智能制造技术在工业设计中的应用及其发展趋势

邵 菲， 袁新林

（常州大学美术与设计学院， 江苏 常州 213159）

0 引言

“制造大国”中国一直坚持推进制造技术的创新，几十年来，制造融合了信息技术、边缘计算技术、网络安全技术等技术，并逐渐转变为“智造”。为了快速发展经济，需要充分利用和挖掘技术价值，对中国制造智能化的前景作出合理的展望，并投入实践。智能制造融入了设计，通过技术赋能，为设计领域提供有益的帮助，实现了突破性的进展。

1 工业设计的主攻方向——智能制造

随着中国发展逐步进入高质量发展阶段，制造业成为中国经济发展的核心力量。工业设计领域也受到了一定的影响，在近些年的发展中愈发重视对智能制造的创新发展。“智能制造”向前追溯是以计算通信为特征的数字化制造，这是一个受到重视的时代性话题。发展至今，成为了网络化制造的局面。发展智能制造，是中国制造业提高自身竞争力的重要手段，也是工业设计领域发展的重点之一，因此智能制造已经成为了工业设计的主攻方向[1]。

1.1 中国“智能制造”的提出及其智能化内涵

在我国工业和信息部发布的智能制造发展规划中，智能制造被视为新时代发展的重要组成部分，它将通信技术与先进制造技术有机结合，使得生产方式变得更加多元化，可以在设计、生产等各个环节实现高效率、高质量的运行。

智能制造不仅涉及到技术的创新，还涵盖了对先进制造系统的深入研究和开发。其中智能制造技术需要通过一代又一代的技术创新来完成，技术的创新中不乏无线传感技术、射频识别技术、互联网技术等技术，这些技术都是智能制造需要实现的目标。企业通过一种全新的生产方式，借助智能制造系统，实现产品的智能化，将传感器等传输系统融入产品。通过工业机器人等设备的应用，解决生产的效率问题。

1.2 中国智能制造在工业设计中的现状

对于我国制造业来说，制作成本一直是一个影响发展的关键因素。制造过程中的核心装备以及零部件由于受到限制，国产的装备很难在短时间内起到替代作用，这就造成国内制造业的成本一直居高不下。由于成本的原因，而导致工业设计的产品制作成本过高，难以大量生产进而投入市场使用。由于国内租金、生产成本高的原因，一些负责设计和生产的企业也正在向印度、越南等地迁移。

企业的规模也影响着中国智能制造业的发展。对于大型企业来说，他们可以申请各类基金项目来获得经济的支持以此支撑完成智能制造的目标。而中小型企业很难像大企业一样展开大规模的智能型改造，他们面对的是更多的成本和风险。在很难控制的情况下，这些小型企业可能会因为开发的失误而面临破产。

2 借助智能制造中的网络技术发展工业设计

近年来，智能制造技术的发展对工业设计领域无疑是一个巨大的帮助。在实现智能化设计和生产的目标时，引入了一系列的数字化设备，使得设计和生产的信息技术资料能够被有效地保存下来。一些前沿的网络信息技术，如虚拟网络- 实体物理技术、防火墙网络安全技术、无线传感网络技术、射频识别无线通信技术等，都对工业设计的发展作出了一定的贡献。

在这些技术的带领之下，工业设计迎来了智能化设计的时代，通过技术赋能让设计和计算机网络紧密的联系在一起，实现了高效的设计。

2.1 虚拟网络- 实体物理技术

信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）也被称为“虚拟网络- 实体物理”生产系统。这种系统主要是通过三类技术的有效融合去实现的，包括了计算机技术、通信技术和控制技术，简称3C。CPS 系统通过计算和通信技术赋予实物生产系统新的能力，同时实现高效和可靠。构建一个信息物理融合系统需要两个维度。第一个维度为物理上的维度，指的是生产所用的材料、机器、工具等等。第二个维度则是代表信息，比如使用者的需求、设计信息、设计要求、生产经费等等。

中建钢材有限公司就是通过这种CPS 系统来满足公司装配建筑材料的生产需要。借助中国电信CPS的构架，制定了新型的大规模的生产模式。在数字化设计上实施确切的解决方案，凭借智能的数字化技术来决策并分配下发任务，对客户的设计需求进行随时的跟踪，实现了设计、制造、服务的一体化，提高了生产效率，减少了产品交付周期的时间。

2.2 防火墙网络安全技术

网络安全技术的原理包括很多内容，由安全策略、密码学、操作系统等内容共同组成。在内部网的隔离上会使用防火墙的技术，将计算机软件和硬件结合起来建立一个安全网，以此来保护内部网不会受到外来用户的入侵。

网络安全主要指的是网络系统中的软件、硬件以及重要的数据得到一定的保护，不会因为莫名的问题而被破坏或者窃取，始终能够正常运行。为了保证制造过程中的网络安全，需要指定切实的网络安全计划，包括了数字供应网络、供应商处理和智能工厂的建立。

对比近几年工业设计的发展，传统的技术早已不适应当前互联网高速发展的现状，如今智能家居的大热彰显了网络安全的地位。将互联网安全和家居结合在一起，不仅使人们的日常生活变得更加便利，也能保障人们使用时的网络安全。网络安全作为智能家居的核心要素，只有将安全问题彻底解决，人们才能更放心地使用智能家居。

2.3 无线传感网络技术

无线传感网络是一种由许多自动装置组成的无线计算机网络，主要是由感应、通信和计算构成的。这些自动装置分布在空间中，可以利用传感器来观察环境，监测的内容大致有温度、声音或者污染状况等等。各种类型的传感器可以被用于探测地震、监测温度、观察移动的物体等多种现象。

无线传感网络技术在交通管理系统中有着广泛的运用。利用传感器可以对道路车辆实施实时的监控，对缓解城市交通问题有一定程度上的帮助。传感器也具有报警功能，如果发生安全事故、违规行为，传感器会及时传输信息并报警，确保交通安全性，使车辆行驶更加规范。在道路的两边装上传感器，可以通过无线传感网络监测交通自然环境，包括路况、积水、粉尘、噪声等，既可以保障交通安全，也可以满足环保要求[2-3]。

2.4 射频识别网络技术

射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种无线通信技术。射频识别技术是具备自动识别功能的技术，利用自动识别的技术将数据进行无线电信号的输入，整个过程不需要进行化学的接触。这种技术深受人们的喜爱，被广泛运用于日常生活中，被人们认为是具有巨大发展潜力的技术之一。

在工业设计领域范围内，经济生产过程中需要使用到的产品受到很大程度上的重视，其中就有常见的安全用品——安全帽。在工地安全事故中，工人对自己的保护是十分有限的，仅仅是使用传统的安全帽进行保护。传统的安全帽具有一定程度上的使用不便和安全隐患，有时很难达到保护工人安全和施工管理的目的。而加入RFID 技术的智能安全帽可以实现实时定位的功能，能够解决普通的GPS 系统定位信息不准确的问题。采用RFID 技术的安全帽能够进行对移动物体的自动识别，实现精准定位。除此之外，还有低成本、广范围、无需干预等优点。多功能安全帽通过RFID 技术建立考勤系统和测温系统，在工作之余能够计算工人工作时间，查看工人行动的轨迹。同时进行人体体温测量，实时监测人体健康，提醒工人体温过高或过低，及时休息，有效保证了人员的安全[4]。

3 智能制造技术助力工业设计发展相关产业集群

3.1 工业设计产业集群概述

智能制造技术在工业设计中得到了一定的发展，逐渐形成了相关的产业集群。智能制造作为主攻方向，和传感器、人工智能、云计算、边缘计算等产业密切相关，促进工业设计在产业集群上的建设。其中人工智能和传感器产业作为智能制造的核心技术，未来的发展空间巨大。利用这些新型产业，可以实现实时的网络互联，建立起网络的大环境，帮助工业设计占据市场发展的经济地位。

3.2 新型工业设计产业集群

3.2.1 传感器产业

传感器产业是联合万物和智能产业的基础部分，对带动全产业领域的发展具有推动作用，还会带动电网、移动设备以及工业设计产品制造的快速发展，为新经济的增长提供无限动力。

在工业设计领域中，传感器是智能产品中的核心部分。在许多高端电子物理系统中也是如此，例如智能网联汽车、智能家居、移动网络终端等等。传感器影响着系统的品质、能力等多方面的好坏，扮演着系统中十分重要的角色。以智能产品中的手机为例，手机中使用到的传感器约有十几款，其中摄像头、麦克风、天线、触摸屏等部件分别使用了图像、声音、信号、压力等各类传感器，传感器的功能会直接影响到手机的品质和用户的使用体验[5]。

属于传感器产业中的微机电系统是世界关注的科技领域之一，中国在微机电上的发展迅速，涌现了不少国内著名的上市公司。其中歌尔声学公司主要是生产麦克风，是微型麦克风领域的领先公司。汉威电子主要生产气体传感器，该气体传感器适用于各种监测产品以及一些智能穿戴设备等。

3.2.2 人工智能产业

目前来看，人工智能主要涉及医疗、交通、家居、金融、游戏等领域，旨在发展智能语音处理、智能金融、量子智能、机器学习等关键技术。把人工智能技术应用到使用场景中，能够大力推动工业设计发展。常见的工业和服务机器人拥有着工业互联网、智能机器人及自动化产业的领先水平。此外人工智能在汽车自动驾驶的开发中也显得极其重要，将人工智能应用于汽车自动驾驶，主要是将计算机视觉和机器学习与GPS 定位技术、传感器技术、大数据技术等进行有机融合，以此实现汽车的自感知、自学习、自适应和自控制，实现对汽车的自动化、智能化控制[6]。

3.2.3 云计算产业

我国的云计算产业发展趋势良好，产业进入了相对成熟的发展期，产业结构基本稳定，设施集群分布明确。国内云计算领域中有着领先的企业，他们不断提高创新能力和计算能力，产品应用范围也在逐步扩大，是我国发展数字化经济的重要支撑。

我国推动云计算发展的主力军是基础设施，即服务的运营维护。支撑着云计算进一步发展的动力是数据中心，这也是运营商的一个优势。目前我国的三大运营商是中国电信、移动和电信，他们在部分地区建设了数以万计的具备服务器的数据中心。这些运营商的数据中心为全国的信息业务提供了便利，这也是运营商在云计算产业中的一大卖点。

3.2.4 边缘计算产业

边缘计算是在物体周围或者是数据源附近完成网络的集成和信息的计算、储存及应用的开放平台。通过就近提供服务，来满足信息连接、实时传输和隐私保护的需求。随着5G 时代的到来，边缘计算的整体市场中得到了大幅度增长。

我国的边缘计算产业以建设边缘计算平台为媒介，促进边缘计算产业健康发展，以此完成产业应用的实践，至今已经涉及能源与电力、信息和通信技术、工业设计等众多行业领域。在国际电工委员会的支持下，建立了智慧工厂，边缘计算在国际组织的支持下得到了进一步的推广。5G 时代、5G 网络为边缘计算应用提供了助力，使边缘计算运用于智能驾驶、智慧医疗、工业互联网等领域。

4 智能制造技术对工业设计的影响

4.1 智能管理推动工业设计产业园区建设

智能制造的发展推动我国经济发展，是工业设计行业发展的动力源泉。通过构建完善的智能制造装备、使用先进制造技术，引领工业设计产品走向规模化、智能化和专业化。更多的产业园区能满足设计和制造的需求。例如华之翼无人机园区，它的理念是专业化、规模化、品牌化，其宗旨旨在构建一个无人机的全套业务系统和完整的无人机生产系统。园区利用专业化的手段，结合国内外的先进技术形成产业的集聚，构建完整系统的无人机产业系统，最终建立了一个在发展潜力上、专业化程度上都较为领先的无人机产业园区。园区的建设为无人机的研发和设计提供了大量空间，宽裕的空地有利于无人机的试飞和练习，促进了设计的多元化。

设计产业园区的建设可为产品试验提供专用的区域和场所，为产品的试用、试验提供专业的服务，未来设计行业的空间巨大。除此之外，产业园会配备专业的科研人才和设计环境，具有发展工业设计的雄厚基础和优势条件。

4.2 智能辅助技术转变工业设计思维与设计方法

随着智能技术的发展，越来越多的计算机技术辅助系统也诞生了，这使工业设计方法发生了转变。设计师不再依赖手绘的草图去表达设计想法，他们学会了合理运用辅助表现方式，利用图片生成软件，营造一种较为直观的感觉，这种视觉感可以帮助设计师更有效地思考。除此之外，也会使用一些根据遗传算法而生成的辅助评价系统，可以帮助设计师摆脱固有经验的限制，产生一些新型的配色方案[7]。

通过建设一些产品服务系统，可以帮助设计师进行自主化设计。在这种发展情况下，工业设计方法变得愈发多样化，设计思维更加活跃。利用产业系统化设计思想结合设计师敏锐的观察力，能够进行充分地思考，在这过程中找到创意的解决方案。

在寻找设计痛点的初期可以借助一些数据分析的手段，通过大数据的收集对用户进行需求分析，解决设计中的缺点，满足人们对各种工业设计产品的需求。

4.3 智能服务打造人类新生活

在技术不断创新的今天，智能工厂、城市的智能交通管理系统、先进的智能工作机器人、学校的快递收件送件系统、智能互联家居无不传递着智能制造的便利。当智能设备走进生活的日常中，人们生活的方式也开始发生了一些微妙的变化，智能家居记载着人们的喜好和习惯，为使用者提供了便利[8]。

智能制造为工业设计产品的实现提供了支撑,在工业设计领域中，工业产品被赋予各具特色的能力，以此满足人们对智能化产品的需求。

5 智能制造在工业设计中的发展趋势

“互联网+制造”的模式是未来十年内中国发展的重点之一，5G 技术的推广能帮助企业确立竞争的优势，5G 的应用将开启一个全新的智能化制造的时代。5G 技术有着低延时、广连接的优势，能够把分布广泛、零散的信息收集起来，建立起统一的网络平台。将互联网和智能制造融合在一起，协同制造的新模式，能帮助中国智能制造行业创建一个专业的网络体系。

工业设计的发展在智能、系统以及细节上的设计体现得较为明显，未来的发展趋势呈现出多元化的特点，工业设计产业的系统化规划、智能技术开发会将这个领域推向一个创新发展的高峰，巨大的投入给设计的进步提供了强大的动力[9]。

我国目前也正在由制造业强国向工业化设计、智能制造大国的继续奋进中。市场的建设也促进了工业产品设计的不断优化，为了顺应新时代，满足现代人的物质文化需要，工业产品设计也同样推动着世界范围的市场经济进一步快速发展。同时，在工业设计领域，设计师也是越来越关注人的感受和需要，强调个性化设计，将商品的内在特性、情感因素与当代的智能化功能结合到一起。所以，工业设计能力的持续提升，离不开设计者、生产者、消费者群体及政府部门等多方的共同投入，如此才能促进工业设计能力与产品品质的持续提高和改善。

6 结语

在国民经济快速发展的今天，人们对工业制造的要求越来越高，与此同时智能制造的发展情况、核心技术的研发程度成为我国经济核心竞争力的主要要素。尤其是在云计算、边缘计算、网络安全等方面加快了推进的步伐，使得智能制造走在了工业设计与制造领域的前沿。在未来的智能制造时代，工业制造将拥有更多的优秀人才和优良技术，从而实现智能制造技术的全面运用，推动向智能化生产迈进的步伐[10]。