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SMLC:美国国家智能制造创新机构的领导者

2019-04-18 09:10栏目:案例
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  本期专栏文章由国防制造创新问题研究专家刘亚威先生为《空天防务观察》撰写,旨在介绍和分析美国国家智能制造创新机构。原文较长,本号将分上、下两期刊出。刘亚威先生此前已为本号提供过30篇专栏文章,读者可在文末专栏文章列表中查阅。

  2016年6月20日,奥巴马宣布美国国家制造创新网络计划中 “智能制造创新机构”的获胜团队,已经酝酿了一年半的竞标终于尘埃落定。该机构由能源部牵头组建,将由获胜团队——美国智能制造领导力联盟(SMLC)负责管理,笔者曾在该机构开启竞标之时就预测SMLC将会胜出。由于国内外利益组织对工业互联网和工业4.0的技术性炒作,SMLC一直是比较神秘的存在,本文将给大家呈现美国官方对智能制造(Smart Manufacturing)的见解,展示他们所做的低调但意义重大的事情。

  美国智能制造领导力联盟(SMLC)于2006年成立,它一直负责的“智能制造”计划是“智能美国”计划的一部分,在美国国家制造创新网络的数字设计与制造创新机构成立之前,SMLC是美国唯一的由政府、工业界、学术界、研究机构、协会组建的智能制造研发促进机构。SMLC提出的相关智能制造概念、路线图和行动计划反映了美国官方对智能制造的见解以及业界发展的典型路线。

  一、智能制造领导力联盟

  近年来,为了重塑美国制造业的全球竞争优势,美国启动了制造业振兴战略,加快发展技术密集型先进制造业,实现再工业化。作为先进制造业的重要组成部分,智能制造得到了美国政府、企业各层面的高度重视。美国能源部、商务部国家标准与技术研究院(NIST)和国家科学基金(NSF)是智能制造的重要支持力量,近年来资助并设立了众多研究项目推动其发展,这其中就包括2006年成立的美国“智能制造领导力联盟”。

  “智能制造领导力联盟”(SMLC)是一个致力于构建一个开放共享的智能制造平台,突破“智能制造系统”开发与部署难题的非盈利组织。SMLC成员包括通用动力、通用电气、通用汽车、美国铝业公司、美国能源部、美国国家标准与技术研究院、国家科学基金、美国制造技术协会、机械工程协会等。SMLC负责的“智能制造”计划与“轻巧成形技术”等计划都是“智能美国”计划的一部分。

  SMLC的目标是构建一个基于云的、开放式架构的软件平台,集成了现有的和未来的工厂级数据、仿真和系统,并策划业务的实时行动。在这个智能制造平台上,智能制造系统实时地将制造智能数据集成到整个工厂和供应链,包括设计、工程、计划和生产。集成智能制造系统需要实现面向多层数据管理与建模的生产运营中所有层级的实时动态界面连接。

  多层数据管理

  2008年,在国家科学基金(NSF)的资助下,SMLC的工作组会议发布了“智能流程制造”(SPM)路线图,针对SPM的愿景提出了5条路线。2010年,面向21世纪的智能制造,SMLC的工作组会议提出了“智能制造企业(联盟)”愿景,以及行动计划。路线图和行动计划描绘了美国未来实施智能制造的蓝图。

  二、SMLC的智能制造概念

  2014年12月,美国政府启动了国家制造创新网络中智能制造创新机构的竞标,该机构将由能源部牵头组建。能源部对智能制造的定义是:智能制造是先进传感、仪器、监测、控制和工艺/过程优化的技术和实践的组合,它们将信息和通信技术与制造环境融合在一起,实现工厂和企业中能量、生产率和成本的实时管理。这一定义即是来源于SMLC一直以来对智能制造的见解。

  SMLC进一步指出,从工程的观点来看,智能制造是先进信息(Intelligence)系统的增强应用,能够实现新产品的快速制造、产品需求的动态响应、工业生产和供应链网络的实时优化。智能制造将制造的所有方面连接起来,从原材料进入直到成品交付。它建立了一个跨产品、运行和商务系统谱系的富含知识的环境,这个谱系延伸至工厂、分销中心、企业和整个供应链。

  SMLC特别将能量管理作为智能制造的重要一环,因此它们提出的智能制造概念是以智能工厂为核心,还要加上智能电网等组成一个更广泛意义上的智能制造系统。而且值得注意的是,与中国业界多以技术为导向提出智能制造的概念不同,SMLC采用以结果为导向来提智能制造,搞智能制造的目的是为了增加投资还是为了减少成本,往往是中外推行智能制造背景的一个显著区别。

  智能制造概念

  SMLC对健康与可持续的制造进行了一番层次化的说明,并且区分了物联网和大数据的主要作用层次。可以说,实现智能的过程就是将数据转化为信息、将信息转化为知识、将知识转化为智慧、将个体智慧上升为集体智慧的一个过程,这必将是伴随智能制造的实现而达到的一个终极目标。因而,SMLC甚至欧美国家设立的若干个计划和项目,研究的众多使能技术与关键技术,都是在为实现“数据-信息-知识-智慧”(DIKW)这一循环模型而努力。

  健康与可持续的制造

  SMLC认为,智能企业/企业联盟关注联网的工厂和动态的供应链,它通过构建共享的、保护知识产权的智能制造硬件基础设施和软件基础结构,将制造引向服务,实现物联网和数据、服务联网。在SMLC描绘的广义智能制造系统中,机器-人-材料(物料)实时动态互联互通互感互知,智能制造就体现在多层、跨尺度的动态连接、时间控制、数据循环与自主活动中。

  智能制造:多层的链接、时间、数据与活动

  三、SMLC的工作要点

  SMLC是为数不多的给出了“智能制造”定义的,而且提出了若干关键技术,包括:联网的传感器,数据互用性,多尺度动态建模与仿真,智能自动化,可扩展的多层级赛博安全。SMLC组织制订的“智能流程制造”路线图和“智能制造企业(联盟)”行动计划就围绕这些关键技术,确定了集成的发展路线。

  五个连续路径实现智能制造

  智能制造的企业场景中,统一的模型集成到全部运行中,对象和过程都体现了分布式智能,企业范围内形成自感知、自优化的系统,以及可共用信息和能力的系统,建立任何操作和运行的影响都可预测的工业。实现智能制造要分五步走:一,将数据转化为知识,关注建模标准、数字化环境与信息基础设施;二,将知识转化为模型,关注智能化的工艺建模、仿真、分析与优化;三,将模型转化为关键工厂资产,关注工厂级的智能工艺实施与智能制造管理;四,关键工厂资产的全球化,关注企业(联盟)级的智能制造;五,建立关键绩效指标,关注面向智能制造的教育与技能。

  四个行动计划打造智能制造企业

  智能制造企业(联盟)应该从工厂运行到供应链都是智能的,能够全寿命周期地虚拟跟踪资本资产、工艺和资源,具备柔性、敏捷和创新的制造环境,绩效和效率都是最优化的,业务和制造都是高效协同运行的。针对这一2020年目标,确立了四个行动计划:一,搭建面向智能制造的工业界建模与仿真平台;二,构建经济可承受的工业数据收集与管理系统;三,在商务系统、制造工厂和供应商之间实现企业(联盟)范围集成;四,加强智能制造中的教育与培训。