實現“中國制造2025”所需的關鍵技術

（1）第一階段——車間、企業集成

這是一種貫穿車間、跨越企業的全局制造業數據集成，將顯著改善成本、安全和環境的影響，具有重大的意義。

在這一階段，智能制造將工廠企業互連，更好地協調制造生產的各個階段，推進車間生產效率的提高。典型的制造車間使用信息技術、傳感器、智能電動機、電腦控制、生產管理軟件等來管理每個特定階段或生產過程的操作。然而，這僅僅解決了一個局部制造島的效率，并非全企業。

智能制造將整合這些制造島嶼，使整個工廠共享數據。機器收集的數據和人類智慧相互融合，推進了車間級優化和企業范圍管理目標，包括經濟效益大幅增加、人身安全和環境可持續性的實現。這種“制造智能”的出現將開啟智能制造的第二階段。

（2）第二階段——從車間優化到制造智能

這些數據配合先進計算機仿真和建模，將創建強大的“制造智能”，實現生產節拍的變化、柔性制造、最佳生產速度和更快的產品定制。

這一階段應用高性能計算平臺（云計算）連接各個工廠和企業，進行建模、仿真和數據集成，可以在整個工廠內建立更高水平的制造智能。為了節約能源、優化產品的制造交付，整條生產線和全車間將實時、靈活改變運行速度，當然現在是不可行的。企業可以開發先進的模型并模擬生產流程，改善當前和未來的業務流程。例如，制造商能使用納米技術開發大量制造產品和設備的模型。納米技術是極端小型化高度復雜設備、系統和材料的發展產物。人們普遍預言：一場行業技術和行業的革新，需要更小、更強、更輕材料和強大精密設備。

（3）第三階段——制造知識重整市場秩序

隨著制造智能技術的進步，將激勵制造過程和產品創新，實現智能制造，顛覆主要市場秩序。

這一階段將廣泛應用信息技術來改變商業模式，消費者習慣的100多年的大規模生產工業供應鏈將完全顛覆。靈活可重構工廠和IT最優化供應鏈將改變生產過程，允許制造商按個人需求定制產品，如同生產藥物特定劑量和配方一樣，客戶會“告訴”工廠生產什么樣式的汽車，構建什么功能的個人電腦，如何定制一款完美的牛仔褲……這種極富戲劇性的競爭力至關重要,越來越多的生產知識創新奠定了智能制造的第三階段。這些改變不會停留在量變層面上，它們將徹底改變游戲規則，使產品和工藝市場發生顛覆性變化。

智能制造與裝配的內涵

智能制造是一種高度網絡連接、知識驅動的制造模式，它優化了企業全部業務和作業流程，可實現可持續生產力增長、能源可持續利用、高經濟效益目標。智能制造結合信息技術、工程技術和人類智慧，從根本上改變產品研發、制造、運輸和銷售過程，通過零排放、零事故制造提高人身安全、保護環境。

2007年，美國國家標準和技術研究院（NIST）主辦的裝配技術研討會第一次提出了智能裝配的概念。它側重于如何開發和集成智能工具，如傳感器、無線網絡、機器人、智能控制等，以便解決今天產品種類變化的強烈需求和后續生產制造的復雜性。智能裝配是一個生產工藝、人、設備和信息集成的概念，它使用虛擬和現實的方法來實現生產效率、交貨時間和制造敏捷性的顯著改善。智能裝配遠遠超出傳統的自動化和機械化范圍，它在工程和操作上挖掘人與機器有效協同作業潛力，集成了高技術、多學科團隊，具有自我集成和自適應裝配處理的能力。

智能裝配系統為工廠開創了一種分析、建議和應對生產環境的新模式。其中，傳感器起著關鍵的作用。傳感器將監控每一個重要的操作參數，所有參數設置了控制限制，系統時刻評估裝配狀態，關注任何偏差的發生。

智能裝配環境以類似于人體的免疫系統方式運行，以一種非常有效的方式來應對沒有明顯癥狀的異常反應。智能裝配系統可以調整和適應生產環境的變化，如投入零部件的變化，最大的好處就是系統健壯性，以確保系統質量和生產能力。智能裝配基本單元雖然已經應用在一些生產制造系統之中，然而還需要進行更多的系統頂層研究，實現機器和子系統協同工作。在智能裝配中，一是加強虛擬能力實時能力，二是整合集成產品流程、工藝流程、信息流程等3大流程，這些決定了智能裝配的成敗。

波音公司目前正在基于智能裝配理念來實施網絡化制造和操作（NEMO）創新計劃，它仿照了美國陸軍未來戰斗系統項目。該計劃的目標是將戰場上最先進的技術，如“態勢感知”技術引入到飛機裝配生產線中。智能工具和傳感器是NEMO的第一層。目前，多項技術已經應用在波音737和波音787的裝配流程中，如密封膠固化監控。另外，制孔和安裝工具也已配備了傳感器，可以監測用戶身份驗證、設置信息、校準狀態和互動進/退功能。

此外，波音公司還將NEMO技術應用于一些軍事項目，如檢查F/A-18戰斗機的線包。波音公司的工程師們還設想了一個廣泛的系統，在不久的將來實現數字化設計工具和無線生產現場系統之間運動信息的自動化。智能裝配應用于這些過程，公司將專注于開發智能工具，它不需要操作者為一個特定的操作設定界限或扭矩。未來，波音飛機的裝配工作指令將直接投射到機翼或機身上，傳感器嵌入在緊固件連接的工具中，將指導裝配工人作業。與此同時，投射到飛機上的激光圖像會自動告訴工人零件的準確定位點或邊界，數字電子測量和檢驗系統將監測傳播裝配過程各個方面的在線信息。例如，傳感器將不斷監控緊固連接工具、點膠設備、工裝、夾具和其他生產設備的性能狀態。在未來10年內，波音公司計劃擴大NEMO范圍，將客戶/供應商與工程師和裝配工廠連接起來。

智能制造中的關鍵技術

要實現一個生產系統的智能制造，必須在信息實時自動化識別處理、無線傳感器網絡、信息物理融合系統、網絡安全等方面得到突破，這其中涉及到如下智能制造的關鍵技術。

1射頻識別技術

射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術又稱為無線射頻識別，是一種無線通信技術，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間進行機械或光學接觸。常用的無線射頻有低頻（125~134.2kHz）、高頻（13.56MHz）和超高頻3種，而RFID讀寫器分為移動和固定式兩種。射頻識別是一種自動識別技術，它將小型的無線設備貼在物件表面，并采用RFID閱讀器進行自動的遠距離讀取，提供了一種精確、自動、快速的記錄和收集目標的工具。

20世紀八九十年代，RFID技術實現了樓宇人員和車輛的進出控制、道路收費站的自動收費、動物跟蹤，以及生產資料進庫和出庫的自動跟蹤倉儲等。目前，該技術還廣泛應用于供應鏈管理、在制品制造、資產管理、安全訪問控制、消費應用等方面（表1）。

隨著射頻識別技術的巨大進步，RFID成為了業務流程精益化的基本使能器，可以減少生產庫存，提高生產效率和質量，從而提高制造企業的競爭力。早在2000年，空客公司就認識到這種技術優勢，應用RFID技術與各大航空公司進行工具租賃業務。到2006年，空客有15個項目的贏利都得益于RFID技術。然而，要實現整個公司利益最大化，需要采用協調的方法來避免重復性勞動，達到協同效應最大化。因此，到2007年，空客決定在全公司范圍內使用零件序列化的自動識別技術（包括RFID），增加飛機全生命周期的可視化，這被稱為價值鏈可視化（VCV）計劃（圖1），空客公司則稱之為“空客業務雷達”。RFID技術成為簡化業務流程、降低庫存和提高經營活動效率與質量的強大武器，大大提高了企業競爭優勢。

新一代RFID芯片除了天線端口外，還提供了一條I2C總線連接，因此可以直接連接到微控制器和ASIC上。這就意味著它為后續的用戶化功能定制開辟了新的道路，可以向最終用戶提供多樣化的服務，如采用藍牙通信協議的RFID可以使用普通手機作為RFID閱讀器。此外，這種I2C技術還可以連接上各種傳感器，構成簡單的無線傳感器網絡。

2實時定位系統

在實際生產制造現場，需要對多種材料、零件、工具、設備等資產進行實時跟蹤管理；在制造的某個階段，材料、零件、工具等需要及時到位和撤離；生產過程中，需要監視在制品的位置行蹤，以及材料、零件、工具的存放位置等。這樣，在生產系統中需要建立一個實時定位網絡系統，以完成生產全程中角色的實時位置跟蹤。

實時定位系統（RealTimeLocationSystem，RTLS）由無線信號接收傳感器和標簽無線信號發射器等組成。一般地，被跟蹤目標貼上有源RFID標簽，在室內布置3個以上閱讀器天線，使用有源RFID標簽來發現目標位置；3個閱讀器天線接收到標簽的廣播信號，每個信號將接收時間傳遞到一個軟件系統，使用三角測量來計算目標位置。

RTLS通常建在一個建筑物內或室外識別和實時跟蹤對象的位置。RTLS通常不包括GPS、手機跟蹤或只使用被動RFID跟蹤的系統。RTLS的物理層技術通常是某種形式的射頻（RF）通信，但一些系統使用了光學（通常是紅外）或聲（通常是超聲波）技術代替了無線射頻。標簽和固定參考點可以布置發射器和接收器，或兩者兼而有之。

目前，室內實時定位系統通常采用超聲、紅外、超寬帶（UWB）、窄頻帶等技術，在帶寬、精度、墻體穿透性、抗干擾能力等方面存在各自的特點，其技術性能見表2。從表中可以看出超寬帶的綜合性能最優，所以在許多生產制造現場廣泛采用了基于超寬帶的實時定位系統。