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近年來，國際形勢撲朔迷離。一方面，不少國家設置了各種政治與經(jīng)濟藩籬，原材料與零部件的供應隨時可能短缺，市場與服務也可能難以持續(xù)。另一方面，由于社會發(fā)展加速，產(chǎn)品的生命周期不斷縮短，策劃不當就會導致產(chǎn)能過剩，造成很大浪費。此外，為了提高質(zhì)量與效率，制造工程中用到的機器精度與速度不斷提高，經(jīng)常被推到其能效的極致，所以發(fā)生故障在所難免。故障發(fā)生時機器的快速修復，以及制造生產(chǎn)的不停頓十分重要。 

今年年初新冠病毒在全球大流行，使得制造業(yè)雪上加霜。因此有遠見的公司都在考慮制造系統(tǒng)的韌性，即韌性制造。

韌性制造是一些美國學者最先提出的，它與近年來興起的韌性系統(tǒng)理論相關。韌性系統(tǒng)理論與可靠性理論不同，它主要是審視當系統(tǒng)受到外部攻擊或內(nèi)部損壞時的應對方法。目前韌性系統(tǒng)的理論還不成熟，但應用范圍卻很廣，包括地區(qū)經(jīng)濟的韌性、運輸系統(tǒng)的韌性、食物供應系統(tǒng)的韌性、生態(tài)系統(tǒng)的韌性以及心理韌性等。國內(nèi)對此關注度不高。例如，洛克菲勒基金會資助了一個叫做百座韌性城市的計劃。許多國際大都會，如紐約、倫敦、巴黎、洛杉磯都參與了，但國內(nèi)只有湖北黃石、四川德陽兩個小城市參與，重視度明顯不夠。

我們認為，韌性制造包括三方面：創(chuàng)新、布局、控制。

第一個方面是創(chuàng)新。創(chuàng)新包括材料創(chuàng)新、設計創(chuàng)新、制造技術創(chuàng)新及產(chǎn)品服務創(chuàng)新。根據(jù)摩爾定律，計算機的能力每18個月就會翻一番，隨之帶動各種產(chǎn)品的更新?lián)Q代。陳舊的產(chǎn)品很快就會被更好、更廉價的新產(chǎn)品取代，所以必須創(chuàng)新。一個好的創(chuàng)新產(chǎn)品將為公司乃至社會帶來福祉。

由于制造業(yè)的涉及面非常廣，一個公司不論大小都不可能囊括其業(yè)務涉及的所有技術。因此，安排好創(chuàng)新人力資源最為重要。創(chuàng)新人力資源包括本公司的研發(fā)隊伍以及外協(xié)單位。特別是利用外協(xié)單位的資源是重要的杠桿。

我們注意到美國公司，特別是其高科技公司，常用并購、聘用、挖人等方法獲取新技術。日本公司則注重長期合作、步步為營。前者見效快，后者質(zhì)量高。我國的制造業(yè)起步晚，中小企業(yè)特別缺乏創(chuàng)新人才。但國家重視理工科教育，近年來在大學和研究所集聚了不少人才。政府還設立了獎勵政策，鼓勵公司與大學及研究所合作。我們建議學習日本的經(jīng)驗，注重長期合作，把創(chuàng)新與質(zhì)量同時做好，以保障創(chuàng)新成果得到社會認可。

第二個方面是布局。要使制造系統(tǒng)具有韌性，布局十分重要。布局包括原材料與零部件供應鏈布局、制造系統(tǒng)布局、產(chǎn)品銷售與服務網(wǎng)絡布局。我們研究了制造系統(tǒng)的布局，發(fā)現(xiàn)要提高制造系統(tǒng)的韌性，除了傳統(tǒng)方法，如增加備用設備、增加堆棧外，還有3個方法：

（1）平衡制造系統(tǒng)的節(jié)拍。制造系統(tǒng)通常由多個工作站組成，每個工作站有一臺或多臺機床，用特定節(jié)拍完成特定的工作。要提高制造系統(tǒng)的韌性，各工作站的節(jié)拍必須平衡。否則就會產(chǎn)生瓶頸，制約整個制造系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。此外，在故障發(fā)生時，瓶頸會特別脆弱，很容易導致整個制造系統(tǒng)停頓。

（2）使用可重構機床。所謂可重構機床是指通過簡單操作即可改變其功能的機床。這類機床最先由美國密歇根大學提出。他們設計了一臺機床，通過簡單的操作即可把機床變成車床或銑床。可重構機床比一般機床要貴，但在其他機床發(fā)生故障時可以重構，從而保證整個制造系統(tǒng)不停頓運行。

（3）使用可移動堆棧。可移動堆棧由AGV（自動引導車）、機械臂及堆棧組成。與傳統(tǒng)的機械臂—堆棧組合相比，費用增加不多，但可大大增加堆棧的容量，從而提高制造系統(tǒng)的韌性。

此外，對于生產(chǎn)多種類型產(chǎn)品的復雜制造系統(tǒng)，在一臺機床發(fā)生故障時，還可以通過調(diào)度，先行加工不需使用這一機床的產(chǎn)品來減少損失。

我們認為上述方法也適用于其他系統(tǒng)，如運輸系統(tǒng)。

第三個方面是控制。控制有三個層次。第一個層次是將制造系統(tǒng)中的各個設備分別控制。目前大部分公司都是這樣做的。第二個層次是將制造系統(tǒng)中的各個設備連接起來，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析及邏輯編程器（PLC）進行集中控制。目前有部分公司已經(jīng)開始實施。有些公司還加入了數(shù)字孿生軟件，使整個制造系統(tǒng)的運作可視化。第三個層次是在第二個層次的基礎上引入智能控制。智能控制分三步：監(jiān)控、診斷及控制。監(jiān)控是快速地檢測出故障，診斷是找到故障原因，控制是采取措施對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。智能控制的關鍵技術是人工智能。

在制造系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到“數(shù)據(jù)孤島”問題：首先，由于傳感器昂貴或難以安裝，數(shù)據(jù)采集能力有限，無法獲得制造系統(tǒng)的完整信息。其次，只有大量系統(tǒng)正常運行時的數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)很少。此外，許多故障數(shù)據(jù)無法獲得。所以，數(shù)據(jù)雖多，有用的信息卻不足。

為了解決這一問題，智能控制必須有好的算法。我們的研究結果表明，對抗神經(jīng)元網(wǎng)絡行之有效。對抗神經(jīng)元網(wǎng)絡由兩個神經(jīng)元網(wǎng)絡組成。一個用于描述被控制系統(tǒng)的特征。它與傳統(tǒng)神經(jīng)元網(wǎng)絡相似，可以根據(jù)已有數(shù)據(jù)建立模型，并對新數(shù)據(jù)所對應的系統(tǒng)狀態(tài)進行預測。另一個神經(jīng)元網(wǎng)絡則結合已有數(shù)據(jù)及預先設計好的輸入自主生成各種故障數(shù)據(jù)。對抗神經(jīng)元網(wǎng)絡算法將同時訓練這兩個神經(jīng)元網(wǎng)絡，最后構造出完整的控制算法。我們把這一方法用在機器人焊接系統(tǒng)。實驗證明其實時監(jiān)控能力可達97%，比傳統(tǒng)方法提高12%。

韌性智能制造是一個大課題，它會直接影響到一個公司甚至一個地區(qū)制造業(yè)的興亡。它涉及的技術多，包括材料工程、機械工程、電氣工程、工業(yè)工程、計算機工程、網(wǎng)絡技術、人工智能技術等。我們建議有需求的公司及早開始，通過創(chuàng)新、布局及控制建立起自己的韌性智能制造系統(tǒng)。

來源：《中國科學報》