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2015-2016年中国激光产业市场分析与展望

激光各种应用市场份额也发生了变化,根据全国大部分激光企业从事的产品与销售额,可测算出目前激光应用的份额分布。人们常说激光打标占据“半壁江山”,其实更早的时候,我国工业激光应用就是从简单的激光打标(包括激光雕刻)起步,后来发展到切割、焊接等,在2005年激光打标占据了超过65%的市场份额,而当时还没有光纤激光切割机,钣金行业逐渐推广激光切割,主要是YAG、CO2激光切割,激光切割市场份额约20%。而到2015年,激光打标的市场份额低于40%,激光切割、激光焊接的份额上来了。

2016年上半年国内激光产业迅速回暖,一些上市激光公司半年报也令人鼓舞:大族激光上半年同比增长22.69%,华工科技同比增长30.43%,联赢激光同比增长70.55%,天弘激光同比增长10.9%…….行业内传出光纤激光器、紫外激光器还出现供不应求的局面。许多加工设备商收到的订单增加,交货期不得不延长,这些都是令人欣喜的局面。

可以预见,2016年以及未来几年国内激光产业发展状态逐渐改善,相比过去几年更加健康、更加稳定发展。本土企业研发实力更强,产能更大,销售与服务网络更完善。

随着本土企业崛起,外国企业尤其是德国、美国等激光强国在国内面临挑战更大。通快集团2015/16财年在中国的业绩为3.6亿欧元,同比下降了2%,而另一巨头IPG光子2016年第二季度在中国的业绩增长仅有4%,以往该公司在中国占据光纤激光器大部分市场份额,每季度/每年均有20%以上的增长。

基于上述2016年国内激光产业迎来2011后最好的发展局面,预测2016年国内激光产业市场增速可达20%以上。乘着政府大力推动智能制造与“中国制造2025”的计划,国内激光产业有望在2017年延续较快发展的良好机遇。

金属加工·智能制造解决方案——2017(第十三届)中国国际金属加工高峰论坛隆重举行

在美国先进制造业再回归、德国“工业4.0”尤其是《中国制造2025》的强大推动下,中国的制造业正在经历着基础能力、质量品牌以及标准化的提升。随着科学技术的发展和制造业转型升级的需要,智能化制造已经成为未来制造业技术发展的必然趋势。在面对制造业信息化、网络化、智能化发展的迫切需求及其所带来的市场空间,企业需要不断拓展业务范围,逐步向智能制造系统解决方案方向发展。

在此背景下由MM《现代制造》杂志社主办的第十三届中国国际金属加工高峰会(CMWS 2017)于2017年4月16日在北京举行。本届论坛围绕“智能制造落地解决方案”这一主题,邀请国内外知名行业专家及技术领先的供应商,就《中国制造2025》如何成功落地提供最具现实说法的讲解。现场参会听众207人,并且此次会议第一次采取直播形式,在线吸引2990人次观看,通过不同传播渠道为处在制造业中的企业带来最新话题分享。

沈阳机床集团总系统师、上海研究院院长朱志浩先生作为论坛主席为大家分享了“制造装备全生命周期运营,装备企业必由之路”这一当下热点话题。改变传统买卖关系,借助工业互联网让装备制造商专业化运营智能装备,确保装备在全生命使用过程中能价值发挥最大化,装备使用方可以获得性价比最优的装备使用权,这是制造装备全生命周期运营的本质。另一位来自北京航空航天大学的专家刘强教授,则从“智能数控技术研究与实践”的角度与大家探讨了“工业4.0”、智能制造背景下的中国数控机床的发展与面临的挑战,数控机床相关关键技术的发展,并做了对智能数控的思考及探索研究。

如果说前两年大家更关注智能制造热点话题所阐述的概念或者勾画的前景,那么如今能让大家心动的则是能将这些概念转化为现实的落地的解决方案。所以本次论坛邀请到了多位业内知名企业代表,如福斯润滑油(中国)有限公司、北京绅名科技有限公司、山高刀具(上海)有限公司、爱路华机电技术(上海)有限公司为与会听众分享了不同的智能制造产品及对应的落地解决方案。

福斯润滑油(中国)有限公司金属加工液产品经理曾拥军先生,率先分享了福斯为预防和控制金属加工液使用中的健康与安全问题提供的相应解决方案;山高刀具(上海)有限公司,产品管理部经理冯浩先生为与会听众带了智能制造刀具解决方案;北京绅名科技有限公司,智能制造副总经理杨森先生介绍了绅名科技通过智能产线,设备智能互联,制造执行系统相互组合为企业提供一体化解决方案。爱路华机电技术(上海)有限公司产品与技术销售总经理陆俊杰先生则介绍了EROWA(爱路华)集成化制造管理系统,随着工业4.0概念的普及,此软件已成为现代智能化制造的“神经系统”是必不可少的一个环节。

4位演讲嘉宾围绕包括大家关注的有关“工业4.0”以及中国智能制造在内的内容进行了不同的解读、介绍,不再仅仅是停留在智能制造概念上的谈论,而是真正把概念付诸实践,共同为处于制造业转型期的国内制造企业提供最具前瞻性的意见及解决方案。

值得一提的是,本届论坛特邀了来自航空航天和模具行业的两位核心读者,针对具体行业,提出对智能制造的不同需求。上海航天设备制造总厂数控加工工艺研究室主任刘晓博士,为大家介绍了企业在航天智能制造领域的探索。此外,对国产数控装备在航天示范应用中出现的问题进行了分析,并提出了航天制造领域对自主可控装备、系统与智能制造的需求。另一位是来自青岛海尔模具有限公司智能制造总监姚玉峰先生,介绍了家电行业转型的必要性及家电行业工业4.0的本质,分享了家电模具生产过程可视化及设备关键部件预测性维护,满足客户大规模定制的相关实例。

在工业 4.0 和中国制造 2025 的导引下,机床产业无疑会不断走上智能制造和高端制造的新潮流,在促进产业升级中追求更 加高效的制造生态和服务型制造模式。当下是一个工艺与市场更加分化,专特精更有机遇、智能化网络化步伐加快的机床新时代,去产能、强供给与技术创新驱动齐飞,需要结合国家战略政策与企业发展战略的紧密互动,挖掘新消费需求的升级和可持续发展 路径。为此借 CIMT2017 召开之际,MM《现代制造》还携手华夏幸福基业股份有限公司举办了“机床行业发展趋势座谈会”,邀请制造行业龙头企业畅谈未来,共叙实体经济转型升级之路和服务创新策略。

智能制造会给未来的社会及制造业带来什么变化呢?相信通过论坛和机床座谈会大家对于智能制造落地解决方案都了一定的了解。智能制造最终的目的是提高生产率和质量,降低制造成本,使制造业的社会化分工更专门和明确化。工业大变革的浪潮已势不可挡,制造业的竞争将更加激烈。但我们相信,智能制造必将引领我国制造业奔向美好明天,成就新的世界制造强国。

企稳回升 趋稳向好 逆势调整 转型升级

机床(英文名称machine tool)是指制造机器的机器,亦称工作母机或工具机,简称机床。现代机械制造中加工机械零件的方法很多,除切削加工外,还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等,但凡属精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零部件,一般都需要在机床上用切削的方法进行最终加工。因而,机床工具行业是关系国民经济和国防安全的战略性、基础性行业,是工业化、现代化建设的发动机和动力源,是一个国家综合国力和技术水平的重要体现。当今世界制造强国无一不是机床工具制造强国。只有在机床工具行业具备优势,才能在综合国力竞争中占据更有利的战略地位。固本培元,强基振兴,加快发展机床工具行业,是提高综合国力、建设制造强国的必经之路。

一、实施《中国制造2025》,机床工具行业的战略地位再次提升

当前,新一轮科技革命和产业变革方兴未艾,全球制造业竞争格局正在重塑,同时中国经济进入以结构调整、转型升级、提质增效为主基调的新常态。在新的时期,面对新的机遇和新的挑战,党中央、国务院审时度势加强统筹规划和前瞻部署,于2015年5月正式发布实施制造强国战略的第一个十年的行动纲领——《中国制造2025》。

《中国制造2025》提出加快发展新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等十大重点领域。《中国制造2025》的五大工程之一——高端装备创新工程,也将高档数控机床列为重点发展的高端装备领域,明确要求开发一批标志性、带动性强的重点产品和重大装备,提升自主设计水平和系统集成能力,突破共性关键技术与工程化、产业化瓶颈,组织开展应用试点和示范,提高创新发展能力和国际竞争力,抢占竞争制高点。继2009年中国开始实施高档数控机床与基础制造装备科技重大专项之后,机床工具行业在国民经济发展和国防建设中的重要地位再次大幅提升。

二、中国机床工具行业企稳回升态势逐步显现

21世纪前十年,中国机床工具行业快速增长。但自2011年开始,中国机床工具行业进入以结构调整、转型升级为主基调的新发展阶段,增速下行压力增大,甚至出现负增长。

自2015年5月正式发布和实施《中国制造2025》以来,虽然中国机床工具行业仍在低位徘徊一年左右,但自2016年6月份起,全行业止跌趋稳,并不断夯实回升基础和增强回升动力,企稳回升态势逐步显现。2017年1-2月机床工具、金属切削机床、金属成形机床主营业务收入分别同比增长7.7%、1.1%和13%,增速分别较2015年1-5月回升4.8个、1.8个和5.8个百分点。

在主营业务收入增速回升的同时,经济效益也不断改善。2017年1-2月机床工具、金属切削机床、金属成形机床利润总额分别同比增长25.8%、78.4%和32.7%,增速分别较2015年1-5月回升16个、31.9个和16.6个百分点。

三、中国机床工具行业加快结构调整和转型升级

智能制造是《中国制造2025》的主攻方向。《智能制造发展规划(2016-2020年)》明确提出面向《中国制造2025》十大重点领域,研发高档数控机床与工业机器人、增材制造装备、智能传感与控制装备、智能检测与装配装备、智能物流与仓储装备等五类关键技术装备,集成开发一批重大成套装备,推进工程应用和产业化。在智能制造工程的引导下,我国制造业正在广泛掀起一股发展智能制造的热潮。智能制造的快速发展,不但为机床工具行业特别是高档数控机床行业创造了新的市场空间,而且有利于倒逼机床工具行业结构调整、转型升级。

中国机床工具企业在市场需求低迷时苦炼内功、深化调整,转型升级成效有所显现。数控金属切削机床产品占金属切削机床产量的比重由2015年的30.86%提高到2016年的31.93%(2017年1-2月数控金属切削机床产品占金属切削机床产量的比重有所回落,其原因可能为季节性因素所致)。

图1 2015年1-2月至2017年1-2月中国数控金属切削机床产量占金属切削机床产量的比重(%)

与此同时,在国内机器人市场需求旺盛的带动下,2016年1-2月至2017年1-2月,中国工业机器人行业保持快速增长,除2016年1-2月、一季度工业机器人累计产量同比增速低于20%外,之后各月累计产量同比增速均保持在30%左右。

四、当前中国机床工具行业发展面临的主要问题及对策建议

虽然中国机床工具行业经过十多年的稳定发展, 产业规模持续迅猛增长,自2009年以来,中国连续8年成为世界金属加工机床第一生产大国、第一消费大国和第一进口大国,并形成了完整的机床工具制造体系,产品链和配套链齐全、完善,创新能力不断提高,并涌现了一批大型骨干企业及一大批有特色的中小企业。但总体而言,中国机床工具行业大而不强,呈现出“增长快而不优、产品多而不精”的格局,存在若干亟待解决的问题:一是中高档产品竞争力不强,进口机床数量和金额居高不下;二是共性技术、基础工艺研发不足,自主创新能力仍然薄弱;三是数控系统和功能部件发展严重滞后;四是低端产品生产能力过剩,国内机床工具行业的“同质化”的恶性竞争频频出现;五是传统用户的机床保有量巨大、且在役时间较短,传统领域机床市场需求下行压力可能持续增大;六是中国机床工具企业正面临跨国公司高中档机床与台韩企业中档机床的“双重夹击”,经营压力不断增大。

今后一段时期,建议中国机床工具行业认真贯彻落实《中国制造2025》,推动调结构促转型增效益,加快提升核心竞争力,为建设制造强国提供重要支撑。具体对策建议如下:

一是加强重大工程的引导。组织实施好高端装备创新、智能制造等重大工程,加快高档数控机床和机器人研制开发与推广应用,提升自主设计水平和系统集成能力,引领产业向价值链高端迈进,保障我国国民经济发展和国防建设的重大需求。

二是大力增强自主创新能力。依托制造业创新中心建设工程,尽快建设高档数控机床、工业机器人等重点领域国家创新中心。继续抓紧实施高档数控机床与基础制造装备国家重大科技专项,加强关键核心技术攻关。

三是搭建共性技术服务平台。建立机床工具行业主配牵手平台,形成整机与数控系统、功能部件协同研制、利益共享的一体化组织模式。推进数控系统、刀具等核心基础部件的研发和示范推广。加强检测试验验证平台建设,提升试验检测评价能力建设。

四是加快补齐行业短板。依托重大短板装备专项工程,进一步加大在机床工具领域的补短板工作力度,整合各方资源,集智攻坚,重点突破一批机床短板装备并实现示范推广,不断提升专用机床装备的自主供给能力。

[1]本文数据均来自国家统计局,或根据国家统计局数据计算。

[2]国家统计局自2016年2月开始公布工业机器人产量数据。

2016年国产工业机器人销售良好结构改善

国产机器人市场形势良好,增速趋稳

据中国机器人产业联盟统计,2016年国产工业机器人销量继续增长,上半年累计销售19257台,按可比口径计算较上年增长37.7%,增速比上年同期加快10.2个百分点;考虑到前期研发企业实现投产、新企业进入等因素,实际销量比上年增长70.8%,已连续多年保持了较高的增长速度,产业发展处于上升通道。特别是在《中国制造2025》、《机器人产业发展规划(2016-2020)》等国家产业政策的指引下,国产机器人产品结构调整升级、产业结构逐步改善。

从企业层面看,有超过六成的国产工业机器人制造企业销售量同比增长,特别是部分龙头企业发展形势喜人。企业积极应对用户行业转型升级的契机,积极调整产品结构、提升产品质量,销量实现成倍增长。

多关节机器人占比持续提升

从机械结构看,2016年上半年国产坐标机器人保持龙头地位且销售加速,销量超过8100台,占国产工业机器人总销量的42.1%,比上年提高4.7个百分点。多关节型机器人上半年累计销售6225台,同比增长67.2%,增速与上年基本持平,在工业机器人总销量中占32.3%,比去年全年占比提高5个百分点。工厂物流机器人销量超过1000台,同比增速高达71.3%,在机器人销售总量的比重与上年持平。平面多关节机器人销售1750台,同比增长12.6%,占总销量的比重比上年回落4.7个百分点。圆柱坐标机器人累计销售563台,同比增长17.8%。并联机器人上半年销售有所回落,完成销售330台,同比下降7%。数据显示,在多关节机器人占比提升的同时,圆柱坐标机器人、并联机器人的占比在下降,国产机器人产品结构正发生着变化。

搬运与上下料机器人市场需求进一步释放

从应用领域看,2016年上半年国产工业机器人的应用领域分布与上年基本相同。有60.1%的国内产工业机器人应用在搬运与上下料领域,这一比重较上年提高7.3个百分点,销量同比增长94.3%。其中用于金属铸造的搬运与上下料机器人是今年的一个新亮点,越来越多的铸造企业使用机器人从事上下料工作,市场需求扩大,上半年销量同比增长近8倍;码垛机器人和材料搬运机器人增速也分别达到185%和117%。焊接和钎焊是国内产机器人应用的第二大领域,销量同比增长20.9%,约占总销量的13.8%。此外,用于切割、磨削、去毛刺等领域的加工机器人和压装用装配机器人市场均表现良好,上半年销量同比分别增长103%和130%。

3C制造业和汽车制造业是国内产机器人的主要市场

从应用行业看,国产工业机器人广泛地服务于国民经济37个行业大类,91个行业中类,与上年相比应用领域更为广阔。具体应用范围涉及农副食品加工业,酒、饮料和精制茶制造业,医药制造业,餐饮业,有色金属冶炼和压延工业,食品制造业,非金属矿物制品业,化学原料和化学制品制造业,专用设备制造业,电气机械和器材制造业,金属制品业,汽车制造业,橡胶和塑料制品业等领域。其中以3C制造业(计算机制造、通信设备制造和其他电子设备制造业)和以汽车零部件及配件制造、汽车整车制造为代表的汽车制造业,在国产工业机器人销售总量中的占比最高,分别占30%和12.6%。特别是3C制造业,占比较上年同期提高近20个百分点。进一步表现出,中国完备的制造业门类,为工业机器人的应用提供了广阔的市场空间。

华东、华南是工业机器人应用的主要区域

从产品流向来看,2016年上半年43%和10%的国产工业机器人分别销往华东和华南地区,华中地区占比约10%,而华北、东北、西北、西南地区占比总计17%(有部分销量未实现统计)。

物流单元化的未来

为了便于运输和储存,把货物规整成统一规格的作业单元,这种统一的作业单元称之为集装单元,集装单元可以实现物流的自动化、机械化,从而大大提高物流的作业效率。单元化物流占整个物流供应链中的比例越高,供应链优化的质量也就越好,在提高物流系统运行效率的同时,也大大降低了物理成本。随着现代物流行业的发展壮大,物流行业竞争也在加大,客户对于物流的配送速度及保证物流品质的精细化作业的要求也在提高,物流企业想要生存,就必须在提升物流供应链的效率和降低物流运行体系的成本上下功夫。而单元化物流因其加快货物流通速度,减少物流环节,保证物流质量,实现物流各个环节的无缝衔接,降低物流成本等特点,成为物流行业发展的新趋势。

单元化物流可以使整个物流系统采用统一的标准,可以有效加快货物流通速度和中转速度,减少装卸费用和中转损失。单元化物流是物流行业发展的新趋势。单元化物流依靠集装单元器具,货物单元的规格标准取决于集装单元器具的规格标准,所以集装单元器具标准化是物流标准化的最重要内容之一。物流单元化包括托盘、台车、捆包、集装箱系统、单元化容器等一大系列的类型。其具有里程碑意义的则是集装箱的发明与在全球范围内的使用,大大促进了世界贸易的发展。集装箱也是物流3.0时代供应链物流具有划时代意义的一次重大进步,从而促进推动了托盘标准化、容器包装标准化以及搬运标准化等系列标准的产生。欧洲自从上世纪50年代开始,就开始大力推广集装单元化,首先是约上世纪50年代开始就建立了欧洲大陆托盘共用系统(EPP),这个过程也经历了欧洲20多个国家,长达11年的谈判,最终确定了欧洲1200×800的托盘标准。紧随其后,也随之诞生了包装容器的标准,从而确立了600×400的基础物流模数。

相比之下,中国物流标准化与单元化的进程相对较晚,集装箱系统铁路、公路以及水路标准还存在着一定差异,从而存在着换箱掏箱工作,而不能真正意义上的联运。2006年才确立中国托盘标准,并在2011年又更新了一版,从而最终确认1200×1000与1100×1100两大托盘标准单元化体系。但两大体系之间缺乏共通性,从而在物流效率上存在浪费以及在包装容器单元化上混乱,造成企业在物流规划时有诸多限制。国内物流单元化的发展速度快,但乱象也较多,这一点较国外发达国家有很大的差距。

物流器具单元化是作业的机械化和自动化的基础,物流器具好比我们身体中的盲肠,不出问题时,大家相安无事。一旦有问题的时候,会让企业痛苦无比。又好比我们盖房子时的墙基,平时你并感觉不到它很重要,但一遇到企业高速发展,或者经济低潮时,它就成为制约企业发展的瓶颈。

我国物流器具行业从90年代晚期开始,至今发展约二十多年,大大小小诞生近百家企业,但存在着粗放经营,规模较小,管理不规范等特点。上百家企业的年总产值之和,都比肩不上欧洲或者美国、日本一家大的物流器具生产厂商的一年的销售额。且企业在研发上面投入小,很多工厂规模只有几千万左右的年销售额。国内用户正朝着能够提供一揽子解决方案的专业公司合作,从而专注于自身的核心业务,更加高效的提升自身经营效率。

国内物流器具这几年有反向标准化单元化发展的需求,即由原来的自上而下的推动,变为由最终用户自下而上的推动物流单元化发展。越来越多的企业认识到一次性纸包装的浪费与成本上的压力,慢慢转向租赁包装。另外随着物联网技术的发展,RFID与物流器具的结合越来越紧密。

国内近年来随着人力成本与管理成本的上升,企业对把握未来经济趋势不太明朗的情况下,倾向轻资产化。即减少在物流器具等非核心业务之务的资产投入,转向租赁标准化单元化的物流器具。另外对物流器具的管理提出了更高的要求,客户对物流器具的清洁度、返还的即时化、资产管控的透明化都提出了较高要求。

另外客户希望物流器具与运输管理一体化的服务,我司顺应市场需求,推出了运包一体化的服务。运包一体化可持续健康发展不仅能够减少物流成本与损耗,更能节省中间环节及时供应与回收、整理维修、仓储等。减少资本投入更好的整合资源,以便时时为客户配送提供高质量清洁物流器具。

未来物流器具行业正朝着标准化、通用化、智能化方向发展,为满足工业4.0时代的到达,智慧物流器具也成为了智慧物流的载体.

机器人产业发展的新“蓝海”:服务机器人

这场革命必将与个人电脑一样,彻底改变这个时代的生活方式。”这番言论正逐渐被证实,在机器人不断占领了工业流水线和战场之后,服务型机器人也开始走进我们的家庭生活。伴随着工业机器人的发展,服务机器人也悄无声息地进入了人类生活,并带来了各种实实在在的贴心服务。服务机器人好比是30年前的电脑、15年前的手机,未来将走进千家万户。服务机器人随着技术进步、人工替代需求的逐步提升,其数量未来将超过人类,市场需求量可能以“亿”为单位。据报导,服务机器人这一未来世界的“新物种”,爆发点正在临近。

专家预测,机器人产业作为继汽车、计算机之后出现的新的大型的高技术产业已经开始发展起来。有专家学者把工业机器人称为“今天产业”,而把服务机器人称为“明天产业”。

整个服务机器人产业建立于三大核心技术模块:人机交互及识别模块、环境感知模块和运动控制模块。依托于这三大模块,机器人有基础的硬件:电池模组、电源模组、主机、存储器、专用芯片等,还有操作系统ROS、Linux、安卓等。由硬件和操作系统构成机器人整机,整合基础硬件、系统、算法、控制元件,形成满足一定行走能力和交互能力的机器人整机;在此基础上形成各种基础应用开发,基于机器人操作系统开发的控制类APP、管理员APP和各类应用程序APP等;产生的数据将有群组服务、云服务和大数据服务等。

智能机器人三大核心技术模块:感知+交互+运控

服务机器人的交互能力、感知能力和运动能力对应三大模块。交互模块包括语音识别、语义识别、语音合成、图像识别等,相当于人的大脑;感知模块借助于各种传感器、陀螺仪、激光雷达、相机、摄像头等,相当于人的眼、耳、鼻、皮肤等;运控模块包括舵机、电机、芯片等。

服务机器人的各个细分模块中,语音模块的重要性和成熟度均最高,语义模块是目前的突破重点,运控模块相对重要性最弱。服务机器人三大模块可以继续细分为语音模块、语义模块、图像模块、感知模块、运控模块和芯片模块。重要性排序依次为:语音模块、语义模块、芯片模块、图像模块、感知模块、运控模块;成熟度重要性排序依次为:语音模块、图像模块、运控模块、感知模块、语义模块、芯片模块。

从技术储备上来看,人工智能是核心。目前的技术储备方面,只有语音和OCR领域具备一定的成熟度。语音和OCR领域已发展接近20年,在某些特定场景和行业已经有了一定的数据基础。其他的技术包括图像识别、语义分析都还处于很早期的阶段,而语音领域是目前已知的平台类企业中最大的板块。

服务机器人多场景特征,多模态交互融合是关键

从第一代以鼠标和键盘的交互方式为特点的PC互联网,到第二代以触屏、GPS等交互方式为特点的移动互联网,再到今天以多模态人机交互方式为特点的第三代互联网,服务机器人产业的底层逻辑就是人机交互方式的发展和演变。

随着语音交互、视觉图像交互、动作交互、脑电波交互等多模态人机交互技术的逐步发展和成熟,这些第三代人机交互方式将会深层次地改变我们日常生活的应用场景;同时,一场第三代互联网的主流终端模式和服务内容入口的竞争也在同步进行。

什么是多模态交互?多模态融合了视觉、听觉、触觉以及嗅觉等交互方式,其表达效率和表达的信息完整度要优于传统单一的交互模式。人机交互是服务机器人场景化不可或缺的环节。传统的交互模式中,大多是单一单向的交互方式。人机对话中,尤其是多轮人机对话,涉及到语音理解、语义分析、情感分析、动作捕捉等多个维度。

服务机器人技术在本质上与其他类型的机器人相似

服务机器人的主要技术包括:

智能控制:主要包括模糊控制、神经网络、进化计算等,正渐趋成熟的控制思想。

环境感知传感器和信号处理方法:多传感器信息融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样,它充分地利用多个传感资源,通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用,将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来,产生对观测环境的一致性解释和描述,多传感器信息融合技术按照数据的抽象层次分类可分为数据层融合、特征层融合和决策层融合三种。

导航与定位:在服务机器人系统中,自主导航是一项核心技术,是机器人研究领域的重点和难点问题。即把人工神经网络控制和多传感器融合技术相结合,用于服务机器人的导航定位系统。

路径规划:路径规划就是指在服务机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态且可以避开障碍物的路径。路径规划方法大致可以分为传统方法和智能方法:传统路径规划方法主要有以下几种:自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法,在这几种方法中,人工势场法是传统算法中较成熟且高效的规划方法,它通过环境势场模型进行路径规划,但是没有考察路径是否最优;智能路径规划方法是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能方法应用到路径规划中,来提高机器人路径规划的避障精度,加快规划速度,满足实际应用的需要。

据相关专家估计,在现在和未来,将会是智能科技与服务机器人爆发的时代,是一场真正变革的到来。2015年被业内称为“服务机器人的元年”,服务机器人技术越来越成熟,成本越来越低,资本的大量涌入导致机器人越来越快地进入到人们的生活之中。服务机器人作为机器人家族中的年轻成员,倏然成为业内新宠。

有关专家分析认为:“谁占据了机器人产业的制高点,谁就能赢得未来制造业的主动权!”那么当前,机器人产业的制高点是什么呢?正是服务机器人的爆发。服务机器人爆发点临近风口已经来临。未来每个人都需要的助手,这将会迎来服务机器人发展的革命风暴!

—中国自动化学会专家询问工作委员会 孙柏林

工信部推动智能网联汽车标准建设

3月30日从工信部获悉,工业和信息化部副部长辛国斌会见美国通用汽车公司全球执行副总裁兼中国公司总裁钱惠康,双方就新能源汽车和智能网联汽车产业发展、通用汽车公司对华合作等议题交换了意见。

辛国斌表示,中国政府高度重视新能源汽车和智能网联汽车产业发展,正积极推动建立新能源汽车市场化发展长效机制和智能网联汽车标准体系建设等工作,希望通用汽车公司等跨国汽车企业深度参与中国新能源汽车和智能网联汽车发展,在技术研发、标准制定、产品开发等方面加强对华合作,共同提升产品的安全性和品质,满足消费者不断增长的绿色、智能出行需求。

专业人士预测,随着各项政策、标准的确定和出台,我国的智能网联汽车有望逐步产业化,预计至2020年的市场规模可达1000亿元。

数字双胞胎浪潮来袭

上世纪60年代到70年代,建模仿真主要是用FORTRAN语言编写的数字算法,用于计算特定的物理现象,解决设计问题,如机械设计的有限元分析。到了80年代和90年代,随着工作站和微机的普及以及计算能力的提高,仿真技术的应用逐渐遍及各个学科和不同层面。今天,仿真不仅是各种产品或过程的设计决策、评价和试验的基本工具,并且用于复杂工程系统的分析。毫无疑问,这个趋势将会延续下去,仿真的应用不会停留在设计阶段,如今正在向产品和系统的全生命周期扩展,构成与实体形影不离的“数字双胞胎”。由于仿真能够在产品全生命周期提供无缝协助和优化,将来必然成为制造系统的核心功能之一,未来智能工厂是基于模型的系统工程(Model Based System Engineering—MBSE)或基于模型的制造(Model Based Manufacturing–MBM),软件定义产品、决定企业盛衰,仿真技术成为制造系统关键组成部分的黄金时代才刚刚开始。

数字双胞胎

数字双胞胎(Digital Twin)是指可用于各种物理资产的计算机化“伴侣”,借助安装在物理对象上的传感器数据来映射产品实时状态、工作条件或位置。换句话说,数字双胞胎意味着物理对象的属性及状态的最新和准确的镜像,包括形状、位置、状态和运动。此外,数字双胞胎也可用于监测、诊断和预测,借助数据挖掘建立模型,通过物理资产使用中不断产生的和归档的历史信息,在不同地理分布的机器群之间进行比较,以帮助改善预后的结果。

因此,复杂的预测和智能维护系统平台可以利用数字双胞胎寻找运行中问题的根本原因,使人们可以管理和优化个别资产或整个网络,从嵌入物理对象中的传感器获取数据,建立其运行的数字模型,在损坏或发生故障以前加以修复,大大减少因停机所造成的损失。

例如,若干年后,当航空公司接收一架飞机的时候,同时还将验收一套详细的数字模型。每架飞机型号都伴随着这套数字模型。每一特定架次的飞机都不再“孤独”。因为,它有一个忠诚的“影子”,从不消失,伴随一生。在数字世界建立的飞机模型,通过传感器实现与飞机飞行状态完全同步,如机翼受力状态、应力和应变等。飞机每次飞行后,就可以根据结构现有情况和历史载荷记录,及时分析评估是否需要维修,能否承受下次飞行任务的载荷。驾驶员、维修人员和工程师皆可查阅有关架次飞机的历史数据和现有状态,保证飞行安全,防范于未然。换句话说,未来的航空器生命周期管理是可预测的、集成化和完全个性化的“事前诸葛亮”。当前,美国通用电气公司正在着手提出在航空、风电、保健、交通运输等领域应用数字双胞胎的初步解决方案。

数字双胞胎,也可用来指代工厂的厂房及生产线在没有建造之前所构建的数字化模型。设计规划阶段在虚拟世界中对工厂的设备布局、生产过程和车间物流进行仿真和模拟,并将优化后的参数提供给实际的工厂建设。投产之后,在日常的工厂运作和维护以及产品的服务中,两者之间继续进行信息交互。使用云连接,数字双胞胎可用以评估关键绩效指标,如产品的数量和质量、停机时间分析、故障率和能源数据等。通过使用先进的软件工具将机器生命周期数字化,用户在机器的设计、生产和使用中将获得相当大的灵活性,这是制造业的一个里程碑。当然,为了保护敏感的生产数据,综合工业安全系统非常关键。

数字化提高了机器生命周期各个阶段的效率和效益,降低了生命周期关键阶段故障和错误的风险。例如,传统的设备调试过程,以前需要付出巨大的努力和承受时间压力进行。如果设备信息可以在一个集成化的数据平台上,随时可以进行修改、测试和验证,产品更新换代的速度可以大大加快。此外,在模型的帮助下,设备的操作数据也可以用于优化生产过程的参数,从能效到故障率和维修周期。

基于模型的系统工程是数字双胞胎的基础,MBSE或MBM的核心思想是:用数字化模型在系统水平上捕获单个子系统和组件之间的相互作用。例如,企业的运作可以分为产品设计、过程设计、生产运作和服务4个阶段,现有的各阶段的信息技术系统,如PDM/PLM和SCADA系统都存储有大量的数据,但皆缺乏关联,如果加以集成,就可以逐步构建本阶段的和跨阶段的数字双胞胎。

按照建模支持系统要求,设计、分析和验证从产品概念设计阶段开始,贯穿于产品的全生命周期。在整个生命周期中,数据来自许多方面,如用户需求、CAD/CAM/CAE等。数字双胞胎使用这些数字信息作为初始数据来构建它的集成化仿真模型,并派生出新的辅助系统和服务应用。最后数字双胞胎从将生命周期中积累的信息返回到新产品设计,形成闭环,改进产品和生产过程。由于数字双胞胎是动态闭环的、智能化的,不仅能够提高生产效率,还可以促进新产品出现,包括设计阶段的数字模型可能转变成产品的一部分,如虚拟机床。

案例

“双胞胎控制(twincontrol)”是欧共体Horizon2020框架计划的一个关于机床和加工过程仿真的项目,它通过集成各种改进后的仿真模型,把影响加工过程的不同要点,包括在生命周期中越来越重要的机床能效和维护模型整合在一起,应用整体概念和方法使模型具有更接近现实的性能和更准确的评价能力。

从图中可见,在物理世界里,机床制造商设计、生产机床,然后提交给用户使用。twincontrol在虚拟世界根据机床的特征和加工工艺构建有:机床状态、进给驱动、CNC、机床结构、加工过程和能源消耗模型,预测机床加工及其部件的状态,并将参考数据上传到机床数据队列云与物理世界对机床监测和试验的数据相比较,进行模型更新,同时将真实机床状态、工作状态适应、机床性能预测、维修计划、补偿和控制数据传给机床用户和机床制造商。该项目由德、法、英、西班牙的11家科研院所、高等院校和企业参与,2015年10月启动,为期3年,分为虚拟机床、虚拟加工过程、监测和数据管理3条主线9个子项目。

数字双胞胎模型除了用于评价以外,也可用于生产系统监控、诊断和预测。美国自然科学基金智能维护系统中心开发的Watchdog Agent可以安装在各种物理设备中对其进行健康管理。例如在机床数控系统中,通过监测直接控制加工过程,含有基于模型评价的监控数据可以控制机床部件的衰退进程、优化维护作业、提高制造过程的有效性,通过改变加工参数保护性能已衰退的部件可维持到下一次计划维修等。

从图中可见,数字双胞胎通过“时间机器”,在关键时间点采集数据,并对历史纪录进行分析比较(图4右侧),提高预测的准确性。对分布各地的机器群进行健康相似性识别(图4左侧),发现健康衰退的异常现象,在故障地图上找到故障点。对机床采用不同数控程序加工的4种状态进行比较分析(图4上方):当前状态采用7号程序加工,主轴转速1200 r/min,生产效率为200件/h,机床剩余寿命为1200 h;经过优化后,采用3号程序加工,主轴转速1100 r/min,生产效率略为降低到180件/h,但机床剩余寿命提高到2000 h,增加了800 h。

液气密行业的未来数字化之路

液气密行业作为我国工业基础件的生产行业之一,是中国机械工业产业升级、技术进步的重要保障。十三五以来,随着《中国制造2025》和“互联网+”国家战略的发布,以及硬件计算能力、大数据处理算法的爆炸式发展,加上工业4.0、机器人、人机互动、人工智能等技术领域的迅速崛起,液气密行业正在面临着新的机遇和挑战。“数字化”在未来的五至十年,伴随着2000年以来大量建设的制造工厂的升级改造,将逐渐改变液气密产业链的每个环节:从研发、供应链、产品制造、库管物流、质量追溯到市场企划、销售和售后服务。研发工程师、采购员、制造现场管理者、销售员直至消费者,围绕液气密产品的数字化链接将释放出巨大的价值。

针对液气密行业如何利用3D建模、大数据、云计算、移动端等在内的数字化技术,笔者认为未来的数字化之路将呈现如下的阶段性发展:

一、产品图纸的数字化

液气密行业产品特点是品类、规格繁多,例如世界最大气动元件厂商SMC公司的产品型号就高达60万个以上。当前,随着产品设计周期越来越短,绝大部分设备集成商的设计部门都已采用Solidworks等三维设计软件进行产品设计。工程师在产品选型时,传统的纸质印刷样本、2D电子图纸可以满足选型需求,但无法满足设计需求。工程师不得不花费时间自行绘制3D模型,这势必影响设计效率、质量和研发周期。

目前,国外跨国公司和国内部分龙头企业,已委托德国卡迪纳斯、国内易尔派思、迈迪等公司进行产品的三维制图业务,但国内大部分中小企业仍不具备给客户提供3D电子图纸的下载服务,这已经开始直接影响到设计用户工程师的产品选择,制约了国产产品的选用。

3D电子图纸是液气密产品数字化的必由之路。由于液气密产品同一系列产品衍生的型号数量庞大,例如一个系列气缸,仅其缸径、行程、安装方式的组合就可能超过1000个。针对这样的产品系列,用手工3D制图这样的方法已无法满足数字化需求。为此,液气密产品的3D图纸化需要单独开发参数驱动引擎,基于反映零部件装配关系的母模型,通过向引擎输入产品定型参数,如图1所示自动生成该参数对应的产品3D电子图纸;同时,需要开发WEB浏览相关的功能模块、数据轻量化工具以及常用数据格式转换器等。

二、产品选型的智能化

液气密产品由于种类型号庞杂、性能参数多样、基本功能相同,产品选型对大部分设计工程师来讲都是一个需要高度专业知识和经验的工作。当前,很多选型都是照搬国外设计型号或者凭经验,易造成选型过程中的成本、性能等的浪费。同时,国内厂商数量众多,每家产品种类不够齐全、工程师熟知程度低,单凭传统的选型方法会让国内厂商的产品,尤其是新产品失去很多被选的机会。

因此,产品选型的数字化、在线化和智能化,可以帮助设计工程师准确、合理、快速地选择厂家、系列及型号。目前,国外SMC、FESTO等大型气动厂商都给客户提供智能选型软件,而国内厂商基本都不能提供。智能选型软件主要包括三个部分:1)电子样本:产品信息数据库,包括外形照片、型号、性能参数、外部尺寸等所有产品的信息。通常放在厂商官方服务器中,厂商可以随时更新数据;2)参数计算:气缸、阀等进行参数确定时需要结合工况进行计算设计,软件能提供计算辅助工具,例如气缸缸径、电磁阀声速流导等;3)型号确定:根据厂商的型号制定规则,提供人机交互界面一步一步完成型号每个参数的确定,并对参数间的匹配、排他等逻辑关系进行约束,避免选错型号。

随着大数据挖掘、用户个性数据分析技术的逐步成熟,设计工程师的选型历史数据将被挖掘用来分析出用户的选型习惯,从而个性化、指向性地应用于对应的个体用户,进一步提高用户的选型效率。目前,该技术在电商网站中被大量使用,但还较少见到进入液气密选型领域。

三、产品营销的在线化

目前,液气密行业企业主要采用传统的直营营业所和经销商相结合的渠道营销模式,尤其是国内中小企业,无力负担直营的成本,更多地倚重经销商模式。经销商模式的优点是可以将大量的地推工作分担出去,但缺点是加剧厂商同质化竞争、厂商利润被压缩、与终端客户关系薄弱、产品质量跟踪不到位等问题。

当前在李克强总理提出“互联网+”的时代背景下,利用好移动互联网、电子商务、大数据等技术手段,开拓网络营销,是现代化企业营销的必然趋势,也将市场竞争从线下转移到了线上。

发展液气密行业的网络营销,将有利于:1)进一步提高直销比例,增加利润,与终端客户直接互动,提升客户服务,改善产品质量追溯;2)为销售人员在线提供报价辅助功能,核查库存,跟踪发货物流,确认回款,缩短客户服务响应时间,大幅提高销售效率;3)国内中小企业通过联盟形式,主推各自优势产品,互补短板产品,避免大而全以至产品质量低下的问题,共同打造种类齐全、响应及时的线上销售平台。

四、制造管理的精细化

目前我国液气密行业的企业规模偏小,大部分企业内部都没有使用信息化系统,如ERP、PLM、CRM、SCM、OA等。即使部分企业在使用信息化管理系统,也都是基于原有经济业态下的管理,流程固化,要素之间仍未被集成起来,每一个信息系统都是孤立的。如何在工业4.0时代提升企业管理的精细程度?通过数据驱动、数据协同,将销售、制造、物流、质量追溯的各个环节串接起来,将至关重要。

国内金蝶、快易优等公司利用移动互联网、大数据和云计算的技术手段,开发基于移动互联网SaaS模式的企业智能化协同工具,满足客户不同环节的需求,可以智能化高效协同,打通信息孤岛,快速构建多样化的业务需求,涵盖选型、询价、合同、支付、采购、库存、加工、组装、物流、质量管理全环节,从而实现在线实时下单、订单分解、零部件库存查询、库存补充驱动加工、零部件调配、组装任务安排、物流在线管理等一系列数据驱动动作,实现由数据来驱动的柔性化生产,降本提效。

总之,数字化已经并正在深刻地改变着我国制造业,也将对我国液气密行业无论是销售还是制造都将产生深远的影响。

风电装备加快向“智造” 升级

装备制造业是国民经济支柱企业,是建设制造强国的主战场,大力培育和发展以风电装备为代表的高端装备制造业,不仅是提升中国产业核心竞争力的必然要求,也是加快供给侧结构性改革,促进工业向中高端迈进的重要举措。

目前,风电在价格、表现和可靠性方面正在朝向更有竞争力的方向发展。截至2015 年底,全球风电装机容量达到4.33 亿千瓦。全球风能理事会预计,到2020 年底,全球风电装机容量将增长至7.92 亿千瓦。作为全球战略性新兴产业,风电的发展离不开技术创新支撑。

近几年,中国风电行业在智能制造的背景下不断蜕变与创新,无论是在捕风能力、气动效率、风能转换能力等技术方面,还是设备质量方面都有大幅提高,智能化、信息化、大数据、云计算的理念也迅速融入到风电建设的各个环节。风电设备制造企业也在不断从技术、质量等多方面整体提升竞争力。

随着能源互联网概念提出,众多风电企业早已开始重视布局“互联网+风电”,纷纷聚焦分布式能源、微电网和智慧能源网,提出了全新的智慧能源一体化解决方案。风电行业企业通过将信息化技术与业务进行结合,投入并完成IT 系统,完成大数据平台,将控制策略与互联网技术、大数据、云存储前沿技术融合,进行风电场优化、定制化设计、资源评估、智能风场管理,推进无人值守智慧风电场建设。

此外,通过对SCADA 系统进行创新升级,形成包括风机远程监控、机组在线状态检测、远程故障诊断与修复、风功率预测的大数据云平台,实现风机及风场智能化管理目标。智能制造是未来中国制造业发展的重要方向。智能制造也给风电场带来了颠覆性变化。风电机组的智能化将是重要发展趋势,而风机的智能化发展必须在传统制造工艺过关的基础上,充分融合互联网技术创新。运用大数据、云计算等新一代信息技术,最终实现远程风机的后台监控和全生命周期管理,确保风机运行状态最优化。在精细化管理的基础上,运用大数据、云计算等新一代信息技术实现协同控制是未来智慧风电场解决方案的升级方向。