近年來，全球各主要經(jīng)濟體都在大力推進制造業(yè)的復興。在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等熱潮下，全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開展了智能工廠建設(shè)實踐。

據(jù)中國工程院院長周濟介紹，智能生產(chǎn)是智能制造的主線，而智能工廠是智能生產(chǎn)的主要載體。隨著新一代人工智能的應用，今后20年，中國企業(yè)將要向自學習、自適應、自控制的新一代智能工廠進軍。

一、智能工廠的內(nèi)涵及建設(shè)重點

智能工廠是實現(xiàn)智能制造的重要載體，主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。

智能工廠已經(jīng)具有了自主能力，可采集、分析、判斷、規(guī)劃；通過整體可視技術(shù)進行推理預測，利用仿真及多媒體技術(shù)，將實境擴增展示設(shè)計與制造過程。系統(tǒng)中各組成部分可自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備協(xié)調(diào)、重組及擴充特性。已系統(tǒng)具備了自我學習、自行維護能力。因此，智能工廠實現(xiàn)了人與機器的相互協(xié)調(diào)合作，其本質(zhì)是人機交互。

人機料法環(huán)是對全面質(zhì)量管理理論中的五個影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素的簡稱。

人，指制造產(chǎn)品的人員；

機，制造產(chǎn)品所用的設(shè)備；

料，指制造產(chǎn)品所使用的原材料；

法，指制造產(chǎn)品所使用的方法；

環(huán)，指產(chǎn)品制造過程中所處的環(huán)境。

而智能生產(chǎn)就是以智能工廠為核心，將人、機、法、料、環(huán)連接起來，多維度融合的過程。

在智能工廠的體系架構(gòu)中，質(zhì)量管理的五要素也相應的發(fā)生變化，因為在未來智能工廠中，人類、機器和資源能夠互相通信。智能產(chǎn)品“知道”它們?nèi)绾伪恢圃斐鰜淼募毠?jié)，也知道它們的用途。

企業(yè)基于CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的智能工廠原型，主要包括物理層、信息層、大數(shù)據(jù)層、工業(yè)云層、決策層。其中，物理層包含工廠內(nèi)不同層級的硬件設(shè)備，從最小的嵌入設(shè)備和基礎(chǔ)元器件開始，到感知設(shè)備、制造設(shè)備、制造單元和生產(chǎn)線，相互間均實現(xiàn)互聯(lián)互通。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個“可測可控、可產(chǎn)可管”的縱向集成環(huán)境。信息層涵蓋企業(yè)經(jīng)營業(yè)務(wù)各個環(huán)節(jié)，包含研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、營銷服務(wù)、物流配送等各類經(jīng)營管理活動，以及由此產(chǎn)生的眾創(chuàng)、個性化定制、電子商務(wù)、可視追蹤等相關(guān)業(yè)務(wù)。

縱向集成和橫向集成均以CPS和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，產(chǎn)品、設(shè)備、制造單元、生產(chǎn)線、車間、工廠等制造系統(tǒng)的互聯(lián)互通，及其與企業(yè)不同環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)的集成統(tǒng)一，則是通過數(shù)據(jù)應用和工業(yè)云服務(wù)實現(xiàn)，并在決策層基于產(chǎn)品、服務(wù)、設(shè)備管理支撐企業(yè)最高決策。這些共同構(gòu)建了一個智能工廠完整的價值網(wǎng)絡(luò)體系，為用戶提供端到端的解決方案。

由于產(chǎn)品制造工藝過程的明顯差異，離散制造業(yè)和流程制造業(yè)在智能工廠建設(shè)的重點內(nèi)容有所不同。對于離散制造業(yè)而言，產(chǎn)品往往由多個零部件經(jīng)過一系列不連續(xù)的工序裝配而成，其過程包含很多變化和不確定因素，在一定程度上增加了離散型制造生產(chǎn)組織的難度和配套復雜性。企業(yè)常常按照主要的工藝流程安排生產(chǎn)設(shè)備的位置，以使物料的傳輸距離最小。

二、智能工廠主要建設(shè)模式

由于各個行業(yè)生產(chǎn)流程不同，加上各個行業(yè)智能化情況不同，智能工廠有以下幾個不同的建設(shè)模式。

第一種模式是從生產(chǎn)過程數(shù)字化到智能工廠。在石化、鋼鐵、冶金、建材、紡織、造紙、醫(yī)藥、食品等流程制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的內(nèi)在動力在于產(chǎn)品品質(zhì)可控，側(cè)重從生產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)起步，基于品控需求從產(chǎn)品末端控制向全流程控制轉(zhuǎn)變。

第二種模式是從智能制造生產(chǎn)單元(裝備和產(chǎn)品)到智能工廠。在機械、汽車、航空、船舶、輕工、家用電器和電子信息等離散制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的核心目的是拓展產(chǎn)品價值空間，側(cè)重從單臺設(shè)備自動化和產(chǎn)品智能化入手，基于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品效能的提升實現(xiàn)價值增長。

第三種模式是從個性化定制到互聯(lián)工廠。在家電、服裝、家居等距離用戶最近的消費品制造領(lǐng)域，企業(yè)發(fā)展智能制造的重點在于充分滿足消費者多元化需求的同時實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)，側(cè)重通過互聯(lián)網(wǎng)平臺開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新。

三、智能工廠發(fā)展重點環(huán)節(jié)

智能生產(chǎn)的側(cè)重點在于將人機互動、3D打印等先進技術(shù)應用于整個工業(yè)生產(chǎn)過程，并對整個生產(chǎn)流程進行監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，便于進行數(shù)據(jù)分析，從而形成高度靈活、個性化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)鏈。

1.3D打印

3D打印是一項顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，被美國自然科學基金會稱為20世紀最重要的制造技術(shù)創(chuàng)新。制造業(yè)的全流程都可以引入3D打印，起到節(jié)約成本、加快進度、減少材料浪費等效果。

在設(shè)計環(huán)節(jié)，借助3D打印技術(shù)，設(shè)計師能夠獲得更大的自由度和創(chuàng)意空間，可以專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，而不必考慮形狀復雜度的影響，因為3D打印幾乎可以完成任何形狀的物品構(gòu)建。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，3D打印可以直接從數(shù)字化模型生成零部件，不需要專門的模具制作等工序，既節(jié)約了成本，又能加快產(chǎn)品上市。在分銷環(huán)節(jié)，3D打印可能會挑戰(zhàn)現(xiàn)有的物流分銷網(wǎng)絡(luò)。

3D打印經(jīng)過了近40年的發(fā)展，龍頭公司開始實現(xiàn)顯著盈利，市場認可度快速上升，行業(yè)收入增長加速。根據(jù)典型的產(chǎn)品生命周期理論，技術(shù)產(chǎn)品從導入期進入成長期的過程中往往表現(xiàn)出加速增長的特征，判斷目前3D打印產(chǎn)業(yè)正在進入加速成長期。

圖表：2008-2015年全球3D打印設(shè)備出貨量增長情況（來源：賽瑞研究）

整個3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈大概可分為三個部分，上游基礎(chǔ)配件行業(yè)，3D打印設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)、3D打印材料生產(chǎn)企業(yè)和支持配套企業(yè)，下游主要是3D打印的各大應用領(lǐng)域。通常意義上的3D打印行業(yè)則主要是指3D打印設(shè)備、材料及服務(wù)企業(yè)。

圖表：3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

3D打印已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都聚集了一批領(lǐng)先企業(yè)。全球范圍來看，以Stratasys、3DSystems為代表的設(shè)備企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)了主導作用，且這些設(shè)備企業(yè)通常能夠提供材料和打印服務(wù)業(yè)務(wù)，如具有較強的話語權(quán)。

圖表：2015年全球工業(yè)級/專業(yè)級3D打印設(shè)備出貨量TOP5企業(yè)（來源：賽瑞研究整理）

2.人機交互

未來各類交互方式都會進行深度融合，使智能設(shè)備會更加自然地與人類生物反應及處理過程同步，包括思維過程、動覺，甚至一個人的文化偏好等，這個領(lǐng)域充滿著各種各樣新奇的可能性。

人與機器的信息交換方式隨著技術(shù)融合步伐的加快向更高層次邁進，新型人機交互方式被逐漸應用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域。具體表現(xiàn)在智能交互設(shè)備柔性化和智能交互設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域應用這兩個方面。在生產(chǎn)過程中，智能制造系統(tǒng)可獨立承擔分析、判斷、決策等任務(wù)，突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在工業(yè)機器人、無軌agv等智能設(shè)備配合下，更好發(fā)揮人的潛能。機器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質(zhì)是人機一體化。

來源：2017《互聯(lián)網(wǎng)周刊》

3.傳感器

中國已經(jīng)基本形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，在材料、器件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等各方面水平不斷完善，自主產(chǎn)品已達6000種，國內(nèi)建立了三大傳感器生產(chǎn)基地，分別為：安徽基地，陜西基地和黑龍江基地。政府對國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)提出了加快力度加快發(fā)展的指導方針，未來的傳感器發(fā)展將向著智能化的方向改善。

4.工業(yè)軟件

4.0車間一覽

智能工廠的建設(shè)離不開工業(yè)軟件的廣泛應用。工業(yè)軟件包括基礎(chǔ)和應用軟件兩大類，其中系統(tǒng)、中間件、嵌入式屬于基礎(chǔ)技術(shù)范圍，并不與特定工業(yè)管理流程和工藝流程緊密相關(guān)，以下提到的工業(yè)軟件主要指應用軟件，包括運營管理類、生產(chǎn)管理類和研發(fā)設(shè)計類軟件等。

廣泛應用MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、APS（先進生產(chǎn)排程）、PLM(產(chǎn)品生命周期管理)、ERP(企業(yè)資源計劃)、質(zhì)量管理等工業(yè)軟件，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的可視化和透明化。在新建工廠時，可以通過數(shù)字化工廠仿真軟件，進行設(shè)備和產(chǎn)線布局、工廠物流、人機工程等仿真，確保工廠結(jié)構(gòu)合理。在推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，必須確保工廠的數(shù)據(jù)安全和設(shè)備和自動化系統(tǒng)安全。

5.云制造

云制造即制造企業(yè)將先進的信息技術(shù)、制造技術(shù)以及新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等交叉融合，工廠產(chǎn)能、工藝等數(shù)據(jù)都集中于云平臺，制造商可在云端進行大數(shù)據(jù)分析與客戶關(guān)系管理，發(fā)揮企業(yè)最佳效能。

我們國內(nèi)，可以看到有航天科工集團開發(fā)的面向航天復雜產(chǎn)品的集團企業(yè)云制造服務(wù)平臺，接入了集團下屬各院所和基地擁有豐富的制造資源和能力；中車集團面向軌道交通裝備的集團企業(yè)云制造服務(wù)平臺，打通了軌道車輛、工程機械、機電設(shè)備、電子設(shè)備及相關(guān)部件等產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計、制造、修理和服務(wù)等業(yè)務(wù)；面向中小企業(yè)的云制造平臺，也陸續(xù)出現(xiàn)在了裝備制造、箱包鞋帽等行業(yè)領(lǐng)域。

云制造為制造業(yè)信息化提供了一種嶄新的理念與模式，云制造作為一種初生的概念，其未來具有巨大的發(fā)展空間。但云制造的未來發(fā)展仍面臨著眾多關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)，除了對于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計算、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的綜合集成，基于知識的制造資源云端化、制造云管理引擎、云制造應用協(xié)同、云制造可視化與用戶界面等技術(shù)均是未來需要攻克的重要技術(shù)。

總結(jié)

建設(shè)智能工廠無疑是制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要方式，同時應圍繞企業(yè)的中長期發(fā)展戰(zhàn)略，根據(jù)自身產(chǎn)品、工藝、設(shè)備和訂單的特點，合理規(guī)劃智能工廠的建設(shè)藍圖。在推進規(guī)范化、標準化的基礎(chǔ)上，從最緊迫需要解決的問題入手，務(wù)實推進智能工廠的建設(shè)。