冰與火之歌——盧秉恒院士談智能制造

世界工業(yè)領(lǐng)域與信息技術(shù)領(lǐng)域正發(fā)生著深刻變革，工業(yè)機器人、3D打印和大數(shù)據(jù)、云計算、社交網(wǎng)絡(luò)、移動互聯(lián)、人工智能等新興技術(shù)為制造業(yè)帶來了新一輪革命，特別是作為信息化與工業(yè)化高度融合產(chǎn)物的智能制造得到了長足發(fā)展。中國要想在“中國制造2025”這幅宏偉的藍圖中順利實現(xiàn)由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標，就必須搶占智能制造這一核心陣地和重要發(fā)展途徑。

智能制造包括三個應(yīng)用層面：設(shè)備、車間、企業(yè)。這些都離不開大數(shù)據(jù)交融與共享，而未來的重點更是集中在基于大數(shù)據(jù)的智能制造應(yīng)用。

一、設(shè)備、車間、企業(yè)層面的不同內(nèi)涵

1.設(shè)備層面

從設(shè)備應(yīng)用層面來看，智能制造必然要求裝備智能化，即要完成數(shù)控機床到智能機床的升級。數(shù)控機床只能按照預先設(shè)定程序運轉(zhuǎn)，并不能決定最后的加工成品形態(tài)質(zhì)量，也不能實施工序過程中的監(jiān)管與處理。而智能機床則能很好地配置傳感器及智能軟件從事全生產(chǎn)流程的智能監(jiān)控，及時調(diào)整和處理過程問題，讓設(shè)備在運轉(zhuǎn)中保持最優(yōu)工作目標和最高生產(chǎn)效率。

2.車間層面

從車間應(yīng)用層面來看，智能制造更加講求高標準的制造柔性，要求眾多機床能夠在同一個生產(chǎn)車間共同執(zhí)行不同品種、型號產(chǎn)品或者零部件的加工。即用一條智能生產(chǎn)線包容多條“產(chǎn)品、屬性、規(guī)格、數(shù)量”等指標內(nèi)容迥異的傳統(tǒng)生產(chǎn)線，同時還要保證各項生產(chǎn)任務(wù)能夠保質(zhì)、保量、按時完成。

盧院士曾經(jīng)考察過美國福特汽車公司和深圳一家產(chǎn)量極大的手機外殼制造商。在對比了兩家企業(yè)的車間體制后他提出，要通過人工智能實現(xiàn)車間級智能制造的柔性：設(shè)計合理順暢的車間零庫存物流，完成工具的自動化供應(yīng)和不同機床的智能調(diào)度，保證所有產(chǎn)品線都能夠?qū)崟r響應(yīng)和滿足不同交貨期需求，最終以低資金積壓率和高訂單響應(yīng)率保證企業(yè)的科學管理效應(yīng)。

3.企業(yè)層面

從企業(yè)應(yīng)用層面來看，智能制造需要在設(shè)備、車間層面的智能制造基礎(chǔ)上，通過人工智能來保障企業(yè)的整個生產(chǎn)計劃執(zhí)行、成本控制以及資金流通，提升制造企業(yè)的整體效益。這一層面的智能制造擁有非常大的挖掘和發(fā)展空間。盧院士專門對比了我國的CIMS計劃和德國工業(yè)4.0。我國的智能制造工程計劃從80年代就開始起步，并沒有丟失發(fā)展先機，比如CPS（物理信息系統(tǒng)）及接口標準、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)模型等。但是德國工業(yè)4.0提出了一個新的核心拓展：務(wù)聯(lián)網(wǎng)。這是全球智能制造領(lǐng)域一個非常好的新發(fā)展，它的提出和實施，不僅實現(xiàn)了物流聯(lián)網(wǎng)，還實現(xiàn)了制造任務(wù)聯(lián)網(wǎng)。

盧院士認為，在企業(yè)層面的智能制造領(lǐng)域，中國企業(yè)尤其要學會以務(wù)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和手段去利用全社會的資源進行設(shè)計優(yōu)化和任務(wù)指導，徹底解決國內(nèi)企業(yè)長期普遍存在的生產(chǎn)能力過剩、研發(fā)能力不足的發(fā)展短板，要擅長依托網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)社會資源的優(yōu)化，用CPS實現(xiàn)機器設(shè)備、人和計算機的交互，打通制造信息孤島，讓社會化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)公司利用自身技術(shù)和信息優(yōu)勢為制造業(yè)服務(wù)，保障制造以外的技術(shù)和服務(wù)環(huán)節(jié)，讓制造企業(yè)專注于發(fā)揮自身制造長項和競爭優(yōu)勢，以最高的生產(chǎn)效率、最優(yōu)的加工質(zhì)量達到最好的發(fā)展效應(yīng)，通過整個數(shù)據(jù)、信息、知識的流動創(chuàng)造更多的社會財富，較快的實現(xiàn)中國制造2025相關(guān)任務(wù)和目標。

盧秉恒，中國工程院院士，西安交通大學教授、博士生導師，機械制造與自動化領(lǐng)域著名科學家，多年從事快速成形制造、微納制造、生物制造、高速切削機床等方面的研究，對智能化制造有深入的見解，并先后主持20余項國家重點重大科技攻關(guān)項目。2015年曾受邀在國務(wù)院為總理專題開講“3D打印為中國先進制造拓思路”。

二、大數(shù)據(jù)制造及其重要性

盧院士認為，隨著時代技術(shù)的發(fā)展，在機械制造老三基（基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)工藝和基礎(chǔ)原器件）基礎(chǔ)上，發(fā)展出來了傳感器、軟件和大數(shù)據(jù)這新三基。他重點研究和設(shè)想了大數(shù)據(jù)在智能制造中的應(yīng)用場景。

1.傳感器

傳感器是信息采集的來源，主要應(yīng)用在智能設(shè)備層面，由于其品種多、規(guī)格復雜，很難量產(chǎn)，以前非常缺乏。但是現(xiàn)在的微電子技術(shù)、mems（微電子機械系統(tǒng)）技術(shù)已經(jīng)能夠為全社會創(chuàng)造大量滿足各個種類、規(guī)格需求的廉價傳感器，這就使我們在生產(chǎn)過程中擁有了非常豐富的信息來源，具備了智能制造的基礎(chǔ)。

2.軟件

工業(yè)智能軟件是對制造工藝、生產(chǎn)過程的相關(guān)知識的累積固化產(chǎn)品，是智能設(shè)備的核心，能夠在智能制造中發(fā)揮非常大的作用。但長期以來，在工業(yè)化生產(chǎn)中，國內(nèi)企業(yè)往往重視硬件價值，忽視軟件價值，實際上軟件的價值就是知識的價值，非常重要。

比如，西安一家軍工企業(yè)曾經(jīng)進口一個加工機床，但實際生產(chǎn)效率卻只有國外同產(chǎn)品的三分之一，究其原因，該機床核心軟件是單獨銷售的，如果不另花35萬美金采購，機床就無法達到最高運轉(zhuǎn)效率，也就失去了進口意義。這個例子正好說明了軟件在智能制造中的價值所在。

2015年8月21日，盧秉恒院士受邀在國務(wù)院主講“先進制造與3D打印”專題講座。

2016年7月23日，盧秉恒院士參觀唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院實訓基地，作《智能制造與3D打印》專題報告”。

盧院士授課講解、示范技術(shù)原理。

2016年4月21日，盧秉恒院士在全國增材制造標準化技術(shù)委員會成立大會上代表技術(shù)委員會講話。

3.大數(shù)據(jù)

傳感器和智能軟件再進一步發(fā)展就是大數(shù)據(jù)。如前文所述，底層設(shè)備、車間乃至社會化資源的優(yōu)化都要依靠大數(shù)據(jù)。

國外有大數(shù)據(jù)在智能設(shè)備層面的典型應(yīng)用案例。一些智能機床，盧院士稱之為“標準式的intelligent machine tool”，它們的軟件包具備仿真、組織，生產(chǎn)和服務(wù)的全模塊，能夠通過構(gòu)建一個虛擬供應(yīng)鏈對整個服務(wù)步驟和各個環(huán)節(jié)進行規(guī)劃、仿真、發(fā)現(xiàn)和實時監(jiān)控，將機床的狀態(tài)、信息等數(shù)據(jù)直接發(fā)送到操作者手機上，操作者根據(jù)這些信息及時進行監(jiān)控和調(diào)整，保證生產(chǎn)的高效運行。比如，信息顯示機床的加工振動力加速度在0-3g之間，就認為是安全的，在3-7個G區(qū)間就會提醒關(guān)注，超過7g就報警，而且實施自動停機保護。此外，一些熱處理生產(chǎn)線、沖壓生產(chǎn)線都有類似的大數(shù)據(jù)智能控制模式。

三、大數(shù)據(jù)在未來智能制造中的作用

由此發(fā)端，盧院士歸納梳理大數(shù)據(jù)在未來智能制造中有如下幾大作用：

首先，大數(shù)據(jù)可以診斷設(shè)備的運行狀態(tài)，保證生產(chǎn)安全和質(zhì)量。大數(shù)據(jù)能夠幫助人們發(fā)展遠程加工系統(tǒng)，實現(xiàn)制造現(xiàn)場智能化和無人化。比如，可應(yīng)用在我國的西氣東送等戰(zhàn)略工程上，分段監(jiān)控沿線所有的加壓站、鼓風機、壓縮機以及管道的輸送狀態(tài)等數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)部件老化或者突發(fā)問題，可以進行預報、預警，以此保證整個系統(tǒng)的運行安全。

第二，大數(shù)據(jù)可以幫助完成對制造工藝過程的質(zhì)量控制。比如，在汽車加工等制造生產(chǎn)中統(tǒng)計分析各環(huán)節(jié)質(zhì)量、趨勢的狀態(tài)信息，預警提示刀具更換、機床冷卻、刀具補償?shù)炔襟E信息，實時控制加工的質(zhì)量。同時，大數(shù)據(jù)還能幫助進行工藝優(yōu)化，通過搜集和匯總同行企業(yè)的相同機床數(shù)據(jù)、同類零件加工數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)、各類制造數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的全面積累，就能規(guī)避差失，總結(jié)出工藝規(guī)律，然后優(yōu)化加工工藝，以此為每一個操作步驟選擇正確參數(shù)和指標，提升制造效率，并通過上述大數(shù)據(jù)來評估裝備的優(yōu)劣，提供機床改進設(shè)計的意見。

第三，大數(shù)據(jù)可以支撐產(chǎn)品的應(yīng)用設(shè)計和優(yōu)化。以前國內(nèi)傳統(tǒng)的制造設(shè)備廠商因為不了解汽車、航空、航天等特種行業(yè)的加工工藝和大型工件特點，會先行開發(fā)通用化的機床產(chǎn)品，等推銷出去以后再根據(jù)客戶在實際應(yīng)用中的反饋來優(yōu)化完善自己的設(shè)計和產(chǎn)品。未來，新一代的國內(nèi)智能裝備廠商可以在設(shè)計階段通過搜集大數(shù)據(jù)平臺中行業(yè)用戶的實際需求加工經(jīng)驗、數(shù)據(jù)、規(guī)律等信息，來指導自己的裝備設(shè)計，發(fā)現(xiàn)設(shè)計薄弱點，確定需要強化點，改進和提升設(shè)計水平，保證智能裝備的制造質(zhì)量，提高加工效率。

第四，大數(shù)據(jù)一旦建立標準接口，將能有力支撐“互聯(lián)網(wǎng)+”和3D打印對智能制造效率的提升。在這里，盧院士為我們舉例進行了闡述，比如，美國GE發(fā)動機公司采取飛機結(jié)構(gòu)件先由創(chuàng)客設(shè)計、后用3D打印驗證的模式，發(fā)現(xiàn)一位19歲創(chuàng)客的設(shè)計方案，只用了1/6的重量達到了原來對強度、剛度的要求，說明了創(chuàng)客的創(chuàng)新價值；海爾公司已進入個性化定制時代，增材制造更能助力個性化定制及創(chuàng)客的創(chuàng)新。北京CASA公司在設(shè)計開發(fā)遙控兒童車的過程中， 3D打印在保證按期完成開發(fā)方面起到關(guān)鍵作用；美國亞馬遜公司網(wǎng)絡(luò)銷售3D打印服務(wù)，已產(chǎn)生數(shù)十億美元的收入等等。從這些生動而現(xiàn)實的市場案例，我們可以看出，“互聯(lián)網(wǎng)+”能充分發(fā)揮創(chuàng)客群體的創(chuàng)新力量，有效彌補中國制造業(yè)設(shè)計資源的不足，推動制造業(yè)從大批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向個性化生產(chǎn)模式，3D打印則可以比普通的加工手段更快速地驗證創(chuàng)客設(shè)計的合理性和可行性。一旦我們的智能制造大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建立了統(tǒng)一的接口或者標準，就能成功對接上述二者，發(fā)揮出平臺+平臺、資源+資源的疊加效應(yīng)來提高和推進智能制造的效率和進步。

2007年9月14日，盧秉恒院士在蘭州大學作“微納制造”專題報告。

第五，大數(shù)據(jù)能夠幫助制造企業(yè)摸索行業(yè)規(guī)律。盧院士認為，大數(shù)據(jù)的特點是通過巨量的數(shù)據(jù)匯總和歸納找出一些規(guī)律，比如在奧運會期間超市把啤酒和尿不濕放在一起而使后者銷售量大增，在運動場上發(fā)現(xiàn)觀眾在特定狀態(tài)下的需求，這就是社會化大數(shù)據(jù)的體現(xiàn)。相比社會化大數(shù)據(jù)，工業(yè)大數(shù)據(jù)具有規(guī)律性更強、處理更方便、數(shù)據(jù)和信息利用價值更大等特點，如果企業(yè)愿意共享自身積累的數(shù)據(jù)和技術(shù)經(jīng)歷，人們就可以通過預先的規(guī)劃設(shè)定來壓縮數(shù)據(jù)量，提升關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可用度和有用信息的覆蓋度，逐步進行提取、凝練、萃取，從而發(fā)現(xiàn)能形象表現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用特點的規(guī)律性導向，然后按照這些規(guī)律進行設(shè)計采集、萃取、傳輸、存取、計算，或通過這些規(guī)律找出對智能制造的一些邏輯性比較強的表達和推理語句。

但是，這里同時存在一個搜集數(shù)據(jù)信息的難點問題，那就是絕大多數(shù)企業(yè)會因為擔心自己的知識產(chǎn)權(quán)利益受到侵犯而不愿意共享工業(yè)數(shù)據(jù)。這個行業(yè)難題目前國內(nèi)外都沒有較好的解決方案，還有待今后的不斷探索。

2015年8月31日，盧秉恒院士主持中國工程院“制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)”大數(shù)據(jù)發(fā)展方向研討會。

2015年9月12日，盧秉恒院士在西安交大為醫(yī)學新生作“3D打印與醫(yī)療”專題報告。

第六，大數(shù)據(jù)共享能實現(xiàn)智能制造的功效倍增。盧院士繼續(xù)從上面的信息搜集瓶頸問題引申說道，中國制造2025的實現(xiàn)和全社會的協(xié)同，必然包括信息、數(shù)據(jù)的協(xié)同，大數(shù)據(jù)將對智能制造的設(shè)計有較大促進作用，可以從社會需求來分析企業(yè)的產(chǎn)品定義，可以從海量的成功與不成功設(shè)計案例中分析找到改進依據(jù)，可以從無數(shù)專利中抽取數(shù)據(jù)找出能夠解決問題的方案，可以利用大數(shù)據(jù)來構(gòu)建一個云服務(wù)平臺，那么就可以把我們國內(nèi)的設(shè)備優(yōu)化、組織起來，以此提高制造裝備的效率，降低成本。當然，這必須以企業(yè)自身數(shù)據(jù)的分享為前提。每一家企業(yè)的數(shù)據(jù)都是不完整和有缺陷的，只有實現(xiàn)“1+1+1＞N”的全行業(yè)數(shù)據(jù)共享，才能促進整個智能制造大數(shù)據(jù)平臺的成型，也才能滿足各家企業(yè)從大數(shù)據(jù)中各取所需。也就是說，從行業(yè)整體角度看，單獨的個體數(shù)據(jù)價值很少，不能應(yīng)用，就毫無價值，而一旦與行業(yè)共享，必然能夠產(chǎn)生價值和效益。同時，盧院士特別指出，要解決數(shù)據(jù)共享的問題，可以依托協(xié)會，或者其他組織、公司建立某種商業(yè)機制，比如，新加入者向平臺提供一萬個數(shù)據(jù)分享，商業(yè)平臺則會在吸收這些數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上回報給加入者10萬個、100萬個數(shù)據(jù)，并將凝練出來的制造規(guī)律與加入者共享，這種模式能夠持續(xù)且大量的獲得協(xié)助和共享，但其具體實施的可行性還有待研究論證。

四、存在的問題

盧院士指出，在智能制造和大數(shù)據(jù)的交融共享方面，還有一些亟待研究和解決的問題。

1.信息接口的格式統(tǒng)一與信息交互

以醫(yī)院為例，醫(yī)生等非工程人士和3D工程師之間要進行信息交換，因為用戶是出應(yīng)用方案的，一般缺乏三維設(shè)計能力；工程師懂得設(shè)計，但無法給出醫(yī)療方案等解決措施，他們之間就需要信息交互。而統(tǒng)一標準的信息接口能使信息交互更快、更準確。例如，交互式CAD/CAM系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)據(jù)、醫(yī)院的CT數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)換成STL的格式實現(xiàn)3D打?。咳S點云數(shù)據(jù)如何較快轉(zhuǎn)換成CAD模式？用戶的信息模型怎樣快速變成3D打印模型？

2.非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集

大數(shù)據(jù)包含多方面的內(nèi)容，并非我們通常理解的標準數(shù)據(jù)，一些非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，比如論文、報道、企業(yè)的公告或者重大科技突破等內(nèi)容，如何有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，順利轉(zhuǎn)化成能夠利用的信息數(shù)據(jù)，也就是結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)共存。

3.大數(shù)據(jù)的標準制定

大數(shù)據(jù)的標準研究涉及前沿基礎(chǔ)問題、重大共性問題、系統(tǒng)集成問題等諸多領(lǐng)域，和CPS的接口標準同樣重要。其實質(zhì)體現(xiàn)的是模型標準的制定，沒有模型標準則大數(shù)據(jù)很難開展進一步處理工作。

如果數(shù)據(jù)不符合標準，制造業(yè)就無法有效應(yīng)用先進的智能技術(shù)和大量的先進軟件，就不能走向國際市場，競爭力會明顯減弱，甚至錯失戰(zhàn)略機遇、導致行業(yè)的停滯和萎縮。而這方面涉及到的是中國的國際法律權(quán)益，必須加快相關(guān)研究工作。

4.大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建模

如何利用大數(shù)據(jù)？如何在沒有模型的情況下通過大數(shù)據(jù)訓練來建立和得到正確的模型，從而優(yōu)化工藝或者改進智能機床設(shè)計？

比如，如何在機床建模中，利用大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸入機床屬性、機床型號、刀具規(guī)格等數(shù)據(jù)，傳輸實際操作中傳感器記錄共享的切削力、溫度、震動等信息，得到加工精度、粗糙度、表面完整性等數(shù)據(jù)，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立正確的模型，從而指導現(xiàn)實中的機床主軸、床身、立軸等的設(shè)計改進方案。用于訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)越多，模型越準確，改進設(shè)計的方案越能奏效。

上述問題如果能夠研究透徹，將會更好地促進大數(shù)據(jù)發(fā)展，提升智能制造的效果。