智能裝備的走向探討
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1.傳統裝備制造業的種種缺陷
傳統裝備制造業仍存在著許多不足，具體介紹如下。①產量低、質量差:傳統裝備制造業在產品的產量與質量方面都比較欠缺。②生產時間長:“時間就是金錢”，在“知識經濟”時代，機遇稍縱即逝。產品設計、生產、投放市場以及產品更新換代的時間都需要加快。③生產效率低:隨著工業經濟效益的持續增長，企業致力于擴大生產規模，制造產品的數量比之前有大幅度增加。面對這種狀況，若依舊采用傳統的生產制造模式，難以滿足生產效率指標的要求。④節能降耗差:一些傳統裝備制造業企業是在大量消耗能源與材料的基礎上進行生產的，很少注意節能降耗的問題。⑤競爭能力弱:由于產品更新換代慢、生產工藝差、生產效益低，難以更好地滿足用戶的個性化需求，因此，企業競爭能力弱。促進中國裝備制造業由大變強已成為新時期我國一項重大而緊迫的戰略任務。
自20世紀70年代以來，以計算機、信息技術為基礎的高新技術得到迅猛發展。這給傳統的制造業帶來了新的發展機遇。計算機技術、信息技術、自動化技術與傳統制造技術相結合，形成了先進制造技術。2012年，勞動力成本提升、產業升級以及政策扶持等使得先進制造裝備技術具有較強的發展潛力。自計算機技術問世以來，裝備制造大體沿著兩條線路發展:傳統制造技術的發展和借助計算機與自動化科學的先進制造技術的發展。自20世紀80年代以來，傳統制造技術雖然得到了不同程度的發展，但仍存在著很多問題。先進的計算機技術和制造技術對產品、工藝和系統等設計師和管理人員提出了新的挑戰，傳統的設計和管理方法不能有效地解決現代制造系統中存在的問題。要解決這些問題，需要采用現代的工具和方法。通過集成傳統制造技術、計算機技術與科學及人工智能(artificialintelligent，AI)等發展起來的一種新型智能制造技術(intelligentmanufacturingtechnology，IMT)和智能制造系統(intelligentmanufacturingsystem，IMS)，則有可能使企業走出困境，度過危機。傳統的制造技術與人工智能、自動化等技術相結合，形成了智能化的先進制造技術(advancedmanufacturingtechnology，AMT)。先進制造技術是在市場需求及科學技術帶動下逐步發展形成的。在市場需求不斷變化的驅動下，制造業的生產規模已向多品種、變批量、柔性化的方向發展;在信息科學技術發展的推動下，制造業的資源配置已向信息(知識)密集型的方向發展。發展先進制造技術的目的，不僅是要高效制造出滿足用戶需求的優質產品，而且還要清潔、靈活地進行生產，以提高產品對動態多變的市場的適應能力和競爭能力。作為近兩年國家新確定的高端裝備制造業的重點發展方向之一，智能裝備制造始終與生產制造息息相關，幾乎可以在每一個生產環節中加以運用和體現。智能裝備制造提高了生產效率，降低了成本。
21世紀，先進制造技術的優點主要體現在以下幾個方面。
①精密化:速度、精度和效率是裝備制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動、靜態特性等有效措施，大大提高了機械裝備的速度、精度、效率。
②自動化:先進制造技術的發展是和自動化技術的發展緊密聯系在一起的。自動化技術，特別是智能控制技術，大多首先應用于先進制造技術的發展領域。
③信息化:信息技術，特別是計算機技術，大大改變了制造的面貌，它是先進制造技術發展與制造科學形成的主要條件。但信息技術的發展離不開制造技術的發展，制造業依然是發展信息產業乃至整個知識經濟的基礎工業。當然，制造技術的發展也離不開信息技術的發展。
④柔性化:柔性化包含數控系統本身的柔性和群控系統的柔性兩方面。數控系統本身的柔性是指數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面廣;系統可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求。群控系統的柔性是指同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。
⑤圖形化:用戶界面是數控系統與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因此開發用戶界面的工作量極大。當前，Internet、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技術也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業用戶的使用。人們可以通過窗口和菜單進行操作，實現藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能。
⑥智能化:早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環境，其作用是調度任務，以確保任務在規定期限內完成;而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為。在科學技術不斷發展的今天，人工智能正朝著具有實時響應、更現實的領域發展，而實時系統也朝著具有智能行為、更加復雜的應用發展，人工智能和實時系統相互結合，由此產生了實時智能控制這一新的領域。
⑦可視化:科學計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字表達，而是可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術與虛擬環境技術相結合，進一步拓寬了應用領域。這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。在數控技術領域，可視化技術可用于CAD/CAM，如自動編程設計、參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。
⑧多媒體化:多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在先進制造技術領域，應用多媒體技術可以實現信息處理綜合化、智能化，在實時監控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等方面有著重大的應用價值。
⑨集成化:采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規模可編程序集成電路FPGA、專用集成電路ASIC芯片等，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度;應用LED平板顯示技術，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、質量輕、體積小、功耗低、攜帶方便等優點，可實現超大尺寸顯示。應用先進封裝和互聯技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度等方式，降低產品價格、改進產品性能、減小組件尺寸，并提高系統的可靠性。
⑩網絡化:制造裝備聯網可進行遠程控制和無人化操作。通過制造裝備聯網，可在任何一臺制造裝備上對其他裝備進行編程、設定、操作、運行。不同裝備的畫面可同時顯示在每一臺裝備的屏幕上。智能化是人類利用技術改造自然的極致，而綠色化是人類與自然和諧相處的見證。在綠色化、智能化裝備的生產過程中，能量的消耗更低、材料更少、質量更輕，使用時所需的驅動能量更小、效率更高。
3.智能裝備制造的發展重點
當前，制造業正著朝全球化、信息化、專業化、綠色化、服務化的方向發展;而制造技術則向高精度、自動智能、綠色低碳、高附加值、增值服務、物流聯動等方向發展。在智能裝備制造的發展趨勢中，制造業的發展重點將主要圍繞“綠色化”與“智能化”展開。作為我國高端裝備制造領域重點發展的五大行業之一，智能裝備制造產業是目前唯一未被國內資本市場充分挖掘的“金礦”，智能裝備將成為推進我國裝備制造業邁向“高精尖”的最主要力量。
3．1“綠色化與智能化”
引領世界發展的潮流綠色化與智能化，一直是近年來國際工業領域的主要潮流。這兩大主題，無一不是對當前實際工業需求的高度概括和響應。國際許多知名企業，如西門子、ABB、菲尼克斯電氣、日本三菱集團等，都在各自企業的發展過程中，強調“綠色化與智能化”，而“智能化”則是許多外國企業產品與技術的發展方向。2012年，漢諾威工業博覽會就是以“綠色、智能”為主題，中國是本屆工博會伙伴國。中國展團推出了主題為“綠色、智能”的1500m2中心展區，主要展示新能源、新能源汽車和智能制造的最新產品和技術。2012年11月5日，第14屆中國國際工業博覽會在上海開幕。該展覽會以“創新轉型與戰略性新興產業”為主題，來自全球1600余家中外企業集中展示高端制造、綠色制造的各類新品。
3．2綠色化
目前，綠色經濟受到國際社會的廣泛關注。以里約全球峰會20周年為契機，2012年，里約召開的聯合國可持續發展大會(UNCSD)的主題之一就是“可持續發展和消除貧困背景下的綠色經濟”。聯合國環境規劃署(UNEP)從2008年開始實施綠色經濟倡議，2011年2月發表了綠色經濟報告書(UNEP2011)。經濟合作與發展組織(OECD)從2008年開始制定綠色增長戰略，并將綠色增長作為其成立50周年的紀念主題。隨著世界經濟的發展，一場綠色變革浪潮正在席卷全球。縱觀世界綠色文明的發展趨勢，21世紀必將成為“綠色世紀”。綠色制造是一種綜合考慮環境問題和資源效率的現代制造模式，其目標是使產品在設計、制造、包裝、運輸、使用、報廢處理的整個產品生命周期對環境影響最小、資源利用率最高。隨著人類社會的進步和發展，綠色化是提高可持續發展水平的關鍵。中國政府高度重視發展綠色產業和綠色經濟，把可持續發展作為國家戰略，把建設資源節約型、環境友好型社會作為重點任務。為了適應裝備制造業領域對“綠色化”的迫切需求，必須確立管理、設計、材料、工藝、生產、物流、報廢、回收、循環使用等全生命周期理念。綠色制造是通過改進傳統的制造技術、設計理念和生產方式，實現資源能源的高效清潔利用和環境影響的最小化。制造過程的綠色化是指從環境保護角度出發，在制造的各個階段都要充分考慮環境保護，做到可持續發展，實現人類社會和自然界的統一與和諧。這里的環境不僅指自然環境，還包括社會環境和生產環境。
3．3智能化
3．3．1智能化的概念
通常人們所指的“智能”，是指人的思維能力，從其外延來看，“智能”就是發現規律、運用規律的能力和分析問題、解決問題的能力。通常“智能”包括四個方面的能力，即感知能力、記憶與思維能力、學習能力和自適應能力。而對于智能化，目前尚無明確的、公認的、科學的定義，但通常認為其應當包括兩方面的含義:一是采用“人工智能”的理論、方法和技術來處理各種問題;二是具有“擬人智能”的特性，具備自適應、自學習、自校正、自協調、自組織、自診斷和自修復等功能。“擬人智能”特性可以作為衡量是否為智能化裝置、設備、系統的基本標準。
3．3．2智能化的需求
世界技術進步與經濟發展表明，發展智能制造是提升制造業效能、促進經濟發展的大趨勢。因此，裝備制造業對于智能化的需求十分迫切。產業轉型升級智能制造或將成為新的突破口。智能化是自動化的高級階段，是柔性化和集成化的延伸和發展。專家指出:今后，傳統的制造業仍將朝著高性能、高精度、高靈敏、高穩定、高可靠、高環保和長壽命的“六高一長”方向發展。新型的先進制造技術將朝著小型化(微型化)、集成化、成套化、電子化、數字化、多功能化、智能化、網絡化、計算機化、綜合自動化、光機電一體化方向發展;在服務上，將朝著專業化、簡捷化、無維護化以及組裝生產自動化、無塵(或超凈)化等方向發展。在這些“化”中，占主導地位、起關鍵作用的是智能化和網絡化。智能控制是當今多學科交叉的前沿領域之一，其研究重心是解決傳統控制理論與方法所難以解決的不確定性問題。智能控制是自動控制的最新發展階段，它的本質是在宏觀結構和行為能力上對機器人控制器進行模擬。
3．3．3智能制造
在高端制造業發展過程中，智能化是其中一個方向。現在倡導的高端制造業是全方位的發展，智能化只是技術上的要求。隨著原材料價格和人工成本的持續上漲，更多企業寄望于通過制造業與高新技術“聯姻”，孕育出新的產業擴張模式。業內人士表示，我國智能制造產業應通過融合集成先進制造、信息和智能等技術，實現制造業的綠色化、自動化和智能化。智能制造這個概念是面向產品全生命周期的，用來實現泛在感知條件下的信息化制造。智能制造技術是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程和制造裝備智能化。它是信息技術、智能技術與裝備制造過程技術的深度融合與集成。分析人士普遍認為，制造企業引入機器人折射出三層信息:企業成本再造加速、制造業產業轉型時代到來、議價能力提高。這些趨勢表明，“注入人類知識”的智能制造正不斷地從根本上改變著傳統生產方式。我國高端智能裝備尚處于初級階段，汽車行業萬人工業機器人保有量仍不及發達國家的1/10。雖然2011年，中國汽車工業的增速大幅下降，但是1800萬輛的龐大市場規模仍然預示著以自動化裝備代替高漲的人工成本所帶來的巨大市場空間。“十二五”高端裝備制造發展將選擇五大方向重點突破，它們分別是航空裝備、衛星及應用、軌道交通裝備、海洋工程裝備和智能制造裝備。在智能制造裝備方面，將重點發展智能儀器儀表與控制系統、關鍵基礎零部件、高檔數控機床與基礎制造裝備、重大智能制造成套裝備等四大類產品。
4.智能制造技術走向
2010年10月，《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》明確提出要加大培育和發展高端裝備制造產業等七大戰略性新興產業，并將智能制造裝備列為高端裝備制造產業的重點方向之一。太原科技大學機電工程學院院長孟文俊表示，《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》的出臺給整個制造業的轉型升級帶來了前所未有的機遇，這將會進一步加快我國智能制造裝備產業的發展。相關專家認為，近20年來，我國微電子、通信、計算機、人工智能控制和圖像處理等多學科飛速發展，這為智能制造的發展奠定了堅實的基礎。未來10年，我國智能制造裝備(包括儀器儀表行業)產業，應牢牢抓住發展的戰略機遇期，本著“創新優先、重點突破、技術融合、夯實基礎、多元投入”的原則，面向傳統產業改造提升和戰略性新興產業發展的需求，針對制造過程中的感知、分析、決策、控制和執行等環節，融合集成先進制造、信息和智能等技術，實現制造業的自動化、智能化、精益化和綠色化。
5.加快綠色化、智能化步伐的原因
加快綠色化、智能化步伐的原因分析如下。第一，我國有限的資源和嚴重的環境污染決定了必須走裝備工業綠色制造的發展道路。裝備工業可持續發展的概念可歸納為研發極少產生廢料和污染物的工藝或技術系統，在環境資源不減少的前提下，加強環境系統的生產和更新能力，實現經濟的持續發展，提高人們的生活質量。目前，我國正大力提倡科學發展觀和綠色GDP概念，推進可持續發展戰略。加快發展裝備制造業，尤其是開展綠色先進制造技術的開發和應用，對環境保護和資源的合理利用提出了更高的要求。第二，提高我國裝備制造業國際競爭力的需要。我國加入WTO后，國內企業的環保、技術、法制、經濟理念需要及時更新。WTO體制及其規則允許各成員采取保護人體健康、動植物健康、環境和自然資源等措施，提倡消耗適度、無污染、有利于環保的產品和服務。第三，先進工業國家的智能化水平正在加速提升，這給我國裝備制造業帶來更大挑戰。現在世界先進國家正在展開對工業智能化制高點的爭奪，特別是日本，對于工業機器人和家庭機器人的研究已經開展了十多年，而且開發得非常成功。“十二五”期間，國家將在制造領域成立綠色化、智能化制造聯盟，積極推進業界的發展，加快中國裝備制造業的綠色化、智能化步伐。第四，先進制造技術以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產，提高產品對動態多變市場的適應能力和競爭力為目標。它不局限于制造工藝，而是覆蓋了市場分析、產品設計、加工和裝配、銷售、維修、服務以及回收再生的全過程。技術、人員、管理和信息的四維集成不僅涉及到物質流和能量流，而且還涉及到信息流和知識流，即四維集成和四流交匯是先進制造技術的重要特點。第五，積極承擔國家科技項目，加強與國內外大型裝備制造商之間的合作。如與石油、化工公司開展從石油煉制到合成加工的各個方面的橫向合作研究;開發系列化綠色機械工藝用油，包括綠色極壓切削油、高速合成型電火花加工油、環保型多功能合成切削液、環保長效防銹油等產品。在“十二五”期間，國家裝備制造業將投入大量精力開發工業機器人和智能控制系統。作為裝備制造業企業，應當抓住這種發展機遇，在“產學研”的合作項目中，吸取豐富的營養。
6.結束語
“十二五”期間裝備制造業的發展思路可總體概括為一個戰略、一個目標。一個戰略指的是調整轉型、創新升級;一個目標指的是推進裝備制造業由大變強。“十二五”期間，我國裝備制造業的戰略思想是:深入貫徹落實科學發展觀，堅持走新型工業化道路;以科學發展為主題，以加快發展方式轉變和推進經濟結構為主線，實施“調整轉型、創新升級”戰略，圍繞建設裝備制造業強國目標，著力調整產業技術結構和企業的組織結構，帶動產業轉型和技術升級;著力加強自主創新，加快形成自主技術、產品和品牌;著力培育戰略性新興產業，大力發展高端制造業，促進形成新的競爭優勢和經濟增長點;著力推進信息化和工業化融合，提升裝備制造業整體素質。不斷發展的自動化技術，也正在這個方興未艾的“智能時代”中尋找著自己的廣闊天地。事實上，智能化在各領域的迅速普及，也許正是自動化技術在未來的一片廣闊藍海，而自動化也將助推智能應用的發展。總之，我國要由“傳統”向“先進”、“制造”向“創造”跨越，實現裝備制造業高端突破，必須要實現“六大轉變”，即由粗放加工向精密制造和工藝創新轉變、由簡單模仿制造向掌握核心技術轉變、由低附加值產品向高附加值產品轉變、由重生產規模向重質量控制和標準化轉變、由設備制造向系統集成轉變、由單純制造向制造服務化轉變。在2012年“第八屆中國國際工業博覽會．新自動化論壇”上［5］，一些企業的領導和專家認識到轉型的重要性。這充分體現了這些企業對市場環境的敏銳性。
縱觀全球，各國致力于以技術創新引領產業升級，更加注重資源節約、環境友好和可持續發展，智能化、綠色化已成為全球制造業的發展必然趨勢，智能制造裝備的發展也必將成為世界各國競爭的焦點。綜上所述，積極推廣綠色、智能制造是未來企業發展的必經之路。十八大報告中提到加快轉變經濟發展方式、實施創新驅動發展戰略、推動戰略性新興產業［6］，這些要求堅定了人們對所從事的高技術產業發展的信心。信息化和工業化的深度融合，推動了裝備制造業領域產品向智能化方向發展。而全球化的到來，使中國工業與世界工業在發展智能化階段站在了同一起跑線，使我們有機會進一步站在巨人的肩膀上實現超越。目前，中國工業正處于非常重要的戰略機遇期。因此，在今后的工作中，一定要更加努力，為國家高技術產業的發展作出貢獻。
作者：孫柏林單位：中國自動化學會專家咨詢工作委員會
