日前，中國(guó)工程院王天然院士等撰文，詳細(xì)闡述了在制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、人機(jī)關(guān)系方面正在發(fā)生的巨大變革，指出以“分散與集中相統(tǒng)一的制造系統(tǒng)、虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)與制造手段、人機(jī)共融的生產(chǎn)方式”為特征的智能制造空間將快速形成，重塑需求牽引和技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的智能制造發(fā)展模式和技術(shù)體系。本文來(lái)自：信息與控制，作者王天然, 庫(kù)濤, 朱云龍, 于海斌，原文載于《信息與控制》 2017, 46(6)。
智能制造空間
在基于泛在信息的智能制造時(shí)代，信息技術(shù)的大量涌現(xiàn)，以從未有過(guò)的能力，不斷滿足市場(chǎng)對(duì)制造業(yè)變革的技術(shù)需求，極大地沖擊和促進(jìn)制造業(yè)從傳統(tǒng)模式向未曾有過(guò)的模式轉(zhuǎn)變，使其逐步進(jìn)入新的、不斷發(fā)展的信息環(huán)境與制造模式之中，這種新的信息環(huán)境與制造模式組成了智能制造空間，它的發(fā)展與變化將影響智能制造的發(fā)展．文章詳細(xì)闡述了在制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、人機(jī)關(guān)系方面正在發(fā)生的巨大變革，并且指出以“分散與集中相統(tǒng)一的制造系統(tǒng)、虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)與制造手段、人機(jī)共融的生產(chǎn)方式”為特征的智能制造空間將快速形成，重塑需求牽引和技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的智能制造發(fā)展模式和技術(shù)體系。
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引言
當(dāng)前，全球正爆發(fā)新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命，特別是在制造業(yè)，２００８ 年的經(jīng)濟(jì)危機(jī)以后，過(guò)去的“夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”重新受到重視． 世界各國(guó)爭(zhēng)相調(diào)整戰(zhàn)略、順應(yīng)時(shí)代變革，對(duì)先進(jìn)制造業(yè)進(jìn)行前瞻布局．同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，使得人們已不僅僅滿足產(chǎn)品的可用，還要求個(gè)性化、高質(zhì)量、不斷翻新等．在這種需求牽引下，制造業(yè)的核心任務(wù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的擴(kuò)大規(guī)模向如何滿足用戶的個(gè)性化需求、如何為用戶提供全流程個(gè)性化體驗(yàn)、如何為用戶提供更好的服務(wù)方向轉(zhuǎn)變． 相應(yīng)地，對(duì)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，面臨著縮短交貨期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和改進(jìn)服務(wù)的壓力，需要對(duì)不斷變化的市場(chǎng)做出快速反應(yīng)．在多樣化市場(chǎng)需求牽引的同時(shí)，以物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線、３Ｄ 打印、機(jī)器人等為代表的智能設(shè)備與技術(shù)，以及人工智能、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的大量涌現(xiàn)，使得信息驅(qū)動(dòng)下先進(jìn)的制造技術(shù)成為釋放未來(lái)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵．自此，制造業(yè)進(jìn)入了基于泛在信息的智能制造時(shí)代．信息爆炸的壓力、技術(shù)的快速進(jìn)步、新產(chǎn)品的快速研制、可持續(xù)發(fā)展的要求、全球性技術(shù)支持和售后服務(wù)、市場(chǎng)和勞務(wù)競(jìng)爭(zhēng)的全球化等，不僅給制造業(yè)帶來(lái)前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)，而且與此相適應(yīng)的商業(yè)模式和制造系統(tǒng)也將隨之發(fā)生巨大變革．新科技和新經(jīng)濟(jì)呼喚誕生更先進(jìn)的新一代制造模式，這也是全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的下一個(gè)戰(zhàn)略高地．信息技術(shù)將扮演著極其重要的角色． 信息技術(shù)進(jìn)入制造業(yè)是源于制造業(yè)需求，同時(shí)也推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展．信息技術(shù)并不是簡(jiǎn)單地被應(yīng)用，而是衍生出了物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)（服務(wù)）聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)制造等一系列新概念和新技術(shù)，并促成了一系列智能化設(shè)備研制和應(yīng)用．泛在信息條件下，制造業(yè)在需求牽引和信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下將快速形成先進(jìn)制造領(lǐng)域的信息環(huán)境與相應(yīng)的模式，也就是智能制造空間。
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智能制造空間的特征分析
隨著信息技術(shù)與制造技術(shù)的不斷深度融合，制造業(yè)將在制造系統(tǒng)、設(shè)計(jì)與制造手段、人機(jī)關(guān)系三個(gè)方面產(chǎn)生巨大變革，形成以“分散與集中相統(tǒng)一的制造系統(tǒng)、虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)與制造手段、人機(jī)共融的生產(chǎn)方式”為 ３ 大鮮明特征的智能制造空間，并以此推進(jìn)在生產(chǎn)組織方式、資源聚集模式、產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段、人機(jī)融合關(guān)系方面的新一代智能制造的發(fā)展。
1. 制造系統(tǒng)的構(gòu)成變革
歷史上，從手工制造到大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了大眾化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，而目前大規(guī)模生產(chǎn)正在向市場(chǎng)和客戶驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化定制方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，并且將基于更高生產(chǎn)效率、更高的技術(shù)層次實(shí)現(xiàn)用戶的個(gè)性化需求。
生產(chǎn)模式的歷程
在滿足個(gè)性化需求的過(guò)程中，制造企業(yè)正在向設(shè)計(jì)和服務(wù)端延伸． 示，服務(wù)的內(nèi)容已不僅僅是傳統(tǒng)的售后、維修服務(wù)，生產(chǎn)鏈中所包括的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造等任何一部分都可以獨(dú)立出來(lái)，成為為其它企業(yè)服務(wù)的內(nèi)容。
服務(wù)型制造
然而，分布式制造在管理上的難度是可想而知的． 只有在網(wǎng)絡(luò)的支持下，才使得它在經(jīng)濟(jì)上、實(shí)現(xiàn)技術(shù)上和時(shí)間效率上能夠?qū)嶋H可行． 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造技術(shù)和不斷涌現(xiàn)的其它信息技術(shù)，支持和驅(qū)動(dòng)著生產(chǎn)方式的發(fā)展.
大規(guī)模個(gè)性化定制生產(chǎn)和服務(wù)型制造的發(fā)展趨勢(shì)，使得制造模式由目前的集中式向分布式方向發(fā)展． 生產(chǎn)鏈條將由更專(zhuān)業(yè)的單元進(jìn)行靈活組織，形成分布式制造模式，這種模式的本質(zhì)是企業(yè)為追求利益最大化，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)有賴于信息技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展． 但是選擇集中式制造模式還是分布式制造模式，要依據(jù)效益原則，不是所有制造業(yè)都將走向大規(guī)模個(gè)性化定制生產(chǎn)和服務(wù)型制造． 相反地，大批量標(biāo)準(zhǔn)化制造仍將是高效率的生產(chǎn)方式． 而一部分制造企業(yè)將在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、 ３Ｄ 打印、機(jī)器人等新一代信息技術(shù)的驅(qū)動(dòng)和支持下，獲得更強(qiáng)的分布式制造能力． 因此，制造系統(tǒng)的變革將是一個(gè)循序漸進(jìn)、逐步發(fā)展的過(guò)程，未來(lái)也必將形成集中式制造與分布式制造共存條件下的新一代制造系統(tǒng)，從而滿足標(biāo)準(zhǔn)化制造、個(gè)性化定制和服務(wù)型制造等多維度制造的需求。
2. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造手段發(fā)生變革
三維 ＣＡＤ 技術(shù)，仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使得一些領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作發(fā)生了革命性的變革． 通過(guò)三維 ＣＡＤ 設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，通過(guò)虛擬仿真，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行虛擬制造，完成驗(yàn)證和修改，大大減少試制與反復(fù)，不僅加快了設(shè)計(jì)時(shí)間，而且節(jié)約了大量材料． 虛擬制造將不僅僅是設(shè)計(jì)的手段，未來(lái)虛實(shí)結(jié)合的制造手段將覆蓋從產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展到工藝設(shè)計(jì)、過(guò)程設(shè)計(jì)，售后維護(hù)及回收等全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)。
虛實(shí)結(jié)合的制造手段
隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，“數(shù)字孿生”技術(shù)，“平行系統(tǒng)”技術(shù)為代表的虛實(shí)結(jié)合技術(shù)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬對(duì)象的高度融合，形成基于數(shù)字模型的虛擬企業(yè)和基于自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)企業(yè)鏡像．
未來(lái)制造將是虛擬空間和物理空間相結(jié)合的制造，并將覆蓋全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使得整個(gè)制造過(guò)程進(jìn)入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)世界．實(shí)體產(chǎn)品制造的全生命周期過(guò)程將在虛擬空間中產(chǎn)生映射，在虛擬空間中通過(guò)多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程完成對(duì)物理模型、傳感器和智能參數(shù)等的更新，最終實(shí)現(xiàn)虛擬空間的優(yōu)化結(jié)果在物理空間的及時(shí)反饋和智能優(yōu)化運(yùn)行． 隨著虛實(shí)并行能力的增強(qiáng)，虛擬制造空間所反映出的產(chǎn)品系統(tǒng)真實(shí)程度將不斷增強(qiáng)，不僅企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、生產(chǎn)效率將大幅度提高，而且將引發(fā)面向全流程制造的變革． 虛實(shí)結(jié)合是智能制造空間研究的重要特征，也是智能制造的一種模式。
3. 人和制造系統(tǒng)的關(guān)系產(chǎn)生新的變革
現(xiàn)代新信息技術(shù)使人能夠“再進(jìn)入”生產(chǎn)系統(tǒng)． 人將在物理層、執(zhí)行層、決策層與制造系統(tǒng)加強(qiáng)介入與合作，實(shí)現(xiàn)人、智能制造裝備與機(jī)器人在制造過(guò)程中的合作．
人機(jī)共融的層次體系
未來(lái)人機(jī)共融不僅是生產(chǎn)方式變革的重要發(fā)展方向，而且是構(gòu)筑智能制造空間的重要特征，也將是智能制造中的一個(gè)新模式． 將機(jī)器的搜索、推理能力與人的推理、反饋、聯(lián)想、頓悟、學(xué)習(xí)能力相融合，協(xié)同處理決策問(wèn)題，機(jī)器有效地支持人完成組織的任務(wù)，人有效輔助監(jiān)管機(jī)器進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行和學(xué)習(xí)，在制造系統(tǒng)規(guī)劃與管理、設(shè)備維護(hù)和制造執(zhí)行等方面實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合發(fā)展。
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未來(lái)智能制造空間結(jié)構(gòu)及發(fā)展
分散與集中共存、虛實(shí)結(jié)合和人機(jī)共融將成為未來(lái)智能制造空間的主要特征，其結(jié)合關(guān)系如下圖所示． 這種關(guān)系的形成是制造業(yè)需求牽引和信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的必然結(jié)果，關(guān)系的不斷發(fā)展也必將形成的一種新的制造模式和制造環(huán)境． 在這種環(huán)境中，不僅將泛在信息技術(shù)條件下的信息技術(shù)同工業(yè)技術(shù)進(jìn)行深度融合，而且利用信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展新的工業(yè)技術(shù)。
智能制造空間
在宏觀層面，智能制造空間將打破傳統(tǒng)的物理區(qū)域限制，不斷涌現(xiàn)的大量信息技術(shù)將推動(dòng)分布式制造能力的快速發(fā)展，以便滿足產(chǎn)品大規(guī)模個(gè)性化定制的迫切需求，生產(chǎn)組織體系將快速發(fā)生變革，使制造業(yè)本身形成新的制造模式和信息環(huán)境，并進(jìn)一步推動(dòng)生產(chǎn)模式的變革．
在微觀技術(shù)層面，智能制造空間將加速人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、云計(jì)算等信息技術(shù)在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式、組織體系、管理模式等方面的深入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、虛擬仿真到制造執(zhí)行的全息化智能制造系統(tǒng)，并將形成智能制造空間的技術(shù)體系。
智能制造空間基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系
建立以人機(jī)融合、虛實(shí)結(jié)合、分集統(tǒng)一為主要特征的制造模式新結(jié)構(gòu)和新框架，實(shí)現(xiàn)從需求走向?qū)嵺`，這涉及大量的理論有待進(jìn)一步研究，包括面向服務(wù)型制造的橫向集成模式；面向大批量個(gè)性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的協(xié)同創(chuàng)新；支持制造資源網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化和專(zhuān)業(yè)化的制造過(guò)程協(xié)同管理；物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算環(huán)境下新型工業(yè)軟件體系結(jié)構(gòu)；面向產(chǎn)品全生命周期工業(yè)大數(shù)據(jù)管理和信息共享安全體系；面向復(fù)雜裝備的主動(dòng)運(yùn)維服務(wù)管理和決策優(yōu)化等，都將支持智能制造空間的發(fā)展。
在核心關(guān)鍵技術(shù)方面，將首先在設(shè)備級(jí)制造空間、單元級(jí)制造空間、工廠跨層制造空間和跨域生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)空間等層面上產(chǎn)生影響，并產(chǎn)生出與之相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，具體包括：面向虛實(shí)并行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化；人機(jī)物三元協(xié)同與知識(shí)集成共享；支持制造企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)和大眾參與的社會(huì)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)；分散與集中共存環(huán)境下的制造資源連接、配置調(diào)度與協(xié)同優(yōu)化；支持制造單元靈活自組織、服務(wù)虛擬化和全價(jià)值網(wǎng)絡(luò)調(diào)度與優(yōu)化；人機(jī)共融與互操作服務(wù)管理；人機(jī)共融過(guò)程的智能監(jiān)控、健康分析、產(chǎn)品性能和質(zhì)量評(píng)估。
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結(jié)論和展望
縱觀整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，制造工藝和適應(yīng)工藝的制造裝備是制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，一直受到人們的關(guān)注． 在基于泛在信息的智能制造時(shí)代，除了制造工藝與制造裝備之外，制造環(huán)境與條件的重要性越來(lái)越凸現(xiàn)出來(lái)，成為了制造技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要． 隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和兩化融合的深入發(fā)展，在智能制造的發(fā)展中，智能制造環(huán)境將是對(duì)制造業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要影響的領(lǐng)域。
智能制造空間的研究是對(duì)未來(lái)制造業(yè)信息環(huán)境和模式變革和發(fā)展的判斷與預(yù)測(cè)． 我們有必要對(duì)分集統(tǒng)一的制造系統(tǒng)組織、虛實(shí)結(jié)合的制造過(guò)程、人機(jī)融合的制造手段所涉及的相關(guān)技術(shù)開(kāi)展深入研究，探索其相互之間的關(guān)系、組成要素、運(yùn)行機(jī)理、協(xié)同機(jī)制和演化規(guī)律，并結(jié)合新一代信息信息技術(shù)開(kāi)展智能制造空間共性關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建智能制造空間基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)、試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)和公共服務(wù)平臺(tái)，保障和促進(jìn)智能制造的發(fā)展，為迎接制造業(yè)的大變革做好充分準(zhǔn)備。
