智能工厂及其关键技术研究现状综述

发表时间：2020-10-09T08:11:23.722Z 来源：《中国科技人才》2020年第17期 作者： 徐安定 左彬彬 陶劲松[导读] 国内外学者对智能工厂的研究普遍存在侧重点，而对智能工厂的整体论述缺乏研究。奇瑞商用车有限公司 河南 241002

摘要：智能工厂是一个庞大的生产系统，包括了诸多先进技术，如通信技术、大数据技术、虚拟仿真技术、网络技术、人工智能等。目前，国内外学者对智能工厂的研究普遍存在侧重点，而对智能工厂的整体论述缺乏研究。 关键词：智能工厂；关键技术

从宏观理论上讲，智能工厂是智能化技术运用到一定时期的产物，它主要是利用现有计算机网络技术和信息自动化设备来提升制造业的整体水平和企业经济效益。现阶段，我国现有的智能工厂主要包含：物理设备、管理系统以及庞大的信息数据库等多个领域的信息与技术。

一、智慧工厂功能性

将生产运行管理功能与实际生产场景紧密连接起来。然而，在新的企业竞争环境和技术背景下，现代工厂的智能化逐渐聚焦于将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与产品全生命周期管理相融合，使工厂具备自组织、自律、自学习和自适应能力。因此，对比于现代工厂的生产、服务和运行模式如下：（1）企业决策智能化，控制仿真优化协同支撑对于企业生产运行而言，仿真具有模拟、验证与分析三个作用，即模拟生产流程、验证决策方案、分析数据可视化，可以充当优化方案与控制指令协同的媒介。（2）三网信息全面感知，规范集成综合分析作为CPS的关键特征，物联网、服务网络和信息网络的融合成为智能实现的根本，而信息获取、异构信息存储和分析即成为智慧工厂的关键技术研究内容。（3）数据驱动知识自动化，信息资源集成管理从数据中挖掘知识，以知识驱动生产管控的智能化是将人工智能与数据挖掘技术引人智慧工厂研究的核心思想，如数据挖掘技术可应用于故障诊断、质量提升和调度规则挖掘等。其中，将挖掘得到的模型、经验等知识封装并集成管理也是智慧工厂的关键研究内容。（4）服务资源智能匹配，人机交互友好便携广义上讲，除人力、物料、设备等实体资源外，模型资源、算法资源均属服务资源。针对生产过程的动态变化以及定制化生产的需求，工厂需对分散资源进行智能匹配，同时面向不同用户开发便携友好的交互平台，从而提供优质、高效的企业服务。（5）生产操作机器换人，精益生产节能降耗所谓机器换人是指由机器将人们从简单的体力劳动提升至决策控制活动，而非简单地由机器替换人力。智慧工厂对此提出了更高的要求，即通过引入新能源、新材料技术、新型制造单元技术和工业机器人等，实现高精度、高效率、高安全保障、低消耗、低管理费用的精益生产和环境友好型生产。（6）工业网络安全防护，生产安全评估、预警、应急系统一体化集成基于传统企业的安全生产理念，近年工业网络安全防护成为重要的研究课题。不同行业需根据各自生产流程进行一体化安全防护，以避免生产故障、操作失误及网络瘫痪带来的经济损失。除上述需求外，智慧工厂同样关注物流运输、设备维护等重点环节的智能化研究，以上功能需求均可在MES的基础上进行拓展和实现，同时在智能制造的新背景下，进一步丰富MOM活动模型的内涵与外延。 二、关键技术

1.从传统工厂到智能工厂的转变。随着全球经济形势的不断发展，我国早已意识到智能创新与科技研发在社会发展中的重要性，并且也积极组织专家进行智能工厂的研发与建设，这个转变是理论到实践的漫长过程，因此需要很长一段时间进行研究与探索。因为我国民族众多，不同地区所产生的行业和生产模式也不尽相同，对此很多传统行业在进行智能工厂转变中就需要花费更大的精力和人力进行调整，从而设计出符合实际生产的智能化工厂。比如：食品、医药、钢铁和建筑等特殊领域中，这些企业在生产中更加注重的是产品本身的品质，因此在转变过程中首先要做的就是加强生产环节的数字化水平，同时再逐一将现代化的技术融入到实际的生产与运输的各个流程中，从而最大限度地实现传统工厂向智能工厂转变。其次，也要从管理上实现传统工厂向智能工厂的转变。传统工厂主要以人为管理为主，这些管理很容易造成工作上的一些交流或信息沟通不及时等现象，而智能工厂更多的是将生产数据输入到实际计算机中，并与设备生产与管理中产生的信息进行汇总整理，管理者只需要将生产制造数据与运营管理理念进行充分结合，就可以全方位地掌握企业的经营动向和消费者的需要数据，这对于智能工厂的发展有着非常大的推动作用。

2.从智能制造生产到智能工厂的转变。现阶段我国的智能制造技术虽然有了较大的发展，但与其他发达国家相比仍存在一定的差距，因此加强智能制造生产到智能工厂的转变是我国社会必须选择的一种强国手段。但要注意的是这种模式只适用于机械以及电子生产领域，主要原因在于这些产品更新换代的周期较短，为了更有效地提升自身产品价值，只有通过不断的技术创新才可以实现使企业达到盈利的目的。在实践中，智能工厂主要是通过精密的设备计算智能制造产品的数据，之后再利用现代化的生产设备将产品制造出来，而智能制造出来的产品在经过市场之后会将客户意见反馈给智能工厂，智能工厂会针对反馈信息及时做好产品设计与制造方案调整，由此可以看出智能制造和智能工厂的转变其实是同时进行的，两者相辅相成、相互影响。关键技术研究不仅指以信息化技术为主体的集成及应用等方面的研究，还包括传统学科方面的控制理论、机械技术、材料与能源等研究的深入探索。需要明确的是，智慧工厂内的技术研究不只局限于某几方面关键技术，还需聚焦于不同行业的特点，因地制宜地寻求多方技术支持。

3.面向服务的生产模式：服务资源注册、组合及匹配。借鉴IT领域的SOA，工业生产的实体资源以及信息、知识、功能等资源均可视为CPS平台中服务网络的服务资源。该生产模式的核心是将系统中的特定环境、流程及状态等活动进行规范描述和独立封装，并统一抽象化为服务。（面向服务制造系统架构的构建与应用提出一种动态可重构的面向服务制造系统架构；得益于云计算技术的发展，云制造生产模式及技术体系相继被提出，进一步明确了面向服务制造模式的体系架构、关键技术和部分行业领域中的应用模式。近几年的相关研究成果主要集中于云制造的集成应用模式、服务组合方法、服务搜索匹配方法、平台开发环境和开发方等，而且已有中小型企业进行面向服务应用模式的尝试。基于服务模式的决策及生产管理以企业决策过程为例，面向服务的生产模式改变了其工作流程和资源组织方式，决策者可事先通过交互界面配置参数重构控制器、仿真模型及优化模型，将模型通过注册中心注册并发布为决策支持类服务。当生产计划调度或设备维修部门提出计划调整或设备维修等需求时，需对相应的服务资源（知识资源）进行搜索，并根据实时工况进行服务匹配。如上流程即是面向服务生产模式的一种应用场景，其中服务信息交互则需采用语义化描述等知识管理技术。

智慧工厂的功能定义和技术体系并不能直接应用于各种行业的生产管理。例如部分传统制造业工厂自动化水平较低、设备落后、管理模式呆板，难以应用本文所述的关键技术，需要进行转型尝试。对于石化行业等流程工业，以及电子、汽车等离散制造业，开放思维的智慧工厂技术应用验证将对技术研究本身具有推动作用。 参考文献：

[1]曹晓红，韩永立.两化融合环境下智能工厂探索与实践[J].无机盐工业，2019，51（5）：1-5. [2]杜万全.安徽新华智能工厂的实践与思考[J].印刷技术，2019（5）：13-15.

[3]第三期智能工厂/数字化车间设计与实践高级研修班[J].仪器仪表标准化与计量，2019（2）：7.