中国家居智能制造技术研究与应用进展

2022-04-15熊先青岳心怡

林业工程学报 2022年2期

熊先青，岳心怡

(南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

中国家居产品制造技术已经从传统的手工制造技术、工业化制造技术向着信息化和数字化制造技术迈出了坚实的一步，逐渐向着智能制造技术快步推进[1-2]。这其中定制家具的快速发展，为家居智能制造技术升级起到了关键作用[3]。定制家具制造模式自2002年前后被提出，经历了产品标准化技术、信息化管控技术、信息采集与处理技术、柔性制造技术、信息集成平台构建技术等研发过程[4-6]。直到2015年，我国在《政府工作报告》中首次提出实施“中国制造2025”构想，要求通过信息化和工业化“两化”的深度融合，引领和带动整个制造业的发展，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平[7-8]。形成了以创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展为特点的第一个智能制造10年行动纲领，加快实施从制造大国向制造强国的战略转变，也是我国制造业所要占据的一个制高点[9-10]。至此，中国家居行业才真正逐渐进入了智能制造时代，形成了具有中国家居行业特色的数字化和智能制造技术体系。

同时，受互联、融合、协同、互动和去中介化、快捷高效等互联网思维影响，智能化制造技术正深刻改变着作为传统制造业的家居生产模式和产业形态。家居制造模式的最大变化是制造与服务的界限不再明显，行业逐渐开始以制造为基础，由生产型制造转向服务型制造、由家具产品制造商转向家居系统解决方案服务商转变[11]。面对这些变化，家居行业智能制造过程也面临着新的问题，不同程度地给家居智能制造过程带来了新挑战[12]，如何推动家居行业数字化智能制造的快速发展，适应国家“用高新技术改造传统制造业，快速推进智能制造技术在传统行业中的应用”战略，是每个学者、行业和社会共同关注和思考的问题。

基于此，笔者通过分析家居行业技术升级和生产模式变化的转型之路，结合文献综述、自身科研和企业实地调研等方法，总结了中国家居智能制造近20年来的技术研究和应用情况，并依据现有技术和应用现状提出了家居行业智能制造发展的新思路，为家居行业智能制造再上一个新台阶提供借鉴和思考。

1 家居智能制造技术研究应用现状

1.1 家居产品数字化设计技术体系的形成

依据大规模定制家具制造模式和信息化管理技术理论，家居智能制造的首要变化是家居产品的设计技术发生了根本改变。依据文献和对企业的实地调研，相对传统的家居产品设计，在智能制造模式下，产品的设计技术由传统的手工绘制设计向着数字化设计转变。家居数字化设计是指运用具体的三维软件工具，通过设计数据采集、数据处理和数据显示，实现家具模型的虚拟创建、修改、完善、分析与展示等一系列的数字化操作。目前已经初步形成了面向家居智能制造的数字化设计技术体系[4]。该体系包括数字化家居产品模型构建技术、家居产品数字化设计拆单和加工一体化技术、家居产品数字化设计信息交互与处理技术、家居产品数字化设计信息展示技术。

数字化家居产品模型构建技术，主要从产品族规划与标准模块数字化技术和产品成组分类与信息编码技术两个方面进行了突破，在构建结构标准零件库、材料及半成品型材库、型材截面图形库及其参数库、强度分析库等的基础上，形成了完整的家居产品设计数据库。并依据产品族零部件和产品结构相似性、通用性，建立了产品族模型所需质量功能配置、相容决策支持、BOM表和实物特性表等信息内容，不仅为客户与设计人员提供数据化设计信息交流平台，更为网上数字化虚拟展示与协同定制设计提供便捷。

数字化设计拆单和加工一体化技术，是在定制家居产品订单流程分析的基础上，如何将设计信息与数字化加工设备需求信息共享，形成设计与制造一体化。笔者依据前期大量调研分析结果，结合目前企业的实际应用情况，形成板式和实木家具的数字化设计拆单、加工一体化过程，如图1、图2所示。

图1 板式家居数字化设计拆单、加工一体化过程Fig. 1 The integrated process of digital design and processing of panel furniture

图2 实木家居数字化设计拆单、加工一体化过程Fig. 2 The integration process of digital design and processing of wooden furniture

数字化设计信息交互与处理技术，是通过插件技术和BI大数据分析，建立企业内各软件间共享系统接口技术。实现设计信息自适应、云端自存储、自设计等功能，并将数据与加工设备对接。解决传统图纸信息出错率高、设计信息孤岛、智能化程度低等难题。

家居产品数字化设计信息展示技术，是通过虚拟现实、3D渲染、一体化等技术手段，通过云渲染、云设计、BIM、VR、AR、AI 等技术的研发，实现从设计到销售、生产、物流的整个家居产业链设计数据共享，达到3D云设计的要求，以数字化与智能化手段让家居产业的销售、设计、制造变得更简单、高效。该技术已逐渐发展为“家装智能3D设计+场景生态+智能制造+精细化管理”融为一体的虚拟现实技术。

1.2 实现从“烟囱”到“管道”的信息化管理技术转变

在家居智能制造模式下，面对产品生命周期缩短、产品交货(上市)期的竞争、用户需求个性化的生存环境变化、全球竞争的企业经营战略和内部管理的规范化等问题，企业如何实现内部高效运作、外部信息及时掌握、科学决策等，都需要企业从管理上发生根本的转变，而管理技术的基础是信息共享和及时处理技术。中国家居智能制造通过近20年的发展，信息处理技术最根本的变化就是实现了从“烟囱”到“管道”的信息化技术转变。即信息处理过程由传统的人工和纸质流转为主，易造成信息在企业的不同部门滞留和中断，通过将企业内、外部资源的静、动态数据信息进行优化整合，并对业务流程重组优化，实现信息在企业的流转与共享，彻底改变家居智能制造过程信息的“孤岛”问题，突破了ERP、MES等多软件的信息集成[13-14]。

ERP技术[15]主要是实现了传统单据信息数字化传送、物料需求计算、生产计划制定、采购任务生成、出入库信息记录、单据生成打印等业务功能管控，包括：基础数据管理、信息综合管理、信息决策管理等技术。其中，基础数据管理技术，是将企业产品、半成品、原材料、部门架构、单据属性、客户资料、供应商资料等基础信息进行数字化整合，实现数据采集管理、数据属性管理和数据档案管理等；信息综合管理技术，主要包括两块，一是数据处理技术构建，是将定制家具企业动、静态基础数据、销售订单、采购任务、仓储数据、物流、生产资料数据、财务数据等信息资料进行整合、分析与综合，将数据群进行计算，生成符合目标企业决策需要的统计报表；二是业务功能模块构建，是依据定制家具企业的组织架构和生产特征，按功能进行划分模块，通过业务部门间工作流、信息流、数据流以数字化的形式进行处理与传输，满足业务流程协同管理、动态数据过程管控、企业资源数字化流通；信息决策管理技术，根据基础数据、综合信息以及外部资料为企业进行决策性管理服务，其决策以企业资源优化为目标，实现计划调度管控、产品质量管控和决策信息反馈；

MES技术[16-17]主要是通过网络(Web)将企业的数控设备、各类优化软件及管理软件(ERP)进行优整合，并对车间及仓库的硬件、网络情况、点位进行布置，形成了MES系统，实现生产计划、数控加工任务、车间加工过程跟踪、包装信息记录等动态管控，包括订单计划管理、生产车间管理和信息集成等核心技术。其中，订单计划管理技术通过MES系统进行工艺分析与计算、自动进行排产，通过设计二维码标签、优化工艺流程和生产线等信息实现加工信息自动形成与流转、加工信息与数控设备的对接及车间计划与调度自管控等；研发了零部件工艺成组技术、零部件工序自加工技术和可视化车间管控技术。

在实践应用过程中，为更好地发挥ERP系统在大规模定制家具企业的资源优化配置，实际运行过程中，往往需要同企业的其他信息化协同管理系统(如MES、OA、CRM等)及相关外部设备(如PDA扫描器、射频设备等)进行数据交互，从而满足企业信息化系统数据共享流通及设备参数配置管控的作用。目前已经实现了由ERP与MES双系统运行到ERP与MES合二为一，如图3、图4所示。

图3 大规模定制家居ERP系统集成与拓展功能Fig. 3 Integration and expansion of mass customization home ERP system

图4 大规模定制家居MES系统组成及与相关系统、外围设备的集成Fig. 4 Mass customization furniture MES system components and integration with related systems peripherals

1.3 研发了定制家居揉单生产模式技术体系

中国家居智能制造经过近20年的探索，最为突出的一点是实现了从订单式生产向着揉单式生产转变，即实现了揉单式生产，并形成了定制家居揉单生产技术体系。所谓揉单生产，是由柔性制造系统(flexible manufacturing system，FMS)，即数控加工设备(数控设备和传统设备)、物料运储装置(工件输送系统)和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。包括多个柔性制造单元(flexible manufacturing cell，FMC)，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整。通过柔性制造技术(flexible manufacturing technology，FMT)[18]和成组技术(group technology，GT)原理[19]，即根据零部件的生产工艺特性进行零部件族规划，将规划后的零部件毛坯数控机床(computer numbering control，CNC)设备和普通设备构成的加工系统，然后依据中央计算机发出的指令完成各工序加工。在加工过程中，工件将被自动识别、刀具将被自动换取、切削过程将会自动转换、设备不需停机的情况下更换新零部件、整个过程将被自动监控，从而实现多品种工件的加工。与传统的制造模式相比，柔性生产改变的是传统的“以产定消”模式，更加适合以消费者为导向，多品种、中小批量生产的“以需定产”的大规模定制生产模式。目前形成的揉单式生产技术体系主要包括：标准化的产品设计与工艺规范技术和模块化柔性生产技术。

标准化产品设计与工艺规范技术，开发和建立了定制家具产品的三维参数化零部件数据库，通过简化设计，建立家具产品族的规划与数字化标准模块，并依据成组分类与信息编码技术，制定家具编码的档案管理体系、形成产品和零部件的标准化管理，体现产品设计柔性；通过建立工艺术语与符号标准化，加工余量、公差、工艺规范等工艺要素标准化，刀具、机床夹具、机床辅具等工艺装备标准化，工艺规程、工艺守则、材料定额等工艺文件标准化，实现工艺过程快速变化体现工艺柔性；通过管控过程规范化，将相同零件组的典型工艺、某工序的典型工艺、标准件和通用件典型工艺等，通过数字化处理，从而形成标准的数字化工艺过程；并将家具生产过程中的各环节及相关因素形成统一的标准，实时收集生产过程中数据并做出相应的分析和处理，为企业提供快速反应、有弹性、精细化的环境。

模块化柔性生产技术，是将结构、功能和工艺相似的定制家具产品进行分类，并依据成组技术模型分析，形成成组技术方案；通过工艺路线匹配与分组，提取产品族或零部件族及其典型工艺特点的共有属性，形成参数化典型工艺和典型工艺模板，实现从订单式生产方式向揉单式生产方式的转变，从而完成自动揉单与零部件制造过程流转；并依据大规模定制家具产品结构特征和工艺特征，形成零部件族的典型工艺模块、工序的典型工艺模块及标准件和通用件的典型工艺模块。同时，通过生产过程重组技术，将功能和工艺相似的零件集中生产，将尺寸和形状相同的零件进行集中备料，采用通过式加工和工序分化的形式实现生产过程的重组。

1.4 搭建了数字化动态管控技术平台

中国家居智能制造在经历了数字化设计、信息化管理和柔性制造过程的技术理论研究和产业化实践之后，初步形成了制造过程的数字化动态管控技术平台。该平台的技术特征主要包括三方面：一是研发了基于自动识别技术的家居零部件加工过程的信息采集与处理方法；二是构建了可视化车间管控方法；三是集成了多软件共享数据平台。

零部件加工过程的信息自动采集与处理技术[20]，主要利用条形码技术、二维码技术和RFID技术，形成了物料编码技术和物料流转过程的信息采集与处理技术，进行家居产品物料管理，实现物料和零部件加工和流转过程动态可控。

构建的可视化车间管控方法，是依托ERP系统、MES系统、数据采集设备等组成的实时动态监控技术，由现场数据采集、数据处理与分析、现场信息反馈等模块构成。通过车间各岗位标签扫描，实现加工时间、加工进度、设备产能的数据实时采集、车间的LED看板实时展示等车间实时管控过程。

集成了多软件共享数据平台[21-22]，采用插件技术和大数据分析，突破脚本建模、插件、数据库重构等系统开发技术；采用基于业务流的标准系统设计方法、标准的B/S体系结构和C/S体系结构，在分析企业作业现状和预测未来发展的基础上，对MES系统和ERP系统信息进行优化升级；结合WMS和WCS系统，通过接口技术开发，构建以Web技术为基础的定制家居产品2020+ERP+MES+WCS+WMS信息集成与共享平台，实现定制家居可视化动态管理。

1.5 家居智能制造技术应用情况

通过十多年的努力，我国家居行业逐渐形成了一套比较成熟的智能制造技术，通过标准化技术构建、柔性制造技术研究、自动信息采集技术研究、数字化木工设备研发及数字化管控平台搭建等，取得了不少成果，并在企业实践中得到应用。

2006年，借助广东省广州市科技局科技项目，维尚工厂和圆方软件公司合作承担，进行国内第一个家具信息化成果“中国家具企业大规模定制生产”鉴定。此技术不仅为尚品宅配智能制造(国内第一个家居智能制造示范基地)打下坚实基础，更为家居智能制造技术快速发展提供科学的理论借鉴依据。

2010年，借助“十一五”国家科技攻关项目和“863”计划重点项目课题，南京林业大学与厦门金牌橱柜联合承担了国家高技术项目 “木竹制品规模化定制敏捷制造技术”。该技术的研发，以信息技术与计算机技术对传统家居企业的各种资源的进行优化配置、全程监控与集成管理，使个性化定制家居产品生产周期缩短1/3，提高原料利用率5%，降低能耗10%，产品成本降低10%。2012年顺利通过科技部验收。

2014年，南京林业大学联合南京普瑞迪信息科技有限公司、南京汉特家具有限公司共同合作，对“基于家具木制品定制的ERP/MES智能系统实时管控技术”校企合作项目进行了研究和产业化，突破了基于非线性工艺的排产管理技术、基于ERP/MES的生产成本信息共享技术、基于EPR/MES的产品生命周期(PLM)逆向物流(RL)管理技术。该技术成果通过国家林业局科技司技术鉴定(鉴字[2016]第13号)。

2015年，借助浙江省两化深度融合智能制造专项计划，南京林业大学与浙江升华云峰新材股份有限公司合作承担了 “大规模定制整体衣柜智能制造管理系统” (浙经信信息[2015]246号)项目，联合对定制整体衣柜的智能制造技术进行了攻关。该技术突破了定制衣柜的数字化设计技术、数字化制造技术和数字化管理技术的“瓶颈”，形成了“智能化整体定制家居集成新技术” (证书编号20160809)，获得浙江省经信委组织的验收和技术鉴定。

2020年，借助“十三五”国家重点研发计划课题“木质家居产品柔性制造技术”，通过将产品设计和制造的数据信息进行交互与共享，通过数字化设计与信息化制造的生产方式实现柔性制造，完成定制家居产品一键下单、设计与制造一体化，实现大规模定制家居智能制造。研发的“定制家居产品三维参数化设计与虚拟展示关键技术”和“定制家居产品柔性制造与智能分拣关键技术”成果于2020年12月经过中国林学会科技成果评价，目前处于国际领先水平。

2 家居智能制造技术面临的新形势

2.1 家居产品属性和价值的变化

随着家居产业的快速发展，家居产品属性已经从传统的单一产品向着系统或系列产品转变，从而直接影响着消费模式的变化，即：产品需求上，实现从“单一产品”向着“套餐包”的形式转变；产品销售宣传上，实现从“单一产品销售”向着“场景化包装”的形式转变；销售渠道上，实现“线下为主”向着“O2O”的形式转变；客户认知上，实现“卖场+门店”向着“虚拟体验馆”的转变。同时，家居产品的价值增值也已经从传统制造的“材料+制造”向着智能制造时代的“材料+知识+制造资源+服务”的转变，即要求家居产品整个制造过程具备可持续发展和全生命周期的理念。由此可知，随着家居产品属性和价值的变化，要求产品从设计与软件开发、数字化加工和功能性材料的研发到过程管理、用户服务、营销模式和回收再造的整个过程具备数字化和信息化的意识，才能适应这种变化。

2.2 时代背景对家居智能制造的影响

一方面，国家新政方面：2020年中央经济工作会议精神，明确了着力推动高质量发展和双循环新格局，即构建国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局。采取差异化调控措施、及时科学精准调控确保房地产市场平稳健康发展和《关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》，从而激活住房消费；通过脱贫攻坚成果推动消费、农村设施建设，形成潜在的消费市场。与此同时，2020年11月18日的国务院常务会议指出，要提振汽车、家电家具家装等大宗消费重点消费。具体来说，要实施扩大内需战略，进一步促进大宗消费、重点消费，释放农村消费潜力，促进家电家具家装消费，鼓励有条件的地区对淘汰旧家电家具并购买绿色智能家电、环保家具给予补贴等。国家新政策的颁布和实施必将对家居智能制造技术产生重大影响。

另一方面，技术层面：包括互联网和大数据、工业4.0、虚拟现实(VR)、3D打印、5G通信、人工智能AI等新技术的快速发展，不仅正在改变人类生活方式，带来了生活、消费模式的变化，更为传统制造带来挑战和机遇，企业只有在设备和技术不断升级、智能化的同时，通过信息化、数字化加强内部精益生产管理，实现智能制造模式的转变，才能保持可持续发展和核心竞争力。

2.3 家居智能制造技术推进过程中的挑战

伴随着家居智能制造技术的快速推进，家居产品的属性和价值的变化及时代背景的影响，家居智能制造技术推进过程中也面临着新的挑战[23]。

首先，生产系统如何适应从“生产驱动型”向着“市场驱动型”转变的技术挑战，这就需要加大“个性化定制”与“柔性化生产”关键技术的不断创新和突破。“个性化定制”方面，需要的是B2C向着C2B或O2O的 “商业模式”转变问题；“柔性制造”方面，需求的是关键工序技术突破问题，即如何保证在不停机的情况下，通过信息化管理功能和快速响应技术，适应多品种工件的加工问题，以保证制造过程消除冗余无用损耗，从而实现M2B向着M2C或C2M的转变问题。

其次，如何适应从单一家居产品向着“大家居环境”转变的技术挑战，并实现家居产品产业链协同发展的问题。家居产品不仅是林业产业链的终端产品，也是家居环境的重要组成部分，同时也是家居价值链的关键一环。家居产品的变革需求将对产业链起到引领和增值作用，也会直接影响产品制造技术的变化；因此，在家居智能制造技术的推进过程中，离不开整个家居产业链的“多翼齐飞”，需要产品链企业在“大家居环境”中联合与协作、发挥集群优势，才能提升整个智能制造技术的创新与发展。

最后，企业竞争力如何适应新技术和智能制造思维影响的技术挑战。新技术和智能制造思维的最大特征是互联、融合、协同、互动和去中介、快捷高效等。这就要求企业的竞争力需要从依靠资源要素“低成本竞争”向提高产品“科技含量及附加值”转变，从单纯的“产品”向“产品+服务”转变和竞争，从“规模化生产”向“个性化定制”转变和竞争，由“家具产品制造商”转向“家居系统解决方案服务商”的转变。在这些转变过程中的理念和需求，直接影响着家居智能制造技术的推进。

3 家居智能制造技术升级展望

3.1 对生产过程的重新认识

面对智能制造技术的快速发展，在家居产业所形成的“个性化定制”和“柔性制造”技术体系[24]，下一阶段家居企业应在考虑“成本、质量、柔性、服务、生产周期”等竞争要素和“高效率、低成本、高柔性、准时”等基本目标的基础上，如何实现高效、低耗、灵活、准时地生产合格产品和提供满意服务，才是未来家居产品智能制造的主要任务；因此，未来家居智能制造的技术升级需要对家居生产过程重新认识。笔者认为，应从以下方面重点考虑：

一是要有系统观的概念，即家居生产过程中在考虑全局性、协同性和层次性的同时，关键是构建家居生产过程人机复合系统和动态开放系统技术平台；

二是要有集成观的理念，即家居生产过程中需要发挥优势、实现最佳配置，实现人员、技术、管理的综合集成技术；

三是要有信息观的认知，要认清家居智能制造一定是依靠信息和数字化来实现的，其实质是信息采集、加工、转化和传递的过程；因此，信息技术和数字化技术仍然是家居智能制造发展的关键所在；

四是要有服务观的意识，家居产业实现智能制造最大的转变，是从单纯的制造型企业向着服务型制造和系统解决商的企业转变，即“在需要的时候，企业能以适宜的价格，向顾客提供具有满意的质量和环境效能的产品与服务”，制造过程不仅对顾客树立服务意识，同时还需要组织好内部部门间服务关系。

3.2 智能制造技术升级的关键点和建议

3.2.1 全过程“智”造问题

由智能制造的内涵和发展思想[25-26]可知，其根本目标就是实现个性化(按需定制)、柔性化、高质量、低能耗的“制造”，核心就是要解决“智”造问题。主要体现在三方面：一是需要通过物联网和务联网把制造业物理设备单元和传感器、终端系统、智能控制系统、通信设施等连接组合起来，实现研发、设计、精准控制“智能”；二是通过人和人、人和机器、机器与机器、制造与服务之间互联，实现生产过程“智能制造”；三是通过用户全过程、全流程参与，达到个人定制、众包设计的目的，实现商业模式“智能变革”。如何实现和解决“智”造问题：在智能制造技术升级新轨道上，应着重从全过程的“智”造考虑，即从定制家居产业链协同发展、从单据驱动业务向着数据驱动业务转变、推进智能制造平台的搭建(信息集成)等方向持续技术创新与跟进。

3.2.2 关键工序“效率”提升问题

家居智能制造最大改变是生产模式的改变，即实现了揉单生产。揉单生产能够充分考虑车间各产线的产能情况，利用优化软件进行合理开料，充分发挥设备的生产能力，从而提高了材料利用率和设备利用率，从一定程度上也提高了生产效率。但现阶段效率并没有发挥出最大优势，甚至出现了关键工序“瓶颈”，直接影响整个生产效率。因此，在新的智能制造技术升级层面，解决此类问题的建议主要从三方面考虑：一是减少零件变化，即推行三化(产品系列化、零部件标准化、通用化)、快速建模技术、推行成组技术(group technology，GT)、推行变化减少方法(variety reduction program，VRP)；二是提高生产系统的柔性，加快从揉单生产向着柔性制造系统(FMS)的转变，即通过机器柔性、工艺柔性、产品柔性、生产能力柔性、扩展柔性、生产维护柔性的综合提高生产过程的柔性，最终构成“FMS=DNC+AGV+AS/RS+计算机控制室”柔性生产系统形式；三是快速响应问题[27]，即通过TopSolid、ERP、MES、WCS等设计管控软件的优化升级，实现更多软件系统的数据共享和集成，真正实现从客户、设计、生产、管理过程的一体化，满足生产过程的快速响应。

3.2.3 全链联动“技术”升级问题

全链联动是实现家居产业智能制造技术升级的一个核心问题，应是在面对“个性化定制”和“柔性制造”构架的技术体系的基础上，构建制造过程全链联动的生产系统[28-29]。该系统应包括智能加工中心和生产线、智能仓储运输与物流、智能生产过程管控及智能生产控制中心，如图5所示。

其中：智能加工中心和生产线的技术升级，需要对智能化的设备、智能化的机器手、设备数据自动采集、机器视觉技术、智能模工具管理等的升级；智能仓储运输与物流的升级，需要构建自动化立体创库、AGV智能小车和资源定位系统等的技术升级；智能生产过程管控升级，需要对包括高级计划排程、执行过程调度、数字化物流管控及数字化质量检测等技术升级；智能生产控制中心，需要对中央控制室、现场监视设备、现场Andon等进行升级。