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實(shí)施智能制造需要考慮什么?

2019-07-033881

智能制造的發(fā)展一直以來(lái)都是人們比較關(guān)注的話(huà)題。智能制造包含智能制造技術(shù)和智能制造系統,智能制造系統不僅能夠在實(shí)踐中不斷地充實(shí)知識庫,而且還具有自學(xué)習功能。雖然智能制造的發(fā)展改變了人們的生活,但很多人對智能制造的三大支點(diǎn)了解的并不是很多。

如何實(shí)施智能制造?需要考慮智能制造的三個(gè)支點(diǎn):產(chǎn)品、裝備和過(guò)程。

1智能制造的三個(gè)支點(diǎn)

第一個(gè)需要考慮的是推動(dòng)智能制造的目標是什么。顯然,企業(yè)追求的是產(chǎn)品,而不是要把企業(yè)搞的有多時(shí)髦。企業(yè)銷(xiāo)售產(chǎn)品的時(shí)候,不是要宣傳企業(yè)的生產(chǎn)線(xiàn)有多漂亮、多現代,而一定要說(shuō)明這個(gè)產(chǎn)品的價(jià)值何在。產(chǎn)品是企業(yè)面向社會(huì )的表現。智能制造的目標是產(chǎn)品,而不是智能制造本身。因此,產(chǎn)品的智能化是企業(yè)必須考慮的首要問(wèn)題之一。智能制造如果不能生產(chǎn)出智能的產(chǎn)品,智能制造就失去了時(shí)代的意義。而且,企業(yè)的產(chǎn)品如果不是智能化的,產(chǎn)品和企業(yè)今后被淘汰的可能性就很大。

第二個(gè)支點(diǎn)是裝備,生產(chǎn)過(guò)程(包括研發(fā)、設計)中的每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節上的裝備,一定要智能化。如果這個(gè)智能化實(shí)現不了,勞動(dòng)生產(chǎn)力和勞動(dòng)效率就不可能得到很大提高,企業(yè)可能就沒(méi)有競爭力。不是數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化的生產(chǎn)裝備,就不是這個(gè)時(shí)代的先進(jìn)制造裝備。而且,如果設備沒(méi)有智能化,也可能無(wú)法生產(chǎn)出企業(yè)想要生產(chǎn)的智能化產(chǎn)品。

智能產(chǎn)品是第一支點(diǎn)

因此,任何一個(gè)企業(yè)在考慮其智能制造如何發(fā)展的時(shí)候,首先應該想到的是自己的產(chǎn)品怎么實(shí)現智能化。即使生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有部分或全部實(shí)現智能化,能夠把智能的產(chǎn)品做出來(lái),那么企業(yè)還是應該首先考慮產(chǎn)品的智能化問(wèn)題。

產(chǎn)品的智能化,是通過(guò)產(chǎn)品中包含有各種復雜程度不等的計算機系統,尤其是嵌入式系統,來(lái)實(shí)現的。嵌入式系統不僅可以成為智能制造最重要最具有代表性的技術(shù),而且會(huì )形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。中國的嵌入式系統,發(fā)展的速度比較緩慢——盡管起步并不晚。產(chǎn)品所用的嵌入式系統,絕大多數對于芯片的要求都不一定特別高,一般也就是幾十納米到上百納米,甚至檔次再低一點(diǎn),也或許夠用。因此,技術(shù)難度并不大。

產(chǎn)品智能化是當今計算技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的重大趨勢。計算技術(shù)發(fā)明的初衷是為了科學(xué)計算。而后,發(fā)展為支持人類(lèi)各種業(yè)務(wù)活動(dòng)的信息處理和傳播,即業(yè)務(wù)計算。業(yè)務(wù)計算的覆蓋范圍已經(jīng)比科學(xué)計算要大得多。上世紀90年代以后,隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,QQ、微信、Facebook等開(kāi)始崛起,計算技術(shù)滲入了人們的社會(huì )生活,大大地推動(dòng)了社會(huì )計算的發(fā)展,計算技術(shù)的應用覆蓋范圍則更進(jìn)一步擴大。

現在,計算技術(shù)開(kāi)始向各種產(chǎn)品領(lǐng)域滲透,提升產(chǎn)品的智能化水平。智能產(chǎn)品數以百億,甚至千億計,產(chǎn)品計算的覆蓋范圍可以說(shuō)是“無(wú)遠弗屆”,一定會(huì )給整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的變化。因此,計算技術(shù)應用的下一個(gè)熱點(diǎn),是產(chǎn)品計算。所有的產(chǎn)品都要程度不等地走向智能化,計算都有可能參與其中。這一點(diǎn),跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的需求有很大的關(guān)系。

2計算技術(shù)應用的發(fā)展階段

現在的智能產(chǎn)品跟以前所謂的嵌入式系統功能需求還不完全一樣,主要功能體現在三個(gè)方面。第一個(gè)是傳感,產(chǎn)品需要能夠感受外部的情況變化,或者能夠整合產(chǎn)品內部的數據。第二個(gè)是計算,包括產(chǎn)品本身的操作系統,以及產(chǎn)品使用的各種應用系統。例如,從數據分析到高端計算——也就是人工智能。第三個(gè)是聯(lián)網(wǎng),隨著(zhù)全球物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,產(chǎn)品可能具有霧計算、邊緣計算和云計算相聯(lián)結的功能。因此新一代的智能產(chǎn)品,跟以前講的嵌入式系統的概念已經(jīng)大不相同。

3無(wú)處不在的智能產(chǎn)品

裝備是智能制造最大的難點(diǎn)。生產(chǎn)裝備一般都比較復雜,而且批量可能不大,所采用的工業(yè)軟件也往往非常復雜。這使得生產(chǎn)成本很高,市場(chǎng)很小,因此愿意或有實(shí)力從事智能裝備制造的企業(yè)并不多。而且,由于裝備的開(kāi)發(fā)周期長(cháng),導致企業(yè)經(jīng)營(yíng)的風(fēng)險很大。

另外,裝備制造的難點(diǎn)很大程度上是在軟裝備上面,即以工業(yè)軟件為代表的軟裝備,包括CAD/CAE這樣的軟件工具。沒(méi)有軟裝備,就不可能有“數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化”。抽去軟件,信息化的一切成果都不復存在。工業(yè)軟件首先是一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品,而且往往是高端工業(yè)產(chǎn)品。這是中國制造2025主要的難點(diǎn),而工業(yè)界對這一點(diǎn)的認識,還很不充分。

過(guò)程智能化

發(fā)達國家的制造業(yè)在生產(chǎn)裝備智能化這一點(diǎn)上,已經(jīng)非常領(lǐng)先。尤其是日本和德國,已經(jīng)基本上壟斷了全球重大制造業(yè)生產(chǎn)裝備的市場(chǎng)。而智能制造的下一步的發(fā)展,就是要實(shí)現過(guò)程的智能化,完成從裝備這個(gè)“點(diǎn)”向過(guò)程這條“線(xiàn)”的發(fā)展。

過(guò)程智能化最典型的代表,正是工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的奮斗目標。工業(yè)4.0提出,企業(yè)的信息系統要走向一體化,包括縱向一體化和橫向一體化??v向一體化就是《三論智能制造》的系列之一中提到的企業(yè)的內部網(wǎng),而橫向一體化正是企業(yè)的外部網(wǎng)?,F在,要把內部網(wǎng)和外部網(wǎng)完全整合在一起,將數據完全打通。

4內部網(wǎng)和外部網(wǎng)的一體化

此外,要把整合之后的系統,打造成一個(gè)智能物理系統(Cyber-Physical-System,CPS)。這里的Cyber意指計算機或計算機網(wǎng)絡(luò )。在很多現代化企業(yè)里,不管內部網(wǎng)或外部網(wǎng),都還只是一個(gè)獨立的計算機網(wǎng)絡(luò )或者系統,或者實(shí)現了初步的整合。如何跟企業(yè)這個(gè)物理實(shí)體融為一體,有效地運轉,是一門(mén)大學(xué)問(wèn)。

美國國家科學(xué)基金(NSF)在2006年的一個(gè)報告中指出,現有的、工業(yè)時(shí)代發(fā)展出來(lái)的系統科學(xué)(包括系統工程理論),還不能很好地回答這類(lèi)問(wèn)題。他們認為,企業(yè)這個(gè)物理實(shí)體與其內含的計算機和網(wǎng)絡(luò )系統如何協(xié)同一致、高效精確的工作,如何增強這類(lèi)系統的適應性、自主性、功能性、可靠性、安全性、可用性和效率,將會(huì )發(fā)展成為一個(gè)新的系統工程學(xué),是美國需要重點(diǎn)發(fā)展的前沿命題。實(shí)際上,美國關(guān)于CPS的研究報告非常多,對這個(gè)命題非常關(guān)注。

過(guò)程智能化的實(shí)現

工業(yè)4.0或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標,不僅要把內部網(wǎng)、外部網(wǎng)連起來(lái),而且要變成一個(gè)智能物理系統(CPS)。二者都可以通過(guò)一個(gè)“5C(五層)”結構來(lái)表述。

5工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的“5C(五層)”架構

最下面一層是智慧的連接層,第二層是數據轉換成信息,第三層是Cyber層,是企業(yè)的云計算數據中心。在這里,需要把第二層處理所得的有效數據,與企業(yè)計算機系統中相對應的期望值做對比分析。第四層是認知層,根據對比差異,找到問(wèn)題之所在及解決問(wèn)題的方法。因此,這一層實(shí)際上是一個(gè)決策層。第五層是配置層,可以按照決策要求,通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò ),對人、對物、對計算機進(jìn)行重新配置或更改。這樣的一個(gè)五層結構,構成了一個(gè)標準的反饋控制系統,可以對企業(yè)的控制對象,即:人(員工)、機器、計算機系統、各種物理實(shí)體等,進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋和控制。這樣的一個(gè)反饋系統,其各層次所對應的技術(shù)支撐,如圖5所示。正是利用這些當下最時(shí)髦的先進(jìn)技術(shù),工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現了企業(yè)整個(gè)業(yè)務(wù)活動(dòng)全過(guò)程的的智能控制。

根據這個(gè)思路,工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在2015年分別完成了系統的架構設計。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參考架構,可以清楚地說(shuō)明系統的要素和相互之間的關(guān)系,并提供了一個(gè)開(kāi)放的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統設計指南”。應該強調的是,這里說(shuō)的是指南,是給出了一個(gè)大家共同努力、同向而行的方向,而不是標準。

這個(gè)架構設計描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統的內外三層結構。從邊緣層,到平臺層,再到企業(yè)層,如果我們把它看作是一個(gè)球體的話(huà),外面就是設備端的邊緣層,中間是平臺層(工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,主要指這一部分。當然現在也有將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺泛化的趨勢),最內層是企業(yè)層。在邊緣層上主要是邊緣的網(wǎng)關(guān),采集各種各樣的數據;送到平臺層之后,平臺層對數據做必要的處理和分析;分析完之后,再送達企業(yè)層,送到企業(yè)的應用系統。企業(yè)會(huì )根據不同的應用做不同的分析,做出判斷和決策,將數據再往回傳送到平臺層和邊緣層,直至送達企業(yè)內外聯(lián)接的各個(gè)部門(mén)和單位。

6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構的內外三層結構

(來(lái)源:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的白皮書(shū))

顯然,數據分析和處理在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統中極為重要,包括:端點(diǎn)數據的獲取、從數據中提取信息的先進(jìn)數據處理技術(shù),各種決策模型的分析計算,以及系統結果的輸出。其中,大量使用的是計算科學(xué)的辦法:需要建模,需要算法,需要數據等等,最后產(chǎn)生的是決策數據。當然,安全、可信、隱私等,在結構中也有詳細的考慮。

現在,國內關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的概念討論很多。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,是一個(gè)以企業(yè)為中心的平臺,而不是說(shuō)在整個(gè)工業(yè)行業(yè)建一個(gè)大的所謂“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺”。所謂平臺化是發(fā)展的趨勢,其實(shí)是指企業(yè)的平臺化,每一個(gè)大企業(yè)都會(huì )有自己的一個(gè)企業(yè)平臺,而不會(huì )把自己的業(yè)務(wù)搬到其他企業(yè)的平臺上去。波音的平臺不會(huì )到中航工業(yè)的平臺上,空客的平臺也不會(huì )到波音的平臺上去。

如果一定要說(shuō)有一個(gè)工業(yè)和產(chǎn)業(yè)共用共享的平臺,那這個(gè)平臺就是全球物聯(lián)網(wǎng)平臺(Internet of Things,IOT),它不是為哪個(gè)工業(yè),為哪個(gè)部門(mén)而設計的,而是面向全世界各行各業(yè)乃至個(gè)人服務(wù)的全球物聯(lián)網(wǎng)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是一個(gè)理想的“過(guò)程”智能化的平臺。設想非常完美,但系統非常復雜。在實(shí)現過(guò)程當中,未知數還很多,不同產(chǎn)業(yè)類(lèi)別的企業(yè)平臺之間的差異也很大。例如,中航工業(yè)的平臺,幾乎不太可能拿去給中石油用,基本上要推倒重建。所以,每個(gè)企業(yè)一定要從自身的緊迫需求和實(shí)際效益出發(fā),分步推進(jìn),絕對不能盲目跟隨,尤其考慮到當前中國制造業(yè)發(fā)展的水平和信息化的水平離國際先進(jìn)水平相差仍然很大,“過(guò)程”智能化的路途還比較遙遠。

如果把智能制造的全部資源和精力都投在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上,又把平臺理解為產(chǎn)業(yè)的平臺,可能就誤判了智能制造的發(fā)展方向。當務(wù)之急,還是我們的產(chǎn)品和裝備的智能化問(wèn)題,這對當下的中國來(lái)講,是智能制造的重點(diǎn)努力方向。

 

文章來(lái)源:信息化和軟件服務(wù)網(wǎng)

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