1.2　智能制造

1.2.1　智能制造的概念

制造可以定義為用原材料制造產品的多階段過程，而智能制造是一個采用計算機控制并具有高度適應性的制造子集。智能制造旨在利用先進的信息和制造技術，實現物理過程的靈活性，以應對全球市場。智能制造是一個不斷發展的概念，可以被歸納為三種基本模式：數字制造、數字網絡制造和新一代智能制造。新一代智能制造是新一代人工智能技術與先進制造技術的深度集成，它貫穿設計、生產、產品和服務的整個生命周期。這個概念還涉及相應系統的優化和集成，持續提高企業的產品質量、業績和服務水平，降低資源消費。新一代智能制造是新工業的核心驅動力，并將成為中國經濟轉型升級的主要途徑。人類網絡物理系統（HCPSs）揭示了新一代智能制造的創新機制，并能有效地指導相關的理論研究與工程實踐[8，9]。根據順序開發、交叉交互和智能制造三種基本范式的迭代升級特征制定“平行推廣和綜合開發”的路線圖，以推進我國制造業智能化轉型。

近年來，制造業被概念化為一個超越工廠范圍的系統，制造業作為一個生態系統的范例已經出現。術語“智能”包括在整個產品生命周期中創建和使用的數據和信息，其目標是創建靈活的制造過程，以低成本快速響應需求變化，同時不損害環境。這個概念需要一個生命周期的觀點，即產品的設計是為了高效生產和可循環利用。智能制造能夠在需要時或在整個制造供應鏈、完整的產品生命周期、多個行業和中小企業中以需要的形式提供有關制造過程的所有信息。智能制造領導聯盟（SMLC）正在構建技術和業務基礎設施，以促進整個制造生態系統中智能制造系統的開發和部署[10]。

先進制造企業先前的一個定義是“加強先進智能系統的應用，以實現新產品的快速制造、對產品需求的動態響應以及制造生產和供應鏈網絡的實時優化”。這一概念用一個智能因素表示，依賴于可互操作系統、多尺度動態建模與仿真、智能自動化、可擴展的多級網絡安全和網絡化傳感器。這類企業在整個產品生命周期中利用數據和信息，目的是創建靈活的制造過程，以低成本快速響應需求變化，并對企業和環境做出反應。這些過程促進了企業內部所有職能部門之間的信息流動，并管理與供應商、客戶和企業外部其他利益相關者的信息。

智能制造的廣義定義涵蓋了許多不同的技術。智能制造中的一些關鍵技術有大數據分析技術、先進的機器人技術以及工業連接設備和服務。

（1）大數據分析技術

智能制造利用大數據分析來完善復雜的流程和管理供應鏈。大數據分析是指收集和理解大數據集的方法，具有5V特征[11]。

①Volume：數據量大，采集、存儲和計算的量都非常大。大數據的起始計量單位至少是P（1000個T）、E（100萬個T）或Z（10億個T）。

②Variety：種類和來源多樣化。包括結構化、半結構化和非結構化數據，具體表現為網絡日志、音頻、視頻、圖片、地理位置信息等，多類型的數據對數據的處理能力提出了更高的要求。

③Value：數據價值密度相對較低，或者說是浪里淘沙卻又彌足珍貴。隨著互聯網以及物聯網的廣泛應用，信息感知無處不在，信息海量，但價值密度較低，如何結合業務邏輯并通過強大的機器算法來挖掘數據價值，是大數據時代最需要解決的問題。

④Velocity：數據增長速度快，處理速度也快，時效性要求高。比如搜索引擎要求幾分鐘前的新聞能夠被用戶查詢到，個性化推薦算法盡可能要求實時完成推薦。這是大數據區別于傳統數據挖掘的顯著特征。

⑤Veracity：數據的準確性和可信賴度，即數據的質量。

大數據分析允許企業使用智能制造從被動實踐轉向預測性實踐，這是一種旨在提高流程效率和產品性能的變革[12]。

（2）先進的機器人技術

先進的機器人，也被稱為智能機器，可以自動運行，并可以直接與制造系統通信。在一些先進的制造環境中，它們可以與人類共同完成組裝任務[13]，通過評估感官輸入并區分不同的產品配置，這些機器能夠獨立于人解決問題并做出決策。這些機器人能夠完成超出最初編程范圍的工作，并具有人工智能，使它們能夠從經驗中學習[4]。這些機器具有重新配置和重新設定目標的靈活性，這使它們能夠快速響應設計變更和創新，比傳統制造工藝更具競爭力[9]。先進機器人的一個關注點是與機器人系統交互的工人的安全和福祉。傳統上，人們采取措施將機器人從人類勞動中分離出來，但是機器人認知能力的進步為機器人與人合作提供了機會，比如說，合作機器人[14]。

（3）工業連接設備和服務

利用互聯網的功能，制造商能夠增加集成和數據存儲，使用云軟件允許公司訪問高度可配置的計算資源，允許快速創建和發布服務器、網絡和其他存儲應用程序。企業集成平臺允許制造商從其機器上收集數據，這些機器可以跟蹤工作流程和機器歷史等。制造設備和網絡之間的開放通信也可以通過互聯網連接實現，包括從平板電腦到機器自動化傳感器的所有內容，并允許機器根據外部設備的輸入調整其流程。

制造、運輸和零售業的最終目標是采取更加靈活、適應性強、反應性強的方式參與競爭性市場。企業可能被迫適應或采用這種做法來競爭，從而進一步刺激市場。該目標需要技術人員、中介機構和消費者之間協作，建立一個由科學家、工程師、統計學家、經濟學家等多學科專業人士參與的網絡，也被稱為物聯網，這是“智能”企業的基本資源。

智能制造主要用來消除工作場所效率低下和存在的危險等問題。效率優化是智能系統采用者的一個重要關注點，通過數據研究和智能學習自動化來實現。例如，運營商可以獲得帶有內置WiFi和藍牙的個人訪問卡，該卡可以連接到機器和云平臺，以確定哪個運營商在哪個機器上實時工作。可以建立智能、互聯的智能系統來設定性能目標，確定是否獲得目標，并通過失敗或延遲的性能目標來識別效率低下的情況。一般來說，自動化可以減少人為錯誤導致的效率低下問題。總的來說，不斷發展的人工智能消除了效率低下的問題。

通過安全、創新的設計并增加綜合自動化網絡，可以保障工人的安全。隨著自動化的成熟，技術人員暴露在危險環境中的風險更小。進一步而言，更少的人工監督和自動化的用戶指導將使工作場所的安全問題失去活力。

1.2.2　智能制造的意義

智能制造促進了傳統工業（如制造業）的計算機化。其目標是建立以適應性、資源效率和人機工程學為特征的智能工廠，以及實現客戶和業務合作伙伴在業務和價值流程中的集成。它的技術基礎包括網絡物理系統和物聯網。智能制造將帶來以下意義。

①無線連接應用于產品組裝和與它們的遠程交互，可以控制各階段的建設、分配和使用情況。

②先進的制造工藝和快速原型技術將使每個客戶能夠訂購一種獨一無二的產品，而不會顯著增加成本。

③協作虛擬工廠（VF）平臺通過在整個產品生命周期中利用完整的模擬和虛擬測試，大大減少與新產品設計和生產過程相關的成本和時間[15]。

④先進的人機交互（HMI）和增強現實（AR）設備有助于提高生產工廠的安全性，降低工人的工作強度[16]。

⑤機器學習是優化生產流程的基礎，既可以縮短交貨期，又可以降低能耗[17，18]。

⑥網絡物理系統和機器對機器（M2M）通信允許從車間收集和共享實時數據，以便進行極其有效的預測性維護，從而減少停機和空閑時間。

智能制造有巨大的潛力已經在實際情況中得到證實。韓國政府宣布籌集575億美元用于建造智能工廠，1240家韓國智能中小企業數據顯示“智能制造使缺陷率下降27.6%，成本下降29.2%，原型生產所需時間縮短7.1%”。德國公司Roland Berger Strategy Consultants的一項研究表明，在歐洲完全實現這種生產模式每年需要900億歐元的投資，到2030年達到完全成熟，那時智能制造將能夠產生5000億歐元的營業額，并給約六百萬人提供就業機會。

世界各國都在積極參與新一輪工業革命。我國提出了“中國制造2025”戰略規劃，德國提出了“工業4.0”的概念，英國提出“英國工業2050”戰略規劃。此外，法國也公布了新的工業計劃，日本提出了“社會5.0”戰略，韓國也提出“制造業創新3.0”計劃。智能制造的發展被認為是提高國家競爭力的關鍵措施。

中國制造業已經明確提出了以智能制造為主要方向[19]，重點推進新一代信息技術在制造業中的深度集成。21世紀初以來，新一代信息技術已經呈現出爆炸式的增長并被廣泛地應用。數字、網絡和智能制造業一體化持續發展，制造業創新是主要驅動力，新工業革命的力量正在爆發出巨大的能量。智能制造是一個涵蓋廣泛特定主題的概念。新一代智能制造是新一代人工智能技術與先進制造技術的深度融合，它貫穿設計、生產、產品和服務的整個生命周期。這一概念還涉及相應系統的優化和集成，旨在不斷提高企業的產品質量、性能和服務水平，同時降低資源消耗，從而促進制造業的創新、綠色、協調、開放和共享發展。

1.2.3　智能制造的發展

智能制造與信息化進程同步發展。全球信息化的發展分為三個階段。

①20世紀中葉到90年代中期，信息化處于以計算、通信和控制應用為主要特征的數字化階段。

②從20世紀90年代中期開始，互聯網大規模普及應用，信息化進入以萬物互聯為主要特征的網絡化階段。

③目前，在大數據、云計算、移動互聯網、工業互聯網集群突破和集成應用的基礎上，人工智能實現了戰略性突破，信息化進入智能化階段，以新一代人工智能技術為主要特征。

考慮到各種與智能制造相關的模式，并考慮到信息技術與制造業在不同階段的融合，可以歸納出三種智能制造的基本模式：數字制造、數字網絡制造和新一代智能制造。

新一代智能制造是新工業革命的核心技術。第一次和第二次工業革命分別以蒸汽機的發明以及電力的應用為標志，這兩次革命極大地提高了生產力，并將人類社會帶入現代工業時代。第三次工業革命以計算機、通信、控制等信息技術的創新和應用為突破口，不斷把工業發展推向新的高度。從21世紀初開始，數字化和網絡化的發展使信息的獲取、使用、控制和共享向外部發展，迅速且廣泛。此外，新一代人工智能的突破和應用進一步提高了制造業的數字化、網絡化和智能化水平。新一代人工智能最基本的特點是它的認知和學習能力，可以產生和更好地利用知識。這樣，新一代人工智能可以從根本上提高工業知識生成和利用的效率，極大地解放人類的體力和腦力，加快創新步伐，使應用更加普遍，從而將制造業推向一個新的發展階段——新一代智能制造。如果把數字網絡化制造作為新一輪工業革命的開端，那么新一代智能制造的突破和廣泛應用將把新一輪工業革命推向高潮，重塑制造業的技術體系、生產模式和產業形態。

1.2.4　中國制造2025與中國智造

中國以促進制造業創新發展為主題，以提質增效為中心，以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，以滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求為目標，強化工業基礎能力，提高綜合集成水平，完善多層次多類型人才培養體系，促進產業轉型升級，培育有中國特色的制造文化，實現制造業由大變強的歷史跨越，提出了創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本的基本方針。立足我國國情，立足現實，力爭通過“三步走”實現制造強國的戰略目標。

第一步：力爭用十年時間，邁入制造強國行列。到2020年，基本實現工業化，制造業大國地位進一步鞏固，制造業信息化水平大幅提升。掌握一批重點領域核心技術，優勢領域競爭力進一步增強，產品質量有較大提高。制造業數字化、網絡化、智能化取得明顯進展。重點行業單位工業增加值能耗、物耗及污染物排放明顯下降。到2025年，制造業整體素質大幅提升，創新能力顯著增強，全員勞動生產率明顯提高，兩化（工業化和信息化）融合邁上新臺階。重點行業單位工業增加值能耗、物耗及污染物排放達到世界先進水平。形成一批具有較強國際競爭力的跨國公司和產業集群，在全球產業分工和價值鏈中的地位明顯提升。

第二步：到2035年，我國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平。創新能力大幅提升，重點領域發展取得重大突破，整體競爭力明顯增強，優勢行業形成全球創新引領能力，全面實現工業化。

第三步：新中國成立一百年時，制造業大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。制造業主要領域具有創新引領能力和明顯競爭優勢，建成全球領先的技術體系和產業體系。

實現制造強國的戰略目標，必須堅持問題導向，統籌謀劃，突出重點；必須凝聚全社會共識，加快制造業轉型升級，全面提高發展質量和核心競爭力。

1.2.5　RFID在智能制造中的應用

（1）利用RFID技術構建數字化車間

基于RFID的數字化車間目前主要應用在刀具管理、物料管理、設備智能化維護以及車間混流制造等方面，同時具有優化流程等目的。

（2）基于RFID技術的智能產品全生命周期管理

智能化是機電產品未來發展的重要方向和趨勢，產品智能化的關鍵之一在于如何實現其全生命周期信息的快速獲取和共享。

（3）基于RFID技術的制造物流智能化

將RFID系統與制造企業自動立庫系統集成，可實現在制品、貨品出入庫自動化與貨品批量識別。

（4）防偽溯源與產品追蹤管理

RFID技術可以控制整個產品的生產、流通、銷售過程，實現產品跟蹤與監管，解決目前常規防偽技術無法全程跟蹤的問題。基于RFID技術的防偽技術和產品現已被廣泛應用于食品安全等防偽溯源系統管理中。相信未來，RFID在防偽溯源領域中將進一步普及應用。

（5）資產管理

基于RFID和信息技術的固定資產管理系統通過使用RFID電子標簽、讀寫器和軟件來對企業資源進行監測。結合條形碼管理技術，賦予每個資產實物一個唯一的RFID電子標簽，從資產購入企業開始到資產退出的整個生命周期，能對固定資產實物進行全程跟蹤管理。