本文首先總結(jié)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制技術(shù)的要求及工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn); 然后根據(jù)智能制造系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的地位和所發(fā)揮的作用，著重討論智能制造系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)在不同時(shí)期、不同領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)和階段，以生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流向?yàn)樘卣鳎瑓^(qū)分智能制造發(fā)展過(guò)程的 3 個(gè)階段; 最后以鋼鐵行業(yè)的案例來(lái)分析智能制造在生產(chǎn)中的地位，為企業(yè)實(shí)施智能制造提供參考。

為便于描述起見(jiàn)，本文將應(yīng)用智能制造技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的集合稱為智能制造系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)( 包括工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各級(jí)自動(dòng)化和信息化系統(tǒng)的總和) 稱為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，鋼鐵行業(yè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主體架構(gòu)一般分為 5 層，如圖 1 所示: 檢測(cè)及執(zhí)行設(shè)備級(jí) L0、基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí) L1、過(guò)程自動(dòng)化級(jí)L2、制造執(zhí)行系統(tǒng)L3 和企業(yè)資源計(jì)劃 L4，每層根據(jù)功能或控制范圍又劃分為多個(gè)系統(tǒng)。各層系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通過(guò)接口協(xié)議互相傳遞，業(yè)務(wù)應(yīng)用互相關(guān)聯(lián)。

隨著計(jì)算機(jī)和控制器的能力越來(lái)越強(qiáng)大，過(guò)程自動(dòng)化級(jí)的很多功能“下沉”至基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)來(lái)執(zhí)行，融合形成“過(guò)程控制級(jí)”; 而管理的扁平化需求，使得制造執(zhí)行系統(tǒng)和企業(yè)資源計(jì)劃的分工界限變得不那么明顯，融合形成“生產(chǎn)管理級(jí)”。但無(wú)論是 5 層結(jié)構(gòu)，還是其他類型的結(jié)構(gòu)，總體上都是圍繞企業(yè)的核心發(fā)展目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的功能定位和分工合作。

圖 1 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

通過(guò)總結(jié)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制技術(shù)的要求，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般需要具有以下特點(diǎn)。

( 1) 確定性。確定性是指工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)必須有確定的響應(yīng)能力，主要包括: 1) 實(shí)時(shí)性。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，很多情況下延遲對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程信息傳送來(lái)說(shuō)是不可接受的。2) 可預(yù)測(cè)性。即在滿足一定條件下，系統(tǒng)的輸出是可預(yù)期的，差異在可控或可接受的范圍內(nèi)。3)手動(dòng)優(yōu)先。在非正常的情況下，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的部分功能可以被操作人員確定性的手動(dòng)接管，使得整個(gè)系統(tǒng)可以在降低部分性能( 包括便利性) 的手動(dòng)模式下繼續(xù)運(yùn)行。

( 2) 可用性。可用性是指在外部資源得到一定程度的保證的前提下，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)可執(zhí)行規(guī)定功能的能力。主要包括: 1) 可靠性。由于其控制對(duì)象的重要性，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般要求連續(xù)工作，不允許控制系統(tǒng)的突然中斷和重新啟動(dòng)，這也就意味著在傳統(tǒng) IT 技術(shù)中通過(guò)重啟動(dòng)來(lái)復(fù)位系統(tǒng)的意外故障，在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中幾乎是不可接受的。因此，在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中要通過(guò)盡量簡(jiǎn)潔、可控、必要的代碼去實(shí)現(xiàn)所需的功能，在投入運(yùn)行前經(jīng)過(guò)反復(fù)詳細(xì)的測(cè)試，以確保盡量減少意外中斷的可能。2) 容錯(cuò)性。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)就必須盡量多地考慮系統(tǒng)在各類輸入條件下的響應(yīng)，在部分輸入信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作或自動(dòng)進(jìn)入安全狀態(tài)，避免產(chǎn)生極端的錯(cuò)誤輸出，導(dǎo)致設(shè)備或產(chǎn)品損害，甚至人身傷害。3) 安全性。工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)一旦受到網(wǎng)絡(luò)攻擊所帶來(lái)的后果比 IT 領(lǐng)域要嚴(yán)重的多，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)、設(shè)備損害或安全事故，因此必須結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景，合理部署安全解決方案，實(shí)現(xiàn)功能安全和信息安全的有機(jī)融合。

( 3) 經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性是指企業(yè)從一項(xiàng)投資活動(dòng)中得到的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。鋼鐵企業(yè)有深厚的行業(yè)背景和鮮明的個(gè)性化特征，很多先進(jìn)的技術(shù)難以在其他行業(yè)、不同生產(chǎn)線之間實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的復(fù)制推廣，IT 領(lǐng)域的市場(chǎng)模式在工業(yè)領(lǐng)域并不一定適用。因此，技術(shù)的開發(fā)是否具備合適的經(jīng)濟(jì)性需要綜合考慮。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)大量使用計(jì)算機(jī)、操作系統(tǒng)和各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，引入越來(lái)越多的IT技術(shù)。一些技術(shù)在引入的過(guò)程中，針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的要求進(jìn)行了改造、驗(yàn)證和推廣應(yīng)用。智能制造系統(tǒng)中很多基礎(chǔ)性技術(shù)如人工智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等也來(lái)源于IT技術(shù)，在引入工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，也需要根據(jù)要求，綜合考慮確定性、可用性、經(jīng)濟(jì)性因素，進(jìn)行必要的調(diào)整改造。

智能制造的發(fā)展總體上應(yīng)該是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，需要依據(jù)生產(chǎn)需求和相關(guān)技術(shù)在不同發(fā)展階段的特點(diǎn)，合理確定相關(guān)技術(shù)所能發(fā)揮的作用，以及其在整個(gè)生產(chǎn)體系的地位，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)與現(xiàn)有的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)合，形成有機(jī)的整體，有效地實(shí)現(xiàn)企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。

2 智能制造系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程的 3 個(gè)階段

依據(jù)智能制造系統(tǒng)所要解決的問(wèn)題和在整個(gè)生產(chǎn)體系中的地位，可以粗略地將智能制造的發(fā)展過(guò)程分為 3 個(gè)階段。

2. 1 第一階段———智能制造初級(jí)階段

在這個(gè)階段，人工智能等先進(jìn)技術(shù)不斷向傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)延伸，通過(guò)先進(jìn)的手段，顯示生產(chǎn)過(guò)程中的可見(jiàn)或隱性的狀態(tài)，輔助人作出正確的操作或決策，優(yōu)化工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能。智能制造系統(tǒng)所采用的很多技術(shù)，如工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、人工智能等，在圖像識(shí)別、故障預(yù)測(cè)等某些特定的領(lǐng)域有可能超過(guò)人，然而在實(shí)際生產(chǎn)中，由于現(xiàn)實(shí)情況復(fù)雜多變，無(wú)法取代人憑借自身的經(jīng)驗(yàn)或直覺(jué)作出正確的判斷，但可以作為一個(gè)很好的決策參考或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行輔助優(yōu)化。

在這個(gè)階段，由于智能制造系統(tǒng)主要是圍繞企業(yè)的某一方面功能發(fā)揮“畫龍點(diǎn)睛”的作用，在開發(fā)時(shí)需要在現(xiàn)有系統(tǒng)中以“打補(bǔ)丁”或局部改造的方式接入數(shù)據(jù)，如采用掃描方式搭建生產(chǎn)線三維模型，在生產(chǎn)線上增加安裝檢測(cè)設(shè)備等。但在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有很多因素會(huì)制約功能的實(shí)現(xiàn)，如掃描方式建立的模型會(huì)比較粗略，信息不足; 安裝檢測(cè)設(shè)備會(huì)受到現(xiàn)有工藝設(shè)備布置等因素影響等。在過(guò)去的幾年中，各企業(yè)從自身實(shí)際出發(fā)，圍繞企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)，克服不利因素，在多個(gè)領(lǐng)域?qū)χ悄苤圃爝M(jìn)行了艱苦探索和深入實(shí)踐，取得了良好的效果。這些探索實(shí)踐工作對(duì)于智能制造的發(fā)展是非常有益的。

在這個(gè)階段，工業(yè)生產(chǎn)仍由傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)為主導(dǎo)來(lái)控制。智能制造系統(tǒng)總體上相當(dāng)于是智囊團(tuán)，隨著時(shí)間延伸到越來(lái)越多的領(lǐng)域，針對(duì)企業(yè)的痛點(diǎn)和問(wèn)題提出解決方案，但仍需要人依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上作最終決策或在限定的范圍內(nèi)發(fā)揮作用，在智能制造系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，仍然可以依靠人的經(jīng)驗(yàn)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。

從這個(gè)意義上來(lái)講，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于智能制造系統(tǒng)的確定性、可用性的要求與 IT 系統(tǒng)并沒(méi)有顯著區(qū)別，智能制造系統(tǒng)作用于工業(yè)生產(chǎn)的局部且作用有限，表現(xiàn)形式為與智能制造相關(guān)的多個(gè)“點(diǎn)”并行發(fā)展，沒(méi)有( 也不必追求) 形成一個(gè)完備自治的系統(tǒng)。在這個(gè)階段，由于智能制造系統(tǒng)本身沒(méi)有形成一個(gè)完備自治的系統(tǒng)，因此可以考慮采用以功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)描述智能制造: 智能制造是面向企業(yè)的生 產(chǎn) 需 求，以信息系統(tǒng)為載體，模擬專家的智能進(jìn)行分析判斷和決策，進(jìn)而能夠擴(kuò)大 /延伸 /部分取代專家的大腦思維過(guò)程的系統(tǒng)。

2. 2 第二階段———智能制造中級(jí)階段

隨著技術(shù)的發(fā)展，智能制造系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用越來(lái)越重要，智能制造系統(tǒng)中集成的相關(guān)技術(shù)逐步成熟，經(jīng)過(guò)不同產(chǎn)線、不同工序、長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)驗(yàn)證，得到廣泛應(yīng)用，如: ( 1) 傳感器和控制器變得簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)且易獲取，視頻和音頻等生物識(shí)別技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，使系統(tǒng)可獲得更為全面、精準(zhǔn)的信息; ( 2) 對(duì)于同一功能，不同子系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果互相印證和交互評(píng)價(jià)，并由智能制造系統(tǒng)自行決策輸出; ( 3) 在外部條件發(fā)生變化或出現(xiàn)故障時(shí)，局部子系統(tǒng)的失效不影響總體系統(tǒng)的運(yùn)行，或自動(dòng)進(jìn)入安全狀態(tài); ( 4) 有關(guān)智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)逐步成熟，確定性、可用性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題得到合理的解 決，如區(qū)塊鏈技術(shù)逐步成熟，在理論上可以解決工業(yè)數(shù)據(jù)的安全性和信任問(wèn)題。

在這些前提下，智能制造系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的作用將會(huì)變得越來(lái)越重要，逐步針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的特定單元或特定功能實(shí)現(xiàn)完全的控制，傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)出于安全生產(chǎn)的考慮，可作為智能制造系統(tǒng)的補(bǔ)充或后備。

在這個(gè)階段，針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的特定單元或特定功能，智能制造系統(tǒng)不僅是智囊團(tuán)，同時(shí)也是決策者，在系統(tǒng)中占據(jù)統(tǒng)領(lǐng)地位，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，判斷生產(chǎn)狀態(tài)并形成控制決策，輸出執(zhí)行，同時(shí)依據(jù)執(zhí)行后的信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和自適應(yīng)。因此，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于智能制造系統(tǒng)的確定性、可用性的要求將會(huì)遠(yuǎn)高于對(duì) IT 系統(tǒng)的要求。

在這個(gè)階段，智能制造系統(tǒng)在局部( 生產(chǎn)過(guò)程的特定單元或特定功能) 形成了一個(gè)相對(duì)完備自治的系統(tǒng)，可以從生產(chǎn)單元的實(shí)施方法來(lái)描述: 智能制造通過(guò)構(gòu)建“狀態(tài)感知 - 實(shí)時(shí)分析 - 自主決策 - 精準(zhǔn)執(zhí)行 - 學(xué)習(xí)提升”的數(shù)據(jù)閉環(huán)，以軟件形成的數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)來(lái)消除復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性，在給定的時(shí)間、目標(biāo)場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化。

智能制造系統(tǒng)由初級(jí)階段向中級(jí)階段的進(jìn)化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。在生產(chǎn)系統(tǒng)中，不同的生產(chǎn)單元由于需求各異，采用的技術(shù)成熟度也不一樣，處于智能制造初級(jí)階段和中級(jí)階段的系統(tǒng)將長(zhǎng)期共存、協(xié)同作用。但總的來(lái)說(shuō)，隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的處于智能制造初級(jí)階段的技術(shù)將向中級(jí)階段進(jìn)化。

2. 3 第三階段———智能制造高級(jí)階段

隨著智能制造系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用，在越來(lái)越多的生產(chǎn)單元中，智能制造系統(tǒng)由輔助地位過(guò)渡到統(tǒng)領(lǐng)地位，形成多個(gè)局部自治的智能制造系統(tǒng)。同時(shí)，圍繞著通過(guò)智能制造實(shí)現(xiàn)企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)，企業(yè)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段，從智能制造的頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)面向智能工廠的全生產(chǎn)線三維建模和數(shù)字交付，全面管理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備、產(chǎn)品、運(yùn)維等各階段數(shù)據(jù)，建立完整的、功能豐富的數(shù)字化工廠和數(shù)字孿生模型，為全面深入實(shí)施智能制造奠定良好的基礎(chǔ)。

在中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《鋼鐵未來(lái)夢(mèng)工廠》中，對(duì)未來(lái)的智能制造鋼鐵企業(yè)做了全面的描述: 工廠具有基于信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算等新一代信息技術(shù)的智能決策與綜合管控平臺(tái)。實(shí)時(shí)、科學(xué)的決策指令從這里發(fā)布，最優(yōu)化、高效化的資源配置將從這里開始。工廠具備自感知、自組織、自決策的智慧體系。能量流、物質(zhì)流和信息流組成有機(jī)體的“血 液”，高效、連續(xù)、平穩(wěn)運(yùn)行的制造系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)組成有機(jī)體的“骨骼”，保證了物質(zhì)、能量、信息的動(dòng)態(tài)平衡和運(yùn)行優(yōu)化。做到“精準(zhǔn)、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、安全、環(huán)保”，全面提升發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

在智能制造高級(jí)階段，需要將智能制造的理念貫穿規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、生產(chǎn)、管理全 過(guò)程，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，基 礎(chǔ) 性 工 作 包括: ( 1) 合理規(guī)劃面向智能制造的生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu); ( 2) 合理安排生產(chǎn)車間的平面布置，保證生產(chǎn)有序、物流合理; ( 3) 合理配置儀表等檢測(cè)設(shè)備及其配套設(shè)施，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠; ( 4) 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程的三維設(shè)計(jì)和數(shù)字交付，全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，搭建面向生產(chǎn)線全生命周期的數(shù)據(jù)平臺(tái); ( 5) 合理配置智能制造基礎(chǔ)架構(gòu)，包括工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等。

在這個(gè)階段，智能制造系統(tǒng)貫穿整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)層面以決策者的身份出現(xiàn)，全面占據(jù)統(tǒng)領(lǐng)地位。生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于智能制造系統(tǒng)的確定性、可用性的要求也遠(yuǎn)高于對(duì) IT系統(tǒng)的要求。智能制造系統(tǒng)形成了一個(gè)完備自治的系統(tǒng)體系，形成了一種新型生產(chǎn)方式，可以從系統(tǒng)層面來(lái)描述智能制造: 智能制造基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。

2. 4 智能制造系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程 3 個(gè)階段的特征

如上所述，在智能制造初級(jí)階段，智能制造系統(tǒng)自身不構(gòu)成完備的系統(tǒng)，而是作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)體系的重要補(bǔ)充，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮重要的參考和補(bǔ)充作用; 在智能制造中級(jí)階段，智能制造圍繞特定的生產(chǎn)單元形成了完備的自治系統(tǒng)，在局部發(fā)揮決定性作用，傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)將作為后備; 在智能制造高級(jí)階段，形成了完整的智能制造架構(gòu)體系，在生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)層面中全面發(fā)揮決定性作用?？偨Y(jié)智能制造發(fā)展過(guò)程 3 個(gè)階段的特征見(jiàn)表 1。

表 1 智能制造發(fā)展過(guò)程 3 個(gè)階段的特征

3 對(duì)智能制造系統(tǒng)所處階段的認(rèn)識(shí)

3. 1 生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向

從宏觀上看，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程或產(chǎn)業(yè)鏈由若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的生產(chǎn)單元組成，生產(chǎn)單元可以是一個(gè)企業(yè)、一條生產(chǎn)線、一個(gè)工藝段、一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備或一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的功能等。為了對(duì)智能制造系統(tǒng)的不同發(fā)展階段有一個(gè)總體上的認(rèn)識(shí)，將組成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的每個(gè)生產(chǎn)單元廣義地分為 4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，通過(guò)分析各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流向和相互作用來(lái)判斷智能制造系統(tǒng)所處的發(fā)展階段。

系統(tǒng)包括: ( 1) 物理系統(tǒng)，包括生產(chǎn)線、產(chǎn)品等; ( 2) 傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，包括輸入 /感知子系統(tǒng)和分析決策 /自學(xué)習(xí)子系統(tǒng); ( 3) 人，包括操作人員、維護(hù)人員、管理人員等; ( 4) 智能制造系統(tǒng)，包括輸入 /感知子系統(tǒng)和分析決策 /自學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，以及數(shù)字孿生模型系統(tǒng)和虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)。數(shù)字孿生模型是以物理模型為基礎(chǔ)，基于物理系統(tǒng)的參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)在數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)的，其輸出作為智能制造系統(tǒng)中分析 /決策 /自學(xué)習(xí)子系統(tǒng)的參考和評(píng)價(jià)。另外，基于數(shù)字孿生模型系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制、生產(chǎn)組織管理、新產(chǎn)品開發(fā)等工作進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖 2 生產(chǎn)單元的數(shù)據(jù)流

生產(chǎn)單元的數(shù)據(jù)流如圖 2 所示。圖 2 中: 箭頭方向表示數(shù)據(jù)的流向; 開關(guān)符號(hào)定義數(shù)據(jù)的接通或斷開; 實(shí)線表示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù); 虛線表示非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)等; S1 表示人對(duì)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)定操作和干預(yù)是否有效; S2表示智能制造系統(tǒng)的輸出是否反饋給人作為設(shè)定操作和干預(yù)的參考; S3 表示智能制造系統(tǒng)的輸出是否作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)定。

3. 2 智能制造不同階段的分析

在圖 2 中，各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流向是由上述的S1 ～ S3 開關(guān)決定的，在智能制造的不同發(fā)展階段，開關(guān)的狀態(tài)組合不同，表 2 列舉出不同發(fā)展階段的數(shù)據(jù)流向特點(diǎn)。其中，1 代表開關(guān)接通，0代表開關(guān)斷開，* 代表開關(guān)狀態(tài)對(duì)智能制造所處階段的判斷無(wú)影響。

表 2 工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制模式

注 1: 在智能制造發(fā)展初期，智能制造系統(tǒng)的輸出用于輔助工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化，以工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的決策輸出為主，總體上處于智能制造初級(jí)階段; 隨著智能制造系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)化，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的作用將逐步弱化，智能制造系統(tǒng)的輸出逐漸向決定性作用演變，過(guò)渡到智能制造中級(jí)階段。

注 2: 隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)特定生產(chǎn)單元，智能制造系統(tǒng)的輸出發(fā)揮決定性作用，在生產(chǎn)過(guò)程的其他環(huán)節(jié)，智能制造系統(tǒng)的輸出發(fā)揮輔助性作用，兩者長(zhǎng)期共存，總體上處于智能制造中級(jí)階段; 在越來(lái)越多的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，智能制造系統(tǒng)的輸出發(fā)揮決定性作用，生產(chǎn)過(guò)程將逐步過(guò)渡到智能制造高級(jí)階段。圖 3 所示為智能制造由初級(jí)階段經(jīng)中級(jí)階段到高級(jí)階段的發(fā)展過(guò)程。

圖 3 智能制造系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程

3. 3 相關(guān)技術(shù)分析

下面以鋼鐵領(lǐng)域的兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景為例，分析相關(guān)智能制造技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用和所處的地位，判斷所處階段。

( 1) 面向智能天車的車輛識(shí)別。對(duì)于智能天車而言，一項(xiàng)重要的功能是通過(guò)圖像或激光的方式，識(shí)別運(yùn)輸車輛的外形、鞍座位置和鋼卷形狀等參數(shù)，并將識(shí)別出的相關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至天車的吊運(yùn)系統(tǒng)，作為吊運(yùn)的目標(biāo)位置。在智能制造初級(jí)階段，車輛識(shí)別系統(tǒng)輸出目標(biāo)位置后，由操作人員確認(rèn)位置的準(zhǔn)確性和吊運(yùn)過(guò)程的安全性，發(fā)出確認(rèn)操作指令后開始吊運(yùn)執(zhí)行。在這個(gè)過(guò)程中，即使由于外界原因引起偶然的識(shí)別錯(cuò)誤，由于操作人員的確認(rèn)而不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。在智能制造中級(jí)階段，車輛識(shí)別系統(tǒng)確定好目標(biāo)位置后，直接發(fā)送吊運(yùn)指令。這就對(duì)識(shí)別系統(tǒng)的確定性、可用性提出了很高的要求，不僅要求識(shí)別系統(tǒng)在任意工況條件下都要可靠準(zhǔn)確的識(shí)別，同時(shí)也需要能夠判斷自身的輸出是否會(huì)產(chǎn)生意外的結(jié)果，并且必要時(shí)自動(dòng)進(jìn)入安全狀態(tài)或切換為手動(dòng)操作模式。在智能制造高級(jí)階段，面向智能天車的車輛識(shí)別作為生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)關(guān)鍵的功能，是重要組成內(nèi)容之一。

( 2) 面向中厚板軋制過(guò)程的數(shù)字孿生系統(tǒng)。中厚板生產(chǎn)屬于多道次可逆軋制過(guò)程，軋制過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有重要的影響。傳統(tǒng)的方法需要工藝人員和操作人員經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后才能形成穩(wěn)定的生產(chǎn)過(guò)程。為此，考慮構(gòu)建面向中厚板軋制過(guò)程的數(shù)字孿生系統(tǒng): 借助于設(shè)計(jì)過(guò)程的設(shè)備三維數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線建設(shè)過(guò)程中的 BIM數(shù)據(jù)建立的虛擬模型，以三維形式再現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程; 以與生產(chǎn)過(guò)程控制邏輯高度一致的控制模型，再現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的操控; 以面向設(shè)備的動(dòng)作和產(chǎn)品的變形過(guò)程為基礎(chǔ)，建立對(duì)象模型。模型的構(gòu)建方式和精度決定了模型所能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

在智能制造初級(jí)階段，在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，采用簡(jiǎn)化的機(jī)理模型構(gòu)建設(shè)備的動(dòng)作過(guò)程和產(chǎn)品的變形過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的模擬，控制功能的全面測(cè)試和各類故障的仿真，以及操作人員的仿真培訓(xùn)，提高生產(chǎn)效率。在智能制造中級(jí)階段，對(duì)象機(jī)理模型精度不斷得到提升，借助于人工智能工具和大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型與生產(chǎn)過(guò)程的高度一致。此時(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅能全面模擬生產(chǎn)過(guò)程，還可以精確地模擬和評(píng)估不同的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響，可以自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化和干預(yù)。在智能制造高級(jí)階段，數(shù)字孿生系統(tǒng)與生產(chǎn)過(guò)程的智能制造系統(tǒng)完美結(jié)合，在全面模擬生產(chǎn)過(guò)程和對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化和干預(yù)的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)測(cè)試，并在測(cè)試完成后直接進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。這時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程和新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程將變得簡(jiǎn)單生 動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高效的智能化生產(chǎn)，可以形象地稱之為“軋鋼樂(lè)園”。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套成熟的工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)，企業(yè)圍繞提質(zhì)增效的目標(biāo)，推動(dòng)智能制造將是一個(gè)長(zhǎng)期的、循序漸進(jìn)的過(guò)程。在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用智能制造系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，不斷進(jìn)行補(bǔ)充完善和升級(jí)迭代，解決產(chǎn)線的痛點(diǎn)問(wèn)題，由傳統(tǒng)生產(chǎn)模式進(jìn)入到智能制造的初級(jí)階段。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的發(fā)展，整條產(chǎn)線乃至車間的智能化程度會(huì)逐步提高，智能制造系統(tǒng)在生產(chǎn)中的作用也會(huì)變得更加重要，在局部領(lǐng)域逐步過(guò)渡到智能制造的中級(jí)階段; 隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，逐步進(jìn)入面向全生產(chǎn)線或全產(chǎn)業(yè)鏈的智能制造高級(jí)階段。

對(duì)于新建或改造的生產(chǎn)線，在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段需要圍繞智能制造高級(jí)階段的目標(biāo)，開展頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌規(guī)劃工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì)、設(shè) 備 布 置等，在設(shè)計(jì)階段全面考慮與工藝生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)相關(guān)的物流、數(shù)據(jù)檢測(cè)，全面真實(shí)反映生產(chǎn)線的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的數(shù)字建模和數(shù)字交付，建立完善的智能制造基礎(chǔ)性架構(gòu)。高質(zhì)量的數(shù)字化設(shè)計(jì)和完整的智能制造基礎(chǔ)性架構(gòu)是智能制造系統(tǒng)能夠不斷完善和提升效能的前提，是智能制造進(jìn)入高級(jí)階段的必要基礎(chǔ)。

從目前落地的智能制造工作來(lái)看，智能制造系統(tǒng)的相關(guān)功能在生產(chǎn)線的作用多定位于初級(jí)階段，部分功能接近或達(dá)到了智能制造中級(jí)階段，這也與目前的技術(shù)發(fā)展相匹配，體現(xiàn)了這些企業(yè)的科學(xué)態(tài)度和務(wù)實(shí)精神。在學(xué)術(shù)界，對(duì)智能制造的探討更多的是面向智能制造高級(jí)階段，這是企業(yè)實(shí)施智能制造的目標(biāo)，也是發(fā)展的動(dòng)力。在企業(yè)實(shí)施智能制造的過(guò)程中，需要根據(jù)企業(yè)自身的發(fā)展特點(diǎn)及發(fā)展目標(biāo)，基于智能制造技術(shù)的發(fā)展，從數(shù)字化設(shè)計(jì)的頂層設(shè)計(jì)開始，有針對(duì)性地提出解決方案和實(shí)施計(jì)劃，同步制定智能制造的發(fā)展戰(zhàn)略，分步實(shí)施，有序推進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。