天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程系教授 郭偉
一、智能制造發(fā)展及認(rèn)識(shí)
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(lái)越多的信息隨手可得，但為什么我們卻感覺(jué)更加茫然和無(wú)知？這是一個(gè)信息檢索和知識(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)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(jí)階段。
21世紀(jì)是生物科技的時(shí)代，隨著基因、腦神經(jīng)、認(rèn)知等生命科學(xué)研究的逐步深入，智能科學(xué)正一步步揭開(kāi)神秘的面紗，成為21世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)的推動(dòng)力。
在現(xiàn)代制造和信息技術(shù)領(lǐng)域，語(yǔ)言識(shí)別與理解、圖像識(shí)別與處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器人規(guī)劃、多信息傳感與控制、知識(shí)表達(dá)獲取與處理、推理與決策、專(zhuān)家系統(tǒng)、智能優(yōu)化控制等智能技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
比如先進(jìn)的Google無(wú)人駕駛汽車(chē)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛模式下最高限速60公里/小時(shí)，停車(chē)標(biāo)志提供語(yǔ)音提示，主控系統(tǒng)故障檢測(cè)報(bào)警、陌生環(huán)境手動(dòng)操作提示、路口路況自適應(yīng)。其系統(tǒng)核心是車(chē)頂上的激光測(cè)距儀，該設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)向周?chē)l(fā)射64束激光，激光碰到周?chē)奈矬w并返回，便可計(jì)算出車(chē)體與周邊物體的距離。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)距離數(shù)據(jù)描繪出精細(xì)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(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用。
Google無(wú)人駕駛汽車(chē)
最近熱門(mén)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(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制、網(wǎng)絡(luò)信息等多學(xué)科知識(shí)系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)。其原理是基于三維模型，通過(guò)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(xì)胞等材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，疊加成型，制出實(shí)體產(chǎn)品。
再比如依靠傳感器數(shù)據(jù)與專(zhuān)家模型的融合，全面了解環(huán)境和發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自我診斷和自我預(yù)測(cè)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)的自我管理決策并采取物理動(dòng)作執(zhí)行的智能發(fā)動(dòng)機(jī)。這些都是科技創(chuàng)新中智能化的體現(xiàn)。
（2）智能化是客戶(hù)需求和社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)
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(duì)產(chǎn)品的需求越來(lái)越數(shù)字化、微型化、個(gè)性化，操作簡(jiǎn)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(yīng)性。
現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)和社會(huì)生活的各領(lǐng)域，極大地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)關(guān)系的發(fā)展變革。將智能化技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)貿(mào)易、文化教育、交通運(yùn)輸、國(guó)家防務(wù)、行政管理等各部門(mén)，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(huì)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(hù)需求提高、貿(mào)易摩擦平發(fā)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈、人工成本增加、運(yùn)營(yíng)費(fèi)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(jì)、高端裝備制造、自動(dòng)化設(shè)備、智能精細(xì)管理等方向發(fā)展。
2.背景與意義
由此總結(jié)出實(shí)現(xiàn)智能化的三個(gè)驅(qū)動(dòng)力，即科技創(chuàng)新發(fā)展方向、客戶(hù)需求和社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)、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(jì)、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(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品過(guò)程對(duì)應(yīng)的方法叫智能設(shè)計(jì)，另外一端是未來(lái)市場(chǎng)的售后服務(wù)，包括智能裝備、服務(wù)。智能制造實(shí)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(jìn)
智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是上世紀(jì)八十年代末隨著CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的研究開(kāi)始興起的，核心是借助人工智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的自測(cè)量、自適應(yīng)、自診斷、自學(xué)習(xí)，達(dá)到制造柔性化、無(wú)人化。但由于人工智能進(jìn)展緩慢，智能制造技術(shù)未能在企業(yè)廣泛應(yīng)用。
新世紀(jì)之后，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（因特網(wǎng)和無(wú)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(dòng)化測(cè)控技術(shù)相融合，智能制造范疇有了較大擴(kuò)展。
當(dāng)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(jìn)制造技術(shù)和智能自動(dòng)化技術(shù)，在整個(gè)制造企業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)（如經(jīng)營(yíng)決策、采購(gòu)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃、制造、裝配、質(zhì)量保證、市場(chǎng)銷(xiāo)售和售后服務(wù)等）融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)研發(fā)、制造、服務(wù)、管理全過(guò)程的精確感知、自動(dòng)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(yīng)用
二、智能制造重點(diǎn)領(lǐng)域與技術(shù)支撐體系
1.智能設(shè)計(jì)技術(shù)
智能設(shè)計(jì)技術(shù)以縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期、設(shè)計(jì)自動(dòng)化為目標(biāo)，目前主要以?xún)蓷l技術(shù)線索展開(kāi)：①以CAD、CAE技術(shù)為主體，構(gòu)建研發(fā)設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真環(huán)境；②以PLM、知識(shí)管理為主體，構(gòu)建研發(fā)設(shè)計(jì)知識(shí)輔助環(huán)境。
智能設(shè)計(jì)技術(shù)的兩條線索
一個(gè)典型的知識(shí)管理案例就是計(jì)算知識(shí)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(gè)異常龐大的經(jīng)過(guò)組織的數(shù)據(jù)庫(kù)，再利用高級(jí)的自然語(yǔ)言算法進(jìn)行處理，最終構(gòu)造出一個(gè)知識(shí)搜索的引擎，直接給出問(wèn)題解答，實(shí)現(xiàn)智能化知識(shí)組織與重用。
另外一個(gè)重要的技術(shù)就是統(tǒng)一多領(lǐng)域建模仿真語(yǔ)言Modelica，它是一種開(kāi)放、面向?qū)ο蟮囊苑匠虨榛A(chǔ)的語(yǔ)言，適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)物理系統(tǒng)建模，包括機(jī)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(jìn)行知識(shí)重用。
2.智能化生產(chǎn)技術(shù)
國(guó)外非常重視智能化生產(chǎn)技術(shù)，例如在德國(guó)“工業(yè)4.0”項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手資助，聯(lián)盟政府投入達(dá)2億歐元。該未來(lái)項(xiàng)目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。
西門(mén)子安貝格自動(dòng)化工廠
從十二五規(guī)劃來(lái)看，我國(guó)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(zhuān)項(xiàng)——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(kù)的自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)與管理，物流工藝過(guò)程三維仿真與優(yōu)化；RDIF物料追蹤、自動(dòng)堆料、上下料 ；設(shè)備、物料、質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，自動(dòng)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(wú)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(shí)現(xiàn)制造的自動(dòng)化、智能化、精益化、可視化，極大提升對(duì)產(chǎn)品及制造過(guò)程的感知、控制與管理水平。實(shí)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(yù)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(chǎng)服務(wù)，重點(diǎn)開(kāi)展在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)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(jī)設(shè)備故障預(yù)警管理系統(tǒng)中，基于生產(chǎn)線上每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)與故障樹(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的故障預(yù)警功能。對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)綜合判斷和預(yù)警，避免機(jī)器故障的產(chǎn)生，提高生產(chǎn)效率。
在能耗計(jì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、在線監(jiān)測(cè)等功能，中心數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算完成能耗統(tǒng)計(jì)、管理、考核、測(cè)評(píng)、能耗審計(jì)和公示等工作。
5.云制造技術(shù)與應(yīng)用
在當(dāng)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(duì)此，科技部在十二五初期設(shè)立了云制造的技術(shù)項(xiàng)目，來(lái)探索云技術(shù)的應(yīng)用。這其中包括中國(guó)模具產(chǎn)業(yè)云制造平臺(tái)，采用云端資源接入適配器，向平臺(tái)用戶(hù)提供接入資源的實(shí)時(shí)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(duì)高級(jí)權(quán)限用戶(hù)提供遠(yuǎn)程制造資源操作功能。同時(shí)提供公共知識(shí)服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)資訊、標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)、專(zhuān)利等，促進(jìn)知識(shí)資源交流和共享。
6.智能裝備—柔性制造—智能測(cè)控—智能維護(hù)技術(shù)
智能裝備技術(shù)
典型的智能裝備技術(shù)有智能機(jī)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(dòng)化裝配檢測(cè)機(jī)器人、自動(dòng)引導(dǎo)小車(chē)等。
柔性制造技術(shù)中，自適應(yīng)數(shù)控加工技術(shù)是依據(jù)當(dāng)前設(shè)備負(fù)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(shí)做出調(diào)整，以適應(yīng)當(dāng)前設(shè)備或零件狀態(tài)，完成特定加工。自適應(yīng)加工是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車(chē)間及無(wú)人加工的前瞻性技術(shù)。
智能測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間、設(shè)備、工藝參數(shù)及設(shè)備報(bào)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(cè)儀，水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的PH自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制器，這些都是智能測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用。
三、智能制造應(yīng)用實(shí)踐
1.智能設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用——天發(fā)水電重型裝備設(shè)計(jì)知識(shí)平臺(tái)
在天發(fā)水電重型裝備設(shè)計(jì)知識(shí)平臺(tái)中，包括設(shè)計(jì)計(jì)算知識(shí)、設(shè)計(jì)仿真、知識(shí)存儲(chǔ)管理、研發(fā)過(guò)程管理、知識(shí)查詢(xún)、知識(shí)推送、知識(shí)表達(dá)等，通過(guò)軟件工具接口技術(shù)和PKM-PDM接口技術(shù)，將知識(shí)管理積累模塊、數(shù)據(jù)集成環(huán)境、軟件工具進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了在這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、參數(shù)化建模、多學(xué)科分析計(jì)算、產(chǎn)品管理和知識(shí)管理。
天發(fā)水電重型裝備設(shè)計(jì)知識(shí)平臺(tái)
2.全生命周期智能化管理—面向重型機(jī)床裝備的閉環(huán)PLM系統(tǒng)
針對(duì)重型機(jī)床高投入、高附加值，高技術(shù)含量，高信息密集度、高復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性強(qiáng)、生命周期長(zhǎng)，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)中舉足輕重的特點(diǎn),研究面向重型機(jī)床裝備生命周期的閉環(huán)管理模式，支持反饋式設(shè)計(jì)、MRO及加工過(guò)程質(zhì)量保證。
面向重型機(jī)床裝備的閉環(huán)PLM系統(tǒng)構(gòu)架
3.生產(chǎn)過(guò)程智能化監(jiān)控與保障支持系統(tǒng)
結(jié)合批量化汽車(chē)零部件生產(chǎn)過(guò)程，采用RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)物流精準(zhǔn)管理，通過(guò)系統(tǒng)確定生產(chǎn)流程對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度完成的影響關(guān)系，合理的布置監(jiān)控點(diǎn)，精準(zhǔn)控管產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。開(kāi)發(fā)了制造現(xiàn)場(chǎng)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(lái)形成了數(shù)字化企業(yè)精準(zhǔn)管理平臺(tái)技術(shù)體系。
敏捷制造報(bào)警系統(tǒng)
4.天津汽車(chē)模具智能設(shè)計(jì)—智能制造—云制造實(shí)踐，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展
在天津汽車(chē)模具的整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史中，2003年引入CAE輔助工藝實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)，模面的精細(xì)化設(shè)計(jì)，CAE報(bào)告指導(dǎo)下的鉗工調(diào)試。2006年引入CAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造，使得鉗工作業(yè)只裝不配少修成為可能，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化加工，提高加工效率。
同時(shí)在整個(gè)公司拓展協(xié)同研發(fā)平臺(tái)應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)天津、湖北、湖南、河南、德國(guó)等多地協(xié)同研發(fā)，全方位利用各地專(zhuān)業(yè)化技術(shù)優(yōu)勢(shì)資源，縮短了新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。
天津汽車(chē)模具智能設(shè)計(jì)—智能制造—云制造實(shí)踐
結(jié)合汽車(chē)模具產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同需求，整合設(shè)計(jì)軟件資源、設(shè)計(jì)能力資源、制造資源、知識(shí)資源、工作分工與協(xié)同，形成云制造業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)“資源云化倍增”。
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本文標(biāo)題：拓步ERP資訊：制造業(yè)智能制造發(fā)展趨勢(shì)
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