中国工程院院士:走向新一代智能制造

   日期:2020-07-11     来源:周济、李培根、周艳红、王柏村、臧冀原、孟柳    浏览:302    评论:0    
核心提示:数字化制造是智能制造的第一个基本范式,也可称为第一代智能制造。

作者介绍

周济,机械工程专家,中国工程院院士、瑞典皇家工程科学院外籍院士、美国国家工程院外籍院士。 

长期致力于机械设计、数控技术与智能制造的教学和研究工作,研究并组织实施了发展与推广应用数控、CAD和智能制造的技术路线;提出并实践了单调性分析优化、数控加工直接插补等算法理论;主持研制了华中Ⅰ型数控系统以及优化设计、机械CAD等系列软件产品,广泛应用于机械、航空、航天、能源等行业,创造了显著的社会效益和经济效益。 

李培根,机械制造及自动化专家,中国工程院院士。 

长期从事机械制造及其自动化领域的教学及科研工作,主持CAPP(计算机辅助工艺规划)系统的研究与开发。 

一、引言 

面对新一轮工业革命,《中国制造2025》明确提出,要以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。世界各国都在积极采取行动,美国提出“先进制造业伙伴计划”、德国提出“工业4.0战略计划”、英国提出“英国工业2050战略”、法国提出“新工业法国计划”、日本提出“超智能社会5.0战略”、韩国提出“制造业创新3.0计划”,都将发展智能制造作为本国构建制造业竞争优势的关键举措。 

新世纪以来,新一代信息技术呈现爆发式增长,数字化网络化智能化技术在制造业广泛应用,制造系统集成式创新不断发展,形成了新一轮工业革命的主要驱动力。特别是,新一代智能制造作为新一轮工业革命的核心技术,正在引发制造业在发展理念、制造模式等方面重大而深刻的变革,正在重塑制造业的发展路径、技术体系以及产业业态,从而推动全球制造业发展步入新阶段。 

二、智能制造的三个基本范式 

广义而论,智能制造是一个大概念,是先进信息技术与先进制造技术的深度融合,贯穿于产品设计、制造、服务等全生命周期的各个环节及相应系统的优化集成,旨在不断提升企业的产品质量、效益、服务水平,减少资源消耗,推动制造业创新、绿色、协调、开放、共享发展。 

数十年来,智能制造在实践演化中形成了许多不同的相关范式,包括精益生产、柔性制造、并行工程、敏捷制造、数字化制造、计算机集成制造、网络化制造、云制造、智能化制造等,在指导制造业技术升级中发挥了积极作用。但同时,众多的范式不利于形成统一的智能制造技术路线,给企业在推进智能升级的实践中造成了许多困扰。面对智能制造不断涌现的新技术、新理念、新模式,有必要归纳总结提炼出基本范式。 

智能制造的发展伴随着信息化的进步。全球信息化发展可分为三个阶段:从20世纪中叶到90年代中期,信息化表现为以计算、通信和控制应用为主要特征的数字化阶段;从20世纪90年代中期开始,互联网大规模普及应用,信息化进入了以万物互联为主要特征的网络化阶段;当前,在大数据、云计算、移动互联网、工业互联网集群突破、融合应用的基础上,人工智能实现战略性突破,信息化进入了以新一代人工智能技术为主要特征的智能化阶段。 

综合智能制造相关范式,结合信息化与制造业在不同阶段的融合特征,可以总结、归纳和提升出三个智能制造的基本范式(图1),也就是:数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造——新一代智能制造。

中国工程院院士:走向新一代智能制造
图1 智能制造三个基本范式演进

(一)数字化制造 

数字化制造是智能制造的第一个基本范式,也可称为第一代智能制造。 

智能制造的概念最早出现于20世纪80年代,但是由于当时应用的第一代人工智能技术还难以解决工程实践问题,因而那一代智能制造主体上是数字化制造。

20世纪下半叶以来,随着制造业对于技术进步的强烈需求,以数字化为主要形式的信息技术广泛应用于制造业,推动制造业发生革命性变化。数字化制造是在数字化技术和制造技术融合的背景下,通过对产品信息、工艺信息和资源信息进行数字化描述、分析、决策和控制,快速生产出满足用户要求的产品。 

数字化制造的主要特征表现为:第一,数字技术在产品中得到普遍应用,形成“数字一代”创新产品;第二,广泛应用数字化设计、建模仿真、数字化装备、信息化管理;第三,实现生产过程的集成优化。 

需要说明的是,数字化制造是智能制造的基础,其内涵不断发展,贯穿于智能制造的三个基本范式和全部发展历程。这里定义的数字化制造是作为第一种基本范式的数字化制造,是一种相对狭义的定位。国际上也有若干关于数字化制造的比较广义的定义和理论。 

(二)数字化网络化制造 

数字化网络化制造是智能制造的第二种基本范式,也可称为“互联网+制造”,或第二代智能制造。 

20世纪末互联网技术开始广泛应用,“互联网+”不断推进互联网和制造业融合发展,网络将人、流程、数据和事物连接起来,通过企业内、企业间的协同和各种社会资源的共享与集成,重塑制造业的价值链,推动制造业从数字化制造向数字化网络化制造转变。 

数字化网络化制造主要特征表现为:第一,在产品方面,数字技术、网络技术得到普遍应用,产品实现网络连接,设计、研发实现协同与共享;第二,在制造方面,实现横向集成、纵向集成和端到端集成,打通整个制造系统的数据流、信息流;第三,在服务方面,企业与用户通过网络平台实现连接和交互,企业生产开始从以产品为中心向以用户为中心转型。 

德国“工业4.0战略计划”报告和美国GE公司“工业互联网”报告完整地阐述了数字化网络化制造范式,精辟地提出了实现数字化网络化制造的技术路线。 

(三)新一代智能制造——数字化网络化智能化制造 

数字化网络化智能化制造是智能制造的第三种基本范范式,也可称为新一代智能制造。 

近年来,在经济社会发展的强烈需求以及互联网的普及、云计算和大数据的涌现、物联网的发展等信息环境急速变化的共同驱动下,大数据智能、人机混合增强智能、群体智能、跨媒体智能等新一代人工智能技术加速发展,实现了战略性突破。新一代人工智能技术与先进制造技术深度融合,形成新一代智能制造——数字化网络化智能化制造。新一代智能制造将重塑设计、制造、服务等产品全生命周期的各环节及其集成,催生新技术、新产品、新业态、新模式,深刻影响和改变人类的生产结构、生产方式乃至生活方式和思维模式,实现社会生产力的整体跃升。新一代智能制造将给制造业带来革命性的变化,将成为制造业未来发展的核心驱动力。 

智能制造的三个基本范式体现了智能制造发展的内在规律:一方面,三个基本范式次第展开,各有自身阶段的特点和重点解决的问题,体现着先进信息技术与先进制造技术融合发展的阶段性特征;另一方面,三个基本范式在技术上并不是绝然分离的,而是相互交织、迭代升级,体现着智能制造发展的融合性特征。对中国等新兴工业国家而言,应发挥后发优势,采取三个基本范式“并行推进、融合发展”的技术路线。 

 
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