一文讀懂智能制造的主線——智能生產

2018年07月03日 08:40:18 瀏覽量：文章來源：先進制造業

近年來，全球各主要經濟體都在大力推進制造業的復興。在工業4.0、工業互聯網、物聯網、云計算等熱潮下，全球眾多優秀制造企業都開展了智能工廠建設實踐。

據中國工程院院長周濟介紹，智能生產是智能制造的主線，而智能工廠是智能生產的主要載體。隨著新一代人工智能的應用，今后20年，中國企業將要向自學習、自適應、自控制的新一代智能工廠進軍。新一代人工智能技術和先進制造技術的融合，將使得生產線、車間、工廠發生革命性大變革，提升到歷史性的新高度，將從根本上提高制造業質量、效率和企業競爭力。在今后相當一段時間里面，生產線、車間，工廠的智能升級將成為推進智能制造的一個主要戰場。

一、智能工廠的內涵及建設重點

智能工廠是實現智能制造的重要載體，主要通過構建智能化生產系統、網絡化分布生產設施，實現生產過程的智能化。智能工廠已經具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規劃；通過整體可視技術進行推理預測，利用仿真及多媒體技術，將實境擴增展示設計與制造過程。系統中各組成部分可自行組成最佳系統結構，具備協調、重組及擴充特性。已系統具備了自我學習、自行維護能力。因此，智能工廠實現了人與機器的相互協調合作，其本質是人機交互。

人機料法環是對全面質量管理理論中的五個影響產品質量的主要因素的簡稱。

人，指制造產品的人員；

機，制造產品所用的設備；

料，指制造產品所使用的原材料；

法，指制造產品所使用的方法；

環，指產品制造過程中所處的環境。

而智能生產就是以智能工廠為核心，將人、機、法、料、環連接起來，多維度融合的過程。

在智能工廠的體系架構中，質量管理的五要素也相應的發生變化，因為在未來智能工廠中，人類、機器和資源能夠互相通信。智能產品“知道”它們如何被制造出來的細節，也知道它們的用途。它們將主動地對制造流程，回答諸如“我什么時候被制造的”、“對我進行處理應該使用哪種參數”、“我應該被傳送到何處”等問題。

企業基于CPS和工業互聯網構建的智能工廠原型，主要包括物理層、信息層、大數據層、工業云層、決策層。其中，物理層包含工廠內不同層級的硬件設備，從最小的嵌入設備和基礎元器件開始，到感知設備、制造設備、制造單元和生產線，相互間均實現互聯互通。以此為基礎，構建了一個“可測可控、可產可管”的縱向集成環境。信息層涵蓋企業經營業務各個環節，包含研發設計、生產制造、營銷服務、物流配送等各類經營管理活動，以及由此產生的眾創、個性化定制、電子商務、可視追蹤等相關業務。在此基礎上，形成了企業內部價值鏈的橫向集成環境，實現數據和信息的流通和交換。

縱向集成和橫向集成均以CPS和工業互聯網為基礎，產品、設備、制造單元、生產線、車間、工廠等制造系統的互聯互通，及其與企業不同環節業務的集成統一，則是通過數據應用和工業云服務實現，并在決策層基于產品、服務、設備管理支撐企業最高決策。這些共同構建了一個智能工廠完整的價值網絡體系，為用戶提供端到端的解決方案。

由于產品制造工藝過程的明顯差異，離散制造業和流程制造業在智能工廠建設的重點內容有所不同。對于離散制造業而言，產品往往由多個零部件經過一系列不連續的工序裝配而成，其過程包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離散型制造生產組織的難度和配套復雜性。企業常常按照主要的工藝流程安排生產設備的位置，以使物料的傳輸距離最小。面向訂單的離散型制造企業具有多品種、小批量的特點，其工藝路線和設備的使用較靈活，因此，離散制造型企業更加重視生產的柔性，其智能工廠建設的重點是智能制造生產線。

二、智能工廠主要建設模式

由于各個行業生產流程不同，加上各個行業智能化情況不同，智能工廠有以下幾個不同的建設模式。

第一種模式是從生產過程數字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫藥、食品等流程制造領域，企業發展智能制造的內在動力在于產品品質可控，側重從生產數字化建設起步，基于品控需求從產品末端控制向全流程控制轉變。

第二種模式是從智能制造生產單元(裝備和產品)到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領域，企業發展智能制造的核心目的是拓展產品價值空間，側重從單臺設備自動化和產品智能化入手，基于生產效率和產品效能的提升實現價值增長。

第三種模式是從個性化定制到互聯工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品制造領域，企業發展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現規模經濟生產，側重通過互聯網平臺開展大規模個性定制模式創新。

三、智能工廠發展重點環節

智能生產的側重點在于將人機互動、3D打印等先進技術應用于整個工業生產過程，并對整個生產流程進行監控、數據采集，便于進行數據分析，從而形成高度靈活、個性化、網絡化的產業鏈。

3D打印

3D打印是一項顛覆性的創新技術，被美國自然科學基金會稱為20世紀最重要的制造技術創新。制造業的全流程都可以引入3D打印，起到節約成本、加快進度、減少材料浪費等效果。在設計環節，借助3D打印技術，設計師能夠獲得更大的自由度和創意空間，可以專注于產品形態創意和功能創新，而不必考慮形狀復雜度的影響，因為3D打印幾乎可以完成任何形狀的物品構建。在生產環節，3D打印可以直接從數字化模型生成零部件，不需要專門的模具制作等工序，既節約了成本，又能加快產品上市。此外，傳統制造工藝在鑄造、拋光和組裝部件的過程中通常會產生廢料，而相同部件使用3D打印則可以一次性成形，基本不會產生廢料。在分銷環節，3D打印可能會挑戰現有的物流分銷網絡。未來，零部件不再需要從原廠家采購和運輸，而是從制造商的在線數據庫中下載3D打印模型文件，然后在本地快速打印出來，由此可能導致遍布全球的零部件倉儲與配送體系失去存在的意義。

3D打印經過了近 40 年的發展，龍頭公司開始實現顯著盈利，市場認可度快速上升，行業收入增長加速。根據典型的產品生命周期理論，技術產品從導入期進入成長期的過程中往往表現出加速增長的特征，判斷目前3D打印產業正在進入加速成長期。

整個3D打印行業產業鏈大概可分為三個部分，上游基礎配件行業，3D打印設備生產企業、3D打印材料生產企業和支持配套企業，下游主要是3D打印的各大應用領域。通常意義上的3D打印行業則主要是指3D打印設備、材料及服務企業。

3D 打印已經形成了一條完整的產業鏈。產業鏈的每個環節都聚集了一批領先企業。全球范圍來看，以Stratasys、3D Systems為代表的設備企業在產業鏈中占據了主導作用，且這些設備企業通常能夠提供材料和打印服務業務，如具有較強的話語權。

人機交互

未來各類交互方式都會進行深度融合，使智能設備會更加自然地與人類生物反應及處理過程同步，包括思維過程、動覺，甚至一個人的文化偏好等，這個領域充滿著各種各樣新奇的可能性。

人與機器的信息交換方式隨著技術融合步伐的加快向更高層次邁進，新型人機交互方式被逐漸應用于生產制造領域。具體表現在智能交互設備柔性化和智能交互設備工業領域應用這兩個方面。在生產過程中，智能制造系統可獨立承擔分析、判斷、決策等任務，突出人在制造系統中的核心地位，同時在工業機器人、無軌agv等智能設備配合下，更好發揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質是人機一體化。

傳感器

中國已經基本形成較為完整的產業鏈結構，在材料、器件、系統、網絡等各方面水平不斷完善，自主產品已達6000種，國內建立了三大傳感器生產基地，分別為：安徽基地，陜西基地和黑龍江基地。政府對國內傳感器產業提出了加快力度加快發展的指導方針，未來的傳感器發展將向著智能化的方向改善。

工業軟件

智能工廠的建設離不開工業軟件的廣泛應用。工業軟件包括基礎和應用軟件兩大類，其中系統、中間件、嵌入式屬于基礎技術范圍，并不與特定工業管理流程和工藝流程緊密相關，以下提到的工業軟件主要指應用軟件，包括運營管理類、生產管理類和研發設計類軟件等。

在《中國制造2025》的大背景下，工業企業轉變發展模式、加快兩化融合成為大勢所趨，工業軟件以及信息化服務的需求仍將繼續增加，中國繼續保持著全球工業軟件市場增長生力軍的地位。

具體來看，2016年我國工業軟件行業中產品研發類如CAD、CAE、CAM、CAPP等占比約為8.3%，信息管理類如ERP、CRM、HRM等，占比約為15.5%；生產控制類如MES、PCS、PLC等占比約為13.2%；其余63%均為嵌入式軟件開發。

分區域來看，華北、華東是工業軟件應用最多的區域，合計占到全國一半左右，具體到省市來看，北京、上海、廣東、江蘇是工業軟件實力雄厚的區域，約占中國工業軟件市場規模的一半以上。

廣泛應用MES（制造執行系統）、APS（先進生產排程）、PLM(產品生命周期管理) 、ERP(企業資源計劃)、質量管理等工業軟件，實現生產現場的可視化和透明化。在新建工廠時，可以通過數字化工廠仿真軟件，進行設備和產線布局、工廠物流、人機工程等仿真，確保工廠結構合理。在推進數字化轉型的過程中，必須確保工廠的數據安全和設備和自動化系統安全。在通過專業檢測設備檢出次品時，不僅要能夠自動與合格品分流，而且能夠通過SPC（統計過程控制）等軟件，分析出現質量問題的原因。

云制造

云制造即制造企業將先進的信息技術、制造技術以及新興物聯網技術等交叉融合，工廠產能、工藝等數據都集中于云平臺，制造商可在云端進行大數據分析與客戶關系管理，發揮企業最佳效能。

我們國內，可以看到有航天科工集團開發的面向航天復雜產品的集團企業云制造服務平臺，接入了集團下屬各院所和基地擁有豐富的制造資源和能力；中車集團面向軌道交通裝備的集團企業云制造服務平臺，打通了軌道車輛、工程機械、機電設備、電子設備及相關部件等產品的研發、設計、制造、修理和服務等業務；面向中小企業的云制造平臺，也陸續出現在了裝備制造、箱包鞋帽等行業領域。

云制造為制造業信息化提供了一種嶄新的理念與模式，云制造作為一種初生的概念，其未來具有巨大的發展空間。但云制造的未來發展仍面臨著眾多關鍵技術的挑戰，除了對于云計算、物聯網、語義Web、高性能計算、嵌入式系統等技術的綜合集成，基于知識的制造資源云端化、制造云管理引擎、云制造應用協同、云制造可視化與用戶界面等技術均是未來需要攻克的重要技術。

總結

建設智能工廠無疑是制造企業轉型升級的重要方式，同時應圍繞企業的中長期發展戰略，根據自身產品、工藝、設備和訂單的特點，合理規劃智能工廠的建設藍圖。在推進規范化、標準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問題入手，務實推進智能工廠的建設。

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