東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院、廣東省智能制造新型感知技術(shù)國際創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)王瑜輝教授

一、智能制造產(chǎn)業(yè)與技術(shù)背景

    隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)。為了發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，美國推行“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，力圖重振本土工業(yè)，尋找能夠支撐未來經(jīng)濟(jì)增長的高端產(chǎn)業(yè)，通過產(chǎn)業(yè)升級(jí)化解高成本壓力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇；德國為確保其工業(yè)領(lǐng)先的地位，提出了工業(yè)4.0的國家戰(zhàn)略，旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)CPS（Cyber-Physical System)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。世界制造強(qiáng)國紛紛推出制造發(fā)展計(jì)劃，但無論是美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是德國的工業(yè)4.0，都是為了應(yīng)對(duì)制造產(chǎn)業(yè)的快速變化，提升本國制造的核心競爭力。

    制造產(chǎn)業(yè)的變化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，即定制化、個(gè)性化、綠色化。多品種產(chǎn)品生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)配置資源的柔性生產(chǎn)模式成為越來越多企業(yè)追求的目標(biāo)，用以滿足市場上定制化的需求。另一方面，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到銷售一直到最終服務(wù)的生命周期的概念，在企業(yè)中越來越多的被認(rèn)同，生命周期的制造流程模式幫助企業(yè)更好的為市場個(gè)性化需求服務(wù)。最后是綠色制造的提出，制造企業(yè)需要不斷提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)“綠色環(huán)保”。這些變化促使制造需求向多品種多批量、高質(zhì)量低成本、柔性制造快速響應(yīng)、節(jié)能減排的方面發(fā)展。就制造企業(yè)自身而言，面對(duì)日益加劇的市場競爭環(huán)境，必須通過提升效率、縮短生產(chǎn)周期、提高制造柔性的方式增強(qiáng)競爭力。

    在中國，隨著智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃的出臺(tái)，失去成本優(yōu)勢(shì)之后的中國制造拉響了轉(zhuǎn)型變革的號(hào)角，面對(duì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)壓力、勞動(dòng)力成本上升、能耗排放壓力的挑戰(zhàn)，中國制造2025明確了戰(zhàn)略需求、目標(biāo)任務(wù)、關(guān)鍵技術(shù)等，同時(shí)也迎來了“發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)”的新機(jī)遇。

二、智能制造基本內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)

    1.智能制造基本內(nèi)涵

    所謂智能制造離不開兩個(gè)要素，第一個(gè)要素就是生產(chǎn)的物理要求，如產(chǎn)品制造的裝備、制造的車間等等。另一個(gè)則是信息。21世紀(jì)以來，隨著物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展及應(yīng)用，智能制造被賦予了新的內(nèi)涵，即智能制造是將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工廠和企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間和產(chǎn)品全生命周期的實(shí)時(shí)管理和優(yōu)化的新型制造系統(tǒng)。智能設(shè)備、智能系統(tǒng)和智能決策代表著機(jī)器、設(shè)備組、設(shè)施和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的 工業(yè)世界能夠更深入地與連接、大數(shù)據(jù)和分析所代表的數(shù)字世界融合。德國正式推出工業(yè)4.0戰(zhàn)略，雖沒明確提出智能制造概念，但包含了智能制造的內(nèi)涵，即將企業(yè)的機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施融入到虛擬網(wǎng)絡(luò)—實(shí)體物理系統(tǒng)（CPS）。

    2.智能制造技術(shù)核心

    智能制造的技術(shù)目標(biāo)是通過嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，離散的信息-物理系統(tǒng)（CPS）進(jìn)行連接交互。它包含了三個(gè)方面：首先產(chǎn)品制造過程中包含所有必要信息；其次要考慮全價(jià)值鏈進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備整合、自組織；第三個(gè)是要在生產(chǎn)過程中按照實(shí)際工況靈活決策。具備了以上三個(gè)特點(diǎn)就是智能制造系統(tǒng)的基本要素。

    智能制造技術(shù)路線包含通過軟件和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)溝通，也包括機(jī)器與產(chǎn)品實(shí)時(shí)進(jìn)行信息和指令交互，并在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)自主控制和優(yōu)化。其發(fā)展的階段可能都為人熟知。我們一直在做信息化，那首先就必須要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，然后利用自組織網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)配置資源，實(shí)現(xiàn)研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售各種資源重組，形成跨地域的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成了未來智能制造的基礎(chǔ)。未來，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程中具有感知、分析、決策、執(zhí)行的能力。這便是構(gòu)筑的智能化的階段。

    智能制造的核心覆蓋了生產(chǎn)的全要素，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)到后期的服務(wù)，整個(gè)營銷的過程中，其實(shí)是通過信息系統(tǒng)以及信息采集系統(tǒng)把它剝離起來，形成一個(gè)制造的網(wǎng)絡(luò)，具體來說包含三個(gè)層面：第一個(gè)層面是產(chǎn)品智能化，如無人機(jī)、無人駕駛汽車等都是智能化的產(chǎn)物。它包括了自主決策（如環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、智能識(shí)別等）、自適應(yīng)工況（控制算法及策略等）、人機(jī)交互（多功能感知、語音識(shí)別、信息融合等）等技術(shù)。

    第二個(gè)層面是裝備智能化。在制造企業(yè)中，盡管有機(jī)床，有很多的加工設(shè)備，但是這些都離不開人，因?yàn)闄C(jī)器沒有辦法實(shí)現(xiàn)自主感知和控制，未來的發(fā)展趨勢(shì)是要讓機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)自律地、自主地、自控地制造。即智能裝備的特點(diǎn)包括將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)融入感知、決策、執(zhí)行等制造活動(dòng)中，并賦予產(chǎn)品制造在線學(xué)習(xí)和知識(shí)進(jìn)化能力，從而實(shí)現(xiàn)自學(xué)自律制造。其次是車間智能化。對(duì)于車間來說應(yīng)該是一個(gè)制造系統(tǒng)，它包含的要素包括了生產(chǎn)的對(duì)象、生產(chǎn)的設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)的質(zhì)量的監(jiān)控、生產(chǎn)物流、人員等等，一旦企業(yè)規(guī)模夠大，變化夠快的時(shí)候，是要靠智能化的車間系統(tǒng)來解決管理問題。如果把車間的制造環(huán)節(jié)再延伸到物流供應(yīng)鏈以及到銷售的環(huán)節(jié)，那就是整個(gè)工廠的智能化，其中也包括了供應(yīng)鏈的智能化。

圖1 典型的數(shù)字化車間

    第三個(gè)層面是制造模式智能化。首先互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了很多的機(jī)會(huì)，如Facebook、微信等，社交服務(wù)平臺(tái)的出現(xiàn)改變了人們溝通的發(fā)昂視；其次，電子商務(wù)平臺(tái)的出現(xiàn)造就了阿里巴巴和亞馬遜這樣的企業(yè)的模式，帶來的是制造的相關(guān)的鏈條的改變，而不是制造本身。那么未來的制造業(yè)模式是怎樣的？盡管互聯(lián)網(wǎng)+已經(jīng)提出，但如何與工業(yè)發(fā)展相連通，依舊沒有成熟的定勢(shì)，值得研究和探討。但智能制造絕對(duì)是一個(gè)方向，包含產(chǎn)品的研發(fā)、數(shù)字控制的管理以及跨企業(yè)之間的協(xié)作、機(jī)器人、3D打印、傳感器等等。

三、基于RFID的智能制造技術(shù)與應(yīng)用

    1. RFID的含義

    RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID的主要特點(diǎn)是：1）適應(yīng)復(fù)雜工況，如防雨水、抗污漬、可噴涂；2）讀寫方便快捷，可讀可寫，輕松實(shí)現(xiàn)“盲視”“透視”掃描；3）批量操作，可進(jìn)行批量讀/寫、遠(yuǎn)距離讀寫；4）可對(duì)著實(shí)物直接寫入信息；5）讀寫性能可靠，一次性“盲掃”，識(shí)別可靠性達(dá)99.8%以上。

    RFID的工作原理是首次讀寫器通過天線發(fā)出無線射頻能量信號(hào)，然后標(biāo)簽通過無線射頻信號(hào)獲得能量，接著電能對(duì)電子標(biāo)簽芯片供電、芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)發(fā)出，最后讀寫器接收電磁波并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。

    2. RFID技術(shù)在智能制造中應(yīng)用

圖2 RFID技術(shù)在智能制造中應(yīng)用

    數(shù)字化車間的應(yīng)用：數(shù)字化車間可以設(shè)備在線監(jiān)測、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、設(shè)備故障智能診斷與專家支持，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輔具的管控，包括可視化跟蹤、信息交互壽命定量監(jiān)控與預(yù)測等，最終可以實(shí)現(xiàn)真正的物與物之間的通訊。另外基于RFID的混流制造解決方案，實(shí)現(xiàn)多品種同時(shí)高效制造，完全柔性化混流制造。典型的案例包括：1）上海通用五菱缸體缸蓋加工生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了6種以上缸體混流生產(chǎn)，提升缸體產(chǎn)能10%以上；2）三一重工18號(hào)廠房（ 泵送車裝配 ），是亞洲最大的數(shù)字化、智能化廠房，其精益制造模式，柔性流水線生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)流水化生產(chǎn)，節(jié)拍60分鐘，產(chǎn)品，生產(chǎn)，質(zhì)量信息自動(dòng)反饋。

    智能物流的應(yīng)用：車間物流應(yīng)用是通過物料出庫自動(dòng)配送、RFID識(shí)別托盤組盤成臺(tái)套、AGV智能調(diào)度等方式實(shí)現(xiàn)零部件出庫、物料分揀組盤，最后將物料配送上線。例如中國家電龍頭美的集團(tuán)通過車間物流應(yīng)用，通過AGV實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化路徑選擇、配送物料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，提升了整體配送效率。

圖3 智能物流

四、關(guān)于思谷數(shù)字技術(shù)有限公司

圖4 思谷數(shù)字技術(shù)有限公司主營領(lǐng)域

    思谷數(shù)字技術(shù)有限公司成立于2010年，注冊(cè)資本1000萬，坐落于廣東省東莞市松山湖國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，是一家致力于智能制造領(lǐng)域產(chǎn)品研發(fā)、系統(tǒng)集成、技術(shù)服務(wù)的國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)。思谷公司研發(fā)了工業(yè)級(jí)RFID讀寫器、讀寫頭、天線、標(biāo)簽等4大系列50多種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能感知產(chǎn)品，提供機(jī)電產(chǎn)品智能化、數(shù)字化智能化車間、智能物流與供應(yīng)鏈等智能制造解決方案，其RFID產(chǎn)品和智能制造解決方案在汽車、航空、船舶、工程機(jī)械、電子信息、高端裝備等制造領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

    本文根據(jù)東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院、廣東省智能制造新型感知技術(shù)國際創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)王瑜輝教授在2015首屆中國制造業(yè)智能制造高峰論壇暨第十二屆中國制造業(yè)管理信息化大會(huì)上的發(fā)言整理而成，未經(jīng)本人確認(rèn)。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：智能制造技術(shù)與數(shù)字化工廠應(yīng)用

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