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智能制造的阶段论
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来源: 知识自动化 作者: 周宏仁 林雪萍发布时间:2018/3/6评论:0+收藏文章

 

智能制造的阶段论

 周宏仁 林雪萍

美国数字制造与设计创新院(DMDII),最近给出的“数字设计与制造”的进化时间。文中认为技术进化有三个代级:自动化和数字化、网络化和集成、智能系统。而在这三个阶段之前,是一个标准化和电气化的传统阶段。

图1:工业发展阶段的分类

 

美国数字制造与设计创新院,对这三个阶段的认识是,数字化属于过渡阶段,网络化属于转型阶段,而智能化则属于崛起阶段。

 

尽管三个阶段中,智能化的事情,基本是留在2020年以后了。但从发展趋势来看,它与中国智能制造当前主流语境中所划分的三个阶段:数字化、网络化和智能化,基本吻合。

 

这三个阶段的时间划分,仍然可以有商榷的余地,那取决于以何为标准了。但看起来,大的阶段是有共识的。

 

这是国外近年来非常明确的一次提法,尤其提出机构是美国数字制造与设计创新院(DMDII),它继承和代表了美国军方的技术发展和数字化制造的多年结晶。因此,这个说法是非常值得采信的美国主流语境。

 

数字化起步

利用计算机来改造企业的生产装备,实际上比管理信息系统起步还要早。1952年商用电子计算机发明的第二年,美国就有一家公司设计了一套数控装置,开发了第一台三坐标数控铣床。尽管这个铣床体积很大,造价也很高,但是这开辟了一个数字控制的新时代。到了1958年,美国研究出第一台加工中心。这意味着,计算机改变制造业的时代,已经正式拉开帷幕。

 

早在70年代,就可以看到数字化对传统工业的改造,特别是在1974年,第五代使用微处理芯片和半导体存储器的计算机数控装置研制成功以后,从装备的角度来看这个发展非常快,拿数控机床来讲,从一轴到三轴到五轴到七轴。这个是对工业化产生了革命性的影响。还有计算机辅助系统,从辅助制图CAD、到计算机辅助工程仿真CAE、到计算机辅助制造CAM等,都对制造业产生了深远的影响。

 

后来随着计算机技术的发展,出现了全三维数字化和数字仿真,这是工业数字化向高端方向开始发展。从开始接订单,一直到最后产品交付这个全流程上,全部是靠计算机软件控制和支撑。

 

网络化崛起

上个世纪90年代初互联网开始在全球普及,企业的网络化随之也发展非常快。在互联网没有起步之前,基本上所有的企业都采用客户服务器C/S的架构,但客户服务器只能解决本地的联网问题。互联网兴起之后,异地可以联网,企业很快也开始走向网络化。

 

网络化给制造业带来重大的技术突破,主要体现在三个方面。

 

一个就是关联设计系统。在虚拟设计与制造的环境下,可以支持成百上千个在线用户进行实时设计,使得一个系统或者一台装备的总体、子系统之间的三维设计结果相互关联。这对于制造能力的提升,开辟了巨大的想象空间,这个对企业来讲是一个全新的竞争优势。

 

其次,网络化带来的不仅仅是大家交换信息,而且可以带来工程人员的协同。一些大的企业如波音公司,率先建立了自己非常强大的网络化协同平台。2000年9月以波音、洛克希德•马丁、雷神、BAE及R&R为代表的美英国防航空巨头,在就发起组建了大名鼎鼎的Exostar,探索国防航空行业的供应链网络协同。目前通过Exostar进行供应链管理和协同的有六大主制造商,包括16,000个不同规模的专业供应商。

 

其三就是全三维标注技术,任何一个产品只要把三维的图做出来,零部件的图纸自然而然可以被分解。这可以使得企业形成单一数据源的管理。美国国防部和航空航天近几年非常重视的数字主线(Digital Thread),也正是这样一种技术的发展和延伸。

 

智能化发展

企业智能化的发展,可以回溯到上个世纪六十年代开始。通过图2的制造业智能化发展,可以看到制造业如何从数字化走到网络化,再走到智能化。

图2:制造业智能化的发展史

 

可以看到制造业的智能化,实际上跟数字化基本上是同步的,不过在早期,只是单机、单个装备而已。像CAE这种非常复杂的软件,需要把计算、工程知识和人类的经验,都融合在里面。因此,工业软件并不简单是软件,而是一门非常精深的工业学科和行业学问。就智能化而言,若从数据处理的角度来看,早期业务智能(Business Intelligence)也是很重要的一个发展。

 

智能化实际上是依托于计算科学。美国国家总统信息技术委员会在2005年专门就“计算科学的意义”给时任总统小布什写过一个报告,其中讲到,计算科学是由三个不同的元素组成的:计算机与信息科学、建模与模拟软件和计算机基础设施,这三点缺一不可。

 

现在的智能化,实际上是包含四个基本的要素:模型、算法、软件和数据。发展真正的智能化系统,一定要包含这四个方面。

 

最基础的阶段

但这三个阶段,都有一个非常重要的基础,就是标准化阶段——看上去国人,对这个阶段,忽略的比较厉害。工业化一开始,就是与标准化共生的。标准化是一个持续不断、贯穿时代的命题,尽管不同阶段的内涵和特征,会有所不同。自工业化开始,标准化就是一个永恒的主题。而由于历史发展原因,标准化一直就没有深入落根到中国工业中去,这也是造成当前中国制造业的一些顽疾的原因。

 

在中国,还需要解决的基本功课,不完全是技术问题,而是工业化的基础理念问题。工业工程是一个特别值得注意的问题。

 

例如,工业工程,在国外可以看作是“工厂之父”,标准化和精益,是最为重要的内容之一,多年来一直如此。佐治亚理工学院专门有工业工程学院,全球第一;密西根大学的工业工程系,也是美国数一数二,受到工业界广泛地推崇。

 

佐治亚理工大学为什么工业工程这么强?就需要追溯到它的历史。当年美国内战(南北战争)结束后,大败而归的南方农业大佬战后进行了深刻的反思,将南方败给北方的重要原因归结于:北方的州郡有着强大的工业,而南方缺乏工业根基。痛定思痛,南方决定设立佐治亚理工大学,专门为制造业培养人才。这是佐治亚理工大学的发展根基和DNA,它在工业方面的教育独步武林,而工业工程是其重点发展的领域。一般学校都只是工业工程系,但佐治亚理工则是扩大编制,有一个工业工程学院。

 

工业工程是工业文明的一个重要组成部分,没有工业工程,就没有工业文明。中国工业的质量、标准、工匠精神等诸多现象,都跟工业工程的发展孱弱,是相辅相成的。

 

好在这几年,工业工程逐渐开始抬头,受到更多企业的追捧和实践,这是一门需要补充的大课,唯有如此,中国才能实际上完成真正意义上的工业化。

 

原发工业与嫁接工业

工业化不是一个独立要素的作用,而是往往具有多种属性和特征。所有 “XX化”的阶段,都有伴生特征。例如,电气化伴随着标准化、数字化伴随着自动化、网络化伴随这集成化。而所有的基础,首先是标准化,而标准化则与现代工业结合的尤其紧密——这也是电气化 + 标准化的时代。

 

这些都可以称之为“原发工业”的伴生性,这是西方工业的特点,是在工业化近百年的积累基础上逐渐发展而来;而中国的工业,是一个半途出家的“嫁接工业”,无论是早期受到苏联支持、直接照搬的大工业体系,还是改革开放依赖通过“拿来主义”发展世界工厂的快速崛起,都缺乏“原生工业”和“伴生工业”的概念。

 

从这个意义来看,面对中国制造当下的发展阶段,单纯说数字化、网络化,也是不完整的,需要同时注意伴生物的发展。例如,数字化一定需要自动化的“伴生”;而网络化则需要同时解决信息系统集成和数据的自由流动。

 

由于中国制造需要在多个阶段、多个伴生特征的场景下齐头并进,因此,充分理解原生工业的伴生特征,系统性地考虑中国制造的特征问题,具有非常重要的意义。

 

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