中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 杜寶瑞 王 勃 趙 璐 周元莉

智能制造與智能制造系統(tǒng)

智能制造的概念提出于20世紀(jì)80年代。近年來，隨著數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和人工智能技術(shù)等的發(fā)展，特別是德國工業(yè)4.0、中國制造2025的推出，智能制造獲得了快速發(fā)展的新契機(jī)，已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)新的發(fā)展方向。未來，智能制造將以賽博物理系統(tǒng)為支撐，以人、機(jī)（智能制造裝備）和資源的深度融合為核心，成為一種高度自動化和柔性化的新型制造模式。

智能制造系統(tǒng)是指應(yīng)用智能制造技術(shù)，達(dá)成全面或部分智能化的制造過程或組織，按照其技術(shù)成熟度與智能化發(fā)展水平的不同可分為若干個層級。任意層級的智能制造系統(tǒng)均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的系統(tǒng)工程屬性和良好的可拓展特性。

首先，智能制造系統(tǒng)中的所有要素均處于同一賽博物理空間，完備的賽博空間與全自動化的物理系統(tǒng)深度交融；同時，人作為智能制造系統(tǒng)的重要因素，與系統(tǒng)中其他因素間的交互方法與交互信息量也獲得了極大的豐富。這些大量、深度而有序的信息交互使得制造系統(tǒng)中的各因素相互依托，共同構(gòu)成具有自循環(huán)、自優(yōu)化特性的制造環(huán)節(jié)。

其次，基于開放平臺架構(gòu)的智能制造系統(tǒng)提供了良好的系統(tǒng)集成與拓展功能。若干低層級的智能制造系統(tǒng)、輔助制造裝備以及附著于其上的應(yīng)用系統(tǒng)共同構(gòu)成高層級的智能制造系統(tǒng)，并最終構(gòu)成統(tǒng)一的智能制造生態(tài)環(huán)境。

智能制造系統(tǒng)層級劃分

根據(jù)制造技術(shù)的一般發(fā)展規(guī)律，在智能制造系統(tǒng)的發(fā)展過程中，通常是在智能裝備層面上的單個技術(shù)點首先實現(xiàn)智能化突破，然后出現(xiàn)面向智能裝備的組線技術(shù)，并逐漸形成高度自動化與柔性化的智能生產(chǎn)線。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)面向多條生產(chǎn)線的車間中央管控、智能調(diào)度等技術(shù)成熟之后，才可形成智能車間。由此可見，智能制造系統(tǒng)的發(fā)展是由低層級向高層級逐步演進(jìn)的，而在不同的發(fā)展階段，制造系統(tǒng)的智能化水平均表現(xiàn)出其獨有的特征。

智能制造系統(tǒng)的水平主要從系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)、實施規(guī)模等方面進(jìn)行評定，主要劃分為裝備級、生產(chǎn)線級、車間級、工廠級以及聯(lián)盟級5個層級（見圖1）。智能制造裝備中包含了若干具有一定感知、分析、決策能力的基本邏輯結(jié)構(gòu)，并能實現(xiàn)相對完整的智能制造活動，智能制造裝備除包含裝備本體外，還包括嵌入裝備中的軟件系統(tǒng)以及與之協(xié)作的配套設(shè)施；智能生產(chǎn)線將若干智能制造裝備從物理與邏輯上進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并通過生產(chǎn)線的自動化系統(tǒng)實現(xiàn)各制造裝備的協(xié)作；智能車間則是由若干條智能生產(chǎn)線以及車間層級的智能決策系統(tǒng)、倉儲物流系統(tǒng)等構(gòu)成；若干智能車間構(gòu)成了智能工廠的實際生產(chǎn)能力，此外，智能工廠還包括經(jīng)營決策系統(tǒng)、采購系統(tǒng)、訂購與交付系統(tǒng)等；若干智能工廠共同構(gòu)成智能聯(lián)盟，這種制造聯(lián)盟將是動態(tài)的、靈活的，可充分集成各智能工廠的優(yōu)勢資源，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的異地協(xié)同。

圖1 智能制造系統(tǒng)層級模型

1 智能制造裝備

智能制造裝備能夠?qū)ζ渲圃爝^程進(jìn)行智能輔助決策、自動感知、智能監(jiān)測、智能調(diào)節(jié)和智能維護(hù)，從而支持制造過程的高效、優(yōu)質(zhì)和低耗的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行。支撐智能制造裝備的技術(shù)體系可分為3個部分，即智能基礎(chǔ)元器件、智能數(shù)控系統(tǒng)以及智能制造應(yīng)用技術(shù)。

具備工況感知與智能識別技術(shù)的智能基礎(chǔ)元器件是制造裝備實現(xiàn)智能的前提。智能制造設(shè)備嵌入了各種類型的傳感器，如直線光柵尺、旋轉(zhuǎn)光柵尺、溫度熱電偶、振動/力傳感器、聲發(fā)射傳感器等，這些傳感器能夠?qū)崟r采集加工過程中的振動、溫度、切削力等制造數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送至數(shù)控系統(tǒng)。目前，智能傳感器在重型數(shù)控機(jī)床的力、熱誤差檢測與補(bǔ)償?shù)确矫嬉呀?jīng)取得了良好的應(yīng)用。

智能數(shù)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)設(shè)備的自主分析和智能決策。其接收智能傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析實時控制與調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，使設(shè)備在加工過程中始終處于最佳的效能狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備的自適應(yīng)加工。同時，通過傳感器對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與分析，還可以實現(xiàn)對設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)控與故障預(yù)警。智能數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)體系主要包括開放式軟硬件系統(tǒng)平臺，大數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲平臺，以及云計算與云平臺系統(tǒng)。其中，開放式軟硬件系統(tǒng)能夠支持對各種類型元器件的控制，使得制造設(shè)備具有更多的硬件選擇；軟件系統(tǒng)基于開放式體系架構(gòu)，在運(yùn)動控制、邏輯控制等方面均具有良好的二次開發(fā)接口，便于第三方智能應(yīng)用程序的開發(fā)。大數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲平臺能夠?qū)崟r從設(shè)備中提取其運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)一方面包含機(jī)床內(nèi)部的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、加工質(zhì)量等數(shù)據(jù)，還包含嵌入傳感器所采集的數(shù)據(jù)，如振動、切削力、加速度等。云計算與云服務(wù)平臺基于計算資源虛擬化的技術(shù)，使得單臺智能設(shè)備的計算能力獲得了無限提升。對于比較復(fù)雜、實時性要求不高的智能化計算任務(wù)，可以將其直接部署到云端服務(wù)器中，達(dá)到充分利用服務(wù)器高性能計算能力的目的。這種分布式計算通過“任務(wù)分解和結(jié)果合并”，使得計算負(fù)載均衡，數(shù)據(jù)處理同步。

在智能數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)需求開發(fā)出各種智能化應(yīng)用程序。這些智能化應(yīng)用程序嵌入到數(shù)控系統(tǒng)中，能夠充分發(fā)揮設(shè)備的最佳效能，提升產(chǎn)品制造質(zhì)量，并實現(xiàn)設(shè)備的健康監(jiān)控與故障診斷等。例如，在機(jī)床的加工過程中，通過采集系統(tǒng)的跟蹤誤差、振動、電流等數(shù)據(jù)，建立加工指令與加工狀態(tài)之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)對加工代碼中加工參數(shù)、機(jī)床參數(shù)等的調(diào)整，從而達(dá)到提高加工效率與質(zhì)量的目的。

2 智能生產(chǎn)線

智能生產(chǎn)線是在專業(yè)化與自動化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，將大量的智能設(shè)備、智能元器件應(yīng)用于產(chǎn)品加工關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在其他生產(chǎn)活動環(huán)節(jié)采用智能識別、自動搬運(yùn)與裝夾等技術(shù)，實現(xiàn)物料、加工設(shè)備、刀具、工裝等的自動識別、匹配與裝夾（見圖2）。這不僅提升智能設(shè)備的利用率，使其充分發(fā)揮其功能，而且還使整條生產(chǎn)線具有柔性，能夠快速地按需要生產(chǎn)出不同類型的產(chǎn)品。智能生產(chǎn)線除了加工與物流配送的自動化外，還具有智能管控能力，能夠根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)與設(shè)備、原材料、工裝等資源情況，優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)計劃，形成自主決策的工作指令。

圖2 智能生產(chǎn)線

智能生產(chǎn)線通常由集成控制系統(tǒng)、物料傳輸系統(tǒng)、工件存儲系統(tǒng)、加工單元與其他外圍防護(hù)等部分組成。根據(jù)產(chǎn)品加工工藝的不同，生產(chǎn)線可采用直線式布局、環(huán)形布局以及U形布局。

集成控制系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)以及物流控制系統(tǒng)等。生產(chǎn)管理系統(tǒng)接收由車間中央管控中心傳來的生產(chǎn)任務(wù)，制定出生產(chǎn)線的作業(yè)計劃，并向加工設(shè)備、物料系統(tǒng)等發(fā)送制造指令與制造數(shù)據(jù)。此外，生產(chǎn)管理系統(tǒng)還以可視的形式，實現(xiàn)對生產(chǎn)線計劃調(diào)度、運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量信息、設(shè)備信息等與生產(chǎn)線運(yùn)行相關(guān)信息的全面管理；網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)通過大量采用二維碼、RFID（射頻識別）等識別技術(shù)，在物料配送與機(jī)床運(yùn)行過程中，通過掃描二維碼或借助RFID技術(shù)對物流的運(yùn)行狀態(tài)、必要的位置信息、機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)等進(jìn)行實時監(jiān)測。

物料傳輸系統(tǒng)包括輸送軌道、AGV/RGV系統(tǒng)、移動工作臺的交換動力裝置等。物料傳輸系統(tǒng)主要完成各工序間的移動工作臺的自動傳送、調(diào)運(yùn)等工作。AGV/RGV系統(tǒng)中主要包括自動小車、車載控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)以及導(dǎo)航系統(tǒng)。其中，地面控制系統(tǒng)是AGV系統(tǒng)的核心，主要需要解決任務(wù)分配、車輛管理、交通管理、通信管理等問題。車載控制系統(tǒng)需要負(fù)責(zé)自動小車單機(jī)的導(dǎo)航、路徑選擇、車輛驅(qū)動、裝卸操作等。目前的導(dǎo)航技術(shù)主要包括直接坐標(biāo)導(dǎo)引技術(shù)、電磁導(dǎo)引技術(shù)、光學(xué)導(dǎo)引技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)及GPS導(dǎo)航技術(shù)等。

工件存儲系統(tǒng)主要包括上下料站區(qū)、工件緩沖區(qū)等。上下料站區(qū)主要由上下料交換臺組成。考慮到工人操作的安全性，人工上下料區(qū)應(yīng)獨立于物料小車的自動上下料區(qū)域；工件緩存區(qū)主要是為了滿足生產(chǎn)線在一定時間內(nèi)無人值守的需求，同時也實現(xiàn)零件在不同工序之間傳送的緩沖。自動小車在工件存儲區(qū)與機(jī)床工作臺之間完成物料的自動裝卸和傳輸，根據(jù)上下料的需求，自動小車上配有相應(yīng)的自動上下料機(jī)構(gòu)。

3 智能車間

智能車間包含各種不同種類的智能設(shè)備以及各種不同形態(tài)的生產(chǎn)線（見圖3），為了使這些智能裝備、智能化生產(chǎn)線發(fā)揮最佳的效能，智能車間中有兩個方面尤為重要，一是車間的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施；二是車間的智能管控系統(tǒng)。

軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施是這些智能裝備、生產(chǎn)線之間暢通的數(shù)據(jù)傳遞、物料傳輸?shù)幕A(chǔ)條件，包括硬件設(shè)施以及軟件環(huán)境兩大類。在硬件設(shè)施方面，智能車間中首先需要根據(jù)車間中產(chǎn)品、工藝流程的特點，綜合物流傳輸、工件存放等因素，做出合理的車間布局；其次，各種設(shè)備、工裝、物料應(yīng)遵循統(tǒng)一的機(jī)械、電氣接口標(biāo)準(zhǔn)。在軟件方面，智能車間中需要搭建數(shù)據(jù)傳輸總線，對于不同形式、不同來源的數(shù)據(jù)，需要建立統(tǒng)一、高效的數(shù)據(jù)交換協(xié)議與數(shù)據(jù)接口，進(jìn)而明確各種數(shù)據(jù)的封裝、傳輸與解析方法，實現(xiàn)車間中各智能實體之間的信息傳遞。通過軟硬件環(huán)境的建設(shè)，車間中的各智能體實現(xiàn)互聯(lián)互通，并使新的智能加工單元可實現(xiàn)插拔式接入。

車間中央管控系統(tǒng)是智能車間最核心的組成部分。中央管控系統(tǒng)全面負(fù)責(zé)車間中的制造流程、倉儲物流、毛料與工裝等的管理，其中制造過程的智能調(diào)度以及制造指令的智能生成與按需配送是車間中央管控系統(tǒng)的重要職能。中央管控系統(tǒng)面向生產(chǎn)任務(wù)，通過對生產(chǎn)線加工能力與產(chǎn)品工藝特性的綜合分析，實現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的均衡配置。同時，通過對生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備加工能力等的分析，自動生成制造指令，并基于此對工件、物料等制造資源進(jìn)行實時按需調(diào)配，從而使設(shè)備的綜合利用率獲得大幅提升。

在傳統(tǒng)的加工過程中，工件與加工設(shè)備的匹配是在工藝設(shè)計過程中決定的，即在工藝設(shè)計過程中就為工件指定了唯一的加工設(shè)備。然而，在實際加工過程中，常出現(xiàn)已指定的機(jī)床處于占用狀態(tài)的情況，此時無論其他機(jī)床是否具備加工能力，是否處于空閑狀態(tài)，當(dāng)前零件必須等待當(dāng)前設(shè)備加工完畢才能開始加工。此外，由于加工設(shè)備是由人工憑經(jīng)驗指定的，為了避免對機(jī)床造成破壞，工藝設(shè)計人員傾向于選擇較為保守的加工參數(shù)，高性能機(jī)床長期處于低效運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，其加工能力無法完全發(fā)揮，這樣也從另一方面導(dǎo)致了加工效率的降低。在智能加工車間中，零件所需的加工設(shè)備是由中央管控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的忙閑狀態(tài)、零件的工藝特征以及設(shè)備的加工能力來綜合分析決定的。在選定加工設(shè)備后，中央管控系統(tǒng)將進(jìn)一步分析設(shè)備性能，確定最佳的工藝參數(shù)，并自動將加工指令傳送至設(shè)備。同時，管控系統(tǒng)將根據(jù)實際需求向物流、工裝、刀具等系統(tǒng)發(fā)送對應(yīng)的指令，將相關(guān)制造資源配送至指定設(shè)備，進(jìn)而完成零件的加工。

圖3 智能制造車間基本構(gòu)成

4 智能工廠

工廠的全部活動大致可以從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造以及供應(yīng)鏈等維度上進(jìn)行描述，智能工廠中的業(yè)務(wù)流程主要涉及到產(chǎn)品的智能加工與裝配，以及面向智能加工與裝配的設(shè)計、服務(wù)與管理。在智能工廠中，上述業(yè)務(wù)流程將在賽博物理系統(tǒng)中得到全面的優(yōu)化，實現(xiàn)高度自動化、柔性化的智能制造。相較于傳統(tǒng)的數(shù)字化工廠、自動化工廠，智能工廠體現(xiàn)出系統(tǒng)集成化、決策智能化、制造自動化、服務(wù)主動化等特征。

在智能工廠的構(gòu)建過程中，首先需在物理系統(tǒng)中完善智能制造所需的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，即構(gòu)建出智能化實體工廠；其次，在賽博空間中構(gòu)建基于數(shù)據(jù)的虛擬工廠，虛擬工廠與實體工廠之間進(jìn)行深度交互，并實現(xiàn)對實體工廠的管控；最后，建立工廠的智能決策與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個工廠的營銷、制造、銷售以及服務(wù)等各環(huán)節(jié)的智能化控制（見圖4）。

作為一個層級較高的智能制造系統(tǒng)，智能工廠的各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)均通過統(tǒng)一的企業(yè)數(shù)字化平臺實現(xiàn)集成。工廠中的產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計與制造、零部件加工與裝配、檢測等各制造環(huán)節(jié)均是數(shù)字化的，各環(huán)節(jié)所需的軟件系統(tǒng)均集成在統(tǒng)一的數(shù)字化平臺中，避免了生產(chǎn)過程中因平臺不統(tǒng)一而造成的數(shù)據(jù)異構(gòu)等問題。

在經(jīng)營決策過程中，通過采用智能化系統(tǒng)工具，企業(yè)管理者能夠全面地獲取用戶的需求信息、企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品服務(wù)信息等。大數(shù)據(jù)分析、云計算/云平臺等先進(jìn)技術(shù)將發(fā)揮重要作用，這些技術(shù)能夠輔助企業(yè)管理者從海量的數(shù)據(jù)中尋找出隱藏其間的關(guān)系與規(guī)律，進(jìn)而對未來市場進(jìn)行預(yù)測，挖掘出客戶的潛在需求。

智能工廠通過信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的應(yīng)用，可為用戶提供產(chǎn)品在線支持、實時維護(hù)、健康監(jiān)測等智能化功能。這種服務(wù)與傳統(tǒng)的被動服務(wù)不同，在于其能夠通過對用戶特征的分析，辨識用戶的顯性及隱性需求，主動為用戶推送高價值的服務(wù)。例如，GE公司通過在航空發(fā)動機(jī)上嵌入各種傳感器，能夠在飛機(jī)運(yùn)行過程中遠(yuǎn)程采集到發(fā)動機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)速、溫度、油耗、推力、振動等。這些數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳遞到GE公司的地面發(fā)動機(jī)大數(shù)據(jù)挖掘與云計算中心，進(jìn)而可以精確地檢測發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，分析發(fā)動機(jī)的健康狀況，并能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)的潛在故障進(jìn)行提前預(yù)警與維護(hù)，進(jìn)而延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，降低用戶的維護(hù)成本。

5 智能聯(lián)盟

智能聯(lián)盟作為全新的企業(yè)間協(xié)作模式，其涉及到制造企業(yè)中組織模式、體系結(jié)構(gòu)、管理流程、運(yùn)作方式、協(xié)同方式、質(zhì)量控制、安全策略等的全方位轉(zhuǎn)變，其目的是滿足企業(yè)間跨地域、跨行業(yè)的協(xié)同，實現(xiàn)資源共享，密切協(xié)作。隨著賽博物理系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)等一系列概念的提出，業(yè)界對智能聯(lián)盟的認(rèn)識也逐漸清晰。

圖4 智能工廠基本架構(gòu)

智能聯(lián)盟以物聯(lián)網(wǎng)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)為依托，成員企業(yè)具有獨特性、分散性、動態(tài)性等特點，而聯(lián)盟的運(yùn)作具有靈活性、動態(tài)性等特點。目前來看，智能制造聯(lián)盟的運(yùn)作模式包括供應(yīng)鏈?zhǔn)健⒉迦爰嫒菔揭约疤摂M合作、合資經(jīng)營式、轉(zhuǎn)包加工式等多種模式。

在智能聯(lián)盟中，首先需要解決的就是聯(lián)盟企業(yè)之間的協(xié)同問題。智能聯(lián)盟協(xié)作平臺不僅應(yīng)支持單個企業(yè)內(nèi)部的物料、資源和信息的管理，更重要的是能夠支持企業(yè)之間業(yè)務(wù)的協(xié)同，進(jìn)而實現(xiàn)在全價值鏈中的端到端集成。目前，波音、GE等先進(jìn)制造企業(yè)均對智能企業(yè)聯(lián)盟進(jìn)行了深入的研究，這種全新的企業(yè)組織模式正在促進(jìn)制造領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)變革和商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變。

結(jié)束語

近年來，我國針對智能制造的研究剛剛起步，智能制造所需的技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱，各制造企業(yè)對于智能制造普遍存在著認(rèn)識不足、經(jīng)驗缺乏、缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃和綜合協(xié)調(diào)等問題。此外，各不同制造企業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)水平之間存在明顯的差異，在發(fā)展智能制造的過程中，企業(yè)自身對智能制造的發(fā)展需求、發(fā)展方向和重點，以及發(fā)展路徑均不盡相同。

本文提出了智能制造系統(tǒng)的層級模型，并詳細(xì)介紹了各層級的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征。各制造企業(yè)可以依據(jù)自己的產(chǎn)品特點和不同的組織形式，參考層級模型，判斷本單位現(xiàn)有的制造技術(shù)水平，明確智能制造發(fā)展的需求，確定發(fā)展目標(biāo)、方向和重點，找準(zhǔn)發(fā)展路徑。在夯實技術(shù)基礎(chǔ)的條件下，調(diào)配資源，重點突破，逐步提高智能制造的層級。