智能制造未来发展动向

2015-03-28邬玉良

机器人产业 2015年2期

□文/邬玉良

邬玉良华北电力大学研究生导师九三学社中央科技委员

进入新世纪以来，以信息通信技术深度应用为显著特征的新一轮科技革命和产业变革越来越清晰地展现在我们面前。智能制造装备是高端装备的核心，是制造装备的前沿和制造业的基础，已成为当今工业先进国家的竞争目标。作为高端装备制造业的重点发展方向、信息化与工业化深度融合的重要体现，智能制造装备产业对于加快制造业转型升级，提升生产效率、技术水平和产品质量，降低能源和资源消耗，实现制造过程的智能化和绿色化发展具有重要意义。

在新常态下，以物联网、大数据、云计算为代表的新一代信息通信技术与工业相互融合、创新发展，呈现出新的方向。以智能化、网络化、自动化为核心特征的智能制造成为制造业发展的重大趋势，智能化的制造体系在欧美发达国家逐渐形成，促使全球需求结构变化与国际分工体系调整步伐加快。

信息技术与制造业的深度融合是未来产业竞争的制高点，要抢占这一制高点，就必须把智能制造作为主攻方向，组织实施好智能制造工程，不断探索大规模个性化定制、云制造等新型制造模式。

国产“大白”不是梦

你还记得电影《超能陆战队》里的“大白”吗？你是不是也想拥有这样一款又萌又有爱的机器人？在不远的未来，中国就能够制造出国产“大白”。

不只机器人，轨道交通装备、高端船舶和海洋工程装备、新能源汽车等，这些听起来“高大上”的产品都将成为中国制造转型升级的方向。

图1　英国超级机器人Titan（泰坦）

虽然这些高端的机器人离我们还过于遥远，但今天看似荒诞的幻想也许就是明天智能社会的现实。科技和产业的力量，使我们有理由期待人类与机器人共治时代的来临，而机器人的崛起之路，或将从新一轮产业革命开启。

工业机器人将被广泛采用，它们准确地、不知疲倦地完成各种简单的重复性工作，有效地提高了劳动生产率，大幅降低了生产成本。随着机器人技术的日臻成熟，工业机器人极有可能最终取代机床，成为新一代工业生产的基础。服务机器人也于近些年开始走进大众视野，并随着人工智能技术、先进制造技术和移动互联网的创新融合而飞速发展。越来越多的服务型机器人被研发出来，开始改变人类的社会生活方式。

生活中，机器人管家也将改善人类的生活方式。机器人可以帮助准备美食，收拾卫生，照顾小孩，接待访客，安排主人日常行程等。一切我们可以想到的，机器人都能帮我们完成，为我们的生活带来极大的便利。

在外观设计上，人们可以完全按照自己的所思、所想，私人定制，为你打造最完美的机器人。

图2　远程医疗机器人

在功能上，人们也能够按照自己的想法设定，并赋予其情感，使机器人陪你玩耍、帮你工作……

在维护方面，系统维修、升级只需要到厂家重新安装数据盘，即可还给你一个完好如初的机器人。

依据应用范围，我们可以将智能机器人分为工业智能机器人、农业智能机器人、服务智能机器人、探索型智能机器人。

工业智能机器人将超越传统机器人

工业智能机器人依据具体应用的不同，通常又可以分成焊接、装配、喷漆、码垛、搬运等多种类型。作为具有智能的工业机器人，他们在很多方面超越了传统机器人。在工业生产中应用机器人，可以方便迅速地改变作业内容或方式，以满足生产要求的变化。比如，改变焊缝轨迹，改变喷漆位置，变更装配部件或位置等等。随着对工业生产线柔性的要求越来越高，对各种机器人的需求也就越来越强烈。

农业智能机器人向更高层次转化

随着机器人技术的进步，以定型物、无机物为作业对象的工业机器人正在向更高层次的以动、植物之类复杂作业对象为目标的农业机器人发展，农业机器人或机器人化的农业机械的应用范围正在逐步扩大。农业机器人的研究开发目前主要集中在耕种、施肥、喷药、蔬菜嫁接、株苗移栽、收获、灌溉、养殖和各种辅助操作等方面。

探索型智能机器人或被更多使用

机器人除了在工农业上广泛应用之外，还将越来越多地用于极限探索，即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如，在水下(海洋)、太空以及在放射性、有毒、高温等环境中进行作业。空间机器人是指在大气层内和大气层外从事各种作业的机器人，包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。

服务智能机器人也是重要的应用领域

该类型机器人主要应用于清洁、护理、执勤、救援、娱乐，以及代替人对设备维护保养等场合，可以进行简单的对话、端水、送药等任务。

应用维度将逐渐扩大

从继2013年中国成为工业机器人第一大市场之后，2014年，中国市场又销售了占据全球销量四分之一的工业机器人。因此国际机器人联合会（IFR）预测，到2017年，中国的工业机器人数量将会超过世界上其他任何国家，这一巨大的市场给中国机器人这一新兴产业带来了巨大的发展机遇。

随着人工智能理论和技术的不断完善，应用范围领域也在逐渐向多方向发展。未来，人工智能虽然不能向人类一样拥有自己的意识和思维方式，但是这种自我思考的人工智能已经打破了常规。未来，人工智能带来的产品，或许将是人类智慧的“容器”。由此，对于未来人工智能的应用方向，也将成为热点领域。

汽车高速驶入智能领域

汽车在人们的日常生活中扮演着独立空间的角色，是人们在家和单位之外的“第三场所”，因而成为智能制造的重要入口。汽车与智能化的车载系统集成打开了汽车进入开放互联网的路径，使汽车成为互联网的一个关键节点。

当前，德国工业4.0如火如荼，我国也发布了《中国制造2025》国家战略，二者的核心都是智能制造。智能制造包括智能产品、智能装备、智能工厂、智能管理和智能服务等各个方面，涉及到信息化系统的集成应用，以及物联网、工业机器人、AGV、立体仓库、智能加工中心和柔性自动线的广泛应用。因此，智能制造对汽车整车和零部件企业实现转型升级具有特殊而重要的意义。

智能汽车为人们提供更加便捷的服务，比如实时导航、车位自动识别、远程诊断与救援、远程暖车等。无人驾驶汽车的出现又将在极大程度上改变人们交通出行和生活的方式，人们既可以在路上办公、上网，又能安全地到达目的地。

汽车行业是应用信息技术最为密集的行业之一，汽车产品本身已成为机电软一体化的智能产品。无人驾驶汽车、新能源及混合动力汽车、新材料的应用等已成为汽车企业关注的热点。虽然中国已跻身全球汽车行业产销第一梯队，但是汽车行业产能过剩明显，市场竞争白热化。因此，中国汽车制造企业必须有效利用信息技术(如PLM、ERP、SCM、MES、质量管理、BI、移动应用、电子商务等)改善企业管理，推进精益生产和智能制造。

智慧家居牵手互联网

“互联网+”将推动家居行业实现智能制造。家具制造企业将普遍由生产型制造向服务型制造转变，定制化生产模式和柔性制造模式将被逐步推广。

“互联网+智慧家居”将有望改变目前家具业的现状。通过对家具制造业定制化模式的不断完善，企业可以从产品研发、价格体系建立、产品设计软件、电子商务平台、工业级物料拆分、条码生产管理、设备自动接入等业务模块，实现对整个流程的监管，实现定制化、规模化。通过该模式在行业内的复制和推广，用户将便捷地通过企业电商平台完成个性化定制。待家具交付时，企业又以“搭积木”的方式完成定制化安装。更为关键的是，这些业务模块与设计、制造、装修等各个流程相互实现无缝连接。

可以预见，在“互联网+”和智能制造两大引擎的推动下，家具制造业、家居业和家装业将走出一条多维一体、融合式的发展道路，让“私人定制”实至名归。

信息技术为航空插上智能的翅膀

从马航MH370到亚航QZ8501的空难，人们一次次呼唤业界对航空安全引起足够的重视。信息技术的高速发展，以信息物理融合系统为主的智能制造革命在各个工业强国渐成共识。作为具有代表性的高科技产业，航空业也同样面临着信息技术带来的组织形态变革。

智能制造给航空产品研制过程带来的变革主要体现在如下几方面。

智能加工工艺

数字化加工过程是根据设计模型和工艺要求确定加工工艺及程序，基于空间和时间的确定性关系来完成产品制造。加工状态是依靠人员监控、事后检测来确认的，因此难以实时掌握加工过程中工况变化并及时调整，导致航空产品零部件质量一致性不稳定、表面质量状态波动大。

智能加工工艺形成一种实时优化调整模式，制造过程会增加对加工过程、时变工况的在线监测，利用智能化技术对获取的加工过程状态信息进行实时分析、评估和决策，实现对加工过程的自主学习和决策控制。通过自主学习形成工艺知识库，支持工艺设计与程序设计过程，实现工件加工工艺的自主决策设计和优化。

智能装备及智能制造单元

数控装备是按确定的空间关系和程序逻辑来运转的，随着数控系统计算处理能力的不断提升和功能部件不断发展完善，数控装备的加工效率、稳定性、灵活性、信息处理能力都有了极大的提高，基于工况的自主处理能力日趋增强。

航空制造领域的智能装备及智能制造单元主要包括智能机床、智能机器人、智能控制装置及系统、智能物流系统、传感识别及信息采集装置等，能够对制造过程中运动、功率、扭矩、能量、信息等状态进行实时监测，并实现基于规则的自主决策与自适应控制。

在国内，除传统意义上的航空工业外，航天、兵器、电子等多个有大概念飞行器设计经验或信息技术优势的机构都在大力发展无人机系统。复杂无人机系统已经被公认为未来航空制造的新高地。开发大量的信息化设计和控制模块，配合少量机体制造，或许这就是未来航空制造的主体。

未来家电离不开互联网

伴随着技术的发展，今后人们不仅可以对家用电器实现远程控制，还能通过软件控制对家电进行升级。可以想象，未来的家电会更加聪明。

在酷热的天气下一回家，你便能进入到清新凉爽的环境中，吃到温度适宜的可口饭菜。你甚至可以在回家之前就通过网络“指挥”家里的空调开始工作，让室内保持你设定的合适的温度。随着智能家电技术的发展，这些看起来好像不可思议的事情很快就会成为现实。简单来说，智能家电就是把我们家中所使用的电器与科技相结合，从而实现远程控制、远程查询。虽然每种方式不尽相同，模块程序也略有不同，但是它们的功用完全相同。家庭集中控制器和通讯模块直接构建了一个家电智能平台，它们也是智能家电技术的核心。

智能家电的突出优势使其成了未来人们生活的发展方向，而这一概念的提出缘于美国微软公司。1999年3月，他们提出以信息家电为核心的计划，该计划在某种程度上促进了智能家电的普及，同时也触动了技术人员着手考虑家电智能化的问题。为了争夺智能家电技术的领先地位，不少国家纷纷涉足智能家电与其相关制造产业的交叉领域。

智能家电产生的大量用户消费数据，将成为电子商务商家最具价值的消费数据。家电本身的运行数据则成为家电大厂商“工业互联网”的重要数据。这一切都离不开强有力的“云计算”系统的支撑。比如，将来，家里的智能冰箱会自动提醒冰箱里的水果已经过期，并推荐来自网上商城的生鲜水果。

手术也能远程做

手术机器人不是真正的自动化机器人，而是向手术提供了有用的机械化帮助。这些机器仍然需要外科医生来操作并对其输入指令。这些手术机器人的控制方法是远程控制和语音启动。

手术机器人在控制切口大小和手术精密度上比人类更灵活、更有效率。在具体医学实践中，操控得当的手术机器人或机械手臂能在切除癌细胞、子宫切除手术、心脏搭桥上可以用更精密的手法完成手术。这也就意味着机器人手术可以让伤疤遗痕更小、出血更少，医生使用机器手臂能够将创伤降至最低程度。这些机器人可以在社区医院、患者家庭、病房等场所发挥医生替身的作用。一个医生远程控制机器人，就能够长期跟踪一个患者的生活，监督其生活习惯，为其提供更为彻底的疗效。

消费电子产品变得更智能

2014年，国内消费电子大步跨入智能云时代，4G网络的全面覆盖让消费电子智能化成为行业趋势。可穿戴式产品、智能电视、智能手机、平板电脑、超级本、电子阅读器等多领域智能终端备受消费者青睐。中国已经超越美国，成为世界最大的消费电子市场。这些都是不争的事实。

捷孚凯(GfK中国)发布的《2014年中国技术型消费电子市场趋势预测》指出，2014年中国消费电子市场零售规模达到17957亿元人民币，同比增长10%。高端、智能、健康家电产品成为市场热点，万亿元级市场将为电子制造业带来极为庞大的潜力空间。

3D打印为智能制造锦上添花

3D生物打印技术是智能制造领域的前沿科技。3D生物打印的原理是利用一层层的生物构造块，制造真正的活体组织。它有两个打印头，一个放置最多达数万个人体细胞，被称为“生物墨”；另一个可打印“生物纸”。所谓的生物纸其实是以水为主要成分的凝胶，可用作细胞生长的支架。3D生物打印机使用来自患者自己身体的细胞，因此不会产生排异反应。