天津大學機械工程學院機械工程系教授 郭偉
一、智能制造發展及認識
1.智能化需求
（1）智能化是科技創新的發展方向
如今越來越多的信息隨手可得，但為什么我們卻感覺更加茫然和無知？這是一個信息檢索和知識發現的問題,其背后的深刻含義是：信息化是基礎，智能化是信息化發展的高級階段。
21世紀是生物科技的時代，隨著基因、腦神經、認知等生命科學研究的逐步深入，智能科學正一步步揭開神秘的面紗，成為21世紀基礎科學的推動力。
在現代制造和信息技術領域，語言識別與理解、圖像識別與處理、計算機視覺、機器人規劃、多信息傳感與控制、知識表達獲取與處理、推理與決策、專家系統、智能優化控制等智能技術應用越來越廣泛。
比如先進的Google無人駕駛汽車，可實現自動駕駛模式下最高限速60公里/小時，停車標志提供語音提示，主控系統故障檢測報警、陌生環境手動操作提示、路口路況自適應。其系統核心是車頂上的激光測距儀，該設備在高速旋轉時向周圍發射64束激光，激光碰到周圍的物體并返回，便可計算出車體與周邊物體的距離。計算機系統根據距離數據描繪出精細的3D地形圖，與高分辨率地圖結合，生成不同的數據模型供車載計算機系統使用。
Google無人駕駛汽車
最近熱門的3D打印制造技術，可以基于離散材料逐層堆積成形的原理，依據產品三維CAD模型，快速“打印”出產品原型或零部件，它是融合了計算機軟件、材料、機械、控制、網絡信息等多學科知識系統性、綜合性技術。其原理是基于三維模型，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬/陶瓷粉末、塑料、細胞等材料進行逐層堆積黏結，疊加成型，制出實體產品。
再比如依靠傳感器數據與專家模型的融合，全面了解環境和發動機的狀態，實現自適應、自我診斷和自我預測，對發動機的性能和狀態進行主動的自我管理決策并采取物理動作執行的智能發動機。這些都是科技創新中智能化的體現。
（2）智能化是客戶需求和社會發展的必然趨勢
人們生活質量提高的方向正由物質方面轉向精神方面，對產品的需求越來越數字化、微型化、個性化，操作簡便、安全、健康，貼心、人性化。只有智能化產品和設施才能具備高度柔性和適應性。
現代信息技術的發展與應用已經深入到國民經濟各部門和社會生活的各領域，極大地推動了社會生產關系的發展變革。將智能化技術應用于商業貿易、文化教育、交通運輸、國家防務、行政管理等各部門，構建智能家居、智能社區、智能電網、智能交通、智慧城市，是社會發展必然要求。
（3）智能化是制造業發展的必然要求
現今制造業生存發展環境面臨著資源難以支撐、環境壓力加大、用戶需求提高、貿易摩擦平發、市場競爭激烈、人工成本增加、運營費用增加等一系列難題，必須從傳統的制造業模式不斷向智能化生產服務、綠色環保、創新智能設計、高端裝備制造、自動化設備、智能精細管理等方向發展。
2.背景與意義
由此總結出實現智能化的三個驅動力，即科技創新發展方向、客戶需求和社會發展趨勢、制造業發展要求。智能化的具體內涵包括智能裝備、智能化產品、智能設計、智能生產、智能服務、智能物流。這些與微型曲線形成明確的對應，實現智能產品過程對應的方法叫智能設計，另外一端是未來市場的售后服務，包括智能裝備、服務。智能制造實現智能生產，智能物流可以有效地提高產品的質量、降低產品的生產成本。智能制造是制造業“兩化”深度融合發展、實現轉型升級高端制造的關鍵。
智能制造業務流程
3.智能制造發展演進
智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是上世紀八十年代末隨著CIMS（計算機集成制造系統）的研究開始興起的，核心是借助人工智能系統實現制造過程的自測量、自適應、自診斷、自學習，達到制造柔性化、無人化。但由于人工智能進展緩慢，智能制造技術未能在企業廣泛應用。
新世紀之后，隨著網絡技術（因特網和無線網）、信息技術（如嵌入式、大數據）、新型感知技術（如RFID）的發展，并與自動化測控技術相融合，智能制造范疇有了較大擴展。
當前制造業信息化領域，智能制造一般指綜合集成信息技術、先進制造技術和智能自動化技術，在整個制造企業的各個環節（如經營決策、采購、產品設計、生產計劃、制造、裝配、質量保證、市場銷售和售后服務等）融合應用，實現企業研發、制造、服務、管理全過程的精確感知、自動控制、自主分析和綜合決策，所形成的一種新型制造模式，具有高度柔性化、集成化、網絡化特征。
智能制造技術體系與應用
二、智能制造重點領域與技術支撐體系
1.智能設計技術
智能設計技術以縮短研發設計周期、設計自動化為目標，目前主要以兩條技術線索展開：①以CAD、CAE技術為主體，構建研發設計虛擬現實仿真環境；②以PLM、知識管理為主體，構建研發設計知識輔助環境。
智能設計技術的兩條線索
一個典型的知識管理案例就是計算知識引擎Wolfram|Alpha，它從公眾獲得授權的資源中，發掘、建立起一個異常龐大的經過組織的數據庫，再利用高級的自然語言算法進行處理，最終構造出一個知識搜索的引擎，直接給出問題解答，實現智能化知識組織與重用。
另外一個重要的技術就是統一多領域建模仿真語言Modelica，它是一種開放、面向對象的以方程為基礎的語言，適用于大規模復雜異構物理系統建模，包括機械、電子、電力、液壓、熱、控制等。具有基于方程的模型重用性，提供參數化的需求管理方式，以便進行知識重用。
2.智能化生產技術
國外非常重視智能化生產技術，例如在德國“工業4.0”項目由德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部聯手資助，聯盟政府投入達2億歐元。該未來項目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；二是“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。
西門子安貝格自動化工廠
從十二五規劃來看，我國也高度重視智能化生產技術的發展，成立了科技部工信部重大專項——高檔活塞柔性生產線智能管理監控系統，它基于網絡和數據庫的自動化工藝設計與管理，物流工藝過程三維仿真與優化；RDIF物料追蹤、自動堆料、上下料 ；設備、物料、質量數據實時采集，自動監控，全程可視化管理。
3.制造物聯與嵌入式技術
RFID、無線傳感網、嵌入式系統等是制造物聯技術的關鍵技術。物聯智能制造可以實現制造的自動化、智能化、精益化、可視化，極大提升對產品及制造過程的感知、控制與管理水平。實施制造物聯技術可以在物流管理、設備監控、質量追溯、安全預警、能源控制等方面取得重大效益。
制造物聯與嵌入式技術
4.制造服務技術
面向成線成套、工程總包，提供整體解決方案。拓展后市場服務，重點開展在線監測、遠程診斷、維修和大修服務。
裝備制造服務系統
例如在重型壓力機設備故障預警管理系統中，基于生產線上每臺設備的運行狀況數據自動采集，通過專家系統與故障樹實現生產設備的故障預警功能。對狀態信息進行數據挖掘分析，實現設備運動狀態綜合判斷和預警，避免機器故障的產生，提高生產效率。
在能耗計量監測管理系統中，通過嵌入式系統，實現能耗數據的采集、分析、處理、在線監測等功能，中心數據實時接收數據，通過統計計算完成能耗統計、管理、考核、測評、能耗審計和公示等工作。
5.云制造技術與應用
在當前這種發展環境下，制造企業面臨著很多困難，資源不足最為明顯。對此，科技部在十二五初期設立了云制造的技術項目，來探索云技術的應用。這其中包括中國模具產業云制造平臺，采用云端資源接入適配器，向平臺用戶提供接入資源的實時或歷史信息；以及接入資源的地理信息、圖像、視頻、文字等信息；對高級權限用戶提供遠程制造資源操作功能。同時提供公共知識服務，包括網絡資訊、標準、文獻、專利等，促進知識資源交流和共享。
6.智能裝備—柔性制造—智能測控—智能維護技術
智能裝備技術
典型的智能裝備技術有智能機器人、智能加工中心、智能輸送設備、3D可視化監控系統、自動化裝配檢測機器人、自動引導小車等。
柔性制造技術中，自適應數控加工技術是依據當前設備負荷的變化、零件變形、零件余量的不均、不精確的裝夾狀態等及時做出調整，以適應當前設備或零件狀態，完成特定加工。自適應加工是實現數字化車間及無人加工的前瞻性技術。
智能測控技術，比如PMC在各工藝系統設備聯網的基礎上，實現對車間、設備、工藝參數及設備報警等數據的監視和控制。以及紡絲企業中常用的DMIC在線檢測儀，水質監測中的PH自動監測控制器，這些都是智能測控技術的應用。
三、智能制造應用實踐
1.智能設計領域應用——天發水電重型裝備設計知識平臺
在天發水電重型裝備設計知識平臺中，包括設計計算知識、設計仿真、知識存儲管理、研發過程管理、知識查詢、知識推送、知識表達等，通過軟件工具接口技術和PKM-PDM接口技術，將知識管理積累模塊、數據集成環境、軟件工具進行集成，實現了在這個平臺上進行任務規劃、參數化建模、多學科分析計算、產品管理和知識管理。
天發水電重型裝備設計知識平臺
2.全生命周期智能化管理—面向重型機床裝備的閉環PLM系統
針對重型機床高投入、高附加值，高技術含量，高信息密集度、高復雜性和關聯性強、生命周期長，在經濟建設、國防建設中舉足輕重的特點,研究面向重型機床裝備生命周期的閉環管理模式，支持反饋式設計、MRO及加工過程質量保證。
面向重型機床裝備的閉環PLM系統構架
3.生產過程智能化監控與保障支持系統
結合批量化汽車零部件生產過程，采用RFID技術，實現企業現場物流精準管理，通過系統確定生產流程對生產進度完成的影響關系，合理的布置監控點，精準控管產品的整個生產過程。開發了制造現場物流與質量控制系統，該系統可以和CAE、CAPP、CAM、ERP等系統結合起來形成了數字化企業精準管理平臺技術體系。
敏捷制造報警系統
4.天津汽車模具智能設計—智能制造—云制造實踐，引領行業發展
在天津汽車模具的整個產業發展歷史中，2003年引入CAE輔助工藝實現智能設計，模面的精細化設計，CAE報告指導下的鉗工調試。2006年引入CAM技術實現智能制造，使得鉗工作業只裝不配少修成為可能，實現了無人化加工，提高加工效率。
同時在整個公司拓展協同研發平臺應用，初步實現天津、湖北、湖南、河南、德國等多地協同研發，全方位利用各地專業化技術優勢資源，縮短了新產品推向市場的時間。
天津汽車模具智能設計—智能制造—云制造實踐
結合汽車模具產業鏈協同需求，整合設計軟件資源、設計能力資源、制造資源、知識資源、工作分工與協同，形成云制造業務，實現“資源云化倍增”。
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本文標題：拓步ERP資訊：制造業智能制造發展趨勢
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