習(xí)主席在十九大報告中講加快建設(shè)制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)。但是發(fā)展制造業(yè)一定會對國家的資源和環(huán)境造成重大的影響。如何既要綠水青山，又要金山銀山呢?這是一個世界性難題。
未來的生產(chǎn)模式
如何破解呢?首先我們一起思考：未來的產(chǎn)品的生產(chǎn)模式是什么。應(yīng)該分為三種：原來傳統(tǒng)的單件大批量，后來的多件小批量，再到單件個性化的定制。當然個性化的定制是最困難的。
圖1：未來三種生產(chǎn)模式
我認為在今后幾十年內(nèi)三種生產(chǎn)方式并存，單件定制重點是解決不確定性，尤其是復(fù)雜產(chǎn)品的不確定性，個性化訂制解決了，多件和大批量生產(chǎn)方式都簡單了。如何解決個性化訂制：簡單說就是用軟件來解決復(fù)雜產(chǎn)品的不確定性問題。這就是智能制造的思維邏輯。
這就和美國國防部2011年提出的AVM(航空航天運載器自適應(yīng)制造)計劃異曲同工。AVM計劃源自對衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的思考。一年發(fā)射100顆火箭已經(jīng)不得了了。每個衛(wèi)星都不一樣。北斗衛(wèi)星發(fā)完之后每個都在修改，北斗36顆衛(wèi)星是最多衛(wèi)星的定位與導(dǎo)航系統(tǒng)。相比而言，一個車企一年生產(chǎn)幾百萬輛汽車，飛機生產(chǎn)幾百架。因此，航天個性化程度很高，難以形成產(chǎn)業(yè)。
每個衛(wèi)星不一樣，如何解決快速生產(chǎn)和經(jīng)濟性問題?美國國防部推出AVM計劃，就是考慮“只換軟件不換硬裝備”，也就是同一條生產(chǎn)線從設(shè)計研發(fā)到工藝到制造生產(chǎn)，可以用不換生產(chǎn)線設(shè)備和工裝夾具，只換軟件的方法來解決不同產(chǎn)品的制造問題。這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的難題。
智能制造提出的挑戰(zhàn)
廣義而論，智能制造是一個大概念，是先進制造技術(shù)與先進信息技術(shù)的深度融合，也是一個不斷演進的過程和大系統(tǒng)。工程院提出來三個范式：第一個是數(shù)字化，數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化納入第二代智能制造，新一代智能制造則是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。
圖2：工程院的智能制造三個范式
這里有一個重要的概念就是CPS (Cyber-Physical-Systems)。Cyber不是信息，Cyber可以翻譯成賽博，可以翻譯成智能，但是翻譯成“信息”卻不太準確。美國人2006年定義的CPS中，賽博是一個虛擬空間，是一個數(shù)字虛體。但是，賽博由誰定義呢?只能由人定義。有了智能的意識人體，創(chuàng)建了數(shù)學(xué)和物理方法、化學(xué)方法，發(fā)明了電腦，開發(fā)了軟件，才可以把物理實體建模建成數(shù)字虛體。
既然是范式變化，智能制造勢必會帶來重大挑戰(zhàn)，促使既有模式的重大轉(zhuǎn)變。這需要首先了解傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制的四階段。
第一步是方案階段，從產(chǎn)品策劃、需求分析到方案設(shè)計，方案設(shè)計階段一定是做了多種方案，再評價、優(yōu)選、確認出來一種進入工程研制階段。
圖3：設(shè)計制造四個階段
進入第二個階段的工程研制。就是初步設(shè)計、詳細設(shè)計、試制、實驗測試，反復(fù)迭代;直至完成設(shè)計定型和生產(chǎn)定型。然后進入第三個階段，就是開始批產(chǎn)和批量交付;交付完之后進入第四個階段：運行維護維修和回收報廢。
這是傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制流程。那么面向未來的制造，未來產(chǎn)品研發(fā)的四個階段會不會變化?如果采用全新的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化研制方式，不變的智能要素是什么，變化的智能要素是什么，這些要素如何變化，都成為關(guān)鍵要思考的。
設(shè)計、制造、試驗，一直被認為是制造業(yè)三大關(guān)鍵技術(shù)。
圖4：制造三大技術(shù)
但在賽博世界中要怎么辦呢?那就需要數(shù)字模型一通到底，單一數(shù)據(jù)模型一直走到底，從方案論證模型、數(shù)字模型、初步設(shè)計，后面全要用，工藝制造全要用，到實驗全要用。這個階段被全部打通了，打通之后帶來的智能要素哪些要轉(zhuǎn)變?這是整個生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)的變化。
圖5：Cyber空間的引入
在賽博空間中做反復(fù)的虛擬迭代設(shè)計，在CYBER空間中完成產(chǎn)品方案、產(chǎn)品設(shè)計、工藝、裝配、試驗等工作，不僅內(nèi)部多作業(yè)、多學(xué)科迭代復(fù)雜，外部迭代更復(fù)雜、更多。拿國內(nèi)某飛機的研制為例，有900多家直接參研單位，配套單位數(shù)千家，直接參加結(jié)構(gòu)研制的企業(yè)就有將近200家。在整個賽博空間工作的工程師估計會超過四萬人。這就是非常復(fù)雜的協(xié)同制造。在這個過程中，在虛擬空間中，完成設(shè)計、仿真、工藝、制造、試驗，反復(fù)迭代來不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。
沒有問題后，首先映射到生產(chǎn)過程中，過去是手工生產(chǎn)線，現(xiàn)在要建成數(shù)字化生產(chǎn)線，未來還要建成智能化生產(chǎn)線。這一切都是從賽博空間到物理空間的映射結(jié)果。
圖6： 設(shè)計與制造的映射
當然。也要映射到試驗過程中去。這個映射關(guān)系也非常重要。傳統(tǒng)的實驗過程，過去是每件必試;今天有了虛擬的原型，可以做大量的CAE仿真分析(CAE軟件在全球可能有成千甚至上萬個，結(jié)構(gòu)的靜力、動力、強度、疲勞、光學(xué)分析、聲學(xué)分析、震動分析、電磁場等的復(fù)雜計算分析，都可以做仿真)。
傳統(tǒng)制造模式中，每個都要做實驗的;而現(xiàn)在進行驗證型的實驗，將會減少很多。整個飛機研制進度和研制質(zhì)量，都會有質(zhì)的提高。
智能制造的五個分工
智能制造新技術(shù)新要素，出現(xiàn)很多新的內(nèi)容，主要體現(xiàn)在五個不同的分工。
圖7：智能要素的五分工
第一個人機分工。既有機器也有電腦，智能化的機器，這個人類和機器的分工始終在演進和變化。
第二個虛實分工。就是CPS，哪些是虛的(CYBER空間)，哪些必須實體驗證(物理空間)的，這個也是動態(tài)演進的過程。
第三個黑白分工，黑是指的復(fù)合材料，橡膠、編制材料等，白指的傳統(tǒng)材料如金屬，而未來的黑材料可能會用的越來越多，而且環(huán)保價格低。
第四個加減分工，也就是增材制造和減材制造。
最后一個制服分工，智能制造的一個重要概念，有些企業(yè)是從生產(chǎn)型企業(yè)轉(zhuǎn)型為生產(chǎn)服務(wù)型企業(yè);而另外一些企業(yè)是從服務(wù)型企業(yè)轉(zhuǎn)型為生產(chǎn)服務(wù)型企業(yè)，制造和服務(wù)動態(tài)調(diào)整的分工怎么調(diào)整，也一個是動態(tài)演進的過程。
未來15年后的先進制造業(yè)是什么?可以看成是“時空人機一體化”：不分時間，不分空間，不管什么人和設(shè)備都能干出來，對人的要求和設(shè)備要求低了。不管任何時間，空間不論在火星還是月球、太空飛船上還是深海的潛艇上都可以制造出來。也是動態(tài)演進的過程。
隨時制造、隨地制造，不隨人和設(shè)備的制造，這個構(gòu)成智能制造的需求。
圖8：智能制造的核心
面向循環(huán)的制造
對中國的資源和環(huán)境而言，還有一個很重要的問題，在智能制造的大背景下，綠色設(shè)計、綠色制造該怎么做?
創(chuàng)新從設(shè)計開始，不妨可以借鑒既有的面向制造的設(shè)計(DFM)、面向裝配設(shè)計(DFA)，提出一個面向循環(huán)制造生產(chǎn)設(shè)計DFR(DESIGN FOR RECYCLE)。
圖9：面向循環(huán)的制造
數(shù)字化產(chǎn)品研制的綠色生產(chǎn)循環(huán)系統(tǒng)，從需求產(chǎn)品策劃到方案設(shè)計、試驗、試制、批產(chǎn)、交互、運行維護，比如說造電動汽車，中國制造電動汽車，幾種底盤、幾種模板，要報廢的拆開之后，有些是報廢的，有些回收再生產(chǎn)，可以繼續(xù)進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)。這樣，報廢的汽車、報廢的自行車，都可以提前進入可回收的系統(tǒng)規(guī)劃中。以后的生產(chǎn)，可以變成一個綠色的生產(chǎn)再循環(huán)系統(tǒng)。
實際上，世界已經(jīng)行動起來。福特的孫子在2012年決定投資20億美元，重塑福特時代經(jīng)典的胭脂河舊工廠的時候，就雇傭了最為頂級的生態(tài)設(shè)計概念的建筑師，建立了面向友好環(huán)境的工廠。而西門子在2015年4月，跟ThinkStep合作，實現(xiàn)了材料全生命周期的管理，目的就是簡化材料驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計過程;能夠把設(shè)計、工程、分析、合規(guī)和制造連接到一個單一的材料信息源，從而幫助提升產(chǎn)品性能和可靠性。在2017年底，Epson的辦公用紙循環(huán)機已經(jīng)開始運轉(zhuǎn)起來，送進廢紙，吐出新紙。
可循環(huán)的制造對中國，是一個巨大的機遇。如果能將這個循環(huán)系統(tǒng)和賽博這種研發(fā)體系關(guān)聯(lián)起來，那么，就可以建立中國的自主的制造業(yè)的綠色生態(tài)系統(tǒng)。
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