東莞華中科技大學制造工程研究院、廣東省智能制造新型感知技術國際創新團隊王瑜輝教授

一、智能制造產業與技術背景

    隨著制造業的不斷發展，制造產業已經成為全球經濟持續發展的發動機。為了發展先進制造業，美國推行“再工業化”戰略，力圖重振本土工業，尋找能夠支撐未來經濟增長的高端產業，通過產業升級化解高成本壓力，實現經濟的復蘇；德國為確保其工業領先的地位，提出了工業4.0的國家戰略，旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統—信息物理系統CPS（Cyber-Physical System)相結合的手段，將制造業向智能化轉型。世界制造強國紛紛推出制造發展計劃，但無論是美國的工業互聯網還是德國的工業4.0，都是為了應對制造產業的快速變化，提升本國制造的核心競爭力。

    制造產業的變化主要體現在三個方面，即定制化、個性化、綠色化。多品種產品生產的動態配置資源的柔性生產模式成為越來越多企業追求的目標，用以滿足市場上定制化的需求。另一方面，產品從設計到銷售一直到最終服務的生命周期的概念，在企業中越來越多的被認同，生命周期的制造流程模式幫助企業更好的為市場個性化需求服務。最后是綠色制造的提出，制造企業需要不斷提高能源利用效率，實現工業生產“綠色環保”。這些變化促使制造需求向多品種多批量、高質量低成本、柔性制造快速響應、節能減排的方面發展。就制造企業自身而言，面對日益加劇的市場競爭環境，必須通過提升效率、縮短生產周期、提高制造柔性的方式增強競爭力。

    在中國，隨著智能制造科技發展“十二五”專項規劃的出臺，失去成本優勢之后的中國制造拉響了轉型變革的號角，面對產業升級壓力、勞動力成本上升、能耗排放壓力的挑戰，中國制造2025明確了戰略需求、目標任務、關鍵技術等，同時也迎來了“發展先進制造技術，實現產業升級”的新機遇。

二、智能制造基本內涵與關鍵技術

    1.智能制造基本內涵

    所謂智能制造離不開兩個要素，第一個要素就是生產的物理要求，如產品制造的裝備、制造的車間等等。另一個則是信息。21世紀以來，隨著物聯網等新一代信息技術的快速發展及應用，智能制造被賦予了新的內涵，即智能制造是將物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與先進自動化技術、傳感技術、控制技術、數字制造技術結合，實現工廠和企業內部、企業之間和產品全生命周期的實時管理和優化的新型制造系統。智能設備、智能系統和智能決策代表著機器、設備組、設施和系統網絡的 工業世界能夠更深入地與連接、大數據和分析所代表的數字世界融合。德國正式推出工業4.0戰略，雖沒明確提出智能制造概念，但包含了智能制造的內涵，即將企業的機器、存儲系統和生產設施融入到虛擬網絡—實體物理系統（CPS）。

    2.智能制造技術核心

    智能制造的技術目標是通過嵌入式互聯網技術，離散的信息-物理系統（CPS）進行連接交互。它包含了三個方面：首先產品制造過程中包含所有必要信息；其次要考慮全價值鏈進行生產設備整合、自組織；第三個是要在生產過程中按照實際工況靈活決策。具備了以上三個特點就是智能制造系統的基本要素。

    智能制造技術路線包含通過軟件和網絡進行產品開發、生產和服務溝通，也包括機器與產品實時進行信息和指令交互，并在此基礎上可以實現自主控制和優化。其發展的階段可能都為人熟知。我們一直在做信息化，那首先就必須要實現數字化，然后利用自組織網絡，動態配置資源，實現研究、設計、生產和銷售各種資源重組，形成跨地域的生產網絡，從而構成了未來智能制造的基礎。未來，在產品設計、制造過程中具有感知、分析、決策、執行的能力。這便是構筑的智能化的階段。

    智能制造的核心覆蓋了生產的全要素，從設計到生產到后期的服務，整個營銷的過程中，其實是通過信息系統以及信息采集系統把它剝離起來，形成一個制造的網絡，具體來說包含三個層面：第一個層面是產品智能化，如無人機、無人駕駛汽車等都是智能化的產物。它包括了自主決策（如環境感知、路徑規劃、智能識別等）、自適應工況（控制算法及策略等）、人機交互（多功能感知、語音識別、信息融合等）等技術。

    第二個層面是裝備智能化。在制造企業中，盡管有機床，有很多的加工設備，但是這些都離不開人，因為機器沒有辦法實現自主感知和控制，未來的發展趨勢是要讓機器能夠實現自律地、自主地、自控地制造。即智能裝備的特點包括將專家的知識和經驗融入感知、決策、執行等制造活動中，并賦予產品制造在線學習和知識進化能力，從而實現自學自律制造。其次是車間智能化。對于車間來說應該是一個制造系統，它包含的要素包括了生產的對象、生產的設備狀態、生產的質量的監控、生產物流、人員等等，一旦企業規模夠大，變化夠快的時候，是要靠智能化的車間系統來解決管理問題。如果把車間的制造環節再延伸到物流供應鏈以及到銷售的環節，那就是整個工廠的智能化，其中也包括了供應鏈的智能化。

圖1 典型的數字化車間

    第三個層面是制造模式智能化。首先互聯網的發展帶來了很多的機會，如Facebook、微信等，社交服務平臺的出現改變了人們溝通的發昂視；其次，電子商務平臺的出現造就了阿里巴巴和亞馬遜這樣的企業的模式，帶來的是制造的相關的鏈條的改變，而不是制造本身。那么未來的制造業模式是怎樣的？盡管互聯網+已經提出，但如何與工業發展相連通，依舊沒有成熟的定勢，值得研究和探討。但智能制造絕對是一個方向，包含產品的研發、數字控制的管理以及跨企業之間的協作、機器人、3D打印、傳感器等等。

三、基于RFID的智能制造技術與應用

    1. RFID的含義

    RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。RFID的主要特點是：1）適應復雜工況，如防雨水、抗污漬、可噴涂；2）讀寫方便快捷，可讀可寫，輕松實現“盲視”“透視”掃描；3）批量操作，可進行批量讀/寫、遠距離讀寫；4）可對著實物直接寫入信息；5）讀寫性能可靠，一次性“盲掃”，識別可靠性達99.8%以上。

    RFID的工作原理是首次讀寫器通過天線發出無線射頻能量信號，然后標簽通過無線射頻信號獲得能量，接著電能對電子標簽芯片供電、芯片將數據轉換成電磁波信號發出，最后讀寫器接收電磁波并轉換為數據。

    2. RFID技術在智能制造中應用

圖2 RFID技術在智能制造中應用

    數字化車間的應用：數字化車間可以設備在線監測、設備運行狀態評估與風險預警、設備故障智能診斷與專家支持，可以實現對輔具的管控，包括可視化跟蹤、信息交互壽命定量監控與預測等，最終可以實現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，實現多品種同時高效制造，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線，實現了6種以上缸體混流生產，提升缸體產能10%以上；2）三一重工18號廠房（ 泵送車裝配 ），是亞洲最大的數字化、智能化廠房，其精益制造模式，柔性流水線生產可實現流水化生產，節拍60分鐘，產品，生產，質量信息自動反饋。

    智能物流的應用：車間物流應用是通過物料出庫自動配送、RFID識別托盤組盤成臺套、AGV智能調度等方式實現零部件出庫、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通過車間物流應用，通過AGV實現自動化路徑選擇、配送物料實現自動識別，提升了整體配送效率。

圖3 智能物流

四、關于思谷數字技術有限公司

圖4 思谷數字技術有限公司主營領域

    思谷數字技術有限公司成立于2010年，注冊資本1000萬，坐落于廣東省東莞市松山湖國家高新技術產業開發區，是一家致力于智能制造領域產品研發、系統集成、技術服務的國家級高新技術企業。思谷公司研發了工業級RFID讀寫器、讀寫頭、天線、標簽等4大系列50多種具有自主知識產權的智能感知產品，提供機電產品智能化、數字化智能化車間、智能物流與供應鏈等智能制造解決方案，其RFID產品和智能制造解決方案在汽車、航空、船舶、工程機械、電子信息、高端裝備等制造領域得到成功應用。

    本文根據東莞華中科技大學制造工程研究院、廣東省智能制造新型感知技術國際創新團隊王瑜輝教授在2015首屆中國制造業智能制造高峰論壇暨第十二屆中國制造業管理信息化大會上的發言整理而成，未經本人確認。

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本文標題：智能制造技術與數字化工廠應用

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