實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”所需的關(guān)鍵技術(shù)

（1）第一階段——車間、企業(yè)集成

這是一種貫穿車間、跨越企業(yè)的全局制造業(yè)數(shù)據(jù)集成，將顯著改善成本、安全和環(huán)境的影響，具有重大的意義。

在這一階段，智能制造將工廠企業(yè)互連，更好地協(xié)調(diào)制造生產(chǎn)的各個(gè)階段，推進(jìn)車間生產(chǎn)效率的提高。典型的制造車間使用信息技術(shù)、傳感器、智能電動(dòng)機(jī)、電腦控制、生產(chǎn)管理軟件等來管理每個(gè)特定階段或生產(chǎn)過程的操作。然而，這僅僅解決了一個(gè)局部制造島的效率，并非全企業(yè)。

智能制造將整合這些制造島嶼，使整個(gè)工廠共享數(shù)據(jù)。機(jī)器收集的數(shù)據(jù)和人類智慧相互融合，推進(jìn)了車間級(jí)優(yōu)化和企業(yè)范圍管理目標(biāo)，包括經(jīng)濟(jì)效益大幅增加、人身安全和環(huán)境可持續(xù)性的實(shí)現(xiàn)。這種“制造智能”的出現(xiàn)將開啟智能制造的第二階段。

（2）第二階段——從車間優(yōu)化到制造智能

這些數(shù)據(jù)配合先進(jìn)計(jì)算機(jī)仿真和建模，將創(chuàng)建強(qiáng)大的“制造智能”，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的變化、柔性制造、最佳生產(chǎn)速度和更快的產(chǎn)品定制。

這一階段應(yīng)用高性能計(jì)算平臺(tái)（云計(jì)算）連接各個(gè)工廠和企業(yè)，進(jìn)行建模、仿真和數(shù)據(jù)集成，可以在整個(gè)工廠內(nèi)建立更高水平的制造智能。為了節(jié)約能源、優(yōu)化產(chǎn)品的制造交付，整條生產(chǎn)線和全車間將實(shí)時(shí)、靈活改變運(yùn)行速度，當(dāng)然現(xiàn)在是不可行的。企業(yè)可以開發(fā)先進(jìn)的模型并模擬生產(chǎn)流程，改善當(dāng)前和未來的業(yè)務(wù)流程。例如，制造商能使用納米技術(shù)開發(fā)大量制造產(chǎn)品和設(shè)備的模型。納米技術(shù)是極端小型化高度復(fù)雜設(shè)備、系統(tǒng)和材料的發(fā)展產(chǎn)物。人們普遍預(yù)言：一場行業(yè)技術(shù)和行業(yè)的革新，需要更小、更強(qiáng)、更輕材料和強(qiáng)大精密設(shè)備。

（3）第三階段——制造知識(shí)重整市場秩序

隨著制造智能技術(shù)的進(jìn)步，將激勵(lì)制造過程和產(chǎn)品創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)智能制造，顛覆主要市場秩序。

這一階段將廣泛應(yīng)用信息技術(shù)來改變商業(yè)模式，消費(fèi)者習(xí)慣的100多年的大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)供應(yīng)鏈將完全顛覆。靈活可重構(gòu)工廠和IT最優(yōu)化供應(yīng)鏈將改變生產(chǎn)過程，允許制造商按個(gè)人需求定制產(chǎn)品，如同生產(chǎn)藥物特定劑量和配方一樣，客戶會(huì)“告訴”工廠生產(chǎn)什么樣式的汽車，構(gòu)建什么功能的個(gè)人電腦，如何定制一款完美的牛仔褲……這種極富戲劇性的競爭力至關(guān)重要,越來越多的生產(chǎn)知識(shí)創(chuàng)新奠定了智能制造的第三階段。這些改變不會(huì)停留在量變層面上，它們將徹底改變游戲規(guī)則，使產(chǎn)品和工藝市場發(fā)生顛覆性變化。

智能制造與裝配的內(nèi)涵

智能制造是一種高度網(wǎng)絡(luò)連接、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的制造模式，它優(yōu)化了企業(yè)全部業(yè)務(wù)和作業(yè)流程，可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)力增長、能源可持續(xù)利用、高經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)。智能制造結(jié)合信息技術(shù)、工程技術(shù)和人類智慧，從根本上改變產(chǎn)品研發(fā)、制造、運(yùn)輸和銷售過程，通過零排放、零事故制造提高人身安全、保護(hù)環(huán)境。

2007年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）主辦的裝配技術(shù)研討會(huì)第一次提出了智能裝配的概念。它側(cè)重于如何開發(fā)和集成智能工具，如傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人、智能控制等，以便解決今天產(chǎn)品種類變化的強(qiáng)烈需求和后續(xù)生產(chǎn)制造的復(fù)雜性。智能裝配是一個(gè)生產(chǎn)工藝、人、設(shè)備和信息集成的概念，它使用虛擬和現(xiàn)實(shí)的方法來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、交貨時(shí)間和制造敏捷性的顯著改善。智能裝配遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的自動(dòng)化和機(jī)械化范圍，它在工程和操作上挖掘人與機(jī)器有效協(xié)同作業(yè)潛力，集成了高技術(shù)、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，具有自我集成和自適應(yīng)裝配處理的能力。

智能裝配系統(tǒng)為工廠開創(chuàng)了一種分析、建議和應(yīng)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的新模式。其中，傳感器起著關(guān)鍵的作用。傳感器將監(jiān)控每一個(gè)重要的操作參數(shù)，所有參數(shù)設(shè)置了控制限制，系統(tǒng)時(shí)刻評(píng)估裝配狀態(tài)，關(guān)注任何偏差的發(fā)生。

智能裝配環(huán)境以類似于人體的免疫系統(tǒng)方式運(yùn)行，以一種非常有效的方式來應(yīng)對(duì)沒有明顯癥狀的異常反應(yīng)。智能裝配系統(tǒng)可以調(diào)整和適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的變化，如投入零部件的變化，最大的好處就是系統(tǒng)健壯性，以確保系統(tǒng)質(zhì)量和生產(chǎn)能力。智能裝配基本單元雖然已經(jīng)應(yīng)用在一些生產(chǎn)制造系統(tǒng)之中，然而還需要進(jìn)行更多的系統(tǒng)頂層研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)器和子系統(tǒng)協(xié)同工作。在智能裝配中，一是加強(qiáng)虛擬能力實(shí)時(shí)能力，二是整合集成產(chǎn)品流程、工藝流程、信息流程等3大流程，這些決定了智能裝配的成敗。

波音公司目前正在基于智能裝配理念來實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化制造和操作（NEMO）創(chuàng)新計(jì)劃，它仿照了美國陸軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)項(xiàng)目。該計(jì)劃的目標(biāo)是將戰(zhàn)場上最先進(jìn)的技術(shù)，如“態(tài)勢感知”技術(shù)引入到飛機(jī)裝配生產(chǎn)線中。智能工具和傳感器是NEMO的第一層。目前，多項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在波音737和波音787的裝配流程中，如密封膠固化監(jiān)控。另外，制孔和安裝工具也已配備了傳感器，可以監(jiān)測用戶身份驗(yàn)證、設(shè)置信息、校準(zhǔn)狀態(tài)和互動(dòng)進(jìn)/退功能。

此外，波音公司還將NEMO技術(shù)應(yīng)用于一些軍事項(xiàng)目，如檢查F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)的線包。波音公司的工程師們還設(shè)想了一個(gè)廣泛的系統(tǒng)，在不久的將來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)工具和無線生產(chǎn)現(xiàn)場系統(tǒng)之間運(yùn)動(dòng)信息的自動(dòng)化。智能裝配應(yīng)用于這些過程，公司將專注于開發(fā)智能工具，它不需要操作者為一個(gè)特定的操作設(shè)定界限或扭矩。未來，波音飛機(jī)的裝配工作指令將直接投射到機(jī)翼或機(jī)身上，傳感器嵌入在緊固件連接的工具中，將指導(dǎo)裝配工人作業(yè)。與此同時(shí)，投射到飛機(jī)上的激光圖像會(huì)自動(dòng)告訴工人零件的準(zhǔn)確定位點(diǎn)或邊界，數(shù)字電子測量和檢驗(yàn)系統(tǒng)將監(jiān)測傳播裝配過程各個(gè)方面的在線信息。例如，傳感器將不斷監(jiān)控緊固連接工具、點(diǎn)膠設(shè)備、工裝、夾具和其他生產(chǎn)設(shè)備的性能狀態(tài)。在未來10年內(nèi)，波音公司計(jì)劃擴(kuò)大NEMO范圍，將客戶/供應(yīng)商與工程師和裝配工廠連接起來。

智能制造中的關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能制造，必須在信息實(shí)時(shí)自動(dòng)化識(shí)別處理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息物理融合系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全等方面得到突破，這其中涉及到如下智能制造的關(guān)鍵技術(shù)。

1射頻識(shí)別技術(shù)

射頻識(shí)別（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術(shù)又稱為無線射頻識(shí)別，是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間進(jìn)行機(jī)械或光學(xué)接觸。常用的無線射頻有低頻（125~134.2kHz）、高頻（13.56MHz）和超高頻3種，而RFID讀寫器分為移動(dòng)和固定式兩種。射頻識(shí)別是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它將小型的無線設(shè)備貼在物件表面，并采用RFID閱讀器進(jìn)行自動(dòng)的遠(yuǎn)距離讀取，提供了一種精確、自動(dòng)、快速的記錄和收集目標(biāo)的工具。

20世紀(jì)八九十年代，RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了樓宇人員和車輛的進(jìn)出控制、道路收費(fèi)站的自動(dòng)收費(fèi)、動(dòng)物跟蹤，以及生產(chǎn)資料進(jìn)庫和出庫的自動(dòng)跟蹤倉儲(chǔ)等。目前，該技術(shù)還廣泛應(yīng)用于供應(yīng)鏈管理、在制品制造、資產(chǎn)管理、安全訪問控制、消費(fèi)應(yīng)用等方面（表1）。

隨著射頻識(shí)別技術(shù)的巨大進(jìn)步，RFID成為了業(yè)務(wù)流程精益化的基本使能器，可以減少生產(chǎn)庫存，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，從而提高制造企業(yè)的競爭力。早在2000年，空客公司就認(rèn)識(shí)到這種技術(shù)優(yōu)勢，應(yīng)用RFID技術(shù)與各大航空公司進(jìn)行工具租賃業(yè)務(wù)。到2006年，空客有15個(gè)項(xiàng)目的贏利都得益于RFID技術(shù)。然而，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)公司利益最大化，需要采用協(xié)調(diào)的方法來避免重復(fù)性勞動(dòng)，達(dá)到協(xié)同效應(yīng)最大化。因此，到2007年，空客決定在全公司范圍內(nèi)使用零件序列化的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)（包括RFID），增加飛機(jī)全生命周期的可視化，這被稱為價(jià)值鏈可視化（VCV）計(jì)劃（圖1），空客公司則稱之為“空客業(yè)務(wù)雷達(dá)”。RFID技術(shù)成為簡化業(yè)務(wù)流程、降低庫存和提高經(jīng)營活動(dòng)效率與質(zhì)量的強(qiáng)大武器，大大提高了企業(yè)競爭優(yōu)勢。

新一代RFID芯片除了天線端口外，還提供了一條I2C總線連接，因此可以直接連接到微控制器和ASIC上。這就意味著它為后續(xù)的用戶化功能定制開辟了新的道路，可以向最終用戶提供多樣化的服務(wù)，如采用藍(lán)牙通信協(xié)議的RFID可以使用普通手機(jī)作為RFID閱讀器。此外，這種I2C技術(shù)還可以連接上各種傳感器，構(gòu)成簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)制造現(xiàn)場，需要對(duì)多種材料、零件、工具、設(shè)備等資產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤管理；在制造的某個(gè)階段，材料、零件、工具等需要及時(shí)到位和撤離；生產(chǎn)過程中，需要監(jiān)視在制品的位置行蹤，以及材料、零件、工具的存放位置等。這樣，在生產(chǎn)系統(tǒng)中需要建立一個(gè)實(shí)時(shí)定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以完成生產(chǎn)全程中角色的實(shí)時(shí)位置跟蹤。

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RealTimeLocationSystem，RTLS）由無線信號(hào)接收傳感器和標(biāo)簽無線信號(hào)發(fā)射器等組成。一般地，被跟蹤目標(biāo)貼上有源RFID標(biāo)簽，在室內(nèi)布置3個(gè)以上閱讀器天線，使用有源RFID標(biāo)簽來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置；3個(gè)閱讀器天線接收到標(biāo)簽的廣播信號(hào)，每個(gè)信號(hào)將接收時(shí)間傳遞到一個(gè)軟件系統(tǒng)，使用三角測量來計(jì)算目標(biāo)位置。

RTLS通常建在一個(gè)建筑物內(nèi)或室外識(shí)別和實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)象的位置。RTLS通常不包括GPS、手機(jī)跟蹤或只使用被動(dòng)RFID跟蹤的系統(tǒng)。RTLS的物理層技術(shù)通常是某種形式的射頻（RF）通信，但一些系統(tǒng)使用了光學(xué)（通常是紅外）或聲（通常是超聲波）技術(shù)代替了無線射頻。標(biāo)簽和固定參考點(diǎn)可以布置發(fā)射器和接收器，或兩者兼而有之。

目前，室內(nèi)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)通常采用超聲、紅外、超寬帶（UWB）、窄頻帶等技術(shù)，在帶寬、精度、墻體穿透性、抗干擾能力等方面存在各自的特點(diǎn)，其技術(shù)性能見表2。從表中可以看出超寬帶的綜合性能最優(yōu)，所以在許多生產(chǎn)制造現(xiàn)場廣泛采用了基于超寬帶的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。