无人工厂技术探究

李泉瑶

关键词：无人工厂、自动化、人工智能、物联网

1、无人工厂概述

无人工厂即是自动化工厂，是指全部生产活动由电子计算机进行控制，生产由机器人完成而无需配备工人的工厂。18世纪后期以来，瓦特制成的改良型蒸汽机的投入使用，使人们见识到了机器可以永不疲倦地替代人力、畜力的强大力量，生产方式由传统的手工劳动转向机械化手工劳动进而转向机器生产，能够建成无人工厂的基本条件初步形成。19世纪末，内燃机和电力的广泛使用，使得连续做功平稳的高效机器不断普及，生产力得到了一次飞跃。20世纪四五十年代以来微电子技术的发明和应用，以及计算机的普及，使得较高水平的自动化得以实现。

第二次世界大战结束不久，硬件数控系统的数控机床被应用到工业生产中。世界上第一个生产发动机的自动工厂就在这一时期建成，真正实现了机械制造的自动化。自20世纪六七十年代以来，在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现了。组合机床可以克服一般机床和专业机床的诸多缺陷。同时，软件数控系统出现并用于机床。进入21世纪以后，各种新兴的技术被广泛应用，更是让生产的整体效益得到最大程度的保障，大大促进了无人工厂的发展。信息化水平的提升让各个要素得以优化重组。工厂生产的产品可以直接与市场对接，对于产品的纯度和精确度可以有更好的把控；对工厂的管理可以更加科学；在安全方面，包括工人安全和机器设备安全也有保障。人工智能技术使得机器设备对于数据处理的能力飞速提高，生产设备的自动化水平大大提升；机器设备可以进行更高级的处理与加工，例如对于图像信息更全面的分析；还可以通过模仿与学习对人类的思维和创造进行补充、改变和发展。计算机大规模集成技术的发展，使得机械加工制造、仓储管理、市场分析以及生产原料的控制等得以通过计算机的连接实现信息互通，进而达到高度综合。近些年来人工智能技术的兴起，为无人工厂提供了更为明确的技术支持，神经网络技术可以帮助建立复杂的生产模型，专家系统可以高效地对故障进行排除，机器学习更是直接参与到智能化生产中去，就目前趋势而言，无人工厂在人工智能的支持下将会获得更大发展。

2、无人工厂相关技术

2.1.人工智能技术

人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。

人工智能技术是当今时代的科技大趋势，其智能化工厂的“无人化”大致相似，都是希望机器更好地替代人进行劳动。工厂生产主过程示意图见图一：

现阶段人们的研究重点在于生产加工的无人化上，这主要依靠智能机器人和现代化加工中心来实现。但是对于无人工厂的实现来说，最主要的难点不是生产，而是各个过程之间的交接，交接对于信息的处理能力和具体机器的操作都提出了非常高的要求，这正是当前人工智能技术所研究的重点。神经网络可以建立复杂的个性化的需求模型，专家系统可以有效地解决故障排除的问题，机器学习可以直接参与到生产过程中去，另外视觉图像处理及自然语言的运用将会有效地解决现阶段交接难以智能化的问题。总之人工智能技术将会为无人工厂带来革新。

2.2.数控机床及机器人技术

如上图所示，工厂中最重要的还是生产加工，自工业革命以来。自动化机械逐渐取代了手工加工，现阶段已经实现了较为智能化的机床加工，对于无人工厂的构建来说，这点是基础也是保障。现代化机床的特点是数字控制化、智能化，例如高精度的加工中心，现代化的多轴机床等。随着计算机信息化的发展，计算机辅助制造已经取得了很高的智能化，近些年甚至已经出现了成熟的3D金属打印技术，这些都为工厂生产的无人化提供了帮助。无人工厂将利用计算机对生产过程进行一套完整流程的控制，从设计到分析制造再到调配装配，整个过程不需要人力操作，具体实现上面，会用到现代化的智能工业机器人。

工业机器人是应用在工业制造生产中的智能化机器装置，它可以按照预先编排的程序运行，实现控制自身的功能。为了提高其加工产品的质量，很多机器人都应用了机器视觉技术，这项技术的成熟与否直接影响到整个机器人的数据输入能力。照明系统可以采用可见光或不可见光照射的方法来保持光能的稳定，还可以在外光源稳定时加以依赖，在外光源不稳定时还可以通过各种防护装置来排除干扰。部分机器人还有动力系统，以实现在机床或生产线之间的来回往返，如果进行精细化的考虑，还要将考虑在内，使用高性能伺服驱动器来控制伺服电机，以达到对工业机器人运动的控制，同时还需要通过对机器人最大速度、加速度等的计算来进一步对其进行轨迹规划。许多类型的机器人都有堪比人类的灵活“关节”，可以进行精细化的操作。在更换机器结构的末端以后，大多都还可以进行其他类型的操作，摆脱了特定机器生产单一产品的模式，也大大降低了生产成本。

2.3.物联网技术及智能仓储系统

物联网实际上就是借助于计算机，实现物与物之间信息交换的网络。物联网可以将各种末端的设备和设施，通过网络实现互联互通，从而实现智能控制。在工业生产中可以将生产所需的原料、运输用的叉车和生产用的机床以及机器人等联系起来。物联网技术可以让各个生产要素之间联系更为紧密，使信息互通更为有效，有利于生产效率的提高。它在生产中的作用也不仅仅局限于加工制造，更可以在服务、商品流通等方面有所贡献：可以将工厂之内的加工制造和工厂之外的服务联系在一起。因而该技术对生产方式的智能化有极大的推动作用，也成为了建成无人工厂的重要依托。

现在自动仓储系统大多采用系统化、模块化设计，设备具有高速度、高可靠性和高效率的特点。同时大量采用扫描和射频数据通信技术，以便提高信息传输速度，在叉车运输时进行及时的调整与校正。在进行存货和取货等环节十分准确而迅速。由平面仓库转向立体仓库，更是极大地增加了仓库的储存空间。自动仓储系统的自动化程度较传统仓库更高，更可以根据生产来调整仓库的储存方式，与工业生产密切结合。

3、无人工厂带来的问题与革新

无人工厂虽然极具诱惑力，但是它的出现也附带着一些问题，主要体现在它对当今社会经济形势的革命性改变，进而它还会影响到整个社会的结构。首先体现在失业问题、经济权利的模糊性以及社会理论的变化上。无人工厂的快速建成使得新的一波失业浪潮正在悄然临近，大量的人类的工作岗位正在被机器人所取代。现在半自动化的工厂正在快速地更替智能化机器，这极大地压迫了工人的生存环境，由此暴露出的社会不稳定因素十分明显，如何平稳地度过这一阶段并妥善解决它是我们必须面对的问题。另一方面大企业家们占据着生产机器并且控制着市场走向，进一步加剧了社会矛盾，贫富差距的增大加剧了社会不稳定因素，长期的不等价交换使得超额的剩余价值被上层阶级掌握。这是无人工厂直接带来的问题。

无人工厂除了带来上述负面的影响之外，它对社会的革新总体上来说还是好的，正如我们在马克思理论中学习到的那样，大量机器替代人进行重复复杂的生产劳动，可以进一步解放人类。届时人类无需再消耗大量的时间于生产劳动上，这会进一步推动社会主义的发展。

4、无人工厂的发展趋势和前景

无人工厂近些年来已经获得了较大发展，尤其是多轴机床、加工中心的应用以及智能机器人的使用为无人工厂奠定了基础，现阶段对于一般化的工厂还无法实现全面的无人化，而只能实现较高程度的自动化，部分人力还是不可替代的。随着电子商务的兴起，仓储技术和运输技术得到了极大发展，新型智能化仓储技术已实现了很高程度的自动化，这些都为未来真正无人工厂的实现打下了基础。就具体发展来说，工业机器人智能化程度相比之前已经有了质的提高，但还没有达到无人化的地步，这主要体现在一些交接工作上。另外，原材料的接收到生产之间，生产后的装配、装配后的运输摆放等工作至今还没有较好的解决办法，现在唯有期待人工智能技术能为其带来有效的方法。

就其前景而言，无人工厂的发展是非常光明的。首先从目的上来说，这是现在科技发展的一个主要目的，无人化是集体所期待的技术，不仅是工厂，驾驶、家居控制等许多工作都在无人化。其次从效果上来说，无人工厂的实现可以解决大部分的劳动问题，届时人们只需要在部分服务业内工作即可满足正常的社会运作，这对于在工作中焦虑的现代人来说极具吸引力，对于整个人类发展来说也大有益处。在技术上，无人工厂将依托人工智能技术向真正的无人化发展，届时人们将真正获得工业劳动的解放。

参考文献：

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