智能制造的發展歷程

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                                                    2022-06-01 來源:?智造苑

                                                     隨著制造業面臨的競爭與挑戰日益加劇,將傳統的制造技術與信息技術、現代管理技術相結合的先進制造技術得到了重視和發展,先后出現計算機集成制造、敏捷制造、并行工程、大批量定制、合理化工程等相關理念和技術。

                                                     
                                                    1973年美國約瑟夫·哈林頓(Joseph Harrington)博士在《Computer Integrated Manufacturing》一書中首次提出 CIM(computer integrated manufacturing)理念。它的內涵是借助計算機, 將企業中各種與制造有關的技術系統集成起來, 進而提高企業適應市場競爭的能力。其中, 特別強調: ①企業各個生產環節是不可分割的, 需要統一安排與組織——“系統的觀點”;②產品制造過程實質上是信息采集、傳遞、加工處理的過程——“信息化的觀點”;20世紀90年代,我國曾推出863/CIMS主題計劃,在一些大型骨干企業嘗試了計算機集成制造系統的應用。
                                                     
                                                    1970年美國未來學家阿爾文·托夫(Alvin Toffler)在《Future Shock》一書中提出了一種全新的生產方式的設想:以類似于標準化和大規模生產的成本和時間,提供客戶特定需求的產品和服務。1987年,斯坦·戴維斯(Start Davis)在《Future Perfect》一書中首次將這種生產方式稱為大規模定制(mass customization,MC)。1993年B·約瑟夫·派恩(B·Joseph Pine II)在《大規模定制:企業競爭的新前沿》一書中寫到:“大規模定制的核心是產品品種的多樣化和定制化急劇增加,而不相應增加成本;范疇是個性化定制產品的大規模生產:其最大優點是提供戰略優勢和經濟價值。”我國學者祈國寧教授認為,大規模定制是一種集企業、客戶、供應商、員工和環境于一體,在系統思想指導下,用整體優化的觀點,充分利用企業已有的各種資源,在標準技術、現代設計方法、信息技術和先進制造技術的支持下,根據客戶的個性化需求,以大批量生產的低成本、高質量和效率提供定制產品和服務的生產方式。MC的基本思路是基于產品族零部件和產品結構的相似性、通用性,利用標準化模塊化等方法降低產品的內部多樣性。增加顧客可感知的外部多樣性,通過產品和過程重組將產品定制生產轉化或部分轉化為零部件的批量生產,從而迅速向顧客提供低成本、高質量的定制產品。
                                                     
                                                    20世紀90年代,信息技術突飛猛進,為重新奪回美國制造業的世界領先地位,美國政府把制造業發展戰略目標瞄向21世紀。美國通用汽車公司(GM)和里海(Leigh)大學的雅柯卡(Iacocca)研究所在國防部的資助下,組織了百余家公司,由通用汽車公司、波音公司、IBM、德州儀器公司、AT&T、摩托羅拉等15家著名大公司和國防部代表共20人,歷時三年,于1994年底提出了《21世紀制造企業戰略》。在這份報告中,提出了既能體現國防部與工業界各自的特殊利益,又能獲取共同利益的一種新的生產方式,即敏捷制造。敏捷制造的目的可概括為:“將柔性生產技術,有技術、有知識的勞動力與能夠促進企業內部和企業之間合作的靈活管理(三要素)集成在一起,通過所建立的共同基礎結構,對迅速改變的市場需求和市場實際做出快速響應”。從這一目標中可以看出,敏捷制造實際上主要包括三個要素:生產技術、管理和人力資源。
                                                     
                                                    1988年,美國國家防御分析研究所提出了并行工程(concurrent engineering,CE)理念。并行工程是集成、并行地設計產品及其相關過程(包括制造過程和支持過程)的系統方法。這種方法要求產品開發人員在一開始就考慮產品整個生命周期從概念形成到產品報廢的所有因素,包括質量、成本、進度計劃和用戶要求。并行工程的目標為提高質量、降低成本、縮短產品開發周期和產品上市時間。并行工程的具體做法是:在產品開發初期,組織多種職能協同工作的項目組,使有關人員從一開始就獲得對新產品需求的要求和信息,積極研究涉及本部門的工作業務,并將所需要求提供給設計人員,使許多問題在開發早期就得到解決,從而保證了設計的質量,避免了大量的返工浪費。
                                                    合理化工程主要針對按訂單設計(engineering-to-order,ETO)的制造企業。這類企業的產品通常需要按顧客的特殊要求進行設計制造。如果設計周期過長,導致產品交貨期過長,則有可能失去顧客;如果要求在規定的時間內交貨,產品設計周期過長,則產品的制作周期必須進行壓縮,會影響產品的制造質量。因此對于ETO企業,壓縮產品的設計周期非常重要。推進合理化工程的目的是采用先進的信息處理技術,進行產品結構的重組、產品設計開發過程的重組和設計,盡可能減少產品零部件類別,從而縮短產品研發周期,提高產品質量,縮短產品制造周期,降低產品成本,改善售后服務。
                                                     
                                                    1948年諾伯特·維納發表《控制論》,奠定了工業自動化技術發展的理論基礎。自第三次工業革命以來,工業自動化技術取得了長足發展,從PLC的誕生到DCS、人機界面、PC-Based,從工業現場總線到工業以太網,從歷史數據庫到實時數據庫,從面向流程行業的過程自動化,到面向離散制造業的工廠自動化,從單機自動化到產線的柔性自動化,從工業機器人的廣泛應用到AGV和全自動立體倉庫的物流自動化,工業自動化技術的蓬勃發展為智能制造奠定了堅實的基礎。
                                                     
                                                    從1957年Patrick Hanratty先生研發出全球第一個數控編程軟件PRONTO至今,全球工業軟件已經經歷了60多年波瀾壯闊的創新歷程。眾多知名的工業軟件源于世界級制造企業,尤其是航空航天與汽車行業的創新實踐。例如,大名鼎鼎的仿真軟件Nastran就源于美國NASA,其名稱的內涵就是NASA Structural Analysis;達索系統的CATIA軟件則源于達索航空,而波音、麥道航空、通用電氣和通用汽車也孕育了當今眾多主流的工業軟件。這些世界級企業在工業實踐中提出的需求,成為工業軟件創新的源泉。另一方面,今天廣泛應用的ERP軟件,發源于20世紀30年代在制造業管理實踐中提出的訂貨點法,后來又進一步發展出物料需求計劃(material requirement planning,MRP)、制造資源計劃(manufacturing resources planning,MRPII),20世紀90年代,伴隨著計算機系統走向C/S架構,圖形界面廣泛應用,Gartner提出了ERP理念,并將應用領域擴展到流程制造業。
                                                     
                                                    從深刻影響全球制造業的CIM、并行工程、敏捷制造、大批量定制、合理化工程等先進理念,到工業自動化、工業軟件的長足發展,以及在工業實踐中蓬勃發展的工業工程和精益生產方法,成為智能制造蓬勃發展的基石。而互聯網、物聯網的興起,人工智能技術的實踐應用,又為智能制造理念的落地實踐提供了有力支撐。
                                                     
                                                    智能制造的概念經歷了提出、發展和深化的不同階段。最早在20世紀80年代,美國賴特(Paul Kenneth Wright)和伯恩(David Alan Bourne)在專著《制造智能》(Smart Manufacturing)中首次提出“通過集成知識工程、制造軟件系統、機器人視覺和機器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進行建模,以使智能機器能夠在沒有人工干預的情況下進行小批量生產”。在此基礎上,英國Williams教授對上述定義作了更為廣泛的補充,認為“集成范圍還應包括貫穿制造組織內部的智能決策支持系統”。之后不久,歐、美、日等工業化發達國家圍繞智能制造技術與智能制造系統開展國際合作研究。1991年,日、美、歐共同發起實施的“智能制造國際合作研究計劃”中提出“智能制造系統是一種在整個制造過程中貫穿智能活動,并將這種智能活動與智能機器有機融合,將整個制造過程從訂貨、產品設計、生產到市場銷售等各環節以柔性方式集成起來的能發揮最大生產力的先進生產系統”。
                                                     
                                                    美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)在《智能制造系統現行標準體系》的報告中提到,智能制造區別于其他基于技術的制造范式,是一個有著增強能力,從而面向下一代制造的目標愿景,它基于新興的信息和通信技術,并結合了早期制造范式的特征(圖1)(原文:Smart manufacturing, different from technology-based manufacturing paradigms, defines a vision of next-generation manufacturing with enhanced capabilities. It is built on emerging information and communication technologies and enabled by combining features of earlier manufacturing paradigms)。
                                                      
                                                     
                                                    圖1 美國智能制造的生態系統(來源:美國國家標準與技術研究院NIST)
                                                     
                                                    我國最早的智能制造研究始于1986年,楊叔子院士開展了人工智能與制造領域中的應用研究工作。楊叔子院士認為智能制造系統是“通過智能化和集成化的手段來增強制造系統的柔性和自組織能力,提高快速響應市場需求變化的能力。”吳澄院士認為,從實用、廣義角度理解智能制造,是以智能技術為代表的新一代信息技術,包括了大數據、互聯網、云計算、移動技術等,以及在制造全生命周期的應用中所涉及的理論、方法、技術和應用。周濟院士則認為,智能制造的發展經歷數字化制造、智能制造1.0和智能制造2.0三個基本范式的制造系統逐層遞進組成。智能制造1.0系統的目標是實現制造業數字化、網絡化,最重要的特征是在全面數字化的基礎上實現網絡互聯和系統集成。智能制造2.0系統的目標是實現制造業數字化、網絡化、智能化,實現真正意義上的智能制造。
                                                    國家工信部在《智能制造發展規劃(2016-2020年)》中定義智能制造是“基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合,貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節,具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。實際上,智能制造是制造業價值鏈各個環節的智能化,融合了信息與通信技術、工業自動化技術、現代企業管理、先進制造技術和人工智能技術五大領域技術的全新制造模式,實現企業的生產模式、運營模式、決策模式和商業模式的創新。
                                                     
                                                    目前國際上與智能制造對應術語是Smart manufacturing和Intelligent manufacturing,“Smart”被理解為具有數據采集、處理和分析的能力,能夠準確執行指令、實現閉環反饋,但尚未實現自主學習、自主決策和優化提升;“Intelligent”則被理解為可以實現自主學習、自主決策和優化提升,是更高層級的智慧制造。從目前的發展來看,國際上達成的普遍共識是智能制造還處于“Smart”階段,隨著人工智能的發展與應用,未來將實現“Intelligent”。智能制造技術是計算機、工業自動化、工業軟件、智能裝備、工業機器人、傳感器、互聯網、物聯網、通信技術、人工智能、虛擬現實/增強現實、增材制造、云計算,以及新材料、新工藝等相關技術蓬勃發展與交叉融合的產物。智能制造并不是一種單元技術,而是企業持續應用先進制造技術、現代企業管理,以及數字化、自動化和智能化技術,提升企業核心競爭力的綜合集成技術??梢哉f,智能制造是一個“海納百川”的集大成者,參見圖2。
                                                     
                                                     
                                                    圖2 智能制造技術的發展
                                                     
                                                     
                                                     
                                                    改編自:《智能制造實踐》(作者:黃培,許之穎,張荷芳)
                                                     
                                                     

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