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王天然 | 智能制造空间深度研究报告
2018-11-21    来源:    发布者:
在基于泛在信息的智能制造时代,信息技术的大量涌现,以从未有过的能力,不断满足市场对制造业变革的技术需求,极大地冲击和促进制造业从传统模式向未曾有过的模式转变,使其逐步进入新的、不断发展的信息环境与制造模式之中,这种新的信息环境与制造模式组成了智能制造空间,它的发展与变化将影响智能制造的发展.文章详细阐述了在制造系统结构、设计与制造技术、人机关系方面正在发生的巨大变革,并且指出以“分散与集中相统一的制造系统、虚实结合的设计与制造手段、人机共融的生产方式”为特征的智能制造空间将快速形成,重塑需求牵引和技术驱动下的智能制造发展模式和技术体系。

1、引言

当前,全球正爆发新一轮科技和产业革命,特别是在制造业,2008 年的经济?;院?,过去的“夕阳产业”重新受到重视。世界各国争相调整战略、顺应时代变革,对先进制造业进行前瞻布局。同时,经济的发展、社会的进步,使得人们已不仅仅满足产品的可用,还要求个性化、高质量、不断翻新等.在这种需求牵引下,制造业的核心任务已经从传统的扩大规模向如何满足用户的个性化需求、如何为用户提供全流程个性化体验、如何为用户提供更好的服务方向转变。相应地,对制造企业来说,面临着缩短交货期、提高产品质量、降低成本和改进服务的压力,需要对不断变化的市场做出快速反应.在多样化市场需求牵引的同时,以物联网、传感网、工业无线、3D 打印、机器人等为代表的智能设备与技术,以及人工智能、云计算和大数据等信息技术的大量涌现,使得信息驱动下先进的制造技术成为释放未来制造业竞争力的关键.

自此,制造业进入了基于泛在信息的智能制造时代.信息爆炸的压力、技术的快速进步、新产品的快速研制、可持续发展的要求、全球性技术支持和售后服务、市场和劳务竞争的全球化等,不仅给制造业带来前所未有的技术挑战,而且与此相适应的商业模式和制造系统也将随之发生巨大变革.新科技和新经济呼唤诞生更先进的新一代制造模式,这也是全球制造业竞争的下一个战略高地.信息技术将扮演着极其重要的角色.

信息技术进入制造业是源于制造业需求,同时也推动了制造业的发展.信息技术并不是简单地被应用,而是衍生出了物联网、务(服务)联网、工业无线、工业互联网、互联制造等一系列新概念和新技术,并促成了一系列智能化设备研制和应用.泛在信息条件下,制造业在需求牵引和信息技术驱动下将快速形成先进制造领域的信息环境与相应的模式,也就是智能制造空间.

2、智能制造空间的特征分析

随着信息技术与制造技术的不断深度融合,制造业将在制造系统、设计与制造手段、人机关系三个方面产生巨大变革,形成以“分散与集中相统一的制造系统、虚实结合的设计与制造手段、人机共融的生产方式”为 3 大鲜明特征的智能制造空间,并以此推进在生产组织方式、资源聚集模式、产品设计手段、人机融合关系方面的新一代智能制造的发展。

(1)制造系统的构成变革

历史上,从手工制造到大规模生产的发展实现了大众化产品的转变,而目前大规模生产正在向市场和客户驱动的个性化定制方向进行转变,并且将基于更高生产效率、更高的技术层次实现用户的个性化需求.

生产模式的历程

在满足个性化需求的过程中,制造企业正在向设计和服务端延伸 . 示,服务的内容已不仅仅是传统的售后、维修服务,生产链中所包括的产品设计、加工制造等任何一部分都可以独立出来,成为为其它企业服务的内容.

服务型制造

然而,分布式制造在管理上的难度是可想而知的. 只有在网络的支持下,才使得它在经济上、实现技术上和时间效率上能够实际可行. 网络技术及网络协同制造技术和不断涌现的其它信息技术,支持和驱动着生产方式的发展。

大规模个性化定制生产和服务型制造的发展趋势,使得制造模式由目前的集中式向分布式方向发展。生产链条将由更专业的单元进行灵活组织,形成分布式制造模式,这种模式的本质是企业为追求利益最大化,其技术实现有赖于信息技术,特别是网络技术的发展. 但是选择集中式制造模式还是分布式制造模式,要依据效益原则,不是所有制造业都将走向大规模个性化定制生产和服务型制造. 相反地,大批量标准化制造仍将是高效率的生产方式. 而一部分制造企业将在云计算、大数据、 3D 打印、机器人等新一代信息技术的驱动和支持下,获得更强的分布式制造能力. 因此,制造系统的变革将是一个循序渐进、逐步发展的过程,未来也必将形成集中式制造与分布式制造共存条件下的新一代制造系统,从而满足标准化制造、个性化定制和服务型制造等多维度制造的需求。

(2)产品设计和制造手段发生变革

三维 CAD 技术,仿真技术和虚拟现实技术,使得一些领域的设计工作发生了革命性的变革 . 通过三维 CAD 设计的产品,通过虚拟仿真,在虚拟环境下进行虚拟制造,完成验证和修改,大大减少试制与反复,不仅加快了设计时间,而且节约了大量材料. 虚拟制造将不仅仅是设计的手段,未来虚实结合的制造手段将覆盖从产品设计发展到工艺设计、过程设计,售后维护及回收等全部生产环节。

虚实结合的制造手段

随着人工智能、机器学习和大数据的飞速发展,“数字孪生”技术,“平行系统”技术为代表的虚实结合技术,将会实现物理实体和虚拟对象的高度融合,形成基于数字模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像。

未来制造将是虚拟空间和物理空间相结合的制造,并将覆盖全部生产环节,使得整个制造过程进入数字网络世界。实体产品制造的全生命周期过程将在虚拟空间中产生映射,在虚拟空间中通过多物理量、多尺度、多概率的仿真过程完成对物理模型、传感器和智能参数等的更新,最终实现虚拟空间的优化结果在物理空间的及时反馈和智能优化运行. 随着虚实并行能力的增强,虚拟制造空间所反映出的产品系统真实程度将不断增强,不仅企业产品设计质量、生产效率将大幅度提高,而且将引发面向全流程制造的变革。虚实结合是智能制造空间研究的重要特征,也是智能制造的一种模式。

(3)人和制造系统的关系产生新的变革

现代新信息技术使人能够“再进入”生产系统。人将在物理层、执行层、决策层与制造系统加强介入与合作,实现人、智能制造装备与机器人在制造过程中的合作。

人机共融的层次体系

未来人机共融不仅是生产方式变革的重要发展方向,而且是构筑智能制造空间的重要特征,也将是智能制造中的一个新模式。将机器的搜索、推理能力与人的推理、反馈、联想、顿悟、学习能力相融合,协同处理决策问题,机器有效地支持人完成组织的任务,人有效辅助监管机器进行任务执行和学习,在制造系统规划与管理、设备维护和制造执行等方面实现人机融合发展。

3、未来智能制造空间结构及发展

分散与集中共存、虚实结合和人机共融将成为未来智能制造空间的主要特征,其结合关系如下图所示. 这种关系的形成是制造业需求牵引和信息技术驱动下的必然结果,关系的不断发展也必将形成的一种新的制造模式和制造环境. 在这种环境中,不仅将泛在信息技术条件下的信息技术同工业技术进行深度融合,而且利用信息技术创新发展新的工业技术。

智能制造空间

在宏观层面,智能制造空间将打破传统的物理区域限制,不断涌现的大量信息技术将推动分布式制造能力的快速发展,以便满足产品大规模个性化定制的迫切需求,生产组织体系将快速发生变革,使制造业本身形成新的制造模式和信息环境,并进一步推动生产模式的变革。

在微观技术层面,智能制造空间将加速人工智能、大数据、数字孪生、云计算等信息技术在制造业产品设计、生产方式、组织体系、管理模式等方面的深入应用,实现从产品设计、虚拟仿真到制造执行的全息化智能制造系统,并将形成智能制造空间的技术体系。

智能制造空间基础理论与技术体系

建立以人机融合、虚实结合、分集统一为主要特征的制造模式新结构和新框架,实现从需求走向实践,这涉及大量的理论有待进一步研究,包括面向服务型制造的横向集成模式;面向大批量个性化产品设计的协同创新;支持制造资源网络化、服务化和专业化的制造过程协同管理;物联网和云计算环境下新型工业软件体系结构;面向产品全生命周期工业大数据管理和信息共享安全体系;面向复杂装备的主动运维服务管理和决策优化等,都将支持智能制造空间的发展。

在核心关键技术方面,将首先在设备级制造空间、单元级制造空间、工厂跨层制造空间和跨域生产网络空间等层面上产生影响,并产生出与之相应的关键技术,具体包括:面向虚实并行的产品设计、仿真及优化;人机物三元协同与知识集成共享;支持制造企业的产品协同设计和大众参与的社会化产品设计;分散与集中共存环境下的制造资源连接、配置调度与协同优化;支持制造单元灵活自组织、服务虚拟化和全价值网络调度与优化;人机共融与互操作服务管理;人机共融过程的智能监控、健康分析、产品性能和质量评估。

4、结论和展望

纵观整个制造业的发展进程,制造工艺和适应工艺的制造装备是制造业技术发展的重要内容,一直受到人们的关注. 在基于泛在信息的智能制造时代,除了制造工艺与制造装备之外,制造环境与条件的重要性越来越凸现出来,成为了制造技术进步的标志,对制造业的发展至关重要. 随着信息技术的快速发展和两化融合的深入发展,在智能制造的发展中,智能制造环境将是对制造业发展产生重要影响的领域。

智能制造空间的研究是对未来制造业信息环境和模式变革和发展的判断与预测. 我们有必要对分集统一的制造系统组织、虚实结合的制造过程、人机融合的制造手段所涉及的相关技术开展深入研究,探索其相互之间的关系、组成要素、运行机理、协同机制和演化规律,并结合新一代信息信息技术开展智能制造空间共性关键技术研究,构建智能制造空间基础设施平台、试验验证平台和公共服务平台,保障和促进智能制造的发展,为迎接制造业的大变革做好充分准备。

本文来源:信息与控制,作者王天然, 库涛, 朱云龙, 于海斌,原文载于《信息与控制》 2017, 46(6)

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