智能工廠綜述與發(fā)展趨勢探討

何冠泯

摘 要：當(dāng)前我國制造行業(yè)面臨著轉(zhuǎn)型升級，各國競相發(fā)展的智能制造儼然成為熱點(diǎn)。智能制造大背景下的智能工廠，以形成集高度自動化、產(chǎn)品個性化和生產(chǎn)智能化為一體的制造系統(tǒng)為研究和實(shí)踐方向。簡要介紹智能工廠的基本內(nèi)容及特征，對其中的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并且分析了智能工廠的發(fā)展現(xiàn)狀和對未來發(fā)展趨勢作出了展望。

關(guān)鍵詞：智能工廠;智能制造;柔性制造

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.06.093

1 智能工廠簡述及特征

智能工廠以智能制造為背景，在中國制造2025、德國工業(yè)4.0、美國先進(jìn)制造業(yè)等國家戰(zhàn)略的大環(huán)境下，為了使得工業(yè)生產(chǎn)更加可控，更少人控，高效高質(zhì)，綠色低耗而提出的適應(yīng)智能化、數(shù)字化的新工廠。智能工廠通過監(jiān)控技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來加強(qiáng)生產(chǎn)信息管理服務(wù)，是未來生產(chǎn)制造領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢。

智能工廠具有自主、自動化特性，對于生產(chǎn)更趨向于個性化，同時分工明確且具有自我學(xué)習(xí)能力，其自主性體現(xiàn)在，對實(shí)時環(huán)境進(jìn)行自主感知、判斷、分析，進(jìn)而做出規(guī)劃的能力。在大規(guī)模生產(chǎn)中，智能工廠在信息物理系統(tǒng)（CPS）和物聯(lián)網(wǎng)的支持之下，將整個工業(yè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)按照既定的規(guī)劃高度有序地進(jìn)行。個性化體現(xiàn)在產(chǎn)品可以根據(jù)具體需求意愿進(jìn)行生產(chǎn)制造，通過對原料進(jìn)行分析、設(shè)計并給出相應(yīng)的解決方案，借助于整體可視技術(shù)和仿真模擬技術(shù)來進(jìn)一步演示制造過程，從而達(dá)到個性化的目的。自行排除故障并進(jìn)行維護(hù)是智能化自我學(xué)習(xí)能力的具體體現(xiàn)，人機(jī)交互在智能工廠中依然必不可少，由少量的人工中心進(jìn)行監(jiān)控與控制，通過工廠與控制臺的數(shù)據(jù)交換、反饋，最終達(dá)到批量高效生產(chǎn)的目的。圖1展示了智能工廠的體系架構(gòu)。

2 智能工廠關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

2.1 智能工廠的關(guān)鍵技術(shù)

智能工廠的有效運(yùn)作有賴于各類資產(chǎn)的相互關(guān)聯(lián)和中央控制系統(tǒng)的集中控制。工廠資產(chǎn)即工廠設(shè)備，如各類機(jī)床（銑床、車床等）、管道、容器等等。中央控制系統(tǒng)包含數(shù)字化供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)堆棧和制造執(zhí)行系統(tǒng)等。智能工廠建設(shè)中所需的關(guān)鍵技術(shù)有柔性制造、人工智能、智能機(jī)器人技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算等等。

（1）柔性制造（Flexible Manufacturing System）。

柔性制造系統(tǒng)，是指由一個傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來的一些設(shè)備，通過傳輸裝置和其他連接裝置將工件送到各加工設(shè)備，使工件加工準(zhǔn)確、迅速和自動化。柔性制造系統(tǒng)包含中央計算機(jī)控制機(jī)床和傳輸系統(tǒng)，有時可以同時加工幾種不同的零件。基于這種技術(shù)，即可在無人參與操作的情況下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器對于原材料的加工以及接下來機(jī)器與機(jī)器間的工作對接和自主進(jìn)行工具、零件的裝卸。

（2）人工智能（Artificial Intelligence）。

人工智能作為計算機(jī)科學(xué)的一個分支，目的在于了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種類似于人類智能的方式進(jìn)行思考決策的智能機(jī)器。人工智能由不同的學(xué)科領(lǐng)域組成，如機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺、神經(jīng)生理學(xué)、信息論等等，2016年被稱為人工智能發(fā)展元年，近些年在深度學(xué)習(xí)支持下，人工智能取得了較大的發(fā)展，也廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，推動了各個領(lǐng)域的智能化進(jìn)程。在AI技術(shù)的支持下，智能工廠能夠自行進(jìn)行分析、推測和學(xué)習(xí)補(bǔ)充，滿足在智能制造趨勢下的高效、個性化的生產(chǎn)要求。

（3）智能機(jī)器人技術(shù)。

智能機(jī)器人現(xiàn)如今還沒有一個全世界統(tǒng)一的定義，但根據(jù)其在智能工廠中的功能劃分為交互型機(jī)器人和自主型機(jī)器人。交互型機(jī)器人可以根據(jù)指令做出相應(yīng)的動作，但仍需要人為的操作;而自主型機(jī)器人則無需人的干預(yù)，在不同環(huán)境中能夠自行實(shí)時地感知識別外部環(huán)境變化，從而調(diào)節(jié)自身參數(shù)并進(jìn)行決策。今后，智能機(jī)器人不僅會大量運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)中，而且也會普及到醫(yī)療、生物、制藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中，甚至?xí)粩嗌钊肴藗兊娜粘Ｉ钪校沟蒙a(chǎn)和生活更加智能便利。

（4）大數(shù)據(jù)（Big Data）和云計算（Cloud Computing）。

大數(shù)據(jù)（big data）指無法在一定時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，是需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力來適應(yīng)海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。云計算（Cloud Computing）是基于互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。兩項(xiàng)技術(shù)相輔相成，大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含眾多的信息，只有利用云計算才能快速有效地計算和處理這些海量數(shù)據(jù)，挖掘利用大數(shù)據(jù)中的信息，這兩項(xiàng)技術(shù)的潛在價值無可估量。

2.2 智能工廠的應(yīng)用

智能工廠的具體建設(shè)需要根據(jù)企業(yè)自身的發(fā)展需求而定，應(yīng)用智能工廠無疑會在生產(chǎn)效率、質(zhì)量、安全以及成本方面帶來益處。傳統(tǒng)重型制造業(yè)如冶金煉鋼等，在過去并沒有考慮客戶的個性需求，而是生產(chǎn)共性產(chǎn)品，追求產(chǎn)品數(shù)量的粗放式發(fā)展，導(dǎo)致了高耗能、高污染、產(chǎn)能過剩和低效益等問題，智能工廠的解決方案將有利于解決這些問題。例如煉鋼中的全程反饋?zhàn)詣踊療掍摷夹g(shù)，即在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，能實(shí)時反饋爐內(nèi)信息，并能依據(jù)反饋信息進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，而傳統(tǒng)的副槍矯正模型，并不能實(shí)時反饋連續(xù)的過程信息。該技術(shù)中的全程反饋和根據(jù)數(shù)據(jù)自行規(guī)劃調(diào)整技術(shù)則體現(xiàn)了機(jī)器自主運(yùn)行的優(yōu)勢，減省了人工操作。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的不斷推進(jìn)，中國工業(yè)化和信息化的融合越來越深，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，中國制造2025中指出的“先進(jìn)軌道交通裝備”和到2025年努力實(shí)現(xiàn)“智能化中車”的目標(biāo)，要形成一個從產(chǎn)品、裝備、生產(chǎn)、管理到服務(wù)的完備體系，即智能制造所包含的生產(chǎn)體系。該體系的形成離不開智能工廠及其所依托的信息和物理技術(shù)，可見，在體系尚未成形時大力發(fā)展信息技術(shù)及其相關(guān)的新興技術(shù)，從而促進(jìn)智能工廠到智能制造的發(fā)展，對當(dāng)今我國的工業(yè)生產(chǎn)及制造業(yè)由大到強(qiáng)的進(jìn)展大有裨益。

3 智能工廠發(fā)展趨勢

3.1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國制造企業(yè)正面臨巨大的轉(zhuǎn)型壓力，由于國內(nèi)勞動力成本的迅速攀升、行業(yè)產(chǎn)能過剩、企業(yè)間競爭激烈、客戶日益增長的個性化需求等因素，迫使制造企業(yè)需要從低成本競爭策略轉(zhuǎn)向建立差異化競爭優(yōu)勢。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)、智能機(jī)器人、增材制造、機(jī)器學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺等新興技術(shù)的快速發(fā)展，為制造企業(yè)推進(jìn)智能工廠建設(shè)提供了良好的技術(shù)支撐。目前，國內(nèi)實(shí)際上達(dá)到數(shù)字化水平的企業(yè)只占少數(shù)，也只有極少數(shù)的企業(yè)達(dá)到了智能工廠水平。國際上，美、日、德、法、韓、印等國都在積極建設(shè)智能工廠的過程中，目前尚未有完整意義上的智能工廠，一些技術(shù)先進(jìn)的企業(yè)，如西門子、艾默生、施耐德等已發(fā)展出了一系列較為典型的智能工廠雛形與服務(wù)，在國際上具有較大的影響力和較強(qiáng)的競爭力。

如今各國正致力于以技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)升級，更加注重資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展，智能化、數(shù)字化已成為全球制造業(yè)的發(fā)展必然趨勢，智能制造的發(fā)展也必將成為各國競爭的焦點(diǎn)和工業(yè)生產(chǎn)所必備的技術(shù)。未來，智能工廠和智能制造的發(fā)展必將促進(jìn)如AI、CPS等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而形成智能工廠完備的生產(chǎn)體系。

3.2 未來發(fā)展趨勢

分散與集中共存、人機(jī)共融和虛實(shí)結(jié)合將成為未來智能工廠生產(chǎn)的主要特征。未來的智能工廠將會比現(xiàn)有的自動化工廠更加的自動化，甚至是智能化和無人化，會將人類從現(xiàn)有繁雜而重復(fù)的工作中解放出來，有更多的時間充實(shí)提升自己來從事富有創(chuàng)造性的工作，同時智能工廠也會更加的個性化，甚至做到根據(jù)每個客戶的不同喜好和需求來生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品，讓生活中的各類產(chǎn)品不再是千篇一律，而是更具個人特色與藝術(shù)美感，使得人們的生活豐富多彩和具有藝術(shù)氣息。

4 結(jié)語

在日新月異的今天，智能工廠只會是我們邁向數(shù)字化、智能化社會的一塊基石和臺階。但是伴隨著各類智能信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，依托現(xiàn)有技術(shù)的智能工廠未來將朝著產(chǎn)品個性化、生產(chǎn)高度自動化與自主化的方向發(fā)展，但隨著某些技術(shù)的跨越式發(fā)展或者新興技術(shù)的出現(xiàn)，智能工廠的發(fā)展趨勢將會發(fā)生重大的變化，也必將會令人類的生活更加的便捷高效、豐富精彩和舒適健康，推動社會的發(fā)展與繁榮。

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