离散制造业智能化的发展背景

离散制造业是制造业按照生产方式分类的一种。相对于连续制造，离散制造的产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成，如属于生产资料生产的机械、电子设备制造业，属于生活资料生产的机电整合消费产品制造业。离散制造业大多属于传统制造业，但是随着信息技术特别是网络化技术的不断发展，离散制造业也在不断地发生着重要的变革。

20世纪60—70年代，面对用户需求量大和竞争比较缓和的市场环境，全球无论是装备制造商还是消费品生产企业，都以扩大生产规模、降低生产成本、抢占市场份额为目标，实现其产业化发展；到八九十年代，精益生产、敏捷制造等科学合理的制造技术对离散制造业的发展有着巨大影响，加之市场空间的不断缩小，追求产品质量、加快市场响应能力成为制造业发展的潮流。进入21世纪，在市场竞争日益激烈、生产成本不断降低和用户个性需求变化快等因素的影响下，在高新技术和先进制造理念的推动下，全球制造业正在向全球化、数字化、智能化和绿色化方向发展。相应地，离散制造业的发展也呈现出新的特征。

受到制造全球化、国际经济不断互动和融合发展的大环境影响，制造企业国际化的信息基础设施建设正日益受到世界各国政府和企业的高度重视；制造资源的优化配置逐渐由区域向一国乃至全世界范围扩展；价值链和产业链中与制造密切相关的各个环节间的全球化分工协作也日益成为各制造企业赢得市场竞争的主要发展战略（曹军，2011）。例如，波音公司的新产品波音787的设计和制造过程就完美展现了全球化制造的理念。飞机设计由美国、意大利、俄罗斯和日本共同完成；其研发和制造更是涉及美国、英国、法国、意大利、加拿大、瑞典、澳大利亚、日本、韩国和中国等多个国家和地区的顶级供应商。按价值计算，在组成波音787的400万个零部件中，公司自身只负责了大约10%的生产制造任务——尾翼及最后组装，其余零部件的生产则是由全球40余家合作伙伴共同完成：日本负责机翼的制造；意大利和美国其他地区的公司则是生产碳复合材料机身；起落架和方向舵则分别由法国和中国公司生产。通过这样的全球化协同分工制造，波音787产品研发费用节省了50%，进入市场的时间缩短了33%。仅2007年，波音公司就收到了全球677个产品订单，累计价值达到1 100亿美元。为寻求国际化大市场中的机遇，积极参与国际化分工协作，敏捷地响应客户的个性化需求，进而抢占制造领域的高端市场，制造企业之间更是加快了跨国并购、重组和整合，跨国公司得到了长足的发展壮大，并已经成为当代国际经济活动的核心组织者。

随着数字化制造理论和技术在离散制造领域应用的不断深入，数字化制造模式已成为国际化知名公司优化企业生产经营、提升市场竞争能力的主要手段。英国政府通过推出《数字英国》计划（王喜文，2010），大力发展电子通信和电子商务，做大互联网产业，为量大面广的中小型制造企业的信息化建设提供分类指导、咨询和绩效测评等服务，使70%以上的企业不同程度地实施了电子商务，也使英国成了欧洲最大的电子商务市场。美国航空航天制造商洛克希德马丁公司在其产品F-35战斗机的研制过程中，采用了数字制造技术，与传统方式相比，研制周期缩短至1/3，降低研制成本50%，开创了航空数字化制造的先河。波音公司在新一代战神航天运载工具的研制和C130的航空电子升级中，采用MBD/MBI（基于模型的定义和作业指导书）技术，缩短了装配工期57%，将数字化制造推向制造现场的更深层次（王伟，李俊峰，2012）。通用汽车公司应用数字制造技术，将轿车的开发周期由原来的48个月缩短到24个月，碰撞实验的次数由原来的几百次降到几十次，应用电子商务技术降低销售成本10%（刘光伟等，2009）。世界第四大白色家电制造商海尔集团通过应用PDM实现了产品研发全流程的整合，实施模块化支持企业即需即供的战略以及面向敏捷制造和供应链环节的信息化技术的应用，形成了极具特色的数字化制造模式，提升了集团的综合竞争力。长安汽车公司也建立了以三维数字化设计为核心的汽车产品开发系统、以ERP系统为核心的管理信息系统和以制造执行系统为核心的生产制造过程信息化系统，大大提高了企业的整体效益和市场竞争能力，新产品的贡献达到了80%，自主产品的开发量占到了总量的60%左右，采购成本和销售费用得到显著降低，有力支撑了企业的数字化发展。

进入21世纪后，随着离散制造企业产品性能不断完善、产品结构进一步复杂化和精细化、功能趋于多样化，产品所包含的设计信息和工艺信息量急剧增加，生产线和生产设备内部的信息流量增加，制造过程和管理工作的信息量也随之剧增，导致制造技术发展的热点与前沿转向了提高制造系统对于爆炸性增长的制造信息处理的能力、效率及规模上；同时，为在激烈的全球竞争中保持优势，制造企业要最大化利用资源，将生产变得更加高效；为适应不断变化的客户需求，制造企业必须尽可能地缩短产品上市时间，对市场的响应更加快速；为满足市场多元化的需求，制造企业还要快速实现各环节的灵活变动，将生产变得更加柔性，这就要求制造系统更加高效、灵活、敏捷、柔性和智能。随着RFID、传感器网、工业无线网络、MEMS和传感器等物联网技术和普适计算技术的成熟和发展，以无处不在的感知和智能化信息服务为代表的新一代信息化制造技术——泛在信息制造——将成为促进先进制造技术发展的新驱动力，使得人们由现在对制造设备的生产过程、人机交互过程以及供应链与生产物流过程的“了解不足”，向三维空间加时间的多维度泛在感知和透明化发展（中国科学院先进制造领域战略研究组，2009）。以泛在技术为基础的计算模式将具有环境感知能力的各种类型的终端、移动通信、信息获取、上下文感知、智能软件与人机交互等技术如空气和水一样，自然而深刻地融入制造行为所触及的各个角落。泛在制造信息感知空间作为下一代制造信息服务的基础设施，将原有离散的、杂乱的、模糊的、滞后的制造过程和管理流程变得更加透明、有序、清晰、实时，并且增加了大量的感知、判断、分析、决策等智能化元素，进而有助于大幅度提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，为用户提供更加透明化和个性化的服务。(www.xing528.com)

在技术发展与市场竞争的双重驱动下，传统工厂的生产运作模式正在逐渐地被带有智能特征的新型制造模式所代替，制造智能化正在迅速地得到全球主要工业强国和企业的高度重视，一批具有高度自动化、柔性和智能特征的新型制造工厂——智能工厂，正在汽车、装备制造等典型离散制造领域悄然兴起。作为世界顶尖的汽车制造企业之一，宝马公司通过应用完整的机器人系统、分布式自动化技术和现场总线盒系统、工具装备助理智能系统（TAS）、粉末罩光清漆智能化涂装技术、智能化工具和测试等，建立起了完整的智能生产线，为公司带来了显著的经济效益。如粉末罩光清漆智能化涂装技术的应用，使每辆轿车节省了1.5千克的溶剂；机器人系统的应用，降低了工人的劳动强度，极大地提高了产品的质量、精度以及安全性能。

如今，随着环境的持续恶化和对可持续发展呼声的日益高涨，工业发达国家和制造业大国更加注重资源节约、环境友好、可持续发展，加入了绿色特征的智能化制造已经成为现代制造工厂所必备的重要特征之一，同时也是制造企业未来发展的方向。新型的绿色制造的目标是从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。美国、欧洲和日本等工业发达国家和地区的制造企业相继形成了针对绿色制造的法律法规和标准，如ISO 14000环境管理标准体系，OHSAS 18000 职业健康与安全管理标准体系，欧盟的ROHS、WEEE、EUP指令等。我国政府也加大了对绿色制造的重视和支持力度，并在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，将绿色制造列为制造业领域发展的3大思路之一。

离散型智能工厂的产生和发展是一个长期的阶段性的渐进过程，它顺应全球制造业总体发展趋势，符合制造全球化、数字化、智能化和绿色化发展要求，是人类经济、社会、科技共同发展和作用的必然结果。