北京航空航天大學劉強:智能制造理論體系初探

來源:智匯工業

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關鍵詞:北京航空航天大學教授 智能制造

     躬耕機電三十載,引領智造新時代。為全面回顧和總結過去30年的發展成就和寶貴經驗,展示新時代行業發展的新面貌,表彰先進,中國機電一體化技術應用協會于12月13日至14日在京舉辦成立30周年慶祝大會。

    以下為北京航空航天大學機械工程及自動化學院教授、博導劉強在中國機電一體化技術應用協會成立30周年慶祝大會上的精彩演講實錄。

      剛才屈賢明院長用活生生幾個案例,從機電一體化到智能制造做了一個生動解讀。泉州制鞋廠我前不久剛去了,它的整個生產線現在都改造了。一個完整的數字化生產線,已經具有智能化的雛形。將來是我們傳統產業向數字化、智能化升級轉型這樣一個非常好案例,以及能夠給我們帶來技術的路線途徑。

        今天給大家匯報一下,我們在智能制造理論體系架構方面的一些認識,這個話題是來源于去年器械工業出版社跟我約了智能制造教材,今年給北航工程化本科生開了智能制造課程?,F在各個教育部在我們高等院校本科專業里面設置智能制造工程這個專業,這些都使得我們對智能制造從教學、培養、研究這些方面,提出更多新的要求。因此迫使我們來思考智能制造從它的理論涉及到關鍵技術等等有關內容,怎么構建起來。

        首先是智能制造技術發展的變遷與新的挑戰,我們知道人類文明進程與制造密不可分。制造活動及其制造產物伴隨我們從工具時代、農業時代、工業時代到知識時代,是我們生產生活里的永恒主題。農業時代之后工業時代,機械化、電氣化、信息化、智能化,不同時代制造技術的發展變遷,從制造技術特點是以不同時代,以機械化、標準化、柔性自動化、人機物互聯,這個變遷過程里的技術上變遷在哪里?工業1.0到2.0,從原來作坊式機械化生產走向標準化、自動化,這個時候標準化以零件生產標準化,制造工藝的標準化,檢驗控制標準化為代表,實現初級剛性自動化,通過自動化改變制造過程的速度,以及可重復性,這是從1.0到2.0的技術變遷。

        從2.0到3.0,是高級自動化,主要是以追求效益、質量、柔性,以合理的響應能力和精度質量,適應產品的多樣性、批量波動生產,就是我們說的變批量柔性化制造。這時候自動化高級復雜的自動化,具有柔性,以數字化設計制造和網絡支持來支撐我們的制造過程,它的各種應用、監測、控制、管理、通信、交互、共享等等。

        不管在什么時期,制造業追求的目標是優質、高效、低耗、綠色。這里面四點我們也有一些解讀。未來制造面臨挑戰,有兩個輪子驅動,市場需求和技術推動,市場需求從我們的機械制造這一塊來講,我們越來越多的新難教工材料,越來越復雜的結構件,越來越高的質量要求、環境要求,以及現在個性化規?;?、定制要求交付時間,個性化定制等等。技術推動帶來技術這一塊融合,工業互聯網、IOT、大數據、云、人工智能等等,包括制造工藝上面混合制造等等,新的技術它的知識,兩個輪子有驅動的發展。

        發展過程里,從原來制造到具有相對單一的制造場景,面向機器控制這種學習,和基于經驗知識決策,以及解決可見的發生現有問題,現在轉向復雜、混合的制造場景。機器人、人、機床混合,我們工藝方法增材減財混合等等,是未來面對混合復雜制造場景。原來面向控制,機床閉環反饋,是面向控制機器學習,向深度決策的分析決策深度學習,實現大閉環的控制。

        以前決策是比較多基于人的經驗,現在基于數據證據,要求我們大數據分析,處理來進行決策。未來不可見的預見性維護,不管從底層設備到單元到生產線,預見不可見未發生問題成為我們保證需求的一個重要方面。智能制造成為未來制造發展趨勢,新的挑戰需要我們的制造系統具有預測和適應未知場景智能優化能力,能夠自感知、自感應等等實現大閉環,而不是單臺機床或者局部閉環。我們處理越來越多除了結構化數據,非結構化數據我們也要處理,支持我們決策,支持我們預測。

        不同層級的CPS,DT將虛擬仿真和物理生產過程深度融合,支撐后面系統。未來場景正是有這些變遷,智能制造成為我們是必然趨勢,也是方向。這里面對智能制造發展,它的內涵和特征,其實是一個過程。記得80年代我們上研究生的時候,這個時候已經有智能制造,這個時候提出智能制造在百度里面百度出來。從科學特征、技術特征都做了相應概述,我要提的一點,在那時候提出來的智能制造概念,它的基本思想在現在也仍然還是適用。

        最近美國智能制造創新研究院發布roadmap2017到2018的智能制造,提出智能制造的內涵解讀。智能制造是一系列的涉及業務、技術、基礎設施及勞動力的實踐活動,通過整合運營技術和信息技術OT和IT的工程系統,來實現制造的持續優化。這里提出基礎設施還有人他們四個維度,以及OT和IT系統工程,最終實現制造工程持續優化。

        我們中國制造2025強國戰略研究,智能制造內涵是是制造技術與數字技術、智能技術及新一代信息技術的融合,是面向產品全生命周期的具有信息感知、優化決策、執行控制能力等等。工信部智能制造發展規劃2016到2020報告里面,指出了智能制造基于新一代信息通信技術,ICT技術,與先進制造技術深度融合,貫穿于設計、生產、管理等等。

        基于前面的相關工作,結合新的技術發展變遷,應對未來得挑戰,我們對工業4.0時代智能制造內涵做出一個自己的新的認識。智能制造是先進制造技術與新一代信息技術,新一代人工智能等新技術深度融合形成的新型生產方式和制造技術,他以產品全生命周期價值鏈的數字化、網絡化為集成,以企業內部縱向管理集成,企業外部化網絡為支撐。進行具有動態感知,實時分析,自主決策和精準執行的功能的智能制造。智能制造歸結起來一個核心CPS,兩大主題,智能工廠、智能生產,三相集成,橫向集成,垂直集成,端到端集成一個核心,賽博物理系統,十字目標,優質高效、低耗、綠色安全。對于智能制造認識和發展,我們提出智能制造理論體系架構,我們研究給出來。

        智能制造分成幾個部分,從理論基礎、支撐基礎、核心主題、總體目標、實施途徑、使能技術。首先是理論基礎,闡明智能制造過程,基本概念,范疇、基本原理。設計智能制造的基礎概念術語定義,內涵、外延、特征、構成要素、參考架構、標準規范等等。第二部分是技術基礎,發展智能制造工程技術基礎和基礎性設施條件等,設計工業的四基。核心基礎零部件、元件、先進基礎工藝,關鍵基礎材料,產業技術基礎。

        支撐技術,屬于智能制造的關鍵技術,涉及支撐智能制造發展的新一代信息技術和人工智能技術等關鍵技術,主要包括傳感器、工業互聯網、物聯網、大數據、云計算、邊緣計算、虛擬現實、增強現實、人工智能、數字孿生等等。這些隨著發展還會有新的出現。

        還有一個方面,面向應用的使能技術,屬于智能制造專業技術,涉及智能制造系統集成和應用使能的關鍵技術,歸結為三大集成技術和應用使能技術,主要包括如下技術:端到端集成,縱向集成,橫向集成,動態感知,實時分析,自主決策。

        兩個核心主題,要闡述構成智能制造的核心內容,和主要任務,概括為一個核心,CPS,以及基于CPS構成的賽博物理系統;智能工廠和智能生產兩大主題,進一步把智能服務和智能物流加進來,四大主題是CPS和CPPS實現形式和載體。

        發展模式方面,闡述智能制造發展演進階段的劃分,特點和范式,包括6個發展階段以及三個演進范式。實施途徑方面,我們希望能夠闡述實施智能制造原則和給出推進智能制造實施落地的步驟建議。包括智能制造的三要三不要原則,以及規范實施五步建議。最終是我們總體目標,圍繞闡述清楚優質、高效、低耗、綠色、安全的具體內容。這是我們對智能制造剛才一個理論框架,架構,我們的一個設想,這個設想是我們基于自己研究、思考、認識得出一個結果。

        最后把智能制造發展模式和路徑這方面研究做一個簡要介紹。這里列舉幾個實實在在的例子,智能制造數字化制造落地都有實例。

        我們航天制造企業在航天基于需求工藝分析的制造裝備創新過程,首先從工藝不要在落后工藝基礎上搞好自動化,我們工業2.0都要首先解決。4.0更要解決,能把航天火箭制造的傳統制造工藝里面三大主要工藝,化學銑削,鏡像銑削;還有手工熔焊,到FSW,把手工化銑改成數控多種多頭。從制造工藝分析改進變革入手,提出裝備需求,裝備需要解決的問題和技術,創新設計最后實現裝備創新。工藝突破牽引高端裝備創新研發,裝備是工藝的載體,也是保證工藝實現的手段??偨Y會上專家提出,不要在落后的工藝基礎上搞自動化。從設備層的數字化,工藝改了,數字化都是數控,把智能化運輸物流,車間里面的數字化建模,制造過程管理結合起來,構建起航天制造,新一代航天制造智能制造系統,IMS。這樣實現一個他們也在走向智能化的過程里面。

        先進制造工藝及裝備技術我們要關注,一定要首先解決工藝問題,傳統落后工藝肯定在這基礎上搞不成,搞不好我們的自動化、數字化和智能化。先進管理模式也是得到先進制造模式和技術,現代管理模式和技術,如果還是在落后管理基礎上,是搞不成我們數字化和智能化。數字化轉型是實現制造企業轉型升級的關鍵,網絡化是企業實現資源共享,集成重組,動態聯盟的前提。不要在不具備數字網絡化時候來搞智能化。

        作為標準規范先行方面也有很多案例,李克強總理提出先進標準倒閉中國制造升級。我們在智能制造強國戰略里面提出中國智能制造標準化和參考模型,從生命周期維度、系統層級維度,智能特征維度,以及架構,已經體現我們智能制造推進過程里面標準規范先行的理念。

        希望在后面推進過程里面,對CPS進一步理解,CPS應用是一個過程,是一個長遠的過程,不要一蹴而就。

        我們也提出智能制造實施很多步驟,需求分析、網絡基礎設施建設、互聯可視數字化,現場數據驅動動態優化,虛實融合智能生產。希望給智能制造企業往這方面的落地提供參考和指導。智能制造發展模式,從發展階段來講,德勤曾經給出一個計算機化、連接、可視、透明、預測、自適應6個階段。

        基于前面這些認識和分析,我今天講智能制造理論體系架構的初探,更多是從學術和教學研究范疇來提。CPS賽博物理系統和信息系統,CPPS是基于在工業4.0里面提出來的,CPS是更廣義的,可以在設備系統,在我們智能制造里具體化,從學術角度我們還是希望看中他原本的面目。

    (審核編輯: 林靜)

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