关于智能制造技术研究现状及未来趋势的探讨

周晓军，罗军，白丽，解艳维，周学博

（1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002；2.西部钻探管具与井控技术服务分公司，新疆 鄯善 838200；3.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002）

人工智能制造技术在经历几十年的发展后逐步演化出了快速响应制造、虚拟制造成多种制造模式，人工智能制造技术的快速发展使得未来制造行业会逐步向着集成化和智能化的方向发展。在智能制造技术的引领下，逐步出现了智能生产线、智能车间等一些概念。

1 智能制造概论

1.1 智能制造在国外的发展

国外实际上从1988 年开始就已经开始研究智能制造，而智能制造概念首次是由来自美国的怀特和布恩教授提出的，在他们的学术研究中，对智能制造的基本设想和具体实施途径进行了详细的阐述。而智能制造系统则是在1989 年出现于日本，而日本也是首次在世界上诞生制造工厂的国家。德国的宝马公司在汽车总装中首次应用了智能制造技术，且取得了良好的效果。

1.2 智能制造在我国的发展

我国在2015 年由国家工业部牵头联合中国工程院初步拟定了《中国制造2025》国家发展战略，该战略的出台为我国制造业未来的创新发展指明了方向，也进一步支撑了制造行业中信息技术的深度融合和应用，在该概念中，重点指出未来我国制造业的发展中要重点解决智能化、网络化、数字化制造等一些核心问题，以工业制造智能化全面推动产业数字化和智能化发展，同时，加大高端智能制造业发展，全面推动制造业实现跨越式发展。

2 智能制造技术基本内涵

智能制造技术的最终目标是要实现制造企业价值链的智能化，也就是说，在制造业的产品设计、制造以及装配过程中，实现与云计算、人工智能、神经网络、互联网等先进智能技术的融合。图1 所示为智能制造关键技术基本构架图。

图1 智能制造关键技术基本构架

3 智能制造关键技术及研究现状

3.1 CPS 技术

构建CPS 模型时，需要针对CPS 技术在应用过程中技术的应用所涉及的大量信息物理交换生的能量流动和信息流动进行充分考虑。CPS 建模的关键在于将现实系统运作模式进行真实再现。目前，在相关研究中，通过提出了连续建模、离散建模和混合建模的方法改进后，出现了扩展模型理论、基于数据驱动以及统一模型理论等多种构建CPS 模型的方法。

网络服务质量、传输协议以及拥塞控制管理是CPS网络技术研究的重点内容，传输协议重点是针对时空数据传输的安全性和可靠性问题进行解决，通过传输协议，能够让系统信息传输中的能耗带宽控制在最低程度。拥塞控制关键是针对各项物理参数数据的传输速率进行解决，面对CPS 技术应用过程中存在的网络拥堵，利用不同力度时间和空间方法进行有效消除，从而使数据传输的精确性和正确性得到保障。

3.2 基于物联网的感知技术

物联网目前主要有网络层、感知层和应用层等三层构架，与感知层相关的主要是感知技术。先进的感知技术是实现智能制造的基本前提。针对数据采集层面，各类制造设备、加工对象及设备状态上在传感器技术的基础上能够实现有效识别和感知。而在当前的制造领域中，数据采集主要是通过手工、自动化或半自动化等方式进行采集。手工采集仍然会涉及一些纸质表格制作，半自动化采集主要应用的有条形码、手持终端设备、二维码等；自动采集则主要是利用芯片卡、射频识别和蓝牙等。视频识别由于具有非接触、多目标高速识别等一些优点，在当前机械加工、质量控制、生产监控、物料运输以及智能仓储等方面应用非常广泛。以工业物联网为基础能够实现智能制造决策、优化得以实现，也进一步推动了智能化工厂、数字化车间的建设。

3.3 3D 打印技术

3D 打印技术的主要是利用3D 打印机和各类原材料打印出立体产品。与传统的打印机相比，3D 打印机在原料输出方面具有极大差别。从输入材料来讲，3D 打印机应用的并不是传统的墨水，而是输入真实产品原材料，通过打印技术形成黏合的材料立体产品。在3D 打印技术的应用过程中，应用的材料种类最常见的有塑料、陶瓷、金属、橡胶等。此外，一些3D 打印机还可以实现多种材料的综合应用，这样就能够让打印产品具备不同性质。由此也可以看出，充分利用材料的组合，3D 打印机就可以打印出具有各种性质的产品。目前，世界上掌握3D 打印材料最多的公司属于以色列的Object 公司，在3D 打印技术的实践应用过程中，该公司所应用的基本材料为14 种，而通过各种材料的自由组合可以最终形成107 种打印材料，在这种情况下，最终打印出的产品性能更加丰富。在农机制造、模具制造、科研研发、产品升级维修等各个领域中3D 打印技术的应用都非常广泛，如图2。作为一种新型的打印技术，在智能制造领域的应用可以将企业的研发成本控制在最低程度，也能有效提升企业科研的研发效率。目前，我国经济正处在高速增长阶段，在智能制造发展中，3D 打印技术的应用能发挥出巨大作用，也可以有效地提升我国的整体科研能力。

图2 工业3D 打印机

4 智能制造技术未来发展

4.1 智能制造未来发展

智能制造必将成为未来制造业发展的主要趋势，其本身属于一项非常复杂的系统性工程，也是一种先进的制造技术。在当前制造行业的发展过程中，人工智能技术的应用在产品制造全生命周期的优势更加明显，人工智能制造技术的应用使得制造业一直以来面临着实时控制、智能服务、互联互通、数据优化等问题得以解决。未来，智能制造的研究领域将呈现出以下一些发展趋势。

智能设备互联互通。互联互通是实现智能制造的基础，新型智能制造技术能实现生产设备和生产系统之间的信息互通，而且也将使各设备互联互通过程中的传输方式、通讯协议、拥塞控制等多种问题得以进一步完善。

物联网为基础的设备实时感知、人工交互技术。智能制造设备的全面感知是建立在传感器技术的基础上。目前，传感器正向着智能化、符合化和微型化的方向发展，在此基础上，如果能够实现智能处理、智能判断以及自适应等功能，必将推动智能制造行业的快速发展。

4.2 我国智能制造的可持续发展

在《中国制造2025》中，对我国智能制造的发展做出了一些政策性指导，但是从总体层面看，仍然没有实现细化，缺乏一定的可操作性。

鉴于此，首先，我国应该对自身智能制造当前发展现状进行深入分析，从发展基础、产业规模、技术水平、企业竞争力、产业集群等几个方面进行全面评估，要深入挖掘自身在智能制造领域的发展优势。

其次，要针对我国在智能制造发展过程中存在的各类问题进行系统性分析。从发展水平、智能制造基础理论、人才培养、政策支撑、自主创新等多个层面对我国制造业的整体发展进行深入探讨，以此为我国智能制造未来的发展找准方向。

最后，找出我国智能制造可持续发展的正确路径。一方面，要针对新兴市场国家从产业政策的角度对其在同发优势下的产业政策进行全面分析，进而实现自身智能制造的跨越式发展；另一方面，要针对我国智能制造的发展从实际操作层面对政策体系的构建进行全面分析，其中会涉及组织政策、产业结构政策、产业布局政策等。

5 结语

智能制造是未来制造行业发展的一种趋势，因此，我国制造行业在未来发展过程中要不断加大智能制造相关关键技术的研究，这样才能推动我国制造强国梦的实现。