1.2　智能制造

1.2.1　智能制造的概念

制造可以定义为用原材料制造产品的多阶段过程，而智能制造是一个采用计算机控制并具有高度适应性的制造子集。智能制造旨在利用先进的信息和制造技术，实现物理过程的灵活性，以应对全球市场。智能制造是一个不断发展的概念，可以被归纳为三种基本模式：数字制造、数字网络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术与先进制造技术的深度集成，它贯穿设计、生产、产品和服务的整个生命周期。这个概念还涉及相应系统的优化和集成，持续提高企业的产品质量、业绩和服务水平，降低资源消费。新一代智能制造是新工业的核心驱动力，并将成为中国经济转型升级的主要途径。人类网络物理系统（HCPSs）揭示了新一代智能制造的创新机制，并能有效地指导相关的理论研究与工程实践[8，9]。根据顺序开发、交叉交互和智能制造三种基本范式的迭代升级特征制定“平行推广和综合开发”的路线图，以推进我国制造业智能化转型。

近年来，制造业被概念化为一个超越工厂范围的系统，制造业作为一个生态系统的范例已经出现。术语“智能”包括在整个产品生命周期中创建和使用的数据和信息，其目标是创建灵活的制造过程，以低成本快速响应需求变化，同时不损害环境。这个概念需要一个生命周期的观点，即产品的设计是为了高效生产和可循环利用。智能制造能够在需要时或在整个制造供应链、完整的产品生命周期、多个行业和中小企业中以需要的形式提供有关制造过程的所有信息。智能制造领导联盟（SMLC）正在构建技术和业务基础设施，以促进整个制造生态系统中智能制造系统的开发和部署[10]。

先进制造企业先前的一个定义是“加强先进智能系统的应用，以实现新产品的快速制造、对产品需求的动态响应以及制造生产和供应链网络的实时优化”。这一概念用一个智能因素表示，依赖于可互操作系统、多尺度动态建模与仿真、智能自动化、可扩展的多级网络安全和网络化传感器。这类企业在整个产品生命周期中利用数据和信息，目的是创建灵活的制造过程，以低成本快速响应需求变化，并对企业和环境做出反应。这些过程促进了企业内部所有职能部门之间的信息流动，并管理与供应商、客户和企业外部其他利益相关者的信息。

智能制造的广义定义涵盖了许多不同的技术。智能制造中的一些关键技术有大数据分析技术、先进的机器人技术以及工业连接设备和服务。

（1）大数据分析技术

智能制造利用大数据分析来完善复杂的流程和管理供应链。大数据分析是指收集和理解大数据集的方法，具有5V特征[11]。

①Volume：数据量大，采集、存储和计算的量都非常大。大数据的起始计量单位至少是P（1000个T）、E（100万个T）或Z（10亿个T）。

②Variety：种类和来源多样化。包括结构化、半结构化和非结构化数据，具体表现为网络日志、音频、视频、图片、地理位置信息等，多类型的数据对数据的处理能力提出了更高的要求。

③Value：数据价值密度相对较低，或者说是浪里淘沙却又弥足珍贵。随着互联网以及物联网的广泛应用，信息感知无处不在，信息海量，但价值密度较低，如何结合业务逻辑并通过强大的机器算法来挖掘数据价值，是大数据时代最需要解决的问题。

④Velocity：数据增长速度快，处理速度也快，时效性要求高。比如搜索引擎要求几分钟前的新闻能够被用户查询到，个性化推荐算法尽可能要求实时完成推荐。这是大数据区别于传统数据挖掘的显著特征。

⑤Veracity：数据的准确性和可信赖度，即数据的质量。

大数据分析允许企业使用智能制造从被动实践转向预测性实践，这是一种旨在提高流程效率和产品性能的变革[12]。

（2）先进的机器人技术

先进的机器人，也被称为智能机器，可以自动运行，并可以直接与制造系统通信。在一些先进的制造环境中，它们可以与人类共同完成组装任务[13]，通过评估感官输入并区分不同的产品配置，这些机器能够独立于人解决问题并做出决策。这些机器人能够完成超出最初编程范围的工作，并具有人工智能，使它们能够从经验中学习[4]。这些机器具有重新配置和重新设定目标的灵活性，这使它们能够快速响应设计变更和创新，比传统制造工艺更具竞争力[9]。先进机器人的一个关注点是与机器人系统交互的工人的安全和福祉。传统上，人们采取措施将机器人从人类劳动中分离出来，但是机器人认知能力的进步为机器人与人合作提供了机会，比如说，合作机器人[14]。

（3）工业连接设备和服务

利用互联网的功能，制造商能够增加集成和数据存储，使用云软件允许公司访问高度可配置的计算资源，允许快速创建和发布服务器、网络和其他存储应用程序。企业集成平台允许制造商从其机器上收集数据，这些机器可以跟踪工作流程和机器历史等。制造设备和网络之间的开放通信也可以通过互联网连接实现，包括从平板电脑到机器自动化传感器的所有内容，并允许机器根据外部设备的输入调整其流程。

制造、运输和零售业的最终目标是采取更加灵活、适应性强、反应性强的方式参与竞争性市场。企业可能被迫适应或采用这种做法来竞争，从而进一步刺激市场。该目标需要技术人员、中介机构和消费者之间协作，建立一个由科学家、工程师、统计学家、经济学家等多学科专业人士参与的网络，也被称为物联网，这是“智能”企业的基本资源。

智能制造主要用来消除工作场所效率低下和存在的危险等问题。效率优化是智能系统采用者的一个重要关注点，通过数据研究和智能学习自动化来实现。例如，运营商可以获得带有内置WiFi和蓝牙的个人访问卡，该卡可以连接到机器和云平台，以确定哪个运营商在哪个机器上实时工作。可以建立智能、互联的智能系统来设定性能目标，确定是否获得目标，并通过失败或延迟的性能目标来识别效率低下的情况。一般来说，自动化可以减少人为错误导致的效率低下问题。总的来说，不断发展的人工智能消除了效率低下的问题。

通过安全、创新的设计并增加综合自动化网络，可以保障工人的安全。随着自动化的成熟，技术人员暴露在危险环境中的风险更小。进一步而言，更少的人工监督和自动化的用户指导将使工作场所的安全问题失去活力。

1.2.2　智能制造的意义

智能制造促进了传统工业（如制造业）的计算机化。其目标是建立以适应性、资源效率和人机工程学为特征的智能工厂，以及实现客户和业务合作伙伴在业务和价值流程中的集成。它的技术基础包括网络物理系统和物联网。智能制造将带来以下意义。

①无线连接应用于产品组装和与它们的远程交互，可以控制各阶段的建设、分配和使用情况。

②先进的制造工艺和快速原型技术将使每个客户能够订购一种独一无二的产品，而不会显著增加成本。

③协作虚拟工厂（VF）平台通过在整个产品生命周期中利用完整的模拟和虚拟测试，大大减少与新产品设计和生产过程相关的成本和时间[15]。

④先进的人机交互（HMI）和增强现实（AR）设备有助于提高生产工厂的安全性，降低工人的工作强度[16]。

⑤机器学习是优化生产流程的基础，既可以缩短交货期，又可以降低能耗[17，18]。

⑥网络物理系统和机器对机器（M2M）通信允许从车间收集和共享实时数据，以便进行极其有效的预测性维护，从而减少停机和空闲时间。

智能制造有巨大的潜力已经在实际情况中得到证实。韩国政府宣布筹集575亿美元用于建造智能工厂，1240家韩国智能中小企业数据显示“智能制造使缺陷率下降27.6%，成本下降29.2%，原型生产所需时间缩短7.1%”。德国公司Roland Berger Strategy Consultants的一项研究表明，在欧洲完全实现这种生产模式每年需要900亿欧元的投资，到2030年达到完全成熟，那时智能制造将能够产生5000亿欧元的营业额，并给约六百万人提供就业机会。

世界各国都在积极参与新一轮工业革命。我国提出了“中国制造2025”战略规划，德国提出了“工业4.0”的概念，英国提出“英国工业2050”战略规划。此外，法国也公布了新的工业计划，日本提出了“社会5.0”战略，韩国也提出“制造业创新3.0”计划。智能制造的发展被认为是提高国家竞争力的关键措施。

中国制造业已经明确提出了以智能制造为主要方向[19]，重点推进新一代信息技术在制造业中的深度集成。21世纪初以来，新一代信息技术已经呈现出爆炸式的增长并被广泛地应用。数字、网络和智能制造业一体化持续发展，制造业创新是主要驱动力，新工业革命的力量正在爆发出巨大的能量。智能制造是一个涵盖广泛特定主题的概念。新一代智能制造是新一代人工智能技术与先进制造技术的深度融合，它贯穿设计、生产、产品和服务的整个生命周期。这一概念还涉及相应系统的优化和集成，旨在不断提高企业的产品质量、性能和服务水平，同时降低资源消耗，从而促进制造业的创新、绿色、协调、开放和共享发展。

1.2.3　智能制造的发展

智能制造与信息化进程同步发展。全球信息化的发展分为三个阶段。

①20世纪中叶到90年代中期，信息化处于以计算、通信和控制应用为主要特征的数字化阶段。

②从20世纪90年代中期开始，互联网大规模普及应用，信息化进入以万物互联为主要特征的网络化阶段。

③目前，在大数据、云计算、移动互联网、工业互联网集群突破和集成应用的基础上，人工智能实现了战略性突破，信息化进入智能化阶段，以新一代人工智能技术为主要特征。

考虑到各种与智能制造相关的模式，并考虑到信息技术与制造业在不同阶段的融合，可以归纳出三种智能制造的基本模式：数字制造、数字网络制造和新一代智能制造。

新一代智能制造是新工业革命的核心技术。第一次和第二次工业革命分别以蒸汽机的发明以及电力的应用为标志，这两次革命极大地提高了生产力，并将人类社会带入现代工业时代。第三次工业革命以计算机、通信、控制等信息技术的创新和应用为突破口，不断把工业发展推向新的高度。从21世纪初开始，数字化和网络化的发展使信息的获取、使用、控制和共享向外部发展，迅速且广泛。此外，新一代人工智能的突破和应用进一步提高了制造业的数字化、网络化和智能化水平。新一代人工智能最基本的特点是它的认知和学习能力，可以产生和更好地利用知识。这样，新一代人工智能可以从根本上提高工业知识生成和利用的效率，极大地解放人类的体力和脑力，加快创新步伐，使应用更加普遍，从而将制造业推向一个新的发展阶段——新一代智能制造。如果把数字网络化制造作为新一轮工业革命的开端，那么新一代智能制造的突破和广泛应用将把新一轮工业革命推向高潮，重塑制造业的技术体系、生产模式和产业形态。

1.2.4　中国制造2025与中国智造

中国以促进制造业创新发展为主题，以提质增效为中心，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，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次多类型人才培养体系，促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越，提出了创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本的基本方针。立足我国国情，立足现实，力争通过“三步走”实现制造强国的战略目标。

第一步：力争用十年时间，迈入制造强国行列。到2020年，基本实现工业化，制造业大国地位进一步巩固，制造业信息化水平大幅提升。掌握一批重点领域核心技术，优势领域竞争力进一步增强，产品质量有较大提高。制造业数字化、网络化、智能化取得明显进展。重点行业单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放明显下降。到2025年，制造业整体素质大幅提升，创新能力显著增强，全员劳动生产率明显提高，两化（工业化和信息化）融合迈上新台阶。重点行业单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放达到世界先进水平。形成一批具有较强国际竞争力的跨国公司和产业集群，在全球产业分工和价值链中的地位明显提升。

第二步：到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。创新能力大幅提升，重点领域发展取得重大突破，整体竞争力明显增强，优势行业形成全球创新引领能力，全面实现工业化。

第三步：新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。制造业主要领域具有创新引领能力和明显竞争优势，建成全球领先的技术体系和产业体系。

实现制造强国的战略目标，必须坚持问题导向，统筹谋划，突出重点；必须凝聚全社会共识，加快制造业转型升级，全面提高发展质量和核心竞争力。

1.2.5　RFID在智能制造中的应用

（1）利用RFID技术构建数字化车间

基于RFID的数字化车间目前主要应用在刀具管理、物料管理、设备智能化维护以及车间混流制造等方面，同时具有优化流程等目的。

（2）基于RFID技术的智能产品全生命周期管理

智能化是机电产品未来发展的重要方向和趋势，产品智能化的关键之一在于如何实现其全生命周期信息的快速获取和共享。

（3）基于RFID技术的制造物流智能化

将RFID系统与制造企业自动立库系统集成，可实现在制品、货品出入库自动化与货品批量识别。

（4）防伪溯源与产品追踪管理

RFID技术可以控制整个产品的生产、流通、销售过程，实现产品跟踪与监管，解决目前常规防伪技术无法全程跟踪的问题。基于RFID技术的防伪技术和产品现已被广泛应用于食品安全等防伪溯源系统管理中。相信未来，RFID在防伪溯源领域中将进一步普及应用。

（5）资产管理

基于RFID和信息技术的固定资产管理系统通过使用RFID电子标签、读写器和软件来对企业资源进行监测。结合条形码管理技术，赋予每个资产实物一个唯一的RFID电子标签，从资产购入企业开始到资产退出的整个生命周期，能对固定资产实物进行全程跟踪管理。