摘要：目前国际军备竞赛日益加剧，各国对武器装备的数量和质量要求越来越高。国防工业作为军备竞赛的后盾，面临的压力亦持续增大。人工智能技术的发展为国防工业带来了变革的动力，智能工厂等新概念体现出未来的国防制造趋势。目前智能制造的个别组成部分已经存在且具备应用能力，但其整体应用尚未完全实现。本文将首先概述智能制造相关的理论，然后详细分析2个智能工厂的实例，分别是莱茵金属公司“移动智能工厂”和BAE系统公司“未来工厂”。
关键词：智能工厂，人工智能，软件工厂，智能制造，国防制造
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智能制造系统概述
智能制造是一种利用数字化服务、自动化和机器学习的协同效应，以实现更高效业务运营的生产系统。智能制造的传统理念是在生产环境中实现更低成本、更高效率、更好质量和更强灵活性/响应能力。一些关键技术，如协作机器人、增材制造和先进的数控机床，构成了智能工厂的物理基础。
在最理想的情况下，工厂将实现完全自动化，几乎不需要人工协助。订单将通过云端接收和分发，由计算机算法进行管理和资源分配，生产则由自动化系统完成。从设计到交付的所有产品数据，包括制造参数和质量评估，都将以数字方式实时存储和跟踪。实时生产数据将通过物联网设备构成的传感器网络进行采集。
智能制造系统还可基于自身运行情况进行反馈，跟踪质量指标，优化加工参数（如工作流程），找出效率低下的根源，并最大限度地减少缺陷。下图为智能制造系统示意图。
图1. 智能制造系统示意图（图片来源于网络，如有侵权请联系删除）
人工智能在国防制造领域的应用潜力
国防制造业通过研发现代化武器系统为国家安全做出了重大贡献。随着技术的进步，特别是人工智能的飞速发展，国防制造业正步入新的转型阶段。人工智能在国防制造领域的应用有望通过提高自动化程度、提升效率、增强精度和降低成本等方式，彻底改变国防生产模式。国防生产机构可以通过将人工智能引入制造流程的各个环节，包括设计、生产、质量控制和维护，来优化生产线，消除人为错误，并满足现代国防事业对武器装备日益增长的需求。
具体而言，人工智能技术在国防制造中的应用可分为5个方面，分别是自动化制造流程、预测性维护与分析、供应链管理、质量控制与检验、加速研发。
1.自动化制造流程
传统制造流程依赖人工操作，但人工操作在精确度、速度、耐力和适应性方面存在固有局限，从而导致失误、效率低下等问题。人工智能技术在国防制造流程中的应用能够解决人工操作的局限性。由机器学习技术指导的自主系统，能够以极高精确度完成复杂的操作，从而减少失误，提高效率。
2.预测性维护与分析
国防生产中传统维护途径或依赖于定期干预，或为被动故障响应，前者可能导致资源浪费，后者可能导致效率降低。人工智能驱动的分析能够提供关于设备性能模式的分析，通过分析历史数据来发现运行模式，提前制定精准的维护计划，从而提高工作效率。
3.供应链管理
传统供应链管理依赖于人工数据分析和历史模型，这常常导致库存不足、采购延迟、难以快速响应不断变化的生产需求等问题。人工智能通过预测分析进行供应链管理。机器学习算法分析大型数据集，并考虑历史需求、市场趋势和生产计划等因素，这使得需求预测更加精准，从而降低了库存不足或过剩的风险。
4.质量控制与检验
依赖人工检验的传统质量控制方法极易受到人为疏忽的影响，难以准确识别瑕疵，导致产品质量参差不齐。由人工智能驱动的图像识别和机器学习算法可作为质量控制的基础，其在检测故障、异常或规格偏离方面提供了极高的精准度。
5.加速研发
传统的国防生产研发周期以耗时费力的流程为特征，且往往受限于人力和传统测试技术。人工智能驱动的分析和模拟是加速研发的基石。机器学习模型在分析大型数据集、模拟多种情境以及预测未来结果方面拥有速度与精度优势，这使得国防制造商能够迅速探索各种方案，加快原型开发流程，并缩短创新技术落地所需的时间。
莱茵金属公司“移动智能工厂”
2023年，在欧洲防务局举办的一次活动中，总部位于德国的莱茵金属陆地系统有限公司（Rheinmetall Landsysteme GmbH，以下简称莱茵金属公司）宣布推出一项用于军用车辆零部件生产的移动解决方案，即“移动智能工厂”（Mobile Smart Factory）。该工厂基于集装箱打造，集聚合物、金属增材制造和后处理功能于一体，可生产最大直径为500毫米、最大高度为450毫米的金属零部件，和最大尺寸为300mm x 200mm x 270mm的聚合物零部件，金属沉积速率高达600立方米/小时。
图2. “移动智能工厂”（图片来源于莱茵金属公司网站，如有侵权请联系删除）
1.硬件
硬件方面，“移动智能工厂”由2个6米长的移动式集装箱组成，一个用于生产，一个用于办公。用于办公的集装箱内设有工作站、材料仓库，以及一台聚合物增材制造打印设备和用于质量控制的手持式扫描仪。用于生产的集装箱配备了一台Metrom P700六轴混合型机床，该机床结合了电弧增材制造技术和集成式数控铣削功能。这使得现场精加工和后处理成为可能，为战损修复人员提供了更多修复和翻新的选择。
2.软件
软件方面，“移动智能工厂”已与莱茵金属公司的集成信息系统（IRIS）数字生态系统连接。IRIS系统基于云技术构建，既可以部署在莱茵金属公司内部平台，亦可部署在客户网络中由莱茵金属公司提供的平台上。IRIS系统支持IRIS work和IRIS fleet软件应用程序与“移动智能工厂”协同运行。IRIS work使操作人员和维护人员能够访问技术文档和零部件目录；IRIS fleet则是一款车队管理工具，用于记录特定增材制造零部件在特定车辆上的安装情况。
图3. IRIS套件组成部分（图片来源于莱茵金属公司网站，如有侵权请联系删除）
据悉，IRIS fleet还可供用户管理和维护其军用车辆车队的全生命周期数据，包括维护数据、配置数据、可用性数据和现场数据等；并提供相关分析，例如平均故障间隔时间、零部件消耗量、使用情况等。IRIS fleet是状态监测、基于状态的维护和预测性维护的基础，由人工智能提供技术支持。
图4. IRIS fleet相关页面（图片来源于莱茵金属公司网站，如有侵权请联系删除）
莱茵金属公司的“移动智能工厂”是对国防工业传统制造流程的一种变革，可在一定程度上提高军事行动中备件供应的效率和灵活性。此外，鉴于其与IRIS数字生态系统的集成，该工厂实现了移动备件生产与全面数据采集之间的无缝连接，有助于高效、及时地修复战斗损伤，从而提高军队战备水平，并改善战时作战区域的后勤保障问题。
BAE系统公司“未来工厂”
2020年，英国BAE系统公司（BAE Systems）宣布了其“未来工厂”（Factory of the Future）的存在。该工厂位于英国兰开夏郡沃顿，将采用机器人技术与其他先进技术（灯光拣选技术、3D打印技术、虚拟现实和增强现实技术），通过物联网连接各组成部分，使生产线能够更快地适应变化。
“未来工厂”的关键在于人机协作，即探索如何实现人与机器人的无缝协作。一旦该问题得到解决，机器人将能够承担繁重的体力劳动，并能快速在不同工序间切换而无需重新装配。操作人员则能够专注于需要更高技能和更具战略性的任务，管理人员则在完全数字化的虚拟办公室中监督运营。
该工厂一旦建成，将首先用于研发和制造英国“暴风雨”（Tempest）战斗机。相较于传统工厂，“未来工厂”可能使“暴风雨”战斗机的交付成本降低一半，交付时间缩短一半。
图5. “未来工厂”局部示意图（图片来源于BAE系统公司网站，如有侵权请联系删除）
1.机器人改进
据悉，现代飞机设计所需的精度较高，对机器人动作的精细化要求非常高，而当时已有的机器人精度无法满足需求。因此为了使“未来工厂”能够投入使用，BAE系统公司与谢菲尔德大学先进制造研究中心（AMRC）合作开发了一款协作机器人工作站。该工作站已开发的技术包括操作员识别设备和传感器辅助机械臂。该协作机器人工作站的主要功能包括：
识别操作员：利用无线传感器识别每位操作员，并据此调整其工作体验。
数字培训凭证：记录每位操作员的专业水平、培训历史和用户权限。
协作机械臂：配备传感器，能够在复杂的装配任务中安全地与操作员互动。
光辅助装配：在制造过程中，利用光辅助或光拣选技术提示用户选择正确的组件或耗材。
图6. 协作机器人工作站操作员识别设备（图片来源于BAE系统公司网站，如有侵权请联系删除）
图7. 协作机器人工作站机械臂（图片来源于BAE系统公司网站，如有侵权请联系删除）
为了提高机器人的精度，BAE系统公司还与真实定位机器人（True Position Robotics，TPR）公司合作，引进其机器人导引技术，即“自适应机器人控制”解决方案。“自适应机器人控制”在有专利保护的计量技术赋能下，融合了机器学习，在执行过程中会考虑机器人的顺应性，从而确保生产线能够产生准确且可重复的输出。
此外，由英国RARUK自动化（RARUK Automation）公司提供的多台MiR自主移动机器人则在“未来工厂”中承担核心物流功能。该机器人是更广泛的物流解决方案的一部分，负责拣选和放置物品，另外的组成部分包括一个垂直存储旋转架和一个智能安全系统。这一广泛的物流解决方案适用于货物从运抵工厂到具体使用过程中的转移和存储。
2.智能工作站
目前“未来工厂”的其他建设也已取得部分成果，例如由BAE系统公司和费尔菲尔德控制系统公司（Fairfield Control Systems）合作开发的智能工作站，目前已应用于“台风”战斗机零部件的生产。该工作站融合了多种工业4.0技术和系统，旨在辅助操作员应对各种复杂、安全要求严苛的生产环境，其相关功能特征包括：
安全系统集成：能够从众多商业系统中提取各种关键信息，因此能够融入现有运营环境。
动态操作指导：操作员可通过交互式PDF、视频内容和3D模型进行系统操作培训。
增强现实：利用光学投影、激光投影、移动平板电脑和增强现实头戴设备，在操作过程中为操作员提供精准的关键信息。
智能工具兼容性：所有工具集成到智能工作站，并提供使用指南，开放式架构使用户能够自由选择工具。
智能管理：实时数据仪表板可为操作员进行远程管理提供信息。
图8. 智能工作站示意图（图片来源于BAE系统公司网站，如有侵权请联系删除）
3.软件应用程序
总部位于美国马萨诸塞州波士顿的软件公司PTC的两款软件：Thingworx和Kepware将用于管理BAE系统公司“未来工厂”内的物资供应、生产流程和维护活动。这些平台能够连接、访问和控制来自工厂内不同机器人、机器和智能工作站的工业数据。这种强大的数据控制能力使操作人员能够创建和查看实时数据界面，从而支持工作流程规划和实时决策。
其中，Thingworx是一个工业物联网和人工智能平台，具有5项功能：一是连接，即访问产品、人员等多个数据源的能力，实现数据连接；二是构建，即使用预构建工具和应用程序，扩展工业物联网解决方案；三是分析，即从复杂的工业物联网数据中提取实时洞察，主动优化运营；四是管理，即将资产和系统连接到中央工业物联网进行集中式设备管理；五是处理，即利用物联网数据可视化工具实现数据筛选和上下文关联，将正确的数据推送给正确的人。
Kepware是一系列工业连接解决方案，可将各种不同的传统运营设备与软件应用程序连接起来。其采用可扩展的统一架构，可在单个服务器上灵活组合驱动程序并使用多种协议，同时提供简化的界面，方便用户大规模地进行远程可视化操作和连接配置。
此外，德国西门子公司（Siemens）的数字化工业软件Xcelerator将为BAE系统公司的“未来工厂”计划开发数字化制造的新方法。Xcelerator是一个包含物联网硬件和软件的产品组合，通过数字孪生技术将虚拟世界与现实世界结合起来。通过Xcelerator，西门子公司在BAE系统公司“未来工厂”部署了NX产品工程软件和Teamcenter产品生命周期管理（PLM）软件，以提升BAE系统公司“未来工厂”在设计和制造领域的各项能力。NX产品工程软件由两个部分组成，一是CAD产品设计，二是CAM产品制造。
总而言之，“未来工厂”是一项体系庞大的工程，拥有从机器人辅助装配到人机协作智能工作站等各种设施。BAE系统公司将与40多家企业和学术机构合作，打造英国首个完全互联的数字化工厂，以展示未来军用飞机的创新制造方式。目前尚无关于该工厂是否全面建成的消息，但其各项组成能力均对现代化智能制造有益，因此能够在一定程度上推动国防制造向智能化发展。