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工業(yè)制造智能化的技術(shù)本源和經(jīng)濟(jì)前景

星之球科技 來源:中國(guó)工業(yè)評(píng)論2016-05-30 我要評(píng)論(0 )   

《中國(guó)制造2025》發(fā)布近一年來,概念層面可謂異彩紛呈,從工業(yè)4.0、工業(yè)信息化到智能制造、無人工廠,目前更延伸到無人駕駛汽車、無人駕駛船舶、無人化醫(yī)療裝備等熱門領(lǐng)...

       《中國(guó)制造2025》發(fā)布近一年來,概念層面可謂異彩紛呈,從工業(yè)4.0、工業(yè)信息化到智能制造、無人工廠,目前更延伸到無人駕駛汽車、無人駕駛船舶、無人化醫(yī)療裝備等熱門領(lǐng)域,似乎工業(yè)智能化、無人化時(shí)代近在眼前。
       華為科技創(chuàng)始人任正非對(duì)此所做的判斷很客觀,他認(rèn)為,這是人工智能時(shí)代,首先要強(qiáng)調(diào)工業(yè)自動(dòng)化;工業(yè)自動(dòng)化以后,才可能走進(jìn)信息化;只有信息化后,才能智能化。中國(guó)工業(yè)現(xiàn)在還沒有走完自動(dòng)化,還有很多工業(yè)連半自動(dòng)化都做不到。
       因而,探究工業(yè)4.0、工業(yè)無人化之前,有必要了解相關(guān)概念的歷史淵源、技術(shù)本源和經(jīng)濟(jì)意義。
       自動(dòng)化是智能化的前奏
        20世紀(jì)80年代,美國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)正擔(dān)心會(huì)被日本競(jìng)爭(zhēng)者擊垮。在底特律,很多人展望以“熄燈式生產(chǎn)”打敗對(duì)手。“熄燈式生產(chǎn)”就是工廠高度自動(dòng)化,燈關(guān)著,機(jī)器人自己在制造汽車。當(dāng)時(shí),這種想法是不切實(shí)際的,日本車企當(dāng)年的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)也不在于自動(dòng)化生產(chǎn),而在于“精益生產(chǎn)”技術(shù),而精益生產(chǎn)在大多數(shù)情況下要依賴人力。
       現(xiàn)今,自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使“熄燈式生產(chǎn)”逐漸變成現(xiàn)實(shí)。日本機(jī)器人制造商發(fā)那科(FANUC)已能將其部分生產(chǎn)線置于無人值守的環(huán)境中,自動(dòng)運(yùn)行數(shù)周不出狀況。
       德國(guó)大眾旨在稱雄全球,這家汽車工業(yè)集團(tuán)制定了新的生產(chǎn)戰(zhàn)略:模塊化橫向矩。大眾汽車想借助這一全新的工藝,在同一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)所有型號(hào)的車。這一工藝最終將使大眾在世界各地的工廠因地制宜,生產(chǎn)出當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)所需的任何車型。
       很多年前,錢學(xué)森曾說過:“只要自動(dòng)控制做好了,即使元器件差一點(diǎn),導(dǎo)彈也能打上天。”
       現(xiàn)今,自動(dòng)化將在很大程度上模仿人的智能,機(jī)器人已在工業(yè)生產(chǎn)、海洋開發(fā)和宇宙探測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用,專家系統(tǒng)在醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探等方面取得顯著效果。工廠自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化將成為新技術(shù)革命的重要內(nèi)容,并得到迅速發(fā)展。
      從整體上看,中國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)在技術(shù)裝備、能源和原材料消耗、產(chǎn)品品質(zhì)和管理水平等方面與工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比仍有很大差距,尤其是技術(shù)裝備(比如高端數(shù)控機(jī)床)的差距有擴(kuò)大趨勢(shì)。大范圍設(shè)備更新,國(guó)家承受不了;維持設(shè)備現(xiàn)狀,則后果不堪設(shè)想,唯有應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),才能最有效地提高企業(yè)素質(zhì)。
       日本和德國(guó)的經(jīng)濟(jì)起飛,就是從這里開始的。1986年之前,美國(guó)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用不夠重視,以至于在汽車、機(jī)械、原材料工業(yè)、計(jì)算機(jī)、電子元器件等傳統(tǒng)行業(yè)完全喪失優(yōu)勢(shì)地位。后來美國(guó)急起直追,高度重視工業(yè)自動(dòng)化技術(shù),用自動(dòng)化技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),產(chǎn)生了巨大效益。
      中國(guó)各個(gè)行業(yè)的自動(dòng)化現(xiàn)狀遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工業(yè)強(qiáng)國(guó)。對(duì)于任何一個(gè)企業(yè)來說,沒有強(qiáng)大、先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)的支持,其產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量都難以達(dá)到世界水平。比如焊接工序,由人工操作的質(zhì)量不易控制,僅憑外觀也看不出質(zhì)量好壞。如果由工業(yè)機(jī)器人來操作,各個(gè)工藝細(xì)節(jié)都能標(biāo)準(zhǔn)化,焊接質(zhì)量、效率都會(huì)更高。
      這就是為什么即使中國(guó)經(jīng)濟(jì)增速出現(xiàn)下滑,中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng),尤其是制造業(yè)領(lǐng)域,對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的需求有增無減。自動(dòng)化技術(shù)能給“中國(guó)制造”補(bǔ)鈣,助推中國(guó)產(chǎn)業(yè)振興。 
      人工智能與無人工廠
      無人工廠是自動(dòng)化技術(shù)全面升級(jí)跨越的結(jié)果,其基本特征就是全部生產(chǎn)活動(dòng)由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,生產(chǎn)第一線配有機(jī)器人而無需配備工人。
      世界上第一座實(shí)驗(yàn)用的無人工廠在日本筑波科學(xué)城,建成于1984年4月。日本比較缺少人力,因而很早開始重視機(jī)器,率先建造了可以提高生產(chǎn)效率的無人工廠。
      在運(yùn)用了人工智能的無人工廠中,所有工作都是由計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、無人運(yùn)輸小車和自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)的,人不直接參加工作。工人成了“指揮員”和“醫(yī)生”,白天,工廠內(nèi)只有少數(shù)工作人員做一些核查,修改一些指令;夜里,只留兩三名監(jiān)視員。
      現(xiàn)今,無人工廠在汽車及飛機(jī)制造等領(lǐng)域已相當(dāng)普及。這些生產(chǎn)線幾乎都是機(jī)器人在操作,人在旁邊起輔助作用。
      不過,將人工智能真正轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用并非易事,這是一個(gè)繁雜的系統(tǒng)工程。無人工廠要突破很多關(guān)鍵性技術(shù),包括柔性化的生產(chǎn)技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)、整體安全和監(jiān)控的技術(shù)、所有機(jī)器系統(tǒng)安全的監(jiān)控等。每個(gè)機(jī)器人的狀態(tài)、每個(gè)儀器的狀態(tài),有什么問題都要提前預(yù)警。
       無人工廠中的核心裝備是工業(yè)機(jī)器人,經(jīng)歷近半個(gè)世紀(jì)的迅速發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)日趨成熟,已在諸多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,諸如汽車制造、機(jī)械制造、電子器件、集成電路、塑料加工等較大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)都涉及工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用?!?/div>
      工業(yè)機(jī)器人及其他自動(dòng)化技術(shù)代表工業(yè)自動(dòng)化的高階應(yīng)用,而最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化、無人化,還有很長(zhǎng)一段距離。
      工業(yè)價(jià)值鏈的系統(tǒng)整合是工業(yè)無人化的關(guān)鍵。工業(yè)價(jià)值鏈主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)執(zhí)行和服務(wù)等幾個(gè)部分,以前這些都是單獨(dú)實(shí)施的。如今,各種新技術(shù)把這些獨(dú)立的部分整合起來。制造業(yè)的未來在于,從這些技術(shù)當(dāng)中找到最佳結(jié)合點(diǎn),并學(xué)會(huì)將它們作為一個(gè)完整系統(tǒng)運(yùn)用起來。這樣就能獲得整合系統(tǒng)的整體優(yōu)勢(shì),從而推動(dòng)制造效率的大幅提升。
       要做到這一點(diǎn),需要制造廠商把手頭的所有高科技工具匯合起來,這非??简?yàn)綜合技術(shù)能力。
       從“智眼”到“智人”
       如果說工業(yè)無人化的關(guān)鍵在于工業(yè)價(jià)值鏈的系統(tǒng)整合,在于智能制造,那么智能制造的核心就是從“智眼”到“智人”。
       未來制造業(yè)必定向著越來越精致化、人性化、個(gè)性化的方向發(fā)展,必定要走向無人生產(chǎn)、靈動(dòng)制造之路。這都要靠智能制造來實(shí)現(xiàn),其核心競(jìng)爭(zhēng)力比的是“快速和精準(zhǔn)”。智能制造核心是“智”,就是信息獲取的快和準(zhǔn)、信息處理的快和準(zhǔn)。如同武功高手之間的對(duì)決,拼的是“手眼身法步”,而“眼力”和“招法”是核心關(guān)鍵。
       工業(yè)價(jià)值鏈的系統(tǒng)整合,需要視覺與圖像技術(shù)相結(jié)合,就是給工業(yè)設(shè)備安裝一雙超級(jí)“智眼”。未來的工業(yè)生產(chǎn)將以“智眼”為核心,裝備在千千萬萬、形形色色的設(shè)備上,指揮各種各樣的“手、腳、身體”動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)“深度感知、智慧決策、自動(dòng)執(zhí)行”,成為“智人”。
       設(shè)想一下,在一個(gè)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)車間,各種芯片和元器件的尺寸已經(jīng)從幾毫米幾十毫米縮小到幾微米幾十微米,元器件的焊接和組裝在視覺系統(tǒng)的引導(dǎo)下由機(jī)器人進(jìn)行精密操作,由于器件的尺寸和質(zhì)量都減小了幾百倍,裝配速度大幅提高,每秒鐘可以完成上百次動(dòng)作,生產(chǎn)效率提高了百倍。
       視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多角度立體成像,大范圍毫米級(jí)成像和超精密微米級(jí)成像相結(jié)合,整個(gè)系統(tǒng)同時(shí)獲取的圖像信息都可以實(shí)時(shí)處理,并綜合完成目標(biāo)定位,精確測(cè)量,發(fā)出精確動(dòng)作指令。一旦某個(gè)產(chǎn)品的一個(gè)焊點(diǎn)出現(xiàn)問題了,比如合格焊接面積2微米,實(shí)際只達(dá)到了0.85微米,這將導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)淖杩乖龃蠖构ぷ黝l率達(dá)不到正常范圍,視覺系統(tǒng)立即導(dǎo)引檢驗(yàn)機(jī)器人,剔除廢品至分支工序進(jìn)行修復(fù)。組裝車間各個(gè)成像單元監(jiān)控各種環(huán)境指標(biāo),并把全部圖像數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)綜合到中央信息服務(wù)器。問題找到了,立即進(jìn)行故障隱患排除,系統(tǒng)飛速運(yùn)轉(zhuǎn)如常。
      智能制造需要“快速和精準(zhǔn)”的視覺成像,實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、智能測(cè)量、智能檢測(cè)和智能互聯(lián)。
      智能識(shí)別是為下一步操作找到目標(biāo),目標(biāo)識(shí)別要從大量信息中找到關(guān)鍵特征,需要把海量信息快速收斂,其智能程度要求高,準(zhǔn)確度和可靠度是關(guān)鍵,這取決于智能測(cè)量的精準(zhǔn)度。在測(cè)量的基礎(chǔ)上完成。
      智能檢測(cè),根據(jù)測(cè)量結(jié)果和目標(biāo)之間的偏離度,判斷合格與否,但是檢測(cè)往往不是單一指標(biāo)的結(jié)果比較,需要多信息多指標(biāo)綜合分析判斷。
      智能互聯(lián),或者說萬物互聯(lián)(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)),是基于大數(shù)據(jù)而來的。數(shù)據(jù)互聯(lián)就像人的大腦神經(jīng)元,當(dāng)信息和節(jié)點(diǎn)超過一定數(shù)量,就能產(chǎn)生自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)造能力。工業(yè)大數(shù)據(jù)很大一部分源于視覺成像,當(dāng)圖像的海量數(shù)據(jù)在多節(jié)點(diǎn)采集互聯(lián),同時(shí)將人員、設(shè)備、生產(chǎn)物資、環(huán)境、工藝等數(shù)據(jù)互聯(lián),就會(huì)衍生出深度學(xué)習(xí)、智能優(yōu)化、智能預(yù)測(cè)等創(chuàng)新能力,顯示出大數(shù)據(jù)和智能制造的真正威力。
      低成本的產(chǎn)品定制化
      德國(guó)產(chǎn)業(yè)界將200年工業(yè)革命的歷史進(jìn)程劃分為四個(gè)階段:以蒸汽機(jī)為標(biāo)志的機(jī)械化工業(yè)革命1.0,使人的體力被解放和大幅提升;以電力為標(biāo)志的電氣化工業(yè)革命2.0實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模流水線作業(yè),開創(chuàng)了產(chǎn)品批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的新模式;以微電子和計(jì)算機(jī)為標(biāo)志的自動(dòng)化工業(yè)革命3.0實(shí)現(xiàn)了程序化自動(dòng)化生產(chǎn),不但解放了體力勞動(dòng),還部分接管了腦力勞動(dòng),工業(yè)邁入少人化;工業(yè)4.0則是向兩大方向深度推進(jìn),產(chǎn)品端是定制化,制造端是智能化、無人化。
      不要簡(jiǎn)單以為在生產(chǎn)車間內(nèi)用一款機(jī)器人代替車間工人的流水化操作就是智能工廠,或是工業(yè)無人化。
       真正的智能制造和工業(yè)無人化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此。它們是制造企業(yè)從單一產(chǎn)品制造向智能制造生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建、向產(chǎn)品加服務(wù)轉(zhuǎn)型的探索。通過智能化、無人化改造,客戶個(gè)性化產(chǎn)品單個(gè)生產(chǎn)的費(fèi)用可以變得和大批量生產(chǎn)的費(fèi)用一樣。
       將傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合的高級(jí)階段,是在未來工廠中每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)清晰可見、高度透明,整個(gè)車間悄然高效地運(yùn)轉(zhuǎn)的,工業(yè)機(jī)器人與其他自動(dòng)化設(shè)備不僅彼此協(xié)作,還與遍布全球的員工、客戶以及智能分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)作。
       信息技術(shù)的改造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的智能制造,更大的變化是生產(chǎn)組織方式:通過對(duì)客戶歷史采購(gòu)量和中長(zhǎng)期需求等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,依據(jù)產(chǎn)出能力自主安排生產(chǎn)時(shí)間和數(shù)量,客戶經(jīng)理、操作工人以及原料供應(yīng)商“串”在同一條信息鏈上。
      未來的工廠即無人化的智能工廠,就是代表高效率的樂園:次品、停機(jī)、浪費(fèi)和等待這些問題統(tǒng)統(tǒng)不復(fù)存在。工廠經(jīng)理和CIO(首席數(shù)據(jù)官)們齊心協(xié)力,確保數(shù)據(jù)和生產(chǎn)、IT和制造無縫結(jié)合起來,每個(gè)機(jī)器的每次轉(zhuǎn)動(dòng)、每個(gè)刀具的每次切割以及全球交付鏈上每個(gè)部件的每次運(yùn)輸,都一覽無遺。
       建立體系優(yōu)勢(shì),應(yīng)對(duì)國(guó)際挑戰(zhàn)
       工業(yè)無人化實(shí)質(zhì)上是工業(yè)制造智能化、高端化的一個(gè)縮影,前提是工業(yè)自動(dòng)化的持續(xù)跨越升級(jí)。邁入工業(yè)4.0,先要經(jīng)歷2.0、2.5還有3.0之路。其間要思考,一個(gè)企業(yè)、一個(gè)團(tuán)隊(duì),能否掌握信息革命的這些工具,能否攻克工業(yè)革命的堡壘?
       制造業(yè)經(jīng)過智能化改造之后,人員結(jié)構(gòu)將會(huì)從原來的一線產(chǎn)業(yè)工人占主要比重的金字塔形,向中間的技術(shù)工人越來越多的倒梯形轉(zhuǎn)變。“無人工廠”也并非完全無人,而是追求一種人與機(jī)器之間的有機(jī)互動(dòng)與平衡。
      近些年來,國(guó)內(nèi)勞動(dòng)密集型的“萬人工廠”越發(fā)逼近薄利甚至零利。企業(yè)和政府往往基于成本壓力,以“機(jī)器換人推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)”的角度去看待工業(yè)信息化和無人化。而真正應(yīng)該深入思考的,是如何利用智能裝備來改變工藝生產(chǎn)流程,解決制造周期、成本以及整個(gè)工藝流程的問題,讓產(chǎn)品更有競(jìng)爭(zhēng)力,從而實(shí)現(xiàn)全體系的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
       制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí),除了國(guó)內(nèi)高度關(guān)注的工業(yè)4.0或者是說信息化和工業(yè)化深度融合之外,還有一個(gè)維度是全球化。
       宏觀層面,政府正在推進(jìn)“走出去”戰(zhàn)略,鼓勵(lì)一些中國(guó)有優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)制造業(yè),把產(chǎn)能向海外轉(zhuǎn)移;微觀層面,國(guó)內(nèi)大型制造業(yè)企業(yè)高度強(qiáng)調(diào)要打造成國(guó)際化公司。
       可是信息化和工業(yè)化深度融合之后,必然會(huì)沖擊國(guó)內(nèi)企業(yè)的全球化思維。工業(yè)4.0模式基本上可以做到無人化,工業(yè)無人化必將沖擊全球制造業(yè)格局。不管在美國(guó)、歐洲、中國(guó)或是東南亞、南亞國(guó)家都是一樣的,基于勞動(dòng)力成本的差距消失了,整個(gè)世界的制造業(yè)格局將被改寫和刷新。
        工業(yè)4.0或者中國(guó)制造2025,都會(huì)帶來一個(gè)新的“刷屏”時(shí)代。新形勢(shì)下,怎么促進(jìn)全球化,利用什么優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)全球化?
        制造業(yè)的智能化改造已經(jīng)成為政府和企業(yè)家的共識(shí)。“機(jī)器換人”推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級(jí)、自動(dòng)化進(jìn)程,就必須在政策制定和實(shí)施過程中全面考慮到包括機(jī)器人技術(shù)發(fā)明家、企業(yè)創(chuàng)業(yè)家、產(chǎn)業(yè)資本家、應(yīng)用先行者、基地服務(wù)員和產(chǎn)業(yè)組織者六大人群的實(shí)際需求。整合資源,在系統(tǒng)層次(系統(tǒng)框架、發(fā)展方向)上尋求創(chuàng)新突破。
        面向智能制造的產(chǎn)業(yè)升級(jí)不是某項(xiàng)單一技術(shù)、甚至某個(gè)產(chǎn)業(yè)的升級(jí),而是以新的運(yùn)行方式和更緊密的產(chǎn)業(yè)互動(dòng)重塑整個(gè)工業(yè)體系。這個(gè)轉(zhuǎn)型升級(jí)不是升級(jí)幾條生產(chǎn)線、或是新一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)這么簡(jiǎn)單。它對(duì)于從系統(tǒng)層次把握工業(yè)全局(即頂層設(shè)計(jì))的能力提出了更高要求。而中國(guó)制造業(yè)未來的信息化、無人化轉(zhuǎn)型升級(jí),在于營(yíng)造“全鏈條”生態(tài)環(huán)境和產(chǎn)業(yè)體系,建立體系優(yōu)勢(shì),應(yīng)對(duì)國(guó)際挑戰(zhàn)。
 
 

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