智能装备的走向探讨

1.传统装备制造业的种种缺陷

传统装备制造业仍存在着许多不足，具体介绍如下。①产量低、质量差:传统装备制造业在产品的产量与质量方面都比较欠缺。②生产时间长:“时间就是金钱”，在“知识经济”时代，机遇稍纵即逝。产品设计、生产、投放市场以及产品更新换代的时间都需要加快。③生产效率低:随着工业经济效益的持续增长，企业致力于扩大生产规模，制造产品的数量比之前有大幅度增加。面对这种状况，若依旧采用传统的生产制造模式，难以满足生产效率指标的要求。④节能降耗差:一些传统装备制造业企业是在大量消耗能源与材料的基础上进行生产的，很少注意节能降耗的问题。⑤竞争能力弱:由于产品更新换代慢、生产工艺差、生产效益低，难以更好地满足用户的个性化需求，因此，企业竞争能力弱。促进中国装备制造业由大变强已成为新时期我国一项重大而紧迫的战略任务。

2.智能制造装备的优点

自20世纪70年代以来，以计算机、信息技术为基础的高新技术得到迅猛发展。这给传统的制造业带来了新的发展机遇。计算机技术、信息技术、自动化技术与传统制造技术相结合，形成了先进制造技术。2012年，劳动力成本提升、产业升级以及政策扶持等使得先进制造装备技术具有较强的发展潜力。自计算机技术问世以来，装备制造大体沿着两条线路发展:传统制造技术的发展和借助计算机与自动化科学的先进制造技术的发展。自20世纪80年代以来，传统制造技术虽然得到了不同程度的发展，但仍存在着很多问题。先进的计算机技术和制造技术对产品、工艺和系统等设计师和管理人员提出了新的挑战，传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中存在的问题。要解决这些问题，需要采用现代的工具和方法。通过集成传统制造技术、计算机技术与科学及人工智能(artificialintelligent，AI)等发展起来的一种新型智能制造技术(intelligentmanufacturingtechnology，IMT)和智能制造系统(intelligentmanufacturingsystem，IMS)，则有可能使企业走出困境，度过危机。传统的制造技术与人工智能、自动化等技术相结合，形成了智能化的先进制造技术(advancedmanufacturingtechnology，AMT)。先进制造技术是在市场需求及科学技术带动下逐步发展形成的。在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模已向多品种、变批量、柔性化的方向发展;在信息科学技术发展的推动下，制造业的资源配置已向信息(知识)密集型的方向发展。发展先进制造技术的目的，不仅是要高效制造出满足用户需求的优质产品，而且还要清洁、灵活地进行生产，以提高产品对动态多变的市场的适应能力和竞争能力。作为近两年国家新确定的高端装备制造业的重点发展方向之一，智能装备制造始终与生产制造息息相关，几乎可以在每一个生产环节中加以运用和体现。智能装备制造提高了生产效率，降低了成本。

21世纪，先进制造技术的优点主要体现在以下几个方面。

①精密化:速度、精度和效率是装备制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动、静态特性等有效措施，大大提高了机械装备的速度、精度、效率。

②自动化:先进制造技术的发展是和自动化技术的发展紧密联系在一起的。自动化技术，特别是智能控制技术，大多首先应用于先进制造技术的发展领域。

③信息化:信息技术，特别是计算机技术，大大改变了制造的面貌，它是先进制造技术发展与制造科学形成的主要条件。但信息技术的发展离不开制造技术的发展，制造业依然是发展信息产业乃至整个知识经济的基础工业。当然，制造技术的发展也离不开信息技术的发展。

④柔性化:柔性化包含数控系统本身的柔性和群控系统的柔性两方面。数控系统本身的柔性是指数控系统采用模块化设计，功能覆盖面广;系统可裁剪性强，便于满足不同用户的需求。群控系统的柔性是指同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

⑤图形化:用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因此开发用户界面的工作量极大。当前，Internet、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用。人们可以通过窗口和菜单进行操作，实现蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能。

⑥智能化:早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是调度任务，以确保任务在规定期限内完成;而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。在科学技术不断发展的今天，人工智能正朝着具有实时响应、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为、更加复杂的应用发展，人工智能和实时系统相互结合，由此产生了实时智能控制这一新的领域。

⑦可视化:科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字表达，而是可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域。这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。

⑧多媒体化:多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在先进制造技术领域，应用多媒体技术可以实现信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

⑨集成化:采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程序集成电路FPGA、专用集成电路ASIC芯片等，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度;应用LED平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、质量轻、体积小、功耗低、携带方便等优点，可实现超大尺寸显示。应用先进封装和互联技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度等方式，降低产品价格、改进产品性能、减小组件尺寸，并提高系统的可靠性。

⑩网络化:制造装备联网可进行远程控制和无人化操作。通过制造装备联网，可在任何一台制造装备上对其他装备进行编程、设定、操作、运行。不同装备的画面可同时显示在每一台装备的屏幕上。智能化是人类利用技术改造自然的极致，而绿色化是人类与自然和谐相处的见证。在绿色化、智能化装备的生产过程中，能量的消耗更低、材料更少、质量更轻，使用时所需的驱动能量更小、效率更高。

3.智能装备制造的发展重点

当前，制造业正着朝全球化、信息化、专业化、绿色化、服务化的方向发展;而制造技术则向高精度、自动智能、绿色低碳、高附加值、增值服务、物流联动等方向发展。在智能装备制造的发展趋势中，制造业的发展重点将主要围绕“绿色化”与“智能化”展开。作为我国高端装备制造领域重点发展的五大行业之一，智能装备制造产业是目前唯一未被国内资本市场充分挖掘的“金矿”，智能装备将成为推进我国装备制造业迈向“高精尖”的最主要力量。

3．1“绿色化与智能化”

引领世界发展的潮流绿色化与智能化，一直是近年来国际工业领域的主要潮流。这两大主题，无一不是对当前实际工业需求的高度概括和响应。国际许多知名企业，如西门子、ABB、菲尼克斯电气、日本三菱集团等，都在各自企业的发展过程中，强调“绿色化与智能化”，而“智能化”则是许多外国企业产品与技术的发展方向。2012年，汉诺威工业博览会就是以“绿色、智能”为主题，中国是本届工博会伙伴国。中国展团推出了主题为“绿色、智能”的1500m2中心展区，主要展示新能源、新能源汽车和智能制造的最新产品和技术。2012年11月5日，第14届中国国际工业博览会在上海开幕。该展览会以“创新转型与战略性新兴产业”为主题，来自全球1600余家中外企业集中展示高端制造、绿色制造的各类新品。

3．2绿色化

目前，绿色经济受到国际社会的广泛关注。以里约全球峰会20周年为契机，2012年，里约召开的联合国可持续发展大会(UNCSD)的主题之一就是“可持续发展和消除贫困背景下的绿色经济”。联合国环境规划署(UNEP)从2008年开始实施绿色经济倡议，2011年2月发表了绿色经济报告书(UNEP2011)。经济合作与发展组织(OECD)从2008年开始制定绿色增长战略，并将绿色增长作为其成立50周年的纪念主题。随着世界经济的发展，一场绿色变革浪潮正在席卷全球。纵观世界绿色文明的发展趋势，21世纪必将成为“绿色世纪”。绿色制造是一种综合考虑环境问题和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品在设计、制造、包装、运输、使用、报废处理的整个产品生命周期对环境影响最小、资源利用率最高。随着人类社会的进步和发展，绿色化是提高可持续发展水平的关键。中国政府高度重视发展绿色产业和绿色经济，把可持续发展作为国家战略，把建设资源节约型、环境友好型社会作为重点任务。为了适应装备制造业领域对“绿色化”的迫切需求，必须确立管理、设计、材料、工艺、生产、物流、报废、回收、循环使用等全生命周期理念。绿色制造是通过改进传统的制造技术、设计理念和生产方式，实现资源能源的高效清洁利用和环境影响的最小化。制造过程的绿色化是指从环境保护角度出发，在制造的各个阶段都要充分考虑环境保护，做到可持续发展，实现人类社会和自然界的统一与和谐。这里的环境不仅指自然环境，还包括社会环境和生产环境。

3．3智能化

3．3．1智能化的概念

通常人们所指的“智能”，是指人的思维能力，从其外延来看，“智能”就是发现规律、运用规律的能力和分析问题、解决问题的能力。通常“智能”包括四个方面的能力，即感知能力、记忆与思维能力、学习能力和自适应能力。而对于智能化，目前尚无明确的、公认的、科学的定义，但通常认为其应当包括两方面的含义:一是采用“人工智能”的理论、方法和技术来处理各种问题;二是具有“拟人智能”的特性，具备自适应、自学习、自校正、自协调、自组织、自诊断和自修复等功能。“拟人智能”特性可以作为衡量是否为智能化装置、设备、系统的基本标准。

3．3．2智能化的需求

世界技术进步与经济发展表明，发展智能制造是提升制造业效能、促进经济发展的大趋势。因此，装备制造业对于智能化的需求十分迫切。产业转型升级智能制造或将成为新的突破口。智能化是自动化的高级阶段，是柔性化和集成化的延伸和发展。专家指出:今后，传统的制造业仍将朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环保和长寿命的“六高一长”方向发展。新型的先进制造技术将朝着小型化(微型化)、集成化、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化、光机电一体化方向发展;在服务上，将朝着专业化、简捷化、无维护化以及组装生产自动化、无尘(或超净)化等方向发展。在这些“化”中，占主导地位、起关键作用的是智能化和网络化。智能控制是当今多学科交叉的前沿领域之一，其研究重心是解决传统控制理论与方法所难以解决的不确定性问题。智能控制是自动控制的最新发展阶段，它的本质是在宏观结构和行为能力上对机器人控制器进行模拟。

3．3．3智能制造

在高端制造业发展过程中，智能化是其中一个方向。现在倡导的高端制造业是全方位的发展，智能化只是技术上的要求。随着原材料价格和人工成本的持续上涨，更多企业寄望于通过制造业与高新技术“联姻”，孕育出新的产业扩张模式。业内人士表示，我国智能制造产业应通过融合集成先进制造、信息和智能等技术，实现制造业的绿色化、自动化和智能化。智能制造这个概念是面向产品全生命周期的，用来实现泛在感知条件下的信息化制造。智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程、制造过程和制造装备智能化。它是信息技术、智能技术与装备制造过程技术的深度融合与集成。分析人士普遍认为，制造企业引入机器人折射出三层信息:企业成本再造加速、制造业产业转型时代到来、议价能力提高。这些趋势表明，“注入人类知识”的智能制造正不断地从根本上改变着传统生产方式。我国高端智能装备尚处于初级阶段，汽车行业万人工业机器人保有量仍不及发达国家的1/10。虽然2011年，中国汽车工业的增速大幅下降，但是1800万辆的庞大市场规模仍然预示着以自动化装备代替高涨的人工成本所带来的巨大市场空间。“十二五”高端装备制造发展将选择五大方向重点突破，它们分别是航空装备、卫星及应用、轨道交通装备、海洋工程装备和智能制造装备。在智能制造装备方面，将重点发展智能仪器仪表与控制系统、关键基础零部件、高档数控机床与基础制造装备、重大智能制造成套装备等四大类产品。

4.智能制造技术走向

2010年10月，《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》明确提出要加大培育和发展高端装备制造产业等七大战略性新兴产业，并将智能制造装备列为高端装备制造产业的重点方向之一。太原科技大学机电工程学院院长孟文俊表示，《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》的出台给整个制造业的转型升级带来了前所未有的机遇，这将会进一步加快我国智能制造装备产业的发展。相关专家认为，近20年来，我国微电子、通信、计算机、人工智能控制和图像处理等多学科飞速发展，这为智能制造的发展奠定了坚实的基础。未来10年，我国智能制造装备(包括仪器仪表行业)产业，应牢牢抓住发展的战略机遇期，本着“创新优先、重点突破、技术融合、夯实基础、多元投入”的原则，面向传统产业改造提升和战略性新兴产业发展的需求，针对制造过程中的感知、分析、决策、控制和执行等环节，融合集成先进制造、信息和智能等技术，实现制造业的自动化、智能化、精益化和绿色化。

5.加快绿色化、智能化步伐的原因

加快绿色化、智能化步伐的原因分析如下。第一，我国有限的资源和严重的环境污染决定了必须走装备工业绿色制造的发展道路。装备工业可持续发展的概念可归纳为研发极少产生废料和污染物的工艺或技术系统，在环境资源不减少的前提下，加强环境系统的生产和更新能力，实现经济的持续发展，提高人们的生活质量。目前，我国正大力提倡科学发展观和绿色GDP概念，推进可持续发展战略。加快发展装备制造业，尤其是开展绿色先进制造技术的开发和应用，对环境保护和资源的合理利用提出了更高的要求。第二，提高我国装备制造业国际竞争力的需要。我国加入WTO后，国内企业的环保、技术、法制、经济理念需要及时更新。WTO体制及其规则允许各成员采取保护人体健康、动植物健康、环境和自然资源等措施，提倡消耗适度、无污染、有利于环保的产品和服务。第三，先进工业国家的智能化水平正在加速提升，这给我国装备制造业带来更大挑战。现在世界先进国家正在展开对工业智能化制高点的争夺，特别是日本，对于工业机器人和家庭机器人的研究已经开展了十多年，而且开发得非常成功。“十二五”期间，国家将在制造领域成立绿色化、智能化制造联盟，积极推进业界的发展，加快中国装备制造业的绿色化、智能化步伐。第四，先进制造技术以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高产品对动态多变市场的适应能力和竞争力为目标。它不局限于制造工艺，而是覆盖了市场分析、产品设计、加工和装配、销售、维修、服务以及回收再生的全过程。技术、人员、管理和信息的四维集成不仅涉及到物质流和能量流，而且还涉及到信息流和知识流，即四维集成和四流交汇是先进制造技术的重要特点。第五，积极承担国家科技项目，加强与国内外大型装备制造商之间的合作。如与石油、化工公司开展从石油炼制到合成加工的各个方面的横向合作研究;开发系列化绿色机械工艺用油，包括绿色极压切削油、高速合成型电火花加工油、环保型多功能合成切削液、环保长效防锈油等产品。在“十二五”期间，国家装备制造业将投入大量精力开发工业机器人和智能控制系统。作为装备制造业企业，应当抓住这种发展机遇，在“产学研”的合作项目中，吸取丰富的营养。

6.结束语

“十二五”期间装备制造业的发展思路可总体概括为一个战略、一个目标。一个战略指的是调整转型、创新升级;一个目标指的是推进装备制造业由大变强。“十二五”期间，我国装备制造业的战略思想是:深入贯彻落实科学发展观，坚持走新型工业化道路;以科学发展为主题，以加快发展方式转变和推进经济结构为主线，实施“调整转型、创新升级”战略，围绕建设装备制造业强国目标，着力调整产业技术结构和企业的组织结构，带动产业转型和技术升级;着力加强自主创新，加快形成自主技术、产品和品牌;着力培育战略性新兴产业，大力发展高端制造业，促进形成新的竞争优势和经济增长点;着力推进信息化和工业化融合，提升装备制造业整体素质。不断发展的自动化技术，也正在这个方兴未艾的“智能时代”中寻找着自己的广阔天地。事实上，智能化在各领域的迅速普及，也许正是自动化技术在未来的一片广阔蓝海，而自动化也将助推智能应用的发展。总之，我国要由“传统”向“先进”、“制造”向“创造”跨越，实现装备制造业高端突破，必须要实现“六大转变”，即由粗放加工向精密制造和工艺创新转变、由简单模仿制造向掌握核心技术转变、由低附加值产品向高附加值产品转变、由重生产规模向重质量控制和标准化转变、由设备制造向系统集成转变、由单纯制造向制造服务化转变。在2012年“第八届中国国际工业博览会．新自动化论坛”上［5］，一些企业的领导和专家认识到转型的重要性。这充分体现了这些企业对市场环境的敏锐性。

纵观全球，各国致力于以技术创新引领产业升级，更加注重资源节约、环境友好和可持续发展，智能化、绿色化已成为全球制造业的发展必然趋势，智能制造装备的发展也必将成为世界各国竞争的焦点。综上所述，积极推广绿色、智能制造是未来企业发展的必经之路。十报告中提到加快转变经济发展方式、实施创新驱动发展战略、推动战略性新兴产业［6］，这些要求坚定了人们对所从事的高技术产业发展的信心。信息化和工业化的深度融合，推动了装备制造业领域产品向智能化方向发展。而全球化的到来，使中国工业与世界工业在发展智能化阶段站在了同一起跑线，使我们有机会进一步站在巨人的肩膀上实现超越。目前，中国工业正处于非常重要的战略机遇期。因此，在今后的工作中，一定要更加努力，为国家高技术产业的发展作出贡献。

作者：孙柏林单位：中国自动化学会专家咨询工作委员会