智能制造發(fā)展過程體現(xiàn)的創(chuàng)新原理

謝文強，王俊鵬， 江燕（北京理工大學(xué)管理與經(jīng)濟學(xué)院，

北京100081）

智能制造發(fā)展過程體現(xiàn)的創(chuàng)新原理

謝文強，王俊鵬， 江燕（北京理工大學(xué)管理與經(jīng)濟學(xué)院，

北京100081）

本文從智能制造的技術(shù)創(chuàng)新、模式創(chuàng)新和組織方式創(chuàng)新三個角度分析了其發(fā)展過程中體現(xiàn)的科學(xué)創(chuàng)新原理。其中，技術(shù)創(chuàng)新過程主要體現(xiàn)了集成原理和移植原理；模式創(chuàng)新過程體現(xiàn)了集成原理和組合原理；組織方式創(chuàng)新過程體現(xiàn)了系統(tǒng)原理和集成原理。最后對智能制造未來發(fā)展方向做了預(yù)測。

科學(xué)創(chuàng)新原理；智能制造；技術(shù)創(chuàng)新；模式創(chuàng)新；組織方式創(chuàng)新

創(chuàng)新是一個民族乃至一個國家發(fā)展的不竭動力，是人類生存與發(fā)展的基本方式，在人類漫長的發(fā)展史上，有過無數(shù)次的創(chuàng)新活動。人類在探索自然和社會發(fā)展規(guī)律的同時，也在探索創(chuàng)新活動本身的規(guī)律。科學(xué)創(chuàng)新原理就是人類對創(chuàng)新活動規(guī)律的總結(jié)，它包含思維原理、創(chuàng)新原理、決策原理。思維原理是基于人腦機能和認知機制對人的思維機理和思維規(guī)律的科學(xué)總結(jié)；創(chuàng)新原理揭示的是人及人類如何在遵循事物發(fā)展規(guī)律基礎(chǔ)上有目的地開展創(chuàng)新活動的內(nèi)在機理和基本規(guī)律；決策原理是對人們?nèi)绾巫龀鰶Q策的生理、心理和行為內(nèi)在規(guī)律性的科學(xué)總結(jié)[1]。智能制造作為21世紀制造業(yè)的發(fā)展方向，必然會引起制造業(yè)的變革，其發(fā)展過程也蘊涵了諸多的創(chuàng)新原理，研究智能制造發(fā)展過程中的科學(xué)創(chuàng)新原理，必將會為人類的生產(chǎn)實踐提供創(chuàng)新的靈感。

一、智能制造——制造方式演化的高級階段

自第一次工業(yè)革命以來，制造業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。20世紀50年代以后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進入到一個空前繁榮的時代，電子信息技術(shù)和自動化技術(shù)發(fā)展迅速，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)革命為制造業(yè)注入了新的生命力，計算機集成制造、敏捷化制造、虛擬制造等技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)運而生。另外，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平得到大幅提高，消費者的需求在不斷變化，這促使制造業(yè)不斷發(fā)展，由最初的規(guī)?；瘧?zhàn)略、成本導(dǎo)向戰(zhàn)略發(fā)展到后來的質(zhì)量戰(zhàn)略、服務(wù)戰(zhàn)略[2]；為了更好地滿足市場和社會需求，智能制造應(yīng)運而生。1988年美國學(xué)者首次提出了智能制造這一概念，探討了智能制造的內(nèi)涵與前景；1990年4月，日本同美國、歐盟、澳大利亞等國家和地區(qū)建立了國際IMS研究中心機構(gòu)，制定了國際間最大的制造技術(shù)計劃——IMS研究計劃；進入21世紀，借助計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的智能制造發(fā)展到了新的階段[3]。

智能制造是制造業(yè)發(fā)展的一個形態(tài)，因此它繼承了其他制造技術(shù)和系統(tǒng)的優(yōu)勢，并不斷補充新的內(nèi)容；其本質(zhì)是制造技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，是各種知識的集中體現(xiàn)，是集成創(chuàng)新的成果。對于智能制造的涵義，普遍認為其是指在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中具有感知、分析、決策、執(zhí)行功能的制造系統(tǒng)的總稱[4]；現(xiàn)代傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動化技術(shù)是其基礎(chǔ)，通過信息物理融合系統(tǒng)將人工智能技術(shù)與制造裝備深度融合與集成，實現(xiàn)設(shè)計、制造、服務(wù)過程智能化和制造裝備的智能化，從而帶來制造模式的改變，這體現(xiàn)了移植原理、集成原理、組合原理是智能制造最核心的原理。

二、核心技術(shù)創(chuàng)新夯實智能制造基礎(chǔ)

對于智能制造，其本身并沒有產(chǎn)生出新技術(shù)，但是它通過將其他技術(shù)移植到制造系統(tǒng)中，形成了制造業(yè)發(fā)展的新的形態(tài)，因此移植原理是智能制造核心技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)的最主要原理。圖1為智能制造核心技術(shù)創(chuàng)新體系。

1、智能制造系統(tǒng)下的現(xiàn)代傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，傳感器是其最主要的組成部分。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。在智能制造系統(tǒng)中，傳感器技術(shù)得到極大的利用，比如，通過將許多的傳感器布置在工廠的不同位置，結(jié)合計算機網(wǎng)絡(luò)等，形成一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物等）。而傳感網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點由1個或多個傳感器、1個無線電收發(fā)器、1個很小的微控制器和1個能源（通常為電池）構(gòu)成。這些單個節(jié)點組合而形成的網(wǎng)絡(luò)，其作用遠大于單個節(jié)點作用的簡單相加[5]。

通過將傳感器技術(shù)移植到制造系統(tǒng)中，使得制造系統(tǒng)如同增加了一雙眼睛，能夠時刻察覺到周圍環(huán)境的細微變化。

2、智能制造系統(tǒng)下的射頻識別技術(shù)

在智能制造系統(tǒng)中，需要時刻掌握其中每個物件的狀態(tài)，射頻識別技術(shù)就能滿足這種需求。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)又稱為無線射頻識別，是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間進行機械或光學(xué)接觸。只要將含有產(chǎn)品信息的無線設(shè)備貼在物件表面，并采用RFID 接受器進行自動的遠距離識別和讀取，就能實現(xiàn)對生產(chǎn)物件的信息讀取、實時跟蹤和定位。其原理是由無線設(shè)備發(fā)送無線電信號，處在不同位置的RFID接收器對電信號進行識別和讀取，隨后將讀取的信息傳遞到一個軟件系統(tǒng)中，從而確定物件的信息和位置[3]。

通過將射頻識別技術(shù)移植到制造系統(tǒng)中，系統(tǒng)便能輕松獲取物件信息，并對系統(tǒng)中的物件進行跟蹤和定位。

3、智能制造系統(tǒng)下的人工智能技術(shù)

在智能制造系統(tǒng)中，幾乎每個環(huán)節(jié)都體現(xiàn)著人工智能技術(shù)，它是整個智能制造系統(tǒng)的最核心的技術(shù)。

人工智能技術(shù)本身是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人類一直希望克服自身智力的不足，期望利用技術(shù)系統(tǒng)對人腦的部分功能代替、延伸和加強，讓機器完成那些單靠人的智能無法進行或帶有危險性的工作，從而使人類的智慧能集中到那些更富于創(chuàng)造性的工作中去[6]。在智能制造系統(tǒng)中，人工智能技術(shù)是整個系統(tǒng)的大腦，控制著系統(tǒng)的運行，可以說，將人工智能技術(shù)移植到制造系統(tǒng)中是智能制造的起點。

在智能制造系統(tǒng)中，每種技術(shù)對制造系統(tǒng)的單方面作用都很有限，只有當這些技術(shù)集成在一起，才能發(fā)揮出巨大的作用，保證智能制造系統(tǒng)的正常運作。

圖1 智能制造的創(chuàng)新體系

三、信息化、網(wǎng)絡(luò)化推動智能制造升級

隨著生產(chǎn)效率的大幅度提高和產(chǎn)品的極大豐富，工業(yè)制成品的市場競爭越來越激烈，而消費者的話語權(quán)也越來越大，最大程度地滿足消費者的個性化需求成為企業(yè)的重心；傳統(tǒng)的制造模式已經(jīng)失去了其價值，制造企業(yè)需要以一種全新制造模式來適應(yīng)復(fù)雜的市場環(huán)境。為了加快對消費者需求的響應(yīng)速度，互聯(lián)網(wǎng)思維被引入智能制造中，消費者通過互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)Ξa(chǎn)品進行自行設(shè)計，對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，由此網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用呈爆發(fā)式增長[2]?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)等一系列技術(shù)構(gòu)成的廣義互聯(lián)網(wǎng)成為智能制造升級的保障。

為了更好地服務(wù)消費者，制造業(yè)出現(xiàn)了由單純制造向服務(wù)型制造模式轉(zhuǎn)變的新趨勢。在服務(wù)型制造模式下，制造企業(yè)以“產(chǎn)品＋服務(wù)”的形式為客戶提供全面解決方案；制造模式創(chuàng)新使智能制造不再是空中樓閣，而是存在于消費者之中真實存在的。智能制造的升級離不開互聯(lián)網(wǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入到智能制造中，體現(xiàn)了集成原理，但其本質(zhì)上是互聯(lián)網(wǎng)思維同制造業(yè)的結(jié)合，所以又體現(xiàn)了組合原理。

四、組織方式創(chuàng)新實現(xiàn)智能制造的推廣應(yīng)用

19世紀中葉到20世紀中葉的工業(yè)社會階段，制造系統(tǒng)和模式是剛性的大批量生產(chǎn)，流水線和泰勒工作制得到廣泛的應(yīng)用。到了20世紀后半葉，市場需求的多樣化迫使工業(yè)制造向多品種、小批量、縮短生產(chǎn)周期方向演進，剛性制造模式逐漸被柔性制造模式所替代，與之對應(yīng)的生產(chǎn)組織也由金字塔式的科層管理向扁平化、矩陣式管理的方向演變。到了網(wǎng)絡(luò)化制造階段，一些企業(yè)發(fā)展成為平臺型企業(yè)，通過研發(fā)平臺、營銷平臺和信息平臺實現(xiàn)與大量中小企業(yè)的連接。扁平化有了新的內(nèi)涵，集中垂直式管理被分散合作式所替代，生產(chǎn)者與消費者聯(lián)系更加直接[2]。智能制造階段，整個生產(chǎn)系統(tǒng)更加人性化，更能適應(yīng)消費者的需求；而且生產(chǎn)過程不再依賴人的智慧，不需要人去監(jiān)督；信息物理融合系統(tǒng)成為一種新的組織方式，成為智能制造的一種表現(xiàn)形式，得到廣泛應(yīng)用。

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）亦稱“虛擬網(wǎng)絡(luò)—實體物理”生產(chǎn)系統(tǒng)，是計算、通信和物理過程高度集成的系統(tǒng)。其通過在物理設(shè)備中嵌入感知、通信和計算能力，實現(xiàn)對外部環(huán)境的分布式感知、可靠數(shù)據(jù)傳輸、智能信息處理，并通過反饋機制實現(xiàn)對物理過程的實時控制[7]。該系統(tǒng)最早由美國國家科學(xué)基金會（NSF）的Helen Gill 提出。在環(huán)境變化時，CPS可以動態(tài)地自我調(diào)整以滿足用戶需求，而人處于輔助地位，且其具有實時、安全、可靠、高性能等特點，能實現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)和廣域環(huán)境的實時感知與動態(tài)監(jiān)控。CPS集成了多種系統(tǒng)，包括計算機系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和混雜系統(tǒng)等，因此具有其他各種系統(tǒng)的特點，體現(xiàn)了系統(tǒng)原理；此外，CPS系統(tǒng)將企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、制造過程和優(yōu)化管理集成起來，實現(xiàn)技術(shù)流程和業(yè)務(wù)流程的融合，使產(chǎn)品在制造質(zhì)量、時間、成本方面擁有巨大的競爭優(yōu)勢，體現(xiàn)了集成原理。

五、結(jié)論與啟示

2015年3月5日，李克強總理在政府工作報告中指出，要實施“中國制造2025”，加快從制造大國轉(zhuǎn)向制造強國。同年5月8日，國務(wù)院印發(fā)了“中國制造2025”，提出我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領(lǐng)[8]。國際上，西方國家也紛紛提出制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，這些戰(zhàn)略都將智能制造作為制造業(yè)的發(fā)展方向，如美國的《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》、德國的“工業(yè)4.0計劃”和日本的《制造業(yè)白皮書》等，智能制造已成為新一輪工業(yè)革命的核心。

未來，智能制造研究將會取得更大的進展：第一，智能制造基礎(chǔ)理論和技術(shù)將會有一個統(tǒng)一的標準和規(guī)范；第二，智能裝備將成為各國研究的熱點，例如智能工業(yè)機器人、智能高端設(shè)備等；第三，智能系統(tǒng)將會更加完善、高級；第四，智能服務(wù)將越來越普及，涉及的領(lǐng)域?qū)⒏鼜V泛，如數(shù)據(jù)分析與決策支持、智能監(jiān)控與診斷、智能服務(wù)平臺等。

智能制造是制造業(yè)發(fā)展的一個階段，它繼承了之前的先進制造的所有優(yōu)勢，是集成創(chuàng)新的成果。在智能制造的大廈中，包括技術(shù)創(chuàng)新、模式創(chuàng)新和組織方式創(chuàng)新。技術(shù)創(chuàng)新的內(nèi)容包括現(xiàn)代傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)和射頻識別技術(shù)；模式創(chuàng)新的內(nèi)容包括互聯(lián)網(wǎng)思維的應(yīng)用，體現(xiàn)了組合原理、集成原理；信息物理融合系統(tǒng)屬于組織方式的創(chuàng)新，其體現(xiàn)了系統(tǒng)原理，集成原理，如圖1所示。

[1] 侯光明、李存金、王俊鵬：十六種典型創(chuàng)新方法[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2015.

[2] 王曉明：從三個維度認識“智能制造”[N/OL].經(jīng)濟日報，2015-08-06. http：//www.qstheory.cn/zhuanqu/bkjx/2015-08/06/c_ 1116169522.htm.

[3] 魏源遷：智能制造技術(shù)及系統(tǒng)[J].中國機械工程，1995，6（6）.

[4] 智能制造——制造業(yè)變革的核心[J].裝備制造，2013（8）.

[5] 鄒方：智能制造中關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)[J].航空制造技術(shù)，2014（14）.

[6] 鞠全勇：略論智能制造技術(shù)的發(fā)展[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報，2004（1）.

[7] 溫景容、武穆清、宿景芳：信息物理融合系統(tǒng)[J].自動化學(xué)報，2012（4）.

[8] 周濟：智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015（17）.

（責(zé)任編輯：張瓊芳）

新能源汽車產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新方法應(yīng)用研究與示范，運用創(chuàng)新方法解決新能源汽車產(chǎn)業(yè)10項關(guān)鍵核心技術(shù)難題，編號：2015IM030100。