王天然院士撰文——智能制造空间

       随着信息技术与制造技术的不断深度融合，制造业将在制造系统、设计与制造手段、人机关系三个方面产生巨大变革，形成以“分散与集中相统一的制造系统、虚实结合的设计与制造手段、人机共融的生产方式”为 ３ 大鲜明特征的智能制造空间，并以此推进在生产组织方式、资源聚集模式、产品设计手段、人机融合关系方面的新一代智能制造的发展．

1. 制造系统的构成变革

       历史上，从手工制造到大规模生产的发展实现了大众化产品的转变，而目前大规模生产正在向市场和客户驱动的个性化定制方向进行转变，并且将基于更高生产效率、更高的技术层次实现用户的个性化需求.

      生产模式的历程

       在满足个性化需求的过程中，制造企业正在向设计和服务端延伸 ． 示，服务的内容已不仅仅是传统的售后、维修服务，生产链中所包括的产品设计、加工制造等任何一部分都可以独立出来，成为为其它企业服务的内容． 

       服务型制造       

        然而，分布式制造在管理上的难度是可想而知的． 只有在网络的支持下，才使得它在经济上、实现技术上和时间效率上能够实际可行． 网络技术及网络协同制造技术和不断涌现的其它信息技术，支持和驱动着生产方式的发展.

       大规模个性化定制生产和服务型制造的发展趋势，使得制造模式由目前的集中式向分布式方向发展． 生产链条将由更专业的单元进行灵活组织，形成分布式制造模式，这种模式的本质是企业为追求利益最大化，其技术实现有赖于信息技术，特别是网络技术的发展． 但是选择集中式制造模式还是分布式制造模式，要依据效益原则，不是所有制造业都将走向大规模个性化定制生产和服务型制造． 相反地，大批量标准化制造仍将是高效率的生产方式． 而一部分制造企业将在云计算、大数据、 ３Ｄ 打印、机器人等新一代信息技术的驱动和支持下，获得更强的分布式制造能力． 因此，制造系统的变革将是一个循序渐进、逐步发展的过程，未来也必将形成集中式制造与分布式制造共存条件下的新一代制造系统，从而满足标准化制造、个性化定制和服务型制造等多维度制造的需求.

2. 产品设计和制造手段发生变革

       三维 ＣＡＤ 技术，仿真技术和虚拟现实技术，使得一些领域的设计工作发生了革命性的变革 ． 通过三维 ＣＡＤ 设计的产品，通过虚拟仿真，在虚拟环境下进行虚拟制造，完成验证和修改，大大减少试制与反复，不仅加快了设计时间，而且节约了大量材料． 虚拟制造将不仅仅是设计的手段，未来虚实结合的制造手段将覆盖从产品设计发展到工艺设计、过程设计，售后维护及回收等全部生产环节.

虚实结合的制造手段

       随着人工智能、机器学习和大数据的飞速发展，“数字孪生”技术，“平行系统”技术为代表的虚实结合技术，将会实现物理实体和虚拟对象的高度融合，形成基于数字模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像．

       未来制造将是虚拟空间和物理空间相结合的制造，并将覆盖全部生产环节，使得整个制造过程进入数字网络世界．实体产品制造的全生命周期过程将在虚拟空间中产生映射，在虚拟空间中通过多物理量、多尺度、多概率的仿真过程完成对物理模型、传感器和智能参数等的更新，最终实现虚拟空间的优化结果在物理空间的及时反馈和智能优化运行． 随着虚实并行能力的增强，虚拟制造空间所反映出的产品系统真实程度将不断增强，不仅企业产品设计质量、生产效率将大幅度提高，而且将引发面向全流程制造的变革． 虚实结合是智能制造空间研究的重要特征，也是智能制造的一种模式．

3. 人和制造系统的关系产生新的变革

       现代新信息技术使人能够“再进入”生产系统． 人将在物理层、执行层、决策层与制造系统加强介入与合作，实现人、智能制造装备与机器人在制造过程中的合作 ．

人机共融的层次体系

       未来人机共融不仅是生产方式变革的重要发展方向，而且是构筑智能制造空间的重要特征，也将是智能制造中的一个新模式 ． 将机器的搜索、推理能力与人的推理、反馈、联想、顿悟、学习能力相融合，协同处理决策问题，机器有效地支持人完成组织的任务，人有效辅助监管机器进行任务执行和学习，在制造系统规划与管理、设备维护和制造执行等方面实现人机融合发展.

       分散与集中共存、虚实结合和人机共融将成为未来智能制造空间的主要特征，其结合关系如下图所示． 这种关系的形成是制造业需求牵引和信息技术驱动下的必然结果，关系的不断发展也必将形成的一种新的制造模式和制造环境． 在这种环境中，不仅将泛在信息技术条件下的信息技术同工业技术进行深度融合，而且利用信息技术创新发展新的工业技术．