北航刘强:“三要三不要”实施智能制造

12月14日,中国机电一体化技术应用协会成立30周年庆祝大会在北京举行,北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授、博士生导师刘强就智能制造理论体系架构进行了主旨演讲。

据悉,我国教育部已在高等院校本科专业中设置智能制造工程专业,这对智能制造从教学、培养、研究各方面提出了更多新的要求。而目前产学研等各界对智能制造的理解各有千秋,演讲中刘强阐述的智能制造理论体系架构基于其多年研究总结而成。

《北航刘强:“三要三不要”实施智能制造》

一般而言,不同时代有相应的制造技术,其特点是从以机械化,到标准化、刚性自动化,再到柔性自动化、数字化、网络化,以及到工业4.0也就是智能化时代的人机物互联、自感知、自分析、自决策、自执行。但不管在什么时期,优质、高效、低耗、绿色,是制造业永恒的主题。

刘强分析,未来制造技术将面临四大新的转变:一是从相对单一的制造场景,转向复杂、混合的制造场景。机器人、人、机床混合,工艺方法增材减材混合等等。二是从面向控制机器学习,如机床闭环反馈,转向深度决策的深度学习,实现大闭环的控制。三是以前基于经验知识决策,比较多基于人的经验,现在基于数据证据决策,要求基于大数据分析和处理来决策。四是从解决可见的发生的现有问题,转向预见不可见未发生的问题,如不可见的预见性维护,不管从底层设备到单元到生产线。

基于这种分析,未来制造技术发展的必然趋势就是智能制造。未来制造,需要制造系统具有预测和适应未知场景能力的智能优化,能够自感知、自学习、自组织、自适应等等,实现大闭环,而不是单台机床或者局部闭环。同时处理越来越多的结构化数据和非结构化数据,支持决策和预测。以及不同层级的CPS、DT将虚拟仿真和物理生产过程深度融合,支撑后面的各种系统。未来场景正是有这些变迁,智能制造成为必然趋势。

刘强提出了智能制造实施途径的“三要三不要”原则,“三不要”是:不要在落后的工艺基础上搞自动化,不要在落后的管理基础上搞信息化,不要在不具备网络化数字化基础时搞智能化;“三要”则是:标准规范要先行,支撑基础要强化,CPS理解要全面。

他同时提出了智能制造实施的五个步骤,这就是需求分析、网络基础设施建设、互联可视数字化,现场数据驱动动态优化,虚实融合智能生产。

以下是刘强演讲实录。

刘强:尊敬的沈部长,各位领导、各位同仁、各位嘉宾大家上午好!今天给大家汇报一下我们在智能制造理论体系架构方面的一些认识,这个话题是来源于去年机械工业出版社跟我约了智能制造教材,今年给北航工程化本科生开了智能制造课程。现在教育部在高等院校本科专业里面设置智能制造工程这个专业,这些都使得我们对智能制造从教学、培养、研究这些方面,提出更多新的要求。因此迫使我们来思考智能制造从它的理论涉及到关键技术等等有关内容,怎么来构建起来,所以把这里面我们在这方面做了一些工作,形成一些思考认识向各位领导、各位同行汇报。

首先是智能制造技术发展的变迁与新的挑战。

我们知道人类文明进程与制造密不可分。制造活动及其制造产物伴随我们从工具时代、农业时代、工业时代到知识时代,是我们生产生活里面永恒主题。农业时代之后工业时代大家清楚,机械化、电气化、信息化、智能化。

不同时代制造技术的发展变迁,从制造技术特点来看有以机械化,标准化、刚性自动化,柔性自动化、数字化、网络化,以及智能化时代的人机物互联、自感知、自分析、自决策、自执行,这个变迁过程里面,我们在想技术上变迁在哪里?工业1.0到2.0,从原来作坊式机械化生产走向标准化、自动化,这个时候标准化以零件生产标准化,制造工艺的标准化,检验控制标准化为代表,实现初级刚性自动化,通过自动化改变制造过程的速度,以及可重复性,这是从1.0到2.0技术变迁。

从2.0到3.0,这时候是以高级自动化,主要是以追求效益、质量、柔性,以合理的响应能力和精度质量,适应产品的多样性、批量波动生产,就是我们说的变批量柔性化制造。这时候高级复杂的自动化,具有柔性,以数字化设计制造和网络支持来支撑我们的制造过程,它的各种应用、监测、控制、管理、通信、交互、共享等等。

不管在什么时期,制造业追求的目标,是优质、高效、低耗、绿色,是制造业永恒的主题。

未来制造面临挑战,我们讲两个轮子驱动,就是市场需求和技术推动。市场需求维度,从机械制造这一块来讲,越来越多的材料,越来越复杂的结构件,越来越高的质量要求、环境要求,以及现在个性化规模化、定制要求交付时间,个性化定制等等。技术推动维度,带来技术这一块融合,工业互联网、IoT、大数据、云、人工智能等等,包括制造工艺混合制造等等,新的技术它的知识,两个轮子有驱动的发展。

未来制造技术面临四大新的转变:一是从相对单一的制造场景,转向复杂、混合的制造场景。机器人、人、机床混合,工艺方法增材减材混合等等。二是从面向控制机器学习,如机床闭环反馈,转向深度决策的深度学习,实现大闭环的控制。三是以前基于经验知识决策,比较多基于人的经验,现在基于数据证据决策,要求基于大数据分析和处理来决策。四是从解决可见的发生的现有问题,转向预见不可见未发生的问题,如不可见的预见性维护,不管从底层设备到单元到生产线。

智能制造成为未来制造发展趋势。未来制造,需要制造系统具有预测和适应未知场景能力的智能优化,能够自感知、自学习、自组织、自适应等等,实现大闭环,而不是单台机床或者局部闭环。同时处理越来越多的除了结构化数据和非结构化数据,支持决策和预测。以及不同层级的CPS、DT将虚拟仿真和物理生产过程深度融合,支撑后面系统。未来场景正是有这些变迁,智能制造成为必然趋势,也是方向。

智能制造发展的内涵和特征,其实是一个过程。记得80年代我们上研究生的时候,这个时候已经有智能制造,这个时候提出智能制造在百度里面百度出来。从科学特征、技术特征都做了相应概述,我要提的一点,在那时候提出来的智能制造概念,它的基本思想在现在也仍然还是适用。

在最近美国智能制造创新研究院里,发布roadmap2017到2018的智能制造,提出智能制造的内涵解读。智能制造是一系列的涉及业务、技术、基础设施及劳动力的实践活动,通过整合运营技术和信息技术OT和IT的工程系统,来实现制造的持续优化。这里提出基础设施还有人他们四个维度,以及OT和IT系统工程,最终实现制造工程持续优化。

中国制造2025强国战略研究里面,屈贤明院长做了相当多。智能制造内涵是制造技术与数字技术、智能技术及新一代信息技术的融合,是面向产品全生命周期的具有信息感知、优化决策、执行控制能力等等。工信部智能制造发展规划2016到2020报告里面,指出了智能制造是基于新一代信息通信技术,ICT技术,与先进制造技术深度融合,贯穿于设计、生产、管理等等。

我们基于前面的相关工作,结合新的技术发展变迁,应对未来得挑战,我们对工业4.0时代智能制造内涵做出一个自己的新的认识。智能制造是先进制造技术与新一代信息技术、新一代人工智能等新技术深度融合形成的新型生产方式和制造技术,他以产品全生命周期价值链的数字化、网络化集成为核心,以企业内部纵向管控集成,企业外部网络化协同集成为支撑,以物理生产系统及其对应的各层级数字孪生映射融合为基础,建立起具有具有动态感知、实时分析、自主决策和精准执行功能的智能工厂,进行赛博物理融合的智能生产,实现高效、优质、低耗、绿色、安全的制造和服务。

智能制造归结起来一个核心:CPS,两大主题:智能工厂、智能生产,三项集成:横向集成,垂直集成,端到端集成,十字目标:优质、高效、低耗、绿色、安全。

智能制造分成几个部分,包括理论基础、支撑基础、核心主题、总体目标、实施途径、使能技术。首先是理论基础,阐明智能制造过程,基本概念,范畴、基本原理。设计智能制造的基础概念术语定义,内涵、外延、特征、构成要素、参考架构、标准规范等等。

第二部分是技术基础,阐明发展智能制造工程技术基础和基础性设施条件等,设计工业的四基和基础设施两个方面:四基即核心基础零部件、元件,先进基础工艺,关键基础材料,产业技术基础。基础设施是指数字化基础设施、网络化基础设施、信息安全基础设施。

支撑技术,属于智能制造的关键技术,涉及支撑智能制造发展的新一代信息技术和人工智能技术等关键技术,主要包括传感器、工业互联网/物联网、大数据、云计算、边缘计算、虚拟现实、增强现实、人工智能、数字孪生等等。这些随着发展还会有新的技术出现。

还有一个方面,面向应用的使能技术,属于智能制造专业技术,涉及智能制造系统性集成和应用使能的关键技术,归结为三大集成技术和应用使能技术,主要包括如下技术:端到端集成,纵向集成,横向集成,动态感知,实时分析,自主决策,精准执行。

两个核心主题,要阐述构成智能制造的核心内容和主要任务。概括为一个核心即CPS,以及基于CPS构成的赛博物理生产系统CPPS;四大主题,也就是CPS/CPPS的实现形式和载体,即智能工厂和智能生产,进一步把智能服务和智能物流加进来。

发展模式方面,阐述智能制造发展演进阶段的划分,特点和范式,包括6个发展阶段以及三个演进范式。

实施途径方面,我们希望能够阐述实施智能制造原则和给出推进智能制造实施落地的步骤建议。包括智能制造的“三要三不要”原则,以及规范实施五步骤建议。

最终是总体目标,阐述清楚优质、高效、低耗、绿色、安全的具体内涵和意义。

这是我们对智能制造的理论框架,架构的一个设想,这个设想是我们基于自己研究、思考、认识得出一个结果。希望把这个抛出来,请各位同行批评,我们一起来进一步发展。

最后,把智能制造发展模式和路径这方面研究做一个简要介绍。智能制造实施途径“三要三不要”原则,大家很熟悉,得到各位同行认可,感到非常欣慰。

一个例子,某航天制造企业在基于需求工艺分析的制造装备创新过程。首先,不要在落后的工艺基础上搞自动化,不仅工业2.0要首先解决这个问题,工业4.0更要解决。能把航天火箭制造的传统制造工艺里面三大主要工艺,化学铣削到镜像铣削;手工熔焊,到FSW焊接;手工钻铆改成静压伺服铆。

从制造工艺分析改进变革入手,提出装备需求,装备需要解决的问题和技术,创新设计最后实现装备创新。工艺突破牵引高端装备创新研发,装备是工艺的载体,也是保证工艺实现的手段。

从设备层它的数字化,工艺改了,数字化都是数控上来,把智能化运输物流,车间里面的数字化建模,制造过程管理结合起来,构建起新一代航天制造智能制造系统,IMS。这样实现走向智能化的过程。

先进制造工艺及装备技术我们要关注,一定要首先解决工艺问题,传统落后工艺肯定在这基础上搞不成,也搞不好自动化、数字化和智能化。

此外,现代管理模式和技术,如果还是在落后管理基础上,是搞不成数字化和智能化。数字化转型是实现制造企业转型升级的关键,网络化是企业实现资源共享,集成重组,动态联盟的前提。不要在不具备数字网络化时候来搞智能化。

作为标准规范先行方面也是有很多案例。克强总理提出先进标准倒逼中国制造升级。我们在智能制造强国战略里面提出中国智能制造标准化和参考模型,从生命周期维度、系统层级维度,智能特征维度,以及还有架构都给出了,已经体现我们智能制造推进过程里面标准规范先行这样理念。相关支撑基础,我想不展开了,我们可以从基础能力视角,从标准体系的视角,这里是在智能制造标准体系架构里面摘出来几个部分。以及热点技术相关视角,我们都可以来阐述我们有关智能制造相关支撑技术。

希望在后面推进过程里面,CPS要能够理解全面,对CPS进一步理解,专门一个专题也讲不过来,首先是CPPS赛博物理生产系统;3C之间的关系。还有一句话CPS应用是一个过程,是一个长远的过程,不要一蹴而就。

我们也提出智能制造实施的五个步骤,包括需求分析、网络基础设施建设、互联可视数字化,现场数据驱动动态优化,虚实融合智能生产。希望给智能制造企业往这方面的落地,提供参考和指导。

智能制造发展模式,从发展阶段来讲,德勤曾经给出一个计算机化、连接、可视、透明、预测、自适应6个阶段。

基于前面这些认识和分析,我想对于未来工厂,未来的智能制造他们新的形态和特点,会包括这样一些方面:未来工厂会是互联透明CPPS融合的工厂,是一种自治型工厂,还有生态型工厂,它包括混合型制造,软件定义制造,移动制造,韧性制造,还有可持续制造。最终目标还是制造技术永恒的主题,优质、高效、低耗、绿色、安全。

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