北京航空航天大学刘强:智能制造理论体系初探

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关键词:北京航空航天大学教授 智能制造

     躬耕机电三十载,引领智造新时代。为全面回顾和总结过去30年的发展成就和宝贵经验,展示新时代行业发展的新面貌,表彰先进,中国机电一体化技术应用协会于12月13日至14日在京举办成立30周年庆祝大会。

    以下为北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授、博导刘强在中国机电一体化技术应用协会成立30周年庆祝大会上的精彩演讲实录。

      刚才屈贤明院长用活生生几个案例,从机电一体化到智能制造做了一个生动解读。泉州制鞋厂我前不久刚去了,它的整个生产线现在都改造了。一个完整的数字化生产线,已经具有智能化的雏形。将来是我们传统产业向数字化、智能化升级转型这样一个非常好案例,以及能够给我们带来技术的路线途径。

        今天给大家汇报一下,我们在智能制造理论体系架构方面的一些认识,这个话题是来源于去年器械工业出版社跟我约了智能制造教材,今年给北航工程化本科生开了智能制造课程。现在各个教育部在我们高等院校本科专业里面设置智能制造工程这个专业,这些都使得我们对智能制造从教学、培养、研究这些方面,提出更多新的要求。因此迫使我们来思考智能制造从它的理论涉及到关键技术等等有关内容,怎么构建起来。

        首先是智能制造技术发展的变迁与新的挑战,我们知道人类文明进程与制造密不可分。制造活动及其制造产物伴随我们从工具时代、农业时代、工业时代到知识时代,是我们生产生活里的永恒主题。农业时代之后工业时代,机械化、电气化、信息化、智能化,不同时代制造技术的发展变迁,从制造技术特点是以不同时代,以机械化、标准化、柔性自动化、人机物互联,这个变迁过程里的技术上变迁在哪里?工业1.0到2.0,从原来作坊式机械化生产走向标准化、自动化,这个时候标准化以零件生产标准化,制造工艺的标准化,检验控制标准化为代表,实现初级刚性自动化,通过自动化改变制造过程的速度,以及可重复性,这是从1.0到2.0的技术变迁。

        从2.0到3.0,是高级自动化,主要是以追求效益、质量、柔性,以合理的响应能力和精度质量,适应产品的多样性、批量波动生产,就是我们说的变批量柔性化制造。这时候自动化高级复杂的自动化,具有柔性,以数字化设计制造和网络支持来支撑我们的制造过程,它的各种应用、监测、控制、管理、通信、交互、共享等等。

        不管在什么时期,制造业追求的目标是优质、高效、低耗、绿色。这里面四点我们也有一些解读。未来制造面临挑战,有两个轮子驱动,市场需求和技术推动,市场需求从我们的机械制造这一块来讲,我们越来越多的新难教工材料,越来越复杂的结构件,越来越高的质量要求、环境要求,以及现在个性化规模化、定制要求交付时间,个性化定制等等。技术推动带来技术这一块融合,工业互联网、IOT、大数据、云、人工智能等等,包括制造工艺上面混合制造等等,新的技术它的知识,两个轮子有驱动的发展。

        发展过程里,从原来制造到具有相对单一的制造场景,面向机器控制这种学习,和基于经验知识决策,以及解决可见的发生现有问题,现在转向复杂、混合的制造场景。机器人、人、机床混合,我们工艺方法增材减财混合等等,是未来面对混合复杂制造场景。原来面向控制,机床闭环反馈,是面向控制机器学习,向深度决策的分析决策深度学习,实现大闭环的控制。

        以前决策是比较多基于人的经验,现在基于数据证据,要求我们大数据分析,处理来进行决策。未来不可见的预见性维护,不管从底层设备到单元到生产线,预见不可见未发生问题成为我们保证需求的一个重要方面。智能制造成为未来制造发展趋势,新的挑战需要我们的制造系统具有预测和适应未知场景智能优化能力,能够自感知、自感应等等实现大闭环,而不是单台机床或者局部闭环。我们处理越来越多除了结构化数据,非结构化数据我们也要处理,支持我们决策,支持我们预测。

        不同层级的CPS,DT将虚拟仿真和物理生产过程深度融合,支撑后面系统。未来场景正是有这些变迁,智能制造成为我们是必然趋势,也是方向。这里面对智能制造发展,它的内涵和特征,其实是一个过程。记得80年代我们上研究生的时候,这个时候已经有智能制造,这个时候提出智能制造在百度里面百度出来。从科学特征、技术特征都做了相应概述,我要提的一点,在那时候提出来的智能制造概念,它的基本思想在现在也仍然还是适用。

        最近美国智能制造创新研究院发布roadmap2017到2018的智能制造,提出智能制造的内涵解读。智能制造是一系列的涉及业务、技术、基础设施及劳动力的实践活动,通过整合运营技术和信息技术OT和IT的工程系统,来实现制造的持续优化。这里提出基础设施还有人他们四个维度,以及OT和IT系统工程,最终实现制造工程持续优化。

        我们中国制造2025强国战略研究,智能制造内涵是是制造技术与数字技术、智能技术及新一代信息技术的融合,是面向产品全生命周期的具有信息感知、优化决策、执行控制能力等等。工信部智能制造发展规划2016到2020报告里面,指出了智能制造基于新一代信息通信技术,ICT技术,与先进制造技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理等等。

        基于前面的相关工作,结合新的技术发展变迁,应对未来得挑战,我们对工业4.0时代智能制造内涵做出一个自己的新的认识。智能制造是先进制造技术与新一代信息技术,新一代人工智能等新技术深度融合形成的新型生产方式和制造技术,他以产品全生命周期价值链的数字化、网络化为集成,以企业内部纵向管理集成,企业外部化网络为支撑。进行具有动态感知,实时分析,自主决策和精准执行的功能的智能制造。智能制造归结起来一个核心CPS,两大主题,智能工厂、智能生产,三相集成,横向集成,垂直集成,端到端集成一个核心,赛博物理系统,十字目标,优质高效、低耗、绿色安全。对于智能制造认识和发展,我们提出智能制造理论体系架构,我们研究给出来。

        智能制造分成几个部分,从理论基础、支撑基础、核心主题、总体目标、实施途径、使能技术。首先是理论基础,阐明智能制造过程,基本概念,范畴、基本原理。设计智能制造的基础概念术语定义,内涵、外延、特征、构成要素、参考架构、标准规范等等。第二部分是技术基础,发展智能制造工程技术基础和基础性设施条件等,设计工业的四基。核心基础零部件、元件、先进基础工艺,关键基础材料,产业技术基础。

        支撑技术,属于智能制造的关键技术,涉及支撑智能制造发展的新一代信息技术和人工智能技术等关键技术,主要包括传感器、工业互联网、物联网、大数据、云计算、边缘计算、虚拟现实、增强现实、人工智能、数字孪生等等。这些随着发展还会有新的出现。

        还有一个方面,面向应用的使能技术,属于智能制造专业技术,涉及智能制造系统集成和应用使能的关键技术,归结为三大集成技术和应用使能技术,主要包括如下技术:端到端集成,纵向集成,横向集成,动态感知,实时分析,自主决策。

        两个核心主题,要阐述构成智能制造的核心内容,和主要任务,概括为一个核心,CPS,以及基于CPS构成的赛博物理系统;智能工厂和智能生产两大主题,进一步把智能服务和智能物流加进来,四大主题是CPS和CPPS实现形式和载体。

        发展模式方面,阐述智能制造发展演进阶段的划分,特点和范式,包括6个发展阶段以及三个演进范式。实施途径方面,我们希望能够阐述实施智能制造原则和给出推进智能制造实施落地的步骤建议。包括智能制造的三要三不要原则,以及规范实施五步建议。最终是我们总体目标,围绕阐述清楚优质、高效、低耗、绿色、安全的具体内容。这是我们对智能制造刚才一个理论框架,架构,我们的一个设想,这个设想是我们基于自己研究、思考、认识得出一个结果。

        最后把智能制造发展模式和路径这方面研究做一个简要介绍。这里列举几个实实在在的例子,智能制造数字化制造落地都有实例。

        我们航天制造企业在航天基于需求工艺分析的制造装备创新过程,首先从工艺不要在落后工艺基础上搞好自动化,我们工业2.0都要首先解决。4.0更要解决,能把航天火箭制造的传统制造工艺里面三大主要工艺,化学铣削,镜像铣削;还有手工熔焊,到FSW,把手工化铣改成数控多种多头。从制造工艺分析改进变革入手,提出装备需求,装备需要解决的问题和技术,创新设计最后实现装备创新。工艺突破牵引高端装备创新研发,装备是工艺的载体,也是保证工艺实现的手段。总结会上专家提出,不要在落后的工艺基础上搞自动化。从设备层的数字化,工艺改了,数字化都是数控,把智能化运输物流,车间里面的数字化建模,制造过程管理结合起来,构建起航天制造,新一代航天制造智能制造系统,IMS。这样实现一个他们也在走向智能化的过程里面。

        先进制造工艺及装备技术我们要关注,一定要首先解决工艺问题,传统落后工艺肯定在这基础上搞不成,搞不好我们的自动化、数字化和智能化。先进管理模式也是得到先进制造模式和技术,现代管理模式和技术,如果还是在落后管理基础上,是搞不成我们数字化和智能化。数字化转型是实现制造企业转型升级的关键,网络化是企业实现资源共享,集成重组,动态联盟的前提。不要在不具备数字网络化时候来搞智能化。

        作为标准规范先行方面也有很多案例,李克强总理提出先进标准倒闭中国制造升级。我们在智能制造强国战略里面提出中国智能制造标准化和参考模型,从生命周期维度、系统层级维度,智能特征维度,以及架构,已经体现我们智能制造推进过程里面标准规范先行的理念。

        希望在后面推进过程里面,对CPS进一步理解,CPS应用是一个过程,是一个长远的过程,不要一蹴而就。

        我们也提出智能制造实施很多步骤,需求分析、网络基础设施建设、互联可视数字化,现场数据驱动动态优化,虚实融合智能生产。希望给智能制造企业往这方面的落地提供参考和指导。智能制造发展模式,从发展阶段来讲,德勤曾经给出一个计算机化、连接、可视、透明、预测、自适应6个阶段。

        基于前面这些认识和分析,我今天讲智能制造理论体系架构的初探,更多是从学术和教学研究范畴来提。CPS赛博物理系统和信息系统,CPPS是基于在工业4.0里面提出来的,CPS是更广义的,可以在设备系统,在我们智能制造里具体化,从学术角度我们还是希望看中他原本的面目。

    (审核编辑: 林静)