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智能制造是“中國制造2025”的主攻方向

2019-05-28292

“智能制造”的“智能”可以分別從“智”和“能”兩個方面理解,“智”的核心內涵是知識,“能”的核心內涵是獲取知識的能力和應用知識解決問題的能力。

德國數學家、哲學家萊布尼茲認為人類的理性思維是一種運算,并致力于用形式化的數學方法研究人類的思維過程。1674年,他在巴黎科學院演示了可以完成四則運算的算術計算機,而在此之前,計算是人類所特有的智能。

引發第一次工業革命的蒸汽機,曾經是由操作者手動控制的,蒸汽機運行速度是否平穩、是否按要求加減速,完全依賴于操作者的經驗。當科學家揭示了蒸汽機的工作原理,設計了離心自動調速機構,蒸汽機就可以自動控制其運行速度了,機器似乎擁有了人類的調速經驗。

早期的手動機床依靠操作者高超的技能和經驗才能完成曲面的加工,而20世紀50年代發明的數控機床則實現了復雜曲面的自動加工。數控機床已然超越了高級技師累積的技能和經驗,并解決了復雜零件的加工問題。

1997年5月11日,超級計算機“深藍”打敗了世界象棋大師卡斯帕羅夫,成為在國際象棋這一領域戰勝人類的第一臺機器,而在此之前,推理是人類所特有的智能。2016年3月,一款名為阿爾法圍棋(AlphaGo)的人工智能程序對戰世界圍棋冠軍、職業九段選手李世石,并以4∶1的總比分獲勝,成為人工智能發展史上的又一里程碑。

上述科技事件揭示了智能科學與技術研究的某種規律:智能科學的發展是不斷進化的。每當科學家在深入研究的基礎上建立了人類某項智能的數學模型,并發明一種算法或裝置去實現這一智能功能時,人類的這一智能就“物化”在機器中,智能科技就此向前邁進一步。

我國與發達國家在20世紀80年代幾乎同時啟動了智能制造理論與技術的研究并取得重要進展,國家自然科學基金委先后啟動關于智能制造的重點項目、重大項目的研究,科技部也啟動了關于智能制造的“973”項目的研究。

智能制造旨在讓制造裝備和系統擁有智能,因而智能制造的核心內容是研究制造活動中的信息感知與分析、知識表達與學習、智能決策與執行(感知—學習—決策—執行)。智能制造技術涉及產品全生命周期中的設計、生產、管理和服務等環節的制造活動,其技術體系主要包括制造智能技術、智能制造裝備技術、智能制造系統技術、智能制造服務技術。

智能制造技術體系

智能制造是實現知識的屬性和功能的重要手段,智能制造追求的目標是不斷擴展制造裝備和系統的智能。由于制造中的知識包羅萬象,而且人類關于制造的知識也在不斷深化、擴展,這就注定了智能制造的發展將是一個不斷進化的過程,人們關于智能制造的概念也將是一個不斷向前推進的過程。進入21世紀以來,新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起,全球科技創新呈現出新的發展態勢和特征。以智能制造為核心,信息技術、生物技術、新材料技術、新能源技術廣泛滲透,帶動幾乎所有領域發生了以智能、服務、綠色為特征的群體性技術革命,這是新一輪的工業革命。

智能制造—制造業數字化、網絡化、智能化,是新一輪工業革命的核心技術。第一,使機械產品向“數控一代”乃至“智能一代”發展,從根本上提高產品功能、性能和市場競爭力。第二,使制造業向數字化、網絡化、智能化集成制造發展,全面提升產品設計、制造和管理水平。第三,將催生產業模式轉變或創新:從大規模流水線生產轉向定制化規模生產;從生產型制造向服務型制造轉變;催生“互聯網+先進制造業+現代服務業”模式。

當前,智能制造已成為制造強國的主要競爭領域,美國、德國和日本等國家已先后啟動智能制造研究計劃并進行產業戰略布局,智能制造產業處于全球領先地位。2015年,智能制造被確定為“中國制造2025”的主攻方向,主線是工業化和信息化兩化融合,著力發展智能裝備和智能產品,推進生產過程智能化,培育新型生產方式,全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平。

實施智能制造工程,應緊密圍繞重點制造領域關鍵環節,開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用。支持產學研用聯合攻關,開發智能產品和自主可控的智能裝置并實現產業化。依托優勢企業,緊扣關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制、供應鏈優化,建設重點領域智能工廠/數字化車間。在基礎條件好、需求迫切的重點地區、行業和企業中,分類實施流程制造、離散制造、智能裝備和產品、新業態新模式、智能化管理、智能化服務等試點示范及應用推廣。建立智能制造標準體系和信息安全保障系統,搭建智能制造網絡系統平臺。

目前,我國正加快構建智能制造產業體系。但由于我國尚未完成工業化,大量企業仍處于自動化進程中,智能制造產業相對薄弱。高檔數控機床與工業機器人、增材制造設備(3D打印設備)、智能傳感與控制、智能檢測與裝備、智能物流與倉儲是智能制造產業體系中的關鍵的智能制造裝備,其性能決定著整個產業鏈的發展水平。

工業機器人:我國已有若干初具規模的機器人公司,一些專用機器人達到世界先進水平,但通用高端機器人主要依賴進口。關鍵零部件如控制器、電機及伺服驅動單元、傳感器等,其核心技術主要掌握在瑞士ABB、德國KUKA、日本安川(YASKAWA)等國際巨頭手中。

數控機床:我國已突破一些專用機床的關鍵技術,如用于加工航空發動機壓氣機盤的智能雙面車床等,但通用高端數控機床仍然須從美國、日本、德國等工業強國進口,主要是數控系統、電機及伺服驅動單元、主軸電機、精密光柵尺、刀具等關鍵部件與國外先進產品還有差距。

增材制造設備(3D打印設備):我國在大型航空零件的3D打印領域已取得技術突破,但還沒有形成完善的配套產業。美國在3D打印領域擁有全球領先的金屬材料研發能力。歐洲的法國、德國、比利時都擁有技術較強的3D打印企業,已實現數字化規模生產。

智能制造是信息化與工業化的深度融合。支撐智能制造的關鍵技術主要包括:各種傳感技術,從傳感器信息獲取知識的技術(機器學習、大數據分析等技術),推理決策技術,智能控制技術,工業操作系統技術,工業互聯網、物聯網、互聯網、移動互聯網技術,新一代人機交互技術等。

未來的制造是全方位感知的制造。傳感器分布在產品、生產系統、倉儲物流、管理系統中,能感知產品運行性能和客戶狀態,感知生產狀態,感知原材料和產品的存儲和運輸狀態。

未來的制造是數字化制造。產品設計數字化、生產過程數字化、倉儲物流數字化、客戶服務數字化、生產管理數字化。

未來的制造是網絡化制造。產品、生產系統、倉儲物流、管理系統中的傳感器、控制器等,通過網絡全部連接在一起,形成對產品全生命周期的監控,實現生產過程的優化和客戶服務的優化。

未來的制造是充滿智慧的制造。在數學模型和智能算法的支持下,產品、生產系統、倉儲物流、管理系統既可以根據傳感器信息優化自身運行,也可以進行自診斷、自維護、自學習,還可以通過互動實現全局協調和優化。

智能制造的上述特點,將使設計、生產、管理、服務系統運行在最優狀態,降低能耗和原材料,實現綠色制造。使分散在世界各地的企業、研發人員、創客借助網絡開放資源,實現共享制造。使產品供應商實時、全面理解產品運行狀態和客戶體驗,實現服務型制造。使生產過程具有快速重組和快速響應能力,實現客戶定制制造。使產品、設備、用戶、生產管理人員互聯互通,實現全連通制造。

智能制造的發展前景廣闊,機遇巨大。智能制造的發展,將以國家重大戰略需求為導向,著力攻破關鍵核心技術,為中國制造業的發展添磚加瓦。


文章來源:信息化和軟件服務網



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