智能制造具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能，具備以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)通互聯(lián)為支撐的四大特征。汽車產(chǎn)業(yè)智能制造主要包括智能化工廠、智能化管理、智能化產(chǎn)品、智能新模式和智能化服務(wù)五個(gè)部分的主要內(nèi)容。

在汽車智能制造技術(shù)方面，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家占據(jù)主導(dǎo)地位。美國在汽車產(chǎn)業(yè)智能制造供應(yīng)商體系方面，是世界上最強(qiáng)的，在工廠自動(dòng)化（PLC）、ERP系統(tǒng)、三維虛擬仿真軟件和PLM產(chǎn)品等方面可以說是一枝獨(dú)秀；與美國相比，德國在制造系統(tǒng)上，還要強(qiáng)一些，但在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，德國仍然落后于美國。法國在智能制造方面有良好的基礎(chǔ)，在工廠自動(dòng)化（PLC）、三維仿真軟件（PLM）技術(shù)、ERP系統(tǒng)上均有世界先進(jìn)的企業(yè)，體系齊全。從整體上看，法國智能制造整體水平比德國稍微差一些，但相去不遠(yuǎn)。目前看，在汽車智能制造方面，日本在硬件，尤其機(jī)器人技術(shù)上，有較強(qiáng)的優(yōu)勢。從智能制造整個(gè)體系看，中國雖然在各個(gè)環(huán)節(jié)都有企業(yè)從事相關(guān)技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品制造，但還有待加強(qiáng)，尤其工廠自動(dòng)化硬件產(chǎn)品，尚不能為汽車制造企業(yè)提供完整的支撐。本文對(duì)汽車智能制造中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述和分析，并對(duì)中國汽車智能制造發(fā)展提出建議。

 

三維仿真技術(shù)

三維仿真技術(shù)即在汽車智能制造過程中充分利用三維仿真軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造以及數(shù)字化工廠系統(tǒng)集成。如圖1所示，三維軟件系統(tǒng)涵蓋了從產(chǎn)品開發(fā)到產(chǎn)品制造的整個(gè)過程，并在這個(gè)過程中發(fā)揮著重要的作用。三維仿真技術(shù)具體應(yīng)用可分下述三類。

圖1 三維仿真軟件應(yīng)用范圍

1.基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制

在汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，三維仿真系統(tǒng)的應(yīng)用已相當(dāng)普及，尤其在多地協(xié)同研發(fā)的應(yīng)用中，三維仿真圖形可以給工程技術(shù)人員更直觀的感受，將自己設(shè)計(jì)的部分與其他設(shè)計(jì)對(duì)接、與系統(tǒng)對(duì)接更加容易。

三維軟件系統(tǒng)是全球數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)，已應(yīng)用到了設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證、工藝等整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程，基于同一平臺(tái)的協(xié)同研發(fā)保證了基于全球協(xié)同的數(shù)據(jù)源實(shí)時(shí)、唯一、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了無序的協(xié)同環(huán)境向高度集成的協(xié)同環(huán)境的轉(zhuǎn)變。

圖2 智慧工廠框架模型

2.三維仿真數(shù)字化工廠

通過數(shù)字化制造系統(tǒng)，制造工程師可以在一個(gè)虛擬的環(huán)境中創(chuàng)建某個(gè)制造流程的完整定義，包括：加工、裝配線、加工中心、設(shè)施布局、人機(jī)工程學(xué)、資源分析利用。在制造產(chǎn)品之前，出于重用現(xiàn)有知識(shí)和優(yōu)化流程的考慮，可以對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)流程進(jìn)行仿真。同時(shí)，數(shù)字化制造還可將實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)反饋回來的資料融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，使企業(yè)在整個(gè)策劃階段都能利用車間相關(guān)狀況的實(shí)際資料。

三維仿真軟件在產(chǎn)品生產(chǎn)工藝階段有兩個(gè)方向的作用，一是新工廠建設(shè)規(guī)劃，二是已有生產(chǎn)線的改造。在新工廠的規(guī)劃中，又分為三維工廠布局規(guī)劃、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、物流規(guī)劃三方面內(nèi)容。

通過三維虛擬仿真，在舊生產(chǎn)改造項(xiàng)目上，可以大大降低工藝缺陷，以及通過離線編程將程序下載到現(xiàn)場機(jī)器人，減少現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間和樣車的使用數(shù)量，此部分在國內(nèi)多家汽車廠獲得了驗(yàn)證。

3.智能制造虛擬現(xiàn)實(shí)交互

虛擬工廠是把“現(xiàn)實(shí)制造”和“虛擬呈現(xiàn)”融合在一起，通過遍布全廠的海量傳感器采集現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)制造過程中的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)數(shù)量非常巨大，可實(shí)時(shí)、快速地反映生產(chǎn)中的任何細(xì)節(jié)?；谶@些生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，應(yīng)用數(shù)字化模型、大數(shù)據(jù)分析、3D虛擬仿真等方法，可對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，使虛擬世界中的生產(chǎn)仿真與現(xiàn)實(shí)世界中的生產(chǎn)無縫融合，利用虛擬工廠的靈活可變優(yōu)勢，來促進(jìn)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)。

企業(yè)步入“工業(yè)4.0”時(shí)代的基礎(chǔ)。但虛擬與現(xiàn)實(shí)的集成要通過通信技術(shù)和虛擬網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)體物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，此三方面構(gòu)成完整信息物理系統(tǒng)。圖2是智慧工廠設(shè)想圖，帶箭頭的藍(lán)色網(wǎng)帶是連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流，在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間形成閉環(huán)回路。

在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，企業(yè)要完成信息化平臺(tái)集成工作，打通各個(gè)信息鏈，消滅信息孤島是關(guān)鍵。因此，智能制造要在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全流程端對(duì)端互聯(lián)，對(duì)整個(gè)制造環(huán)節(jié)進(jìn)行水平整合和垂直整合，打造一個(gè)互聯(lián)工廠。

系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成技術(shù)即企業(yè)完成信息化管理平臺(tái)集成工作，打通各個(gè)信息鏈，消滅信息孤島，實(shí)現(xiàn)全流程端對(duì)端信息互聯(lián)。根據(jù)系統(tǒng)集成程度，可分為三個(gè)等級(jí)：基礎(chǔ)集成、中級(jí)集成和高級(jí)集成。

基礎(chǔ)集成有兩個(gè)方面的含義，一是底端設(shè)備控制層、中間執(zhí)行層MES與上端企業(yè)管理層ERP三層架構(gòu)集成，如圖3所示；二是實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)廠際互聯(lián)。

圖3 基礎(chǔ)集成

根據(jù)汽車制造企業(yè)智能制造的發(fā)展情況，中級(jí)集成的含義為：一是PLM平臺(tái)與上述的基礎(chǔ)集成融合；二是企業(yè)與供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。中級(jí)集成框架如圖4所示。產(chǎn)品生命周期管理（PLM）是一款能夠整合擴(kuò)展型企業(yè)中的數(shù)據(jù)、流程、業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及人員的信息管理系統(tǒng)。PLM軟件能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式對(duì)產(chǎn)品整個(gè)生命周期（創(chuàng)意、設(shè)計(jì)和制造到維修及處理）的信息進(jìn)行管理。PLM 是在PDM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的管理系統(tǒng)；PDM解決了“做什么產(chǎn)品”的問題，ERP解決了“何時(shí)做、在哪做”的問題，那么數(shù)字化工廠解決“怎么做”的問題，通過MES執(zhí)行；那么PLM可作為全部管理系統(tǒng)平臺(tái)。

圖4 中級(jí)集成方案

按照“工業(yè)4.0”智能制造工廠的設(shè)想，對(duì)一個(gè)企業(yè)來說，智能制造的高級(jí)集成階段是在企業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了ERP數(shù)據(jù)到車間設(shè)備層傳感器級(jí)別數(shù)據(jù)的縱向集成；實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品研發(fā)到售后服務(wù)的橫向集成；建立產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了從原材料供應(yīng)到客戶的端到端集成。圖5是企業(yè)智能制造高級(jí)集成框架圖。

圖5 高級(jí)集成框架

高級(jí)集成的智能制造企業(yè)加上互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將會(huì)使企業(yè)連同其業(yè)務(wù)和生產(chǎn)流程及各類設(shè)施，與其能源、原材料及外協(xié)供應(yīng)商以及其客戶，以一種全新的方式達(dá)到前所未有協(xié)同。美國羅克韋爾公司（Rockwell Automation）認(rèn)為，這一協(xié)同的生產(chǎn)方式將是工業(yè)4.0的最高階段，如圖6所示。

圖6 工業(yè)4.0與互聯(lián)網(wǎng)融合后的協(xié)同生產(chǎn)方式

 

大數(shù)據(jù)技術(shù)

1. 生產(chǎn)制造大數(shù)據(jù)

汽車制造企業(yè)中生產(chǎn)線處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，由工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)、采集和處理的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜而多變。這些數(shù)據(jù)是由生產(chǎn)線上安裝的數(shù)以千計(jì)的小型傳感器來探測的溫度、壓力、熱能、振動(dòng)和噪聲信息。利用這些數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)很多形式的分析，包括設(shè)備診斷、用電量分析、能耗分析、質(zhì)量事故分析、生產(chǎn)線物聯(lián)網(wǎng)分析、供應(yīng)鏈優(yōu)化、生產(chǎn)計(jì)劃與排程優(yōu)化等。

圖7是PTC公司利用ThingWork平臺(tái)所做的設(shè)備維護(hù)工作，生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)通過傳感器收集后進(jìn)行分析，對(duì)需要維護(hù)的設(shè)備制訂相應(yīng)計(jì)劃，在設(shè)備故障前及時(shí)進(jìn)行處理。

對(duì)智能裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，是將物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)概念和智能裝備制造業(yè)相結(jié)合，通過無線互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)模式提供可靠性數(shù)據(jù)的收集和分析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)全天候的獨(dú)立監(jiān)控。工業(yè)大數(shù)據(jù)的一個(gè)非常重要的功能是可以被用來建立產(chǎn)品生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)虛擬模型，或?qū)υ诠に囈?guī)劃階段建立的三維仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)時(shí)信息連接。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與三維仿真模型連接后，工廠將可視化和透明化，工藝人員可持續(xù)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。另外，智能裝備在大數(shù)據(jù)分析與積累的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，自我改善。

圖7 PTC公司大數(shù)據(jù)利用框架

2. 產(chǎn)品大數(shù)據(jù)

產(chǎn)品大數(shù)據(jù)是制造商通過對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估，在此基礎(chǔ)上，為客戶提供增值服務(wù)，如提高產(chǎn)品能源的使用效率；提高工業(yè)系統(tǒng)與設(shè)備的維修和維護(hù)效率；優(yōu)化并簡化運(yùn)營，提高運(yùn)營效率等；或在眾多產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，改進(jìn)產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝。

在產(chǎn)品大數(shù)據(jù)方面，國內(nèi)外整車制造商企業(yè)進(jìn)行了很多探索，如長安汽車、上汽集團(tuán)等。根據(jù)一汽集團(tuán)技術(shù)中心在“2015中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)”上發(fā)布的汽車TBOX功能模塊，產(chǎn)品大數(shù)據(jù)中大量技術(shù)尚未掌握，如圖8所示。

圖8 車聯(lián)網(wǎng)TBOX模塊核心技術(shù)

3. 市場大數(shù)據(jù)

通過大數(shù)據(jù)來分析市場當(dāng)前的需求變化和組合形式是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的又一個(gè)層面。大數(shù)據(jù)是一個(gè)很好的銷售分析工具，通過歷史數(shù)據(jù)的多維度組合，可以看出區(qū)域性需求占比和變化、產(chǎn)品品類的市場歡迎程度以及最常見的組合形式、消費(fèi)者層次等，以此來調(diào)整產(chǎn)品策略和鋪貨策略。

在銷售方面，各個(gè)汽車企業(yè)都比較重視，有委托第三方進(jìn)行市場調(diào)查的，也有企業(yè)自己進(jìn)行市場調(diào)查的，比較領(lǐng)先的汽車企業(yè)已經(jīng)可以通過ICT技術(shù)直接從店面終端獲取大數(shù)據(jù)信息，然后進(jìn)行跟蹤服務(wù)和進(jìn)行生產(chǎn)規(guī)劃。

工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的價(jià)值潛力巨大，中國汽車產(chǎn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)這些價(jià)值還有很多工作要做。在企業(yè)管理系統(tǒng)集成完成之后，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)端對(duì)端的連接，解決信息孤島問題，就要引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)。但如何采集設(shè)備的數(shù)據(jù)、采集哪些數(shù)據(jù)、如何進(jìn)行分析和處理，汽車企業(yè)仍有很多困惑。

結(jié)語

利用三維仿真軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，對(duì)制造工藝和工廠在其真正建設(shè)之前進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化，降低了投資成本，減少建設(shè)和投產(chǎn)時(shí)間，縮短產(chǎn)品上市周期。

系統(tǒng)集成即完成信息化管理平臺(tái)集成工作，打通各個(gè)信息鏈，消滅信息孤島，實(shí)現(xiàn)全流程端對(duì)端信息互聯(lián)，可使企業(yè)在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、銷售物流全流程自動(dòng)化管理。

利用大數(shù)據(jù)（云計(jì)算）技術(shù)聯(lián)通虛擬與現(xiàn)實(shí)，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過程、產(chǎn)品使用過程和市場進(jìn)行監(jiān)測、分析和處理。

從整個(gè)智能制造體系來看，中國雖然在各個(gè)環(huán)節(jié)都有企業(yè)從事相關(guān)技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品制造，但還有待加強(qiáng)，尤其工廠自動(dòng)化硬件產(chǎn)品，尚不能為汽車制造企業(yè)提供完整的支撐。

中國在具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車智能制造技術(shù)研究上需要加強(qiáng)。在該領(lǐng)域加強(qiáng)政策頂層設(shè)計(jì)，為我國汽車產(chǎn)業(yè)智能制造的可持續(xù)發(fā)展提供宏觀指導(dǎo)；加快汽車產(chǎn)業(yè)智能制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，使整車企業(yè)與零部件供應(yīng)商、物流企業(yè)等實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；加強(qiáng)智能制造相關(guān)人才培養(yǎng)。