臺階:50-60年代是單機數(shù)控，70年代以后則是CNC機床及由它們組成的自動化島，80年代出現(xiàn)了世界性的柔性自動化熱潮。與此同時，出現(xiàn)了計算機集成制造，但與實用化相距甚遠。隨著計算機的問世與發(fā)展，機械制造大體沿兩條路線發(fā)展:一是傳統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展，二是借助計算機和自動化科學的制造技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展。80年代以來，傳統(tǒng)制造技術(shù)得到了不同程度的發(fā)展，但存在著很多問題。近來年，人們對制造過程的自動化程度賦予了極大的研究熱情，這是因為從1870年到1980年間，制造過程的效率提高了20倍，而生產(chǎn)管理效率只提高了1.8-2倍，產(chǎn)品設(shè)計的效率只提高了1.2倍，這表明體力勞動通過采用自動化技術(shù)得到了極大的解放，而腦力勞動的自動化程度（其實質(zhì)是決策自動化程度）則很低，制造過程中人的因素尚未得到充分的認識，人尚未真正地從復(fù)雜的生產(chǎn)過程中解放出來，各種問題求解的最終決策在很大程度上仍依賴于人的智慧。因而，人類群體所面臨的眾多問題（包括社會問題、生理問題等）在制造過程中都有所反映。面對批量小、品種多、質(zhì)量高、更新快的產(chǎn)品市場競爭要求以及各種社會因素的綜合影響，制造過程的自動化程度的提高面臨眾多問題，譬如:（1）專家人才的短缺和轉(zhuǎn)移致使一些專門技能不能及時或長久地得到提供；（2）現(xiàn)代制造過程中信息量大而繁雜，傳統(tǒng)的信息處理方式已不能滿足要求，大量的信息資源需要開發(fā)與共享；（3）制造環(huán)境柔性要求更大，決策過程更加復(fù)雜，決策時間要求更短；（4）制造過程的自動化程度受制于制造系統(tǒng)的自組織能力，即智能水平；（5）現(xiàn)代生產(chǎn)要求專家們在更大范圍內(nèi)進行更及時的合作，小到一個企業(yè)內(nèi)部的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，大至一個國家甚至世界范圍內(nèi)的工業(yè)界中的眾多企業(yè)之間。各種跡象表明，“我們正處在制造歷史上的一個危險時期”。幸運的是，計算機與計算機科學以及其它高技術(shù)的發(fā)展，通過集成制造技術(shù)、人工智能等而發(fā)展起來的一種新型制造工程—智能制造技術(shù)（intelligentmanufacturingtechnology,IMT）與智能制造系統(tǒng)（intelligentmanufacturingsystem,IMS）使我們有可能走出這個危機。這是因為，制造過程所面臨的眾多問題的核心是“制造智能”和制造技術(shù)的“智能化”。IMT是指在制造工業(yè)的各個環(huán)節(jié)以一種高度柔性與高度集成的方式，通過計算機模擬人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動；并對人類專家的制造智能進行收集、存貯、完善、共享、繼承與發(fā)展。未來工業(yè)生產(chǎn)的基本特征應(yīng)該是知識密集型，制造自動化的根本是決策自動化。2發(fā)展現(xiàn)狀2.1國外研究現(xiàn)狀：目前，IMT&IMS的研究正迅速受到眾多國家的政府、工業(yè)界和科學家們的廣泛重視：2.1.1美國美國是國際智能制造思想的發(fā)源地之一，美國政府高度重視智能制造的發(fā)展，并且已經(jīng)把它作為21世紀占領(lǐng)世界制造技術(shù)領(lǐng)先地位的基石。從上世紀90年代開始，美國國家科學基金（NSF）就著重資助有關(guān)智能制造的諸項研究，項目覆蓋了智能制造的絕大部分，包括制造過程中的智能決策、基于多施主（multi-agent）的智能協(xié)作求解、智能并行設(shè)計、物流傳輸?shù)闹悄茏詣踊龋?］。2005年，美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）提出了“聰明加工系統(tǒng)（smartmachiningsystem,SMS）”研究計劃。聰明加工系統(tǒng)的實質(zhì)是智能化，該系統(tǒng)的主要目標和研究內(nèi)容包括：（1）系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化。即將相關(guān)工藝過程和設(shè)備知識加以集成后進行建模，進行系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化；（2）設(shè)備特征化。即開發(fā)特征化的測量方法、模型和標準，并在運行狀態(tài)下對機床性能進行測量和通信；（3）下一代數(shù)控系統(tǒng)。即與STEP-NC兼容的接口和數(shù)據(jù)格式，使基于模型的機器控制能夠無縫運行；（4）狀態(tài)監(jiān)控和可靠性。即開發(fā)測量、傳感和分析方法；（5）在加工過程中直接測量刀具磨損和工件精度的方法。2011年，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布實施包括工業(yè)機器人在內(nèi)的”AdvancedManufacturingPartnershipPlan”（先進制造聯(lián)盟計劃），立即得到同日發(fā)布的“實現(xiàn)21世紀智能制造”新報告的積極響應(yīng)。在這份由美國智能制造領(lǐng)導聯(lián)盟（smartmanufacturingleadershipcoalition,SMLC）公布的報告中，不但描繪了該領(lǐng)域未來的發(fā)展藍圖，而且確定了十大優(yōu)先行動目標，意圖通過采用21世紀的數(shù)字信息技術(shù)和自動化技術(shù)，加快對20世紀的工廠進行現(xiàn)代化改造過程，以改變以往的制造方式，借此獲得經(jīng)濟、效率和競爭力方面的多重效益［2］。2.1.2日本日本于1990年首先提出為期10年的智能制造系統(tǒng)（IMS）的國際合作計劃，并與美國、加拿大、澳大利亞、瑞士和歐洲自由貿(mào)易協(xié)定國在1991年開展了聯(lián)合研究，其目的是為了克服柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的局限性，把日本工廠和車間的專業(yè)技術(shù)與歐盟的精密工程技術(shù)、美國的系統(tǒng)技術(shù)充分地結(jié)合起來，開發(fā)出能使人和智能設(shè)備都不受生產(chǎn)操作和國界限制，且能彼此合作的高技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)。方向。各國政府高度重視智能制造裝備的研發(fā)和應(yīng)用，美、日、歐已有一系列的研究成果和部分產(chǎn)品面世，德國的“工業(yè)4.0”項目也積極地推動了制造業(yè)向智能化的轉(zhuǎn)型。我國政府也充分認識到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，已出臺政策推動智能制造裝備的產(chǎn)業(yè)化水平提升?？梢灶A(yù)見，未來智能制造裝備在引領(lǐng)制造業(yè)低碳、節(jié)能、高效發(fā)展上的作用將進一步得到顯現(xiàn)；同時，行業(yè)也將在工業(yè)機器人、智能機床和基礎(chǔ)制造裝備、智能儀器儀表、三維打印裝備、新型傳感器、自動化成套生產(chǎn)線等重點領(lǐng)域形成快速發(fā)展與突破。5參考文獻［1］GUOQing-lin,ZHANGMing.Anagent-orientedapproachtoresolveschedulingoptimizationinintelligentmanufacturing［J］.RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,2010（26）：39-45.［2］羅克韋爾自動化.奧巴馬總統(tǒng)的先進制造聯(lián)盟計劃得到今日最新發(fā)布報告的支持［EB/OL］.［2011-07-24］.［3］ManuCloud［EB/OL］.［2014-03-01］.http：//www.Manu-cloud-project.eu/.［4］JAMEST.Smartfactories［J］.EngineeringandTechnology，2012，7（6）：64-67.［5］宋慧欣.“工業(yè)4.0”制造業(yè)未來之路［J］.自動化博覽，2013（10）：26-27.［6］何瑾.智能制造裝備業(yè)萬億市場藍圖初現(xiàn)［