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習(xí)主席在十九大報(bào)告中講加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)。但是發(fā)展制造業(yè)一定會(huì)對(duì)國(guó)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(gè)世界性難題。
未來(lái)的生產(chǎn)模式
如何破解呢?首先我們一起思考：未來(lái)的產(chǎn)品的生產(chǎn)模式是什么。應(yīng)該分為三種：原來(lái)傳統(tǒng)的單件大批量，后來(lái)的多件小批量，再到單件個(gè)性化的定制。當(dāng)然個(gè)性化的定制是最困難的。
圖1：未來(lái)三種生產(chǎn)模式
我認(rèn)為在今后幾十年內(nèi)三種生產(chǎn)方式并存，單件定制重點(diǎn)是解決不確定性，尤其是復(fù)雜產(chǎn)品的不確定性，個(gè)性化訂制解決了，多件和大批量生產(chǎn)方式都簡(jiǎn)單了。如何解決個(gè)性化訂制：簡(jiǎn)單說(shuō)就是用軟件來(lái)解決復(fù)雜產(chǎn)品的不確定性問(wèn)題。這就是智能制造的思維邏輯。
這就和美國(guó)國(guó)防部2011年提出的AVM(航空航天運(yùn)載器自適應(yīng)制造)計(jì)劃異曲同工。AVM計(jì)劃源自對(duì)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(gè)衛(wèi)星都不一樣。北斗衛(wèi)星發(fā)完之后每個(gè)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(gè)車企一年生產(chǎn)幾百萬(wàn)輛汽車，飛機(jī)生產(chǎn)幾百架。因此，航天個(gè)性化程度很高，難以形成產(chǎn)業(yè)。
每個(gè)衛(wèi)星不一樣，如何解決快速生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題?美國(guó)國(guó)防部推出AVM計(jì)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(jì)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(lái)解決不同產(chǎn)品的制造問(wèn)題。這是一個(gè)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(gè)大概念，是先進(jìn)制造技術(shù)與先進(jìn)信息技術(shù)的深度融合，也是一個(gè)不斷演進(jìn)的過(guò)程和大系統(tǒng)。工程院提出來(lái)三個(gè)范式：第一個(gè)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(gè)范式
這里有一個(gè)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(zhǔn)確。美國(guó)人2006年定義的CPS中，賽博是一個(gè)虛擬空間，是一個(gè)數(shù)字虛體。但是，賽博由誰(shuí)定義呢?只能由人定義。有了智能的意識(shí)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(kāi)發(fā)了軟件，才可以把物理實(shí)體建模建成數(shù)字虛體。
既然是范式變化，智能制造勢(shì)必會(huì)帶來(lái)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(jì)，方案設(shè)計(jì)階段一定是做了多種方案，再評(píng)價(jià)、優(yōu)選、確認(rèn)出來(lái)一種進(jìn)入工程研制階段。
圖3：設(shè)計(jì)制造四個(gè)階段
進(jìn)入第二個(gè)階段的工程研制。就是初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、試制、實(shí)驗(yàn)測(cè)試，反復(fù)迭代;直至完成設(shè)計(jì)定型和生產(chǎn)定型。然后進(jìn)入第三個(gè)階段，就是開(kāi)始批產(chǎn)和批量交付;交付完之后進(jìn)入第四個(gè)階段：運(yùn)行維護(hù)維修和回收?qǐng)?bào)廢。
這是傳統(tǒng)的產(chǎn)品研制流程。那么面向未來(lái)的制造，未來(lái)產(chǎn)品研發(fā)的四個(gè)階段會(huì)不會(huì)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(jì)、制造、試驗(yàn)，一直被認(rèn)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(jì)，后面全要用，工藝制造全要用，到實(shí)驗(yàn)全要用。這個(gè)階段被全部打通了，打通之后帶來(lái)的智能要素哪些要轉(zhuǎn)變?這是整個(gè)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(jì)，在CYBER空間中完成產(chǎn)品方案、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、裝配、試驗(yàn)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(guó)內(nèi)某飛機(jī)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(gè)賽博空間工作的工程師估計(jì)會(huì)超過(guò)四萬(wàn)人。這就是非常復(fù)雜的協(xié)同制造。在這個(gè)過(guò)程中，在虛擬空間中，完成設(shè)計(jì)、仿真、工藝、制造、試驗(yàn)，反復(fù)迭代來(lái)不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。
沒(méi)有問(wèn)題后，首先映射到生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)去是手工生產(chǎn)線，現(xiàn)在要建成數(shù)字化生產(chǎn)線，未來(lái)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(jì)與制造的映射
當(dāng)然。也要映射到試驗(yàn)過(guò)程中去。這個(gè)映射關(guān)系也非常重要。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，過(guò)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(wàn)個(gè)，結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、強(qiáng)度、疲勞、光學(xué)分析、聲學(xué)分析、震動(dòng)分析、電磁場(chǎng)等的復(fù)雜計(jì)算分析，都可以做仿真)。
傳統(tǒng)制造模式中，每個(gè)都要做實(shí)驗(yàn)的;而現(xiàn)在進(jìn)行驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)，將會(huì)減少很多。整個(gè)飛機(jī)研制進(jìn)度和研制質(zhì)量，都會(huì)有質(zhì)的提高。
智能制造的五個(gè)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(gè)不同的分工。
圖7：智能要素的五分工
第一個(gè)人機(jī)分工。既有機(jī)器也有電腦，智能化的機(jī)器，這個(gè)人類和機(jī)器的分工始終在演進(jìn)和變化。
第二個(gè)虛實(shí)分工。就是CPS，哪些是虛的(CYBER空間)，哪些必須實(shí)體驗(yàn)證(物理空間)的，這個(gè)也是動(dòng)態(tài)演進(jìn)的過(guò)程。
第三個(gè)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(lái)的黑材料可能會(huì)用的越來(lái)越多，而且環(huán)保價(jià)格低。
第四個(gè)加減分工，也就是增材制造和減材制造。
最后一個(gè)制服分工，智能制造的一個(gè)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(dòng)態(tài)調(diào)整的分工怎么調(diào)整，也一個(gè)是動(dòng)態(tài)演進(jìn)的過(guò)程。
未來(lái)15年后的先進(jìn)制造業(yè)是什么?可以看成是“時(shí)空人機(jī)一體化”：不分時(shí)間，不分空間，不管什么人和設(shè)備都能干出來(lái)，對(duì)人的要求和設(shè)備要求低了。不管任何時(shí)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(lái)。也是動(dòng)態(tài)演進(jìn)的過(guò)程。
隨時(shí)制造、隨地制造，不隨人和設(shè)備的制造，這個(gè)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(duì)中國(guó)的資源和環(huán)境而言，還有一個(gè)很重要的問(wèn)題，在智能制造的大背景下，綠色設(shè)計(jì)、綠色制造該怎么做?
創(chuàng)新從設(shè)計(jì)開(kāi)始，不妨可以借鑒既有的面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)、面向裝配設(shè)計(jì)(DFA)，提出一個(gè)面向循環(huán)制造生產(chǎn)設(shè)計(jì)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(jì)、試驗(yàn)、試制、批產(chǎn)、交互、運(yùn)行維護(hù)，比如說(shuō)造電動(dòng)汽車，中國(guó)制造電動(dòng)汽車，幾種底盤、幾種模板，要報(bào)廢的拆開(kāi)之后，有些是報(bào)廢的，有些回收再生產(chǎn)，可以繼續(xù)進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)。這樣，報(bào)廢的汽車、報(bào)廢的自行車，都可以提前進(jìn)入可回收的系統(tǒng)規(guī)劃中。以后的生產(chǎn)，可以變成一個(gè)綠色的生產(chǎn)再循環(huán)系統(tǒng)。
實(shí)際上，世界已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)。福特的孫子在2012年決定投資20億美元，重塑福特時(shí)代經(jīng)典的胭脂河舊工廠的時(shí)候，就雇傭了最為頂級(jí)的生態(tài)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了材料全生命周期的管理，目的就是簡(jiǎn)化材料驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程;能夠把設(shè)計(jì)、工程、分析、合規(guī)和制造連接到一個(gè)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(jī)已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，送進(jìn)廢紙，吐出新紙。
可循環(huán)的制造對(duì)中國(guó)，是一個(gè)巨大的機(jī)遇。如果能將這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)和賽博這種研發(fā)體系關(guān)聯(lián)起來(lái)，那么，就可以建立中國(guó)的自主的制造業(yè)的綠色生態(tài)系統(tǒng)。
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