智能制造：制造业的未来
By www.carbonfiber.com.cn
摘要： 智能制造系统（Intelligent Manufacturing System, IMS）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动。
一、背景
近年来，劳动力成本和原材料价格节节上升，制造业已向更低成本的国家转移，金融危机之后，发达国家提出“再工业化”，要用人工智能、机器人以及数字化制造打败中国制造业。如中国最大的制造商之一--台湾富士康科技集团曾宣布，计划在三年内安装一百万台机器人来取代目前由中国工人来做的工作。事实证明，随着智能制造技术、先进制造技术的快速发展，制造业已开始向发达国家回流，中国制造业大国的地位经受严重挑战。
在这样的竞争环境下，我国政府也做出了相应的战略定位，如工信部装备司司长张相木在亚洲制造业论坛发言时提出，“工业的发展经历了以蒸汽机为代表的机械时代、以电子信息技术为代表的电器时代，以计算机为代表的数字时代，下一个时代应该叫智能时代。” 2012年7月9日国务院发布的《十二五国家战略性新兴产业发展规划》中指出：“要做大做强智能制造装备，把高端装备制造业培育成为国民经济的支柱产业，促进制造业向智能化、精密化、绿色化发展。” 工程院院长周济指出：“制造业数字化、智能化是新工业革命的核心技术”，他提出到2020年，中国机械产品总体升级为“数控一代”；到2030年，机械产品总体升级为“智能一代”，制造业主要领域将全面推行智能制造模式。
可见，竞争格局、制造技术、绿色发展、国家战略都要求制造业必须走向智能制造之路。
二、智能制造的定义和内涵
智能制造系统（Intelligent Manufacturing System, IMS）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它对制造自动化的概念进行了更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。智能制造系统最终要从以人为主要决策核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行转变。
“智能制造国际合作研究计划JIRPIMS”明确提出：“智能制造系统是一种在整个制造过程中贯穿智能活动，并将这种智能活动与智能机器有机融合，将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各个环节以柔性方式集成起来的能发挥最大生产力的先进生产系统。”
与传统的制造相比，智能制造具有如下特征，如图1所示。
图1 智能制造的特征
1、自律能力
智能制造过程具有能感知与理解环境信息和自身信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。具有自律能力的设备称为“智能机器”，“智能机器”在一定程度上表现出独立性、自主性和个性，甚至相互间还能协调运作与竞争。 值得注意的是，强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。
2、人机一体化
目前IMS不单纯是“人工智能”系统，而是人机一体化智能系统，它不仅具有逻辑思维，形象思维还具有灵感（顿悟）思维。 它能够独立承担起分析、判断、决策等任务。 人机一体化智能系统在智能机器的配合下，更好地发挥出人的潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互“理解”、相互协作的关系。
因此，在智能制造系统中，高素质、高智能的人将发挥更好的作用，机器智能和人的智能将真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。
3、虚拟现实技术
虚拟现实技术是实现虚拟制造的支持技术，也是实现高水平人机一体化的关键技术之一。虚拟现实技术是以计算机为基础，融信号处理、动画技术、智能推理、预测、仿真和多媒体技术为一体，借助各种音像和传感装置，虚拟展示现实生活中的各种过程、物件等，因而也能拟实制造过程和未来的产品，从感官和视觉上使人获得完全如同真实的感受，但其特点是可以按照人们的意愿任意变化，这种人机结合的新一代智能界面，是智能制造的一个显著特征。
4、自组织和超柔性
自组织和超柔性是指智能制造系统中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最佳结构，其柔性不仅表现在运行方式上，而且表现在结构形式上，所以称这种柔性为超柔性，如同一群人类专家组成的群体，具有生物特征。
5、学习能力与自我维护能力
智能制造系统能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能，同时，在运行过程中自行进行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护的能力。这种特征使智能制造系统能够自我优化并适应各种复杂的环境。
三、智能工厂
最近几年欧美针对流程工业提出了“智能工厂”的概念。智能工厂由商业智能、运营智能、操作智能三个层次组成，如图2所示。
图2 流程工业智能工厂
而对于机械制造业而言，智能设计与智能装备、商业智能、运营智能、制造智能构成了机械制造业智能工厂的整体框架，如图3所示。
图3 机械制造业智能工厂框架
·智能设计&智能装备
智能设计指应用CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技术，在设计知识库、工艺知识库、专家系统的支持下进行产品创新设计。
智能装备是具有感知、分析、推理、决策、控制功能的制造装备，它是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合，如智能加工中心、自适应数控机床、智能仪表。
·商业智能
商业智能是对商业信息的搜集、管理和分析过程，目的是使企业的各级决策者获得知识或洞察力，促使他们做出对企业更有利的决策。商业智能一般由数据仓库、联机分析处理、数据挖掘、数据备份和恢复等部分组成。
·运营智能
运营智能是以ERP/SRM/CRM/TBM/EPM为手段，实现整个供应链上物流、资金流、信息流、工作流的优化控制，实现企业的预算、控制和绩效的管理，全面提升企业运营绩效。
·制造智能
制造智能指通过使用智能装备、制造执行系统，实现整个生产制造过程的优化控制、智能调度、生产及设备运行状态监控、质量管理、车间绩效等，对生产、设备、质量的异常作出正确的判断和处置，实现制造执行与运营管理、研发设计、智能装备的集成。
四、总结
工业革命从机械化、电器化、数字化走向智能化，这是历史发展的必然，机械制造业必须走向智能制造、智能工厂的道路。 智能设计与智能装备、商业智能、运营智能、制造智造将构建机械制造业的智能工厂，而智能工厂将最大限度的优化企业资源利用，降低生产成本，提高客户满意度，实现产品创新、经营模式创新、流程创新、生产制造过程创新，夺取下一个十年的竞争优势。
作者：北京机械工业自动化研究所 首席专家 蒋明炜
摘要： 智能制造系统（Intelligent Manufacturing System, IMS）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动。
一、背景
近年来，劳动力成本和原材料价格节节上升，制造业已向更低成本的国家转移，金融危机之后，发达国家提出“再工业化”，要用人工智能、机器人以及数字化制造打败中国制造业。如中国最大的制造商之一--台湾富士康科技集团曾宣布，计划在三年内安装一百万台机器人来取代目前由中国工人来做的工作。事实证明，随着智能制造技术、先进制造技术的快速发展，制造业已开始向发达国家回流，中国制造业大国的地位经受严重挑战。
在这样的竞争环境下，我国政府也做出了相应的战略定位，如工信部装备司司长张相木在亚洲制造业论坛发言时提出，“工业的发展经历了以蒸汽机为代表的机械时代、以电子信息技术为代表的电器时代，以计算机为代表的数字时代，下一个时代应该叫智能时代。” 2012年7月9日国务院发布的《十二五国家战略性新兴产业发展规划》中指出：“要做大做强智能制造装备，把高端装备制造业培育成为国民经济的支柱产业，促进制造业向智能化、精密化、绿色化发展。” 工程院院长周济指出：“制造业数字化、智能化是新工业革命的核心技术”，他提出到2020年，中国机械产品总体升级为“数控一代”；到2030年，机械产品总体升级为“智能一代”，制造业主要领域将全面推行智能制造模式。
可见，竞争格局、制造技术、绿色发展、国家战略都要求制造业必须走向智能制造之路。
二、智能制造的定义和内涵
智能制造系统（Intelligent Manufacturing System, IMS）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它对制造自动化的概念进行了更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。智能制造系统最终要从以人为主要决策核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行转变。
“智能制造国际合作研究计划JIRPIMS”明确提出：“智能制造系统是一种在整个制造过程中贯穿智能活动，并将这种智能活动与智能机器有机融合，将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各个环节以柔性方式集成起来的能发挥最大生产力的先进生产系统。”
与传统的制造相比，智能制造具有如下特征，如图1所示。
图1 智能制造的特征
1、自律能力
智能制造过程具有能感知与理解环境信息和自身信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。具有自律能力的设备称为“智能机器”，“智能机器”在一定程度上表现出独立性、自主性和个性，甚至相互间还能协调运作与竞争。 值得注意的是，强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。
2、人机一体化
目前IMS不单纯是“人工智能”系统，而是人机一体化智能系统，它不仅具有逻辑思维，形象思维还具有灵感（顿悟）思维。 它能够独立承担起分析、判断、决策等任务。 人机一体化智能系统在智能机器的配合下，更好地发挥出人的潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互“理解”、相互协作的关系。
因此，在智能制造系统中，高素质、高智能的人将发挥更好的作用，机器智能和人的智能将真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。
3、虚拟现实技术
虚拟现实技术是实现虚拟制造的支持技术，也是实现高水平人机一体化的关键技术之一。虚拟现实技术是以计算机为基础，融信号处理、动画技术、智能推理、预测、仿真和多媒体技术为一体，借助各种音像和传感装置，虚拟展示现实生活中的各种过程、物件等，因而也能拟实制造过程和未来的产品，从感官和视觉上使人获得完全如同真实的感受，但其特点是可以按照人们的意愿任意变化，这种人机结合的新一代智能界面，是智能制造的一个显著特征。
4、自组织和超柔性
自组织和超柔性是指智能制造系统中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最佳结构，其柔性不仅表现在运行方式上，而且表现在结构形式上，所以称这种柔性为超柔性，如同一群人类专家组成的群体，具有生物特征。
5、学习能力与自我维护能力
智能制造系统能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能，同时，在运行过程中自行进行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护的能力。这种特征使智能制造系统能够自我优化并适应各种复杂的环境。
三、智能工厂
最近几年欧美针对流程工业提出了“智能工厂”的概念。智能工厂由商业智能、运营智能、操作智能三个层次组成，如图2所示。
图2 流程工业智能工厂
而对于机械制造业而言，智能设计与智能装备、商业智能、运营智能、制造智能构成了机械制造业智能工厂的整体框架，如图3所示。
图3 机械制造业智能工厂框架
·智能设计&智能装备
智能设计指应用CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技术，在设计知识库、工艺知识库、专家系统的支持下进行产品创新设计。
智能装备是具有感知、分析、推理、决策、控制功能的制造装备，它是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合，如智能加工中心、自适应数控机床、智能仪表。
·商业智能
商业智能是对商业信息的搜集、管理和分析过程，目的是使企业的各级决策者获得知识或洞察力，促使他们做出对企业更有利的决策。商业智能一般由数据仓库、联机分析处理、数据挖掘、数据备份和恢复等部分组成。
·运营智能
运营智能是以ERP/SRM/CRM/TBM/EPM为手段，实现整个供应链上物流、资金流、信息流、工作流的优化控制，实现企业的预算、控制和绩效的管理，全面提升企业运营绩效。
·制造智能
制造智能指通过使用智能装备、制造执行系统，实现整个生产制造过程的优化控制、智能调度、生产及设备运行状态监控、质量管理、车间绩效等，对生产、设备、质量的异常作出正确的判断和处置，实现制造执行与运营管理、研发设计、智能装备的集成。
四、总结
工业革命从机械化、电器化、数字化走向智能化，这是历史发展的必然，机械制造业必须走向智能制造、智能工厂的道路。 智能设计与智能装备、商业智能、运营智能、制造智造将构建机械制造业的智能工厂，而智能工厂将最大限度的优化企业资源利用，降低生产成本，提高客户满意度，实现产品创新、经营模式创新、流程创新、生产制造过程创新，夺取下一个十年的竞争优势。
作者：北京机械工业自动化研究所 首席专家 蒋明炜
