近年來(lái)，國際形勢撲朔迷離。一方面，不少?lài)以O置了各種政治與經(jīng)濟藩籬，原材料與零部件的供應隨時(shí)可能短缺，市場(chǎng)與服務(wù)也可能難以持續。另一方面，由于社會(huì )發(fā)展加速，產(chǎn)品的生命周期不斷縮短，策劃不當就會(huì )導致產(chǎn)能過(guò)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(shí)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(jiàn)的公司都在考慮制造系統的韌性，即韌性制造。

韌性制造是一些美國學(xué)者最先提出的，它與近年來(lái)興起的韌性系統理論相關(guān)。韌性系統理論與可靠性理論不同，它主要是審視當系統受到外部攻擊或內部損壞時(shí)的應對方法。目前韌性系統的理論還不成熟，但應用范圍卻很廣，包括地區經(jīng)濟的韌性、運輸系統的韌性、食物供應系統的韌性、生態(tài)系統的韌性以及心理韌性等。國內對此關(guān)注度不高。例如，洛克菲勒基金會(huì )資助了一個(gè)叫做百座韌性城市的計劃。許多國際大都會(huì )，如紐約、倫敦、巴黎、洛杉磯都參與了，但國內只有湖北黃石、四川德陽(yáng)兩個(gè)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(gè)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(shù)創(chuàng )新及產(chǎn)品服務(wù)創(chuàng )新。根據摩爾定律，計算機的能力每18個(gè)月就會(huì )翻一番，隨之帶動(dòng)各種產(chǎn)品的更新?lián)Q代。陳舊的產(chǎn)品很快就會(huì )被更好、更廉價(jià)的新產(chǎn)品取代，所以必須創(chuàng )新。一個(gè)好的創(chuàng )新產(chǎn)品將為公司乃至社會(huì )帶來(lái)福祉。

由于制造業(yè)的涉及面非常廣，一個(gè)公司不論大小都不可能囊括其業(yè)務(wù)涉及的所有技術(shù)。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(shù)。日本公司則注重長(cháng)期合作、步步為營(yíng)。前者見(jiàn)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(lái)在大學(xué)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(xué)及研究所合作。我們建議學(xué)習日本的經(jīng)驗，注重長(cháng)期合作，把創(chuàng )新與質(zhì)量同時(shí)做好，以保障創(chuàng )新成果得到社會(huì )認可。

第二個(gè)方面是布局。要使制造系統具有韌性，布局十分重要。布局包括原材料與零部件供應鏈布局、制造系統布局、產(chǎn)品銷(xiāo)售與服務(wù)網(wǎng)絡(luò )布局。我們研究了制造系統的布局，發(fā)現要提高制造系統的韌性，除了傳統方法，如增加備用設備、增加堆棧外，還有3個(gè)方法：

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

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

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

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

我們認為上述方法也適用于其他系統，如運輸系統。

第三個(gè)方面是控制?？刂朴腥齻€(gè)層次。第一個(gè)層次是將制造系統中的各個(gè)設備分別控制。目前大部分公司都是這樣做的。第二個(gè)層次是將制造系統中的各個(gè)設備連接起來(lái)，經(jīng)過(guò)數據處理、數據分析及邏輯編程器（PLC）進(jìn)行集中控制。目前有部分公司已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施。有些公司還加入了數字孿生軟件，使整個(gè)制造系統的運作可視化。第三個(gè)層次是在第二個(gè)層次的基礎上引入智能控制。智能控制分三步：監控、診斷及控制。監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進(jìn)行調節。智能控制的關(guān)鍵技術(shù)是人工智能。

在制造系統中，經(jīng)常會(huì )遇到“數據孤島”問(wèn)題：首先，由于傳感器昂貴或難以安裝，數據采集能力有限，無(wú)法獲得制造系統的完整信息。其次，只有大量系統正常運行時(shí)的數據，故障數據很少。此外，許多故障數據無(wú)法獲得。所以，數據雖多，有用的信息卻不足。

為了解決這一問(wèn)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(luò )行之有效。對抗神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )由兩個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )組成。一個(gè)用于描述被控制系統的特征。它與傳統神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )相似，可以根據已有數據建立模型，并對新數據所對應的系統狀態(tài)進(jìn)行預測。另一個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )則結合已有數據及預先設計好的輸入自主生成各種故障數據。對抗神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )算法將同時(shí)訓練這兩個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )，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。實(shí)驗證明其實(shí)時(shí)監控能力可達97%，比傳統方法提高12%。

韌性智能制造是一個(gè)大課題，它會(huì )直接影響到一個(gè)公司甚至一個(gè)地區制造業(yè)的興亡。它涉及的技術(shù)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(luò )技術(shù)、人工智能技術(shù)等。我們建議有需求的公司及早開(kāi)始，通過(guò)創(chuàng )新、布局及控制建立起自己的韌性智能制造系統。

來(lái)源：《中國科學(xué)報》