重塑需求牵引和技术驱动下的智能制造发展模式和技术体系

重塑需求牵引和技术驱动下的智能制造发展模式和技术体系

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引言

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智能制造空间的特征分析

随着信息技术与制造技术的不断深度融合，制造业将在制造系统、设计与制造手段、人机关系三个方面产生巨大变革，形成以“分散与集中相统一的制造系统、虚实结合的设计与制造手段、人机共融的生产方式”为３大鲜明特征的智能制造空间，并以此推进在生产组织方式、资源聚集模式、产品设计手段、人机融合关系方面的新一代智能制造的发展．

1. 制造系统的构成变革

历史上，从手工制造到大规模生产的发展实现了大众化产品的转变，而目前大规模生产正在向市场和客户驱动的个性化定制方向进行转变，并且将基于更高生产效率、更高的技术层次实现用户的个性化需求.

生产模式的历程

服务型制造

大规模个性化定制生产和服务型制造的发展趋势，使得制造模式由目前的集中式向分布式方向发展．生产链条将由更专业的单元进行灵活组织，形成分布式制造模式，这种模式的本质是企业为追求利益最大化，其技术实现有赖于信息技术，特别是网络技术的发展．但是选择集中式制造模式还是分布式制造模式，要依据效益原则，不是所有制造业都将走向大规模个性化定制生产和服务型制造．相反地，大批量标准化制造仍将是高效率的生产方式．而一部分制造企业将在云计算、大数据、３Ｄ打印、机器人等新一代信息技术的驱动和支持下，获得更强的分布式制造能力．因此，制造系统的变革将是一个循序渐进、逐步发展的过程，未来也必将形成集中式制造与分布式制造共存条件下的新一代制造系统，从而满足标准化制造、个性化定制和服务型制造等多维度制造的需求.

2. 产品设计和制造手段发生变革

虚实结合的制造手段

3. 人和制造系统的关系产生新的变革

现代新信息技术使人能够“再进入”生产系统． 人将在物理层、执行层、决策层与制造系统加强介入与合作，实现人、智能制造装备与机器人在制造过程中的合作．

人机共融的层次体系

未来人机共融不仅是生产方式变革的重要发展方向，而且是构筑智能制造空间的重要特征，也将是智能制造中的一个新模式．将机器的搜索、推理能力与人的推理、反馈、联想、顿悟、学习能力相融合，协同处理决策问题，机器有效地支持人完成组织的任务，人有效辅助监管机器进行任务执行和学习，在制造系统规划与管理、设备维护和制造执行等方面实现人机融合发展.

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未来智能制造空间结构及发展

分散与集中共存、虚实结合和人机共融将成为未来智能制造空间的主要特征，其结合关系如下图所示． 这种关系的形成是制造业需求牵引和信息技术驱动下的必然结果，关系的不断发展也必将形成的一种新的制造模式和制造环境． 在这种环境中，不仅将泛在信息技术条件下的信息技术同工业技术进行深度融合，而且利用信息技术创新发展新的工业技术．

智能制造空间

在宏观层面，智能制造空间将打破传统的物理区域限制，不断涌现的大量信息技术将推动分布式制造能力的快速发展，以便满足产品大规模个性化定制的迫切需求，生产组织体系将快速发生变革，使制造业本身形成新的制造模式和信息环境，并进一步推动生产模式的变革．

在微观技术层面，智能制造空间将加速人工智能、大数据、数字孪生、云计算等信息技术在制造业产品设计、生产方式、组织体系、管理模式等方面的深入应用，实现从产品设计、虚拟仿真到制造执行的全息化智能制造系统，并将形成智能制造空间的技术体系.

智能制造空间基础理论与技术体系

建立以人机融合、虚实结合、分集统一为主要特征的制造模式新结构和新框架，实现从需求走向实践，这涉及大量的理论有待进一步研究，包括面向服务型制造的横向集成模式；面向大批量个性化产品设计的协同创新；支持制造资源网络化、服务化和专业化的制造过程协同管理；物联网和云计算环境下新型工业软件体系结构；面向产品全生命周期工业大数据管理和信息共享安全体系；面向复杂装备的主动运维服务管理和决策优化等，都将支持智能制造空间的发展． 在核心关键技术方面，将首先在设备级制造空间、单元级制造空间、工厂跨层制造空间和跨域生产网络空间等层面上产生影响，并产生出与之相应的关键技术，具体包括：面向虚实并行的产品设计、仿真及优化；人机物三元协同与知识集成共享；支持制造企业的产品协同设计和大众参与的社会化产品设计；分散与集中共存环境下的制造资源连接、配置调度与协同优化；支持制造单元灵活自组织、服务虚拟化和全价值网络调度与优化；人机共融与互操作服务管理；人机共融过程的智能监控、健康分析、产品性能和质量评估.

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结论和展望

纵观整个制造业的发展进程，制造工艺和适应工艺的制造装备是制造业技术发展的重要内容，一直受到人们的关注． 在基于泛在信息的智能制造时代，除了制造工艺与制造装备之外，制造环境与条件的重要性越来越凸现出来，成为了制造技术进步的标志，对制造业的发展至关重要． 随着信息技术的快速发展和两化融合的深入发展，在智能制造的发展中，智能制造环境将是对制造业发展产生重要影响的领域．

智能制造空间的研究是对未来制造业信息环境和模式变革和发展的判断与预测． 我们有必要对分集统一的制造系统组织、虚实结合的制造过程、人机融合的制造手段所涉及的相关技术开展深入研究，探索其相互之间的关系、组成要素、运行机理、协同机制和演化规律，并结合新一代信息信息技术开展智能制造空间共性关键技术研究，构建智能制造空间基础设施平台、试验验证平台和公共服务平台，保障和促进智能制造的发展，为迎接制造业的大变革做好充分准备.

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