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《智能制造》技术推广服务与实践 | 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 | 研究员李玉敏

李玉敏, 周学良, 单 博, 刘 鹏, 王 静

(机械工业仪器仪表综合技术经济研究所, 北京 100055)

 

摘要: 智能制造是一项复杂而庞大的系统工程。推广应用服务转型升级的主要技术路线和创新落脚点、难点在中小企业。工业互联网、大数据和人工智能等技术深度融合, 为之赋能。无论智能制造、工业互联网, 还是数字化转型, 本质上都是推动制造业转型升级。

关键词: 智能制造; 创新融合; 转型升级; 推广应用; 服务实践

 

1. 引言

根据工信部最新的公布 ,“十三五 ”期间 ,我国发布 285项智能制造国家标准 ,主导制定 47项国际标准 ,涵盖了企业生产制造的全流程 ,我国进入全球智能制造标准体系建设先进行列。建成 600多个具备先进技术水平的智能制造示范工厂 ,智能制造示范项目生产效率平均提高44.9%,能源利用率提升 19. 8%,运营成本降低 25. 2%,产品研制周期缩短 35%,产品不良品率降低 35. 5%。新增两化融合管理体系贯标企业超过 3万家 ,炼化、印染和家电等领域接近国外先进水平。工业互联网网络、平台和安全三大体系夯基架梁工作基本完成。定制化服务、全生命周期管理、总集成总承包、共享制造和在线监测与维护等服务型制造新模式不断涌现 ,工程机械、电力装备等行业服务型制造业务快速发展 ,工业设计、信息技术和节能服务等生产性服务业逐步壮大。

无疑 ,智能制造已经成为我国从制造大国向制造强国转型的巨大推动力 ,正带领中国产业迈向全球价值链中高端。

2. 智能制造发展的时代背景

人类文明的进程与制造密不可分 ,制造活动及其产物促进人类的生存进化 ,人类社会经历了从蒸汽时代、电气时代、信息化时代到智能化时代的发展历程 ;相应地 ,制造技术也从工业 1. 0发展到工业 2. 0、工业 3. 0,如今迈向工业 4. 0。

具体的技术发展变迁在于 ,从工业 1. 0到 2. 0的是制造技术从机械化走向标准化的过程 ,包括零件设计的标准化、制造工艺的标准化及检验和质量控制的标准化,实现了初级的刚性自动化 ,改变的是制造过程的速度和可重复性。从工业 2. 0到 3. 0,制造技术以高级自动化为特点 ,追求效率、质量和柔性 ,实现产品的大规模个性化生产 ,以数字化设计制造支持新业务模式。

如今 ,世界正在进入以信息产业为主导的经济发展时期。新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、 重塑全球经济结构。中国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段 ,智能制造成为我国构筑竞争新优势的关键所在。

我国从国家层面确定了中国建设制造强国的总体战略 ,明确提出要以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向 ,实现制造业由大变强的历史跨越。

根据工信部发布的《智能制造 “十三五 ”发展规划》, “十三五 ”期间我国推进智能制造实施 “两步走 ”战略 :第一步是到 2020年,智能制造发展基础和支撑能力明显增强,传统制造业重点领域基本实现数字化制造 ,有条件、有基础的重点产业智能化转型取得明显进展 ;第二步是到 2025年,智能制造支撑体系基本建立 ,重点产业初步实现智能转型。

规划实施以来 ,智能制造表现出良好、强劲的发展势头,成为中国制造业创新发展的主要抓手 ,是中国制造业转型升级的主要路径 ,推动了制造业高质量发展。但是我们也要意识到我国智能制造仍然存在一些不足 ,如:对智能制造规律的认识和理解还不够深入 ;供给支撑能力仍有明显短板 ;应用推广的深度、广度不够和服务能力不强等。

“十四五 ”时期是我国全面建设社会主义现代化强国的第一个五年 ,推动智能制造创新发展意义重大。近日 ,工信部会同有关部门起草的《“十四五 ”智能制造发展规划》 (征求意见稿 )发布。《规划》从设计、材料、生产制造、装备、供应、管理、标准以及相关软件、硬件等方面 ,提出了重点任务和明确的目标。

两大阶段目标是 :到 2025年,中国规模以上制造业企业基本普及数字化 ,重点行业骨干企业初步实现智能化转型;到 2035年,规模以上制造业企业全面普及数字化,骨干企业基本实现智能化转型。

其中 ,对智能制造创新发展提出如下六项推进工作建议 :

1)推进智能制造系统可靠性平台建设和标准制定。面向典型行业开展智能制造系统的可靠性设计、测试、管理和评价的公共服务平台 ,建立智能制造系统可靠性基础数据库 ,提升智能制造装备及系统整体可靠性水平。

2)推进智能制造系统全面集成。实现企业内部灵活可重构的不同层次网络化制造系统集成 (纵向集成 ),以及贯穿产品和工厂全生命周期不同阶段系统集成 (横向集成和端到端集成)。

3)面向智能制造系统的安全一体化技术研究与开发应用。建立面向典型行业的安全一体化风险模型库 ,构建基于全风险要素感知、大数据推演的全生命周期安全数字化监管平台 ,提升安全服务保障能力 ,推动智能制造安全标准化评级和国际标准制定。

4)制造装备智能化提升。加大工业通信协议和装备数据字典标准研制力度 ,推进制造装备内嵌基于数据字典的信息模型和统一接口 ,以及机器视觉、预测性维护等人工智能技术应用 ,不断提升制造装备智能化水平。

5)持续优化完善智能制造标准体系 :优化存量 (基础共性标准和行业应用标准协调统一 ),聚焦增量 (如面向国家战略需求、新技术应用要求和高质量供应链标准等)。

6) 持续优化完善智能制造标准体系: 优化存量( 基础共性标准和行业应用标准协调统一), 聚焦增量(如面向国家战略需求、新技术应用要求和高质量供应链标准等)。

可以看到 ,我国将继续以智能制造为主攻方向推动产业技术变革和优化升级 ,推动制造业产业模式和企业形态根本性转变 ,以 “鼎新 ”带动 “革故 ”,以增量带动存量 ,促进我国产业迈向全球价值链中高端。

3. 智能制造内涵和外延 (为什么确立国家目标和战略目标 ,解决短板问题 )  

从中国制造业实际出发 ,中国仍是一个发展中国家 ,工业化任务尚未完成。一方面 ,我国不同区域、不同产业的发展阶段、特征有所不同 ;另一方面 ,与工业发达国家相比 ,中国在关键技术、核心装备和标准体系等方面还存在较大差距。为此 ,我国提出了 “工业 2. 0补课、 3. 0普及、 4. 0示范 ”的并行战略 ,以此推动中国制造业智能化转型。

以离散制造业为例 ,目前相当一部分产业还处于价值链低端 ,所处的阶段总体来看大概还停留在工业 2. 0和工业 3. 0阶段之间。通过调研总结发现,目前企业智能化升 级过程中常见问题普遍包括 : ①产品品种规格多样 ,生产计划调度困难 ; ②生产对象不一样 ,不同形态的车间管理需求不同 ; ③许多企业未实施或未应用好 MES,任务执行进度、设备状态和物料状态等难以跟踪 ; ④系统集成困难 ; ⑤制造装备类型繁多 ,底层设备自动化和数字化程度差别大; ⑥产品质量管理困难。

这些问题都亟待智能制造来改变。那么 ,智能制造究竟该如何理解呢 ?

《智能制造 “十三五 ”发展规划》中明确提出 ,智能制造是基于新一代信息通信技术 ( Information Communica­tion Technology, ICT)技术与先进制造技术深度融合 ,贯穿于设计生产管理服务等制造活动的各个环节 ,具有自感知、自学习、自决策、自执行和自适应等功能的新型生产方式。

基于智能制造技术推广服务相关的工作 ,结合新的技术发展变迁和应对未来的挑战 ,我们对工业 4. 0时代智能制造有了新的认识。

智能制造是先进制造技术与新一代信息技术、新一代人工智能等新技术深度融合形成的新型生产方式和制造技术。它以产品全生命周期价值链的数字化、网络化和智能化集成为核心 ,以企业内部的纵向管控集成和企业外部的网络化协同集成为支撑 ,以物理生产系统及其对应的各层级数字孪生映射融合为基础 ,建立起具有动态感知、实时分析、自主决策和精准执行功能的智能工厂 ,进行 CPS赛博物理融合的智能生产 ,实现高效、优质、低耗、绿色和安全的制造和服务。

未来一定是个性化、响应快、质量高、成本低、知识密集、服务至上、生产柔性以及环境友好的制造模式 ,这些都只有通过大力推进制造智能化才有可能做到。在推进智能制造过程中 ,智能装备产业自然而然也能得到快速发展,从而带动智能制造技术衍生产品的发展 ,成为新常态下新的经济增长点。

归纳起来 ,智能制造能够提升制造业水平 ,促进制造模式的改变 ,加速发展新型产业。

4. 智能制造高质量发展研究 (学习思考 )

基于对智能制造全新的认识 ,我们就智能制造高质量发展、具体的任务分解和落地路径思考探究如下。

(1)总体目标

无论何时 ,产品质量更好、生产效率更高、单件成本更低、环境影响更小、市场响应更快以及生产过程更安全都是制造企业的永恒目标。因此 ,智能制造的总体目标归结为优质、高效、低耗、绿色和安全五个方面。

(2)核心主题

构成智能制造的核心内容即赛博物理系统 ( CPS)以及由此构建的赛博物理生产系统 ( CPPS),而 CPS / CPPS的实现则建立在四大载体之上 ,包括智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务。

(3)支撑技术

支撑技术属于智能制造的关键技术 ,涉及支撑智能制造发展的新一代信息技术和人工智能技术等关键技术 ,主要包括了传感器、工业互联网、物联网、大数据、云计算、边缘计算、虚拟现实增强、现实人工智能和数字孪生等。当然 ,随着智能制造的发展 ,还会有新的技术出现。

(4)使能技术

面向应用的使能技术也属于智能制造的关键技术 ,涉及智能制造、系统性集成和应用使能的关键技术 ,主要包括端到端 ,纵向集成、横向集成三大集成技术 ,以及面向功能实现智能制造的动态感知、实时分析、自主决策和精准执行的功能特征。

(5)发展模式

智能制造的演进发展基于三种基本范式 :一是数字化制造 ;二是互联网 +制造 ;三是新一代智能制造。

(6)实施途径

在智能制造实施道路上 ,企业切忌盲目跟风 ,必须以明确的经济效益指标为指引 ,以打好工业 2. 0和工业 3. 0基础为首要任务 ,找到适合自身的实施路径。只有做到统筹规划、分步实施 ,才能真正实现数字化、网络化和智能化,走向彻底的工业 4. 0。

智能制造聚焦工厂 /车间内部 ,首要任务是通过先进制造技术来补齐自动化与信息化短板。应实现的基本功能要素如图 1所示。同时 ,还应实现设计、物流、生产运行、调度和检测等各子系统之间的协同 ,以及持之以恒地建立企业各种生产资源数据库 (技术、零件、产品、工艺、可靠性和供货商等)。

借助互联网、云平台、大数据和人工智能等新一代信息技术 ,实现个性化定制 ,以及跨企业、跨行业和跨地区的网络协同制造 ,并促动企业从生产型制造向服务型制造划设计、产品开发和生产优化 ,实现产品全生命周期的闭转变。例如 ,利用人工智能技术实现智能产品的远程诊断环控制。新一代信息技术与先进制造技术的深度融合如图 2所示。

 

图1 解决我国工业2. 0、3. 0 主要问题———补齐自动化和信息化短板