智能材料及其产业化应用前景

第一篇：智能材料及其产业化应用前景

智能材料及其产业化应用前景

智能材料是一类能感知外部环境变化并通过改变自身材料性能而对变化做出响应的自适应系统。不同于以往的传统材料，它可以模仿生命系统，具有传感、处理和响应功能，它能根据环境条件的变化程度实现非线性响应已达到最佳适应效果。智能材料是继天然材料、合成高分子材料与人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术材料发展的一个重要方向，它将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料与结构材料间的界限逐渐消失，从而实现结构功能化、功能多样化。

中科院先进制造技术研究所智能材料实验立足研究和开发具有减振降噪，传感驱动等特性的新型智能材料和结构，并根据应用需求，将研究成果转化成产品。实验室将从智能流体，电/磁可控弹性体，减振降噪，制动传感等关键技术方面取得突破口，以新型材料特性的研究和实用型多功能阻尼器，传感器和制动器的开发为重点，切合先进技术制造所机器人和智能装备学科方向的发展，开发多种适用于市场需求的新一代智能器件。正在研发的磁敏材料是一种力学性能可由磁场控制的新型功能材料。由于其具有响应快、可逆性好、以及通过调节磁场大小可控制材料的力学性能连续变化等特点，因而近年来在建筑、汽车、振动控制等领域都得到了广泛应用。智能材料的应用主要在结构控制、振动减噪和驱动传感诸方面，产业化需求市场非常广泛。主要应用领域有：

汽车/交通：智能悬挂系统，刹车器，离合器； 桥梁/公路：智能桥墩支撑系统，健康监测； 机器人：柔性关节，人工肌肉，皮肤传感器； 传感器：压力传感器，触觉传感器；

噪声处理：高效低频隔振器件、隔振基础等各类隔振系统，控制室内噪声。典型服务案例：

1、车辆智能悬挂和防侧翻系统

问题：不同路况（振动）情况下汽车阻尼系统的响应及大货车的弯道翻滚

解决方案：利用磁流变液在磁场激励下的粘性可调特性，应对不同的路况，调节激励磁场的强度（即调节电流），改变阻尼系数，从而获得较好的响应，增强汽车的舒适度和安全性。同时使用电子传感器、电子控制电路和先进的可控车辆悬架部件的组合，开发合适的车辆稳定性控制系统。技术优势：可调范围大，控制简单。

市场前景：世界三大的汽车制造商一直在做大量的研究开发运动型多用途车（SUV）的侧翻防护系统。然而，目前已有的SUV翻车防护系统的组件无法适用于军事和商用卡车的用途。主要SUV使用防抱死制动系统（ABS）是利用液压制动力以防止翻车。大多数的军用车辆和大型货车利用空气制动无法支持这种类型的ABS功能。我们设计的防翻滚系统将不依赖于动力制动，利用磁流变（MR）流体智能减振器以及传感和控制系统，从根本上消除翻转。智能悬挂和防侧翻系统防在军用和民用大货车的应用上存在很可观的市场份额。大货车尤其是军用车辆造成大量受伤和死亡的翻车事故。据底特律新闻局报道美国每年货车和军车侧翻事故导致2.23亿美元的财产损失。主要原因是一些军用车辆在安全功能上更新往往落后于民用车辆５、６年。通常军用车辆和大型货车事故造成的财产损失数额巨大，由于其有较大的尺寸，有时有非常昂贵的货物。与其他形式的汽车碰撞相比，大货车的翻车事故往往更加致命，造成危害也更大。

因而，大货车侧翻防护系统具有可观的市场份额。中国每年卡车销售３５０万左右。如果以７000元的保守价格出售一辆卡车侧翻防护系统。在中国获取防侧翻系统市场的1％，可能会产生高达２４０多亿元的销售额。

2、智能桥墩支撑系统

问题：突发冲击载荷（台风，过载，爆炸等）下桥梁系统的响应

解决方案：在遇到突发冲击载荷时，通过施加一定强度的磁场，改变支撑系统的刚度和阻尼系数，增加其抗冲击的能力，迅速吸收冲击载荷的能量，为桥梁系统提供保护。并且根据磁流变弹性体的压阻特性，可以将其作为传感器使用，实时监控桥梁系统的健康状况。（注：衡水中铁建已对该项成果表达合作开发的意向）技术优势：自传感，自适应。

3、吸声降噪

问题：传统泡沫材料在被动吸声减振方面有着广泛的应用，但存在低频失效、吸振频域较窄等局限性，对振动频域的智能感知是实现广谱吸收的难点。

解决方案：多功能智能磁性泡沫聚合物的研发为解决这一问题提供了新的思路。智能磁性泡沫聚合物具有力学性能、物理结构可

调控性，通过微孔隙构造与宏观拓扑形态在磁场下发生耦合作用，实现对声波的宽频域主动控制。技术优势：可调控，吸声频谱宽

Controllable and Adaptable Lateral Support System The goal of this project was to develop a lateral support system(LLS)that is remotely operable, maintains launcher alignment, protects the launcher and payload from shock and vibration inputs while it is stowed within a missile tube environment, and is able to actively adjust to and react to dynamic shock and vibration events.An electromechanically actuated linear toggle mechanism with a magnetorheological grease(MRG)damper and elastomeric pad were utilized to provide self–aligning and controllable energy absorption capabilities.A Compressible Magneto-Rheological Fluid Spring-Damper Device The goal of this project was to develop a novel Compressible Magnetorheological(CMR)fluid springless strut for US Army tracked vehicles.The developed prototype is capable of providing a controllable vibration damping and liquid spring characteristics in one single device.The full-scale CMR strut and control system were successfully tested under operational and non-operational environmental conditions.Vertical Support Group Controllable Shock Absorber

The goal for this project was to develop a magnetorheological elastomer(MRE)based adaptable, flexible, and rapidly reconfigurable controllable shock absorber system to vertically support payloads within the same size and weight envelope on current and future submarines.An MRE-VSG controllable shock absorber and control system was developed to demonstrate component form, fit, and functionality with subscale prototype and system operability with various candidate payloads.US Patent 8,820,492 B1 was granted for this technology.

第二篇：智能交通行业应用前景

上海, 2009年7月21日-中国的智能交通系统的研发最早可以追溯到20世纪80年代对于公路收费系统的研发。此后，1999年，由科技部、交通部等多个部门组建了国家智能交通系统工程技术研究中心，开始对智能交通系统进行重点的科技研发。“十一五”期间，交通部规划司专门制定了《公路水路交通信息化“十一五”发展规划》，指出，我国交通运输行业需要提高运行效率，改善服务质量，应对重大突发事件，提供全方位的交通信息服务，力争在交通信息化领域取得新的突破。交通领域的信息化已经作为交通行业的重点发展方向之

一。《信息产业科技发展“十一五”规划和2020年中长期规划纲要》中也把智能交通系统作为交通领域优先发展的产业之一。

智能交通系统建设在中国开展的时间较短，目前仍处于起步阶段。2008年，中国公路智能交通市场规模超过220亿，预计未来5年仍将以超过25%的年增长率高速增长。从区域发展情况来看，北京、上海、广州等东部沿海和经济发达城市的智能交通建设已经初具规模，而中西部地区的智能交通系统主要还集中在高速公路收费系统，城市内部的智能交通系统有待于继续建设和完善。

智能交通产业的发展速度和方向与交通设施的建设情况密切相关。公路和城市路网的新建、改建、优化都将带动智能交通领域投资的增加。据交通运输部统计数据显示，2008年，全国交通固定资产投资8335.42亿元，同比增长7.2%，比2007年增速提高1.9个百分点。其中，公路建设投资 6880.64亿元，同比增长6.0%，增速加快

1.9个百分点。截至2008年底，全国公路总里程达373.02万公里，比上年末增加14.64万公里。

全球著名增长咨询公司Frost & Sullivan（弗若斯特沙利文）预计2009至2010年，交通固定资产投资将持续增加，达到10000亿以上的规模。未来5年交通固定资产投资还将继续保持稳定增长。

智能交通产业范围广泛，公路、水运、航运、轨道交通等网络的高效运行，都需要相关功能的系统进行支持。本文主要关注的公路智能交通系统主要应用于：省际公路交通管理、城市道路交通管理、城市公共交通管理等领域。

省际公路交通管理

省际公路交通管理主要包括：国道、省道等城市之间的公路管理和高速公路管理系统。目前主要应用的系统为收费管理系统。在国家科技支撑计划的“国家高速公路联网不停车收费和服务系统（ETC）”的实施过程中，国家已经出台了相关技术标准。目前该标准已经受到美、日等国际企业的认同。不久的未来，ETC系统将在区域甚至全国进行联网。目前，该项目的示范工程已经着手在长三角和京津冀等区域进行建设。

城市道路交通管理

城市道路交通管理系统是智能交通系统中重要的组成部分。城市交通需要涉及到城市中交通管理、建设、公安等多个部门的协作，因此需要建设高效便捷的信息共享平台。交通管理平台也将作为目前很多城市正在建设的应急联动系统的一部分，在城市突发事件的应急指挥中起到相应的作用。

城市道路管理系统中还包括信号灯控制系统、路况指示系统、车牌识别系统、道路视频监控系统等。信号灯控制系统和路况指示牌主要帮助管理部门和车辆更了解所处的路况条件，以便进行最合理的道路管理和道路选择，提高道路运输的效率。车牌识别系统和道路视频监控系统除提高道路运输效率外，还对城市治安监控起到一定的作用。道路视频监控系统是以上系统中只用最为广泛的系统，在众多城市的“平安城市”建设中，道路视频监控已经被纳入建设范围。城市公共交通管理

城市智能公交系统是主要针对城市内部公共交通的指挥、管理、调度、应急等方面智能系统。城市智能公交系统主要实现对城市公共交通线路、车站、车辆的全面监控。通过各种辅助设备预知并合理调度公交资源，优化公交系统。此外，智能公交系统还可以与道路交通管理系统进行协作，实现既定的城市交通策略。比如，北京奥运期间通过GPS对公交车定位，和信号灯遥控系统协作，实施“公交优先”的交通策略。

智能交通系统在中国的发展尚不完善，未来还有众多领域有待于开发，市场前景广阔，在较长一段时间内都将继续呈现高速增长的态势。

第三篇：陶瓷材料应用及其前景（范文模版）

陶瓷材料应用及其前景

摘要：根据陶瓷材料的不同特性及用途对其进行了较为准确的分类，并对各类陶瓷的应用进行了概述。通过对各类陶瓷特性及应用领域的总结，对陶瓷材料未来的发展作出了新的展望，揭示了陶瓷材料的应用方向及发展趋势。一.陶瓷的分类及性质 1.1氧化物陶瓷 1.2非氧化物陶瓷 1.3纳米陶瓷 1.4陶瓷基复合材料 1.5电子陶瓷 1.6热、光学功能陶瓷 1.7生物、抗菌陶瓷和多孔陶瓷 二.陶瓷的生产 三.陶瓷材料的性能特点 四.陶瓷材料的发展趋势和前景 五.结 束 语 六.参考文献

一.陶瓷的分类及性质

陶瓷材料优异的特性在于高强度、高硬度、高的弹性模量、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗震性、高导热性能、低膨胀系数、质轻等特点，因而在很多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料所不可胜任的的场合，如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、陶瓷基复合材料。

1.1氧化物陶瓷

氧化物陶瓷主要包括氧化镁陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、、氧化锆陶瓷、氧化锡陶瓷、二氧化硅陶瓷、莫来石陶瓷，氧化物陶瓷最突出的优点是不存在氧化问题。

氧化铝陶瓷，利用其机械强度较高，绝缘电阻较大的性能，可用作真空器件、装置瓷、厚膜和薄膜电路基板、可控硅和固体电路外壳、火花塞绝缘体等。利用其强度和硬度较大的性能，可用作磨料磨具、纺织瓷件、刀具等。

氧化镁陶瓷具有良好的电绝缘性，属于弱碱性物质，几乎不被碱性物质侵蚀，对碱性金属熔渣有较强的抗侵蚀能力。不少金属如铁、镍、铀、釷、钼、镁、铜、铂等都不与氧化镁作用。因此，氧化镁陶瓷可用作熔炼金属的坩埚，浇注金属的模子，高温热电偶的保护管，以及高温炉的炉衬材料等。

氧化铍陶瓷具有与金属相似的良好的导热系数，约为209.34W/（m.k），可用来做散热器件；氧化铍陶瓷还具有良好的核性能，对中子减速能力强，可用作原子反应堆的减速剂和防辐射材料；另外，利用它的高温比体积电阻较大的性质，可用来做高温绝缘材料；利用它的耐碱性，可以用来作冶炼稀有金属和高纯金属铍、铂、钒的坩埚。

1.2非氧化物陶瓷

非氧化物陶瓷包括碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷等。非氧化物陶瓷不同于氧化物陶瓷，在自然界中存在的很少，需要人工来合成原料，然后再按陶瓷工艺制成成品。氮化物、碳化物、硫化物的标准生成自由焓一般都大于相应氧化物，说明生成的氧化物更为稳定。所以，在原料的合成和陶瓷烧结时，易生成氧化物。氧化物原子间的化学键主要是离子键，非氧化物之间一般是键性很强的共价键，因此，非氧化物陶瓷难熔、难烧结。

碳化硅陶瓷共价键性极强，在高温下仍保持高的键和强度，强度降低不明显，且膨胀系数小，耐蚀性优良，可作高温结构零部件。碳化硅陶瓷由于熔点高、硬度大主要用作超硬材料、工具材料、耐磨材料，以及高温结构材料；利用它导热系数高、膨胀系数低的特点，可作导热材料、发热材料等。碳化硅陶瓷主要应用于石油工业、化学工业、汽车、飞机、火箭、机械矿业、造纸工业、热处理、核工业、微电子工业、激光等行业。

氮化物陶瓷种类很多，它包括氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硼陶瓷、氮化钛陶瓷等。氮化硅陶瓷具有耐高温、耐磨性，在陶瓷发动机中用于燃气轮机的转子、锭子和涡形管；由于抗震性好、耐腐蚀、摩擦系数小、热膨胀系数小等特点，广泛应用于冶金和热加工工业中。

氮化铝陶瓷可作为熔融金属用坩埚、保护管、真空蒸度用容器，还可用作真空中蒸镀Au的容器、耐热转、耐热夹具等。电绝缘电阻高、优良的介电系数和低的介电损耗，机械性能好，耐腐蚀，透光性强，根据以上特性可用作高温构件、热交换材料、浇注模具材料以及非氧化电炉的炉衬材料等。

氮化硅陶瓷硬度高、熔点高、化学稳定性好且具金黄色金属光泽是一种较好的耐熔耐磨材料，代金装饰材料。在机械加工工业中，在刀具上涂TiN涂层，提高耐磨性。

1.3纳米陶瓷

纳米陶瓷又称纳米结构材料，纳米复合材料是21世纪的新材料。它的研究是从微米复合向纳米复合方向发展，纳米陶瓷材料不仅能在低温条件下象金属材料那样任意弯曲而不产生裂纹，而且能够象金属材料那样进行机械切削加工甚至可以做成陶瓷弹簧。纳米陶瓷可作防护材料、高温材料、人工器官的制造、临床应用、以碳化硅为吸收剂的吸收材料、以陶瓷粉末为吸收剂的吸收材料、以及压电性能的应用。它的应用领域为微包覆、超级过滤、吸附、除臭、触媒、固定氧、传感器、光学功能元件、电磁功能元件等。

1.4陶瓷基复合材料

复合材料是两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物质，以微观或宏观形式组合而成的材料。基于提高韧性的陶瓷基复合材料可分为两类：氧化锆相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。

1.5电子陶瓷

电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料及导电、超导陶瓷。根据电容器陶瓷的介电特性将其分为六类：高频温度补偿型介电陶瓷、高频温度稳定型介电陶瓷、低频高介电系数型介电陶瓷、半导体型介电陶瓷、叠层电容器陶瓷、微波介电陶瓷。其中微波介电陶瓷，具有高介电常数、低介电损耗、谐振频率系数小等特点，广泛应用于微波通信、移动通信、卫星通信、广播电视、雷达等领域。

1.6热、光学功能陶瓷

耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。其中，耐热陶瓷主要有Al2O3、ZrO2、MgO、SiC等，由于它们具有高温稳定性、可作为耐火材料应用到冶金行业及其他行业。隔热陶瓷具有很好的隔热效果，被广泛应用于各个领域。

陶瓷材料在光学方面包括吸收陶瓷、陶瓷光信号发生器和光导纤维，利用陶瓷光系数特性在生活中随处可见，如涂料、陶瓷釉。核工业中，利用含铅、钡等重离子陶瓷吸收和固定核辐射波在核废料处理方面广泛应用。

1.7生物、抗菌陶瓷和多孔陶瓷

生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，生物陶瓷除了用于测量、诊断、治疗外，主要是用于作生物硬质组织的代用品，可应用于骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科及普通外科等方面。

抗菌材料主要应用于家庭用品、家用电器、玩具及其他领域，家用电器是目前应用最广泛，使用量最大的行业之一。近几年来我国的抗菌材料行业发展很快，在无机抗菌剂、有机抗菌剂、光催化型抗菌剂的产业化及应用开发等领域迅速发展。

多孔陶瓷具有透光率高、比表面积大、低密度、低传导率、耐高温、耐腐蚀等优点被应用于汽车尾气处理，工业污水处理，熔融金属过滤，催化剂载体，隔热、隔音材料等。近几年，多孔陶瓷的应用扩展到了航空领域、电子领域、医用材料领域及生物领域等，已引起全球材料界的高度重视，并迅速发展。

二.陶瓷的生产

(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）

普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）

特种陶瓷（人工的化学或化工原料---各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结

三.陶瓷材料的性能特点

众所周知，金属材料(纯金或合金)的化学健大都是金属键，是由金属键和充满其间的电子云所组成，金属键没有方向性．因此金属有很好的塑性变形性能。而作为无视非金属化合物的陶瓷来讲，其化学定是高于健和共价键。这种化学性有很强的方向性和很高的结合能。因此，陶瓷材料很难产生塑性变形．脆性大，裂纹敏感性强。这就是陶瓷材料的致命弱点。但也正是由于它具有这种化学健类型，使结构陶瓷具有一系列比金属材料优异的特殊性能。①高硬度，决定了它具有优异的耐磨性； ②高焰点。决定了它具有杰出的耐热性；

③高化学稳定性．决定了它具有良好的耐蚀性。尽管陶瓷材料有如此优异的特殊性能．但由于其致命的缺点——脆性，因而限制了其特性的发挥和实际应用。因此，陶瓷的韧化使成为世界瞩目的陶瓷材料研究领域的核心课题。(1)硬度 是各类材料中最高的。（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度 是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢207000MN/m2)(3)强度 理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。（E/1000--E/100）。耐压（抗压强度高），抗弯（抗弯强度高），不耐拉（抗拉强度很低，比抗压强度低一个数量级）较高的高温强度。(4)塑性： 在室温几乎没有塑性。

(5)韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。

(6)热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料（λ=10-2～10-5w/m﹒K）(7)热稳定性—抗热振性（在不同温度范围波动时的寿命）急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低（比金属低的多，日用陶瓷220℃）

(8)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀（抗液体金属、酸、碱、盐）(9)导电性—大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体（NiO，Fe3O4等）(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低

四.陶瓷材料的发展趋势和前景 4.1纳米陶瓷材料

“纳米”(nm)是一个尺度的度量，1nm=0.000000001m,即10-9 m。纳米材料就是材料中至少有一相的晶粒尺寸小于100nm的材料。纳米陶瓷是纳米材料的一个分支，是指平均晶粒尺寸小于100nm的陶瓷材料。纳米陶瓷除了保持陶瓷耐磨损、耐腐蚀等优良性能外，还赋予陶瓷高的韧性，将彻底改变陶瓷为“易碎品”的形象。纳米陶瓷的烧结性能极佳，其烧结温度比普通陶瓷粉体的低几百度。不少纳米陶瓷已实现在1000℃以下致密化，而且有可能继续降低。低温烧结可以节省能源，有利于环境的净化，还可以用于陶瓷材料的连接，使陶瓷材料的物理化学性能甚至力学性能都保持一致。纳米陶瓷的显微硬度极高。纳米陶瓷在功能方面也有着重要的应用。如纳米氧化锌陶瓷的非线性伏安特性。

4.2.梯度材料

为适应同一时间内不同的使用环境，在同一材料内从不同方向上由一种功能逐步连续分布为另一种功能的材料称为梯度功能材料，简称梯度材料。

4.3.智能材料

同时具备自检查功能（传感器功能）、信息处理功能以及指令和执行功能的材料。它具有自诊断、自调节、自修复等功能。

4.4纳米材料的发展前景

近几十年来，陶瓷材料的应用及发展是非常迅速的，陶瓷材料作为继金属材料、高分子材料后最有潜力的发展材料之一，它在各方面的综合性能明显优于现在使用的金属材料和高分子材料。陶瓷材料的应用前景还是相当广阔的，尤其是能源、信息、空间技术和计算机技术的快速发展，更加拉动了具有特殊性能材料的应用。先进陶瓷材料的制备技术日新月异，世界科学技术的发展令人瞩目，展望未来，纳米陶瓷材料的发展已经取得惊人的成绩，有了重大突破。相信在不久的将来，陶瓷材料会有更好、更快的发展，展示出其重要的应用价值。

五.结 束 语 通过一个学期对新材料的学习，拓展了我的知识面，使我重新认识了不少东西，陶瓷材料的发展，超导材料的用途，高分子材料在各个方面的应用，纳米材料的好处与发展前景，合金的优越性，汽车材料应用前景、研究现状，还有我国材料学的发展状况。所以以后还得在平时的学习生活中多多了解一些有关材料的知识。

六.参考文献: 1.张里德、牟季美，纳米材料和纳米结构，北京：科学出版社2002 2.高濂，李尉，纳米陶瓷，北京：化学工艺出版社2002 3.李世谱，特种陶瓷工艺学，武汉：武汉理工大学出版社2007 4.郭卫红，汪济奎，现代功能材料及其应用，北京：化学工业出版社2002 5.刘维良，李佑华，先进陶瓷工艺学，武汉：武汉理工大学出版社2004

第四篇：智能制造现状与前景

智能制造的发展与前景展望

(南京航空航天大学机电学院，南京市，210016)摘要:简述了智能制造形成的原因及智能制造的概念；分析了智能制造国内外的发展现状；指出了智能制造的发展趋势及其面临的问题。

关键词：智能制造 人工智能 机械制造 工业4.0

The development and research of intelligent manufacturing

JiaYu Wang(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Aeronautics＆

Astronautics, Nanjing, 210016, China;)Abstract：This paper depicts the cause of formation and conception of IM.And presents status in the development on IM.Finally indication is given of the trend of development and question confronting IM.Key words:IM;AI;mechanical manufacture;Industrie 4.0

0 前言

智能制造装备是先进制造技术、信息技术以及人工智能技术在制造装备上的集成和深度融合，是实现高效、高品质、节能环保和安全可靠生产的下一代制造装备。在综述了智能制造装备国内外发展现状的基础上，重点论述了目前智能制造存在的问题，并得出结论，认为德国的”工业4.0”和美国的工业互联网装备将是智能制造装备未来的发展方向。

1研究背景

制造业是国民经济的基础工业部门，是决定国家发展水平的最基本因素之一。从机械制造业发展的历程来看，经历了由手工制作、泰勒化制造、高度自动化、柔性自动化和集成化制造、并行规划设计制造等阶段。就制造自动化而言，大体上每十年上一个台阶: 50-60年代是单机数控，70年代以后则是CNC机床及由它们组成的自动化岛，80年代出现了世界性的柔性自动化热潮。与此同时，出现了计算机集成制造，但与实用化相距甚远。随着计算机的问世与发展，机械制造大体沿两条路线发展:一是传统制造技术的发展，二是借助计算机和自动化科学的制造技术与系统的发展。80年代以来，传统制造技术得到了不同程度的发展，但存在着很多问题。近来年，人们对制造过程的自动化程度赋予了极大的研究热情，这是因为从1870年到1980年间，制造过程的效率提高了20倍，而生产管理效率只提高了1.8-2倍，产品设计的效率只提高了1.2倍，这表明体力劳动通过采用自动化技术得到了极大的解放，而脑力劳动的自动化程度（其实质是决策自动化程度）则很低，制造过程中人的因素尚未得到充分的认识，人尚未真正地从复杂的生产过程中解放出来，各种问题求解的最终决策在很大程度上仍依赖于人的智慧。因而，人类群体所面临的众多问题（包括社会问题、生理问题等）在制造过程中都有所反映。面对批量小、品种多、质量高、更新快的产品市场竞争要求以及各种社会因素的综合影响，制造过程的自动化程度的提高面临众多问题，譬如:（1）专家人才的短缺和转移致使一些专门技能不能及时或长久地得到提供；（2）现代制造过程中信息量大而繁杂，传统的信息处理方式已不能满足要求，大量的信息资源需要开发与共享；（3）制造环境柔性要求更大，决策过程更加复杂，决策时间要求更短；（4）制造过程的自动化程度受制于制造系统的自组织能力，即智能水平；（5）现代生产要求专家们在更大范围内进行更及时的合作，小到一个企业内部的各个生产环节，大至一个国家甚至世界范围内的工业界中的众多企业之间。各种迹象表明，“我们正处在制造历史上的一个危险时期”。幸运的是，计算机与计算机科学以及其它高技术的发展，通过集成制造技术、人工智能等而发展起来的一种新型制造工程—智能制造技术（intelligent manufacturing technology,IMT）与智能制造系统（intelligent manufacturing system,IMS）使我们有可能走出这个危机。这是因为，制造过程所面临的众多问题的核心是“制造智能”和制造技术的“智能化”。IMT是指在制造工业的各个环节以一种高度柔性与高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动；并对人类专家的制造智能进行收集、存贮、完善、共享、继承与发展。未来工业生产的基本特征应该是知识密集型，制造自动化的根本是决策自动化。

2发展现状

2.1国外研究现状：

目前，IMT&IMS的研究正迅速受到众多国家的政府、工业界和科学家们的广泛重视：

2.1.1美国

美国是国际智能制造思想的发源地之一，美国政府高度重视智能制造的发展，并且已经把它作为21世纪占领世界制造技术领先地位的基石。从上世纪90年代开始，美国国家科学基金（NSF）就着重资助有关智能制造的诸项研究，项目覆盖了智能制造的绝大部分，包括制造过程中的智能决策、基于多施主（multi-agent）的智能协作求解、智能并行设计、物流［］传输的智能自动化等1。2005年，美国国家标准与技术研究所（NIST）提出了“聪明加工系统（smart machining system,SMS）”研究计划。聪明加工系统的实质是智能化，该系统的主要目标和研究内容包括：（1）系统动态优化。即将相关工艺过程和设备知识加以集成后进行建模，进行系统的动态性能优化；（2）设备特征化。即开发特征化的测量方法、模型和标准，并在运行状态下对机床性能进行测量和通信；（3）下一代数控系统。即与STEP-NC兼容的接口和数据格式，使基于模型的机器控制能够无缝运行；（4）状态监控和可靠性。即开发测量、传感和分析方法；（5）在加工过程中直接测量刀具磨损和工件精度的方法。

2011年，美国总统奥巴马宣布实施包括工业机器人在内的”Advanced Manufacturing Partnership Plan”（先进制造联盟计划），立即得到同日发布的“实现 21世纪智能制造”新报告的积极响应。在这份由美国智能制造领导联盟（smart manufacturing leadership coalition,SMLC）公布的报告中，不但描绘了该领域未来的发展蓝图，而且确定了十大优先行动目标，意图通过采用21世纪的数字信息技术和自动化技术，加快对20世纪的工厂进行

［］现代化改造过程，以改变以往的制造方式，借此获得经济、效率和竞争力方面的多重效益2。

2.1.2 日本

日本于1990年首先提出为期10年的智能制造系统（IMS）的国际合作计划，并与美国、加拿大、澳大利亚、瑞士和欧洲自由贸易协定国在1991年开展了联合研究，其目的是为了克服柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）的局限性，把日本工厂和车间的专业技术与欧盟的精密工程技术、美国的系统技术充分地结合起来，开发出能使人和智能设备都不受生产操作和国界限制，且能彼此合作的高技术生产系统。2.1.3 欧盟

欧盟于2010年启动了第七框架计划（FP7）的制造云项目3，特别是制造业强国的德

［］国，继实施智能工厂（Smart factory）之后4，又启动了一个投入达2亿欧元的工业4.0（Industry ［］4.0）项目5。德国政府2010年制定的《高技术战略2020》计划行动中，意图以未来项目“工业4.0”奠定德国在关键工业技术上的国际领先地位，并在2013年4月举行的汉诺威工业博览会上正式将此计划推出。“工业4.0”概念最初是在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子

［］公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，目前其已上升为国家级战略6。

［］2.2 国内研究现状

国内在智能制造技术与系统方面的绝大多数研究工作，目前还处在探讨人工智能在制造领域中应用的阶段。几年来，开发出了众多类型、水平各异的面向制造过程中特定环节、特定间题的“智能化孤岛”，诸如专家系统、基于知识的系统和智能辅助系统等，而对制造环境的全面“智能化”研究工作还处于刚刚起步阶段。我国自 2009 年 5 月《装备制造业调整和振兴规划》出台以来，国家对智能制造装备产业的政策支持力度不断加大，2012年国家有关部委更集中出台了一系列规划和专项政策，使得我国智能制造装备产业的发展轮廓得到进一步地明晰。工业与信息化部发布了《高端装备制造业“十二五”发展规划》，同时发布了《智能制造装备产业“十二五”发展规划》子规划，明确提出到2020年将我国智能制造装备产业培育成为具有国际竞争力的先导产业。科学技术部也发布了《智能制造科技发展”十二五”专项规划》；国家发展改革委员会、财政部、工业与信息化部三部委组织实施了智能制造装备发展专项；工业与信息化部制定和发布了《智能制造装备产业“十二五”发展路线图》，该路线图明确把智能制造装备作为高端装备制造业的发展重点领域，以实现制造过程智能化为目标，以突破九大关键智能基础共性技术为支撑，其思路是：以推进八项智能测控装置与部件的研发和产业化为核心，以提升八类重大智能制造装备集成创新能力为重点，促进在国民经济六大重点领域的示范应用推广。问题与展望

3.1 存在问题

总的说来，目前IMS的研究仍处在人工智能在制造领域中应用的阶段，研究课题涉及到市场分析、产品设计、制造过程控制、材料处理、信息管理、设备维护等众多方面，取得了丰硕的成果，开发了种类繁多的面向特定领域的专家系统、基于知识的系统和智能辅助系统，甚至智能加工工作站（IMW），形成了一系列”智能化孤岛”（islands of intelligence）。这中间包括CIMS研究中所取得的有关进展。然而，随着研究与应用工作的深入，人们逐渐地认识到自动化程度的进一步提高依赖制造系统的自组织能力，研究工作还面临着一系列理论、技术和社会问题，、问题的核心是“智能化”。一般说来，现代工业生产作为一个有机的整体要受技术（包括生产系统）、人（包括间接影响生产过程的社会群体）和经济（包括市场竞争和社会竞争）三方面因素的制约。从技术的角度来看，对于一个企业来说，市场预测、生产决策、产品设计、原料订购与处理、制造加工、生产管理、原料产品的储运、产品销售、研究与发展等环节彼此相互影响，构成产品生产的全过程。该过程的自动化程度取决于各环节的集成自动化（integrated automation）水平，而生产系统的自组织能力取决于各环节的集成智能（integrated intelligence）水平。目前，尚缺乏这种“集成”制造智能的技术，这也是目前“并行工程”的研究重点。

3.2发展趋势 当前，智能制造的发展趋势以德国的”工业4.0”和美国的工业互联网装备最为清晰。

3.2.1 德国“工业4.0”

德国“工业 4.0”通过充分利用信息物理系统（CPS），实现由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，推动现有制造业向智能化方向转型。CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现制造装备系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同。德国电气电子和信息技术协会于2013年发布了德国首个“工业4.0”标准化路线图，以加强德国作为技术经济强国的核心竞争力，确保德国制造［］的未来7-8。“工业4.0”项目主要分为两大主题：（1）智能工厂。重点研究智能化生产系统及过。程，以及网络化分布式生产设施的实现（工业4.0智能工厂如图1所示）；

（2）智能生产。主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

图1 工业4.0智能工厂

3.2.2 美国工业互联网装备

2013年，美国通用电气公司（GE）发表了《工业互联网-打破智慧与机器的边界》报告［9］。该报告提出了工业互联网（Industrial Internet）的概念。工业化创造了无数的机器、设施和系统网络，而工业互联网则是指让这些机器和先进的传感器、控制和软件应用相连接，以提高制造业的生产效率、减少资源消耗。工业互联网装备将整合两大革命性转变的优势：（1）工业革命。伴随着工业革命，出现了无数台机器、设备、机组和工作站；（2）强大的网络革命；

（3）在网络化的影响下，计算、信息与通讯系统应运而生并不断发展。小结

智能制造装备集制造、信息和人工智能技术于一身，是未来高端装备制造业的重点发展方向。各国政府高度重视智能制造装备的研发和应用，美、日、欧已有一系列的研究成果和部分产品面世，德国的“工业4.0”项目也积极地推动了制造业向智能化的转型。我国政府也充分认识到智能制造装备的重要战略地位，已出台政策推动智能制造装备的产业化水平提升。可以预见，未来智能制造装备在引领制造业低碳、节能、高效发展上的作用将进一步得到显现；同时，行业也将在工业机器人、智能机床和基础制造装备、智能仪器仪表、三维打印装备、新型传感器、自动化成套生产线等重点领域形成快速发展与突破。参考文献

［1］ GUO Qing-lin,ZHANG Ming.An agent-oriented approach to resolve scheduling optimization in intelligent manufacturing［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2010（26）：39-45.［2］ 罗克韦尔自动化.奥巴马总统的先进制造联盟计划得到今日最新发布报告的支持［EB/OL］.［2011-07-24］.［3］ Manu Cloud［EB/OL］.［2014-03-01］.http：//www.Manu-cloud-project.eu/.［4］ JAMES T.Smart factories［J］.Engineering and Technology，2012，7（6）：64-67.［5］ 宋慧欣.“工业4.0”制造业未来之路［J］.自动化博览，2013（10）：26-27.［6］ 何 瑾.智能制造装备业万亿市场蓝图初现［J］.科技智囊，2013（8）：38-40.［7］ 杜品圣.智能工厂-德国推进工业4.0战略的第一步（上）［J］.自动化博览，2014（1）：22-25.［8］ 杜品圣.智能工厂-德国推进工业4.0战略的第一步（下）［J］.自动化博览，2014（1）：50-55.［9］EVANS P C，ANNUNZIATA M.工业互联网-打破智慧与机器的边界［R］.2013.

第五篇：智能病床开发前景

二、智能病床开发前景

2.1、论证：随着人们生活水平的日益提高，人们对生活质量的要求也越来越高。改革开发以来，我国在医疗卫生方面得到了长足的发展，其在医疗水平、医疗服务得到了空前的发展。但是，我国的病床仍然处在最初的阶段，只是为病人提供一个趟的地方，没有什么其他功能。很明显，我们的病床明显落后于其他医疗设施的水平，就目前而言，我国没有哪一家医院使用过高科技智能病床，更甚至，没有听说有哪一家公司生产这样的病床：它不仅能为病人进行检测、监护，设施对人体进行监护后转化为信息，发送到信息终端，对人体健康给指导报告及建议；它还具有智能信息化，具有牵引、红外线治疗、睡眠监控、血压测量、雾化、制氧等功能。而且能够满足病人的多种需求： ①病人想喝水了，轻按几个按钮，水就会自动送到嘴边；②病人想起来坐会，或者想躺下休息会，再也不用麻烦家属或护士了，自己按一下按钮，随时想坐就坐，想躺就躺；③病人在输液时，再也不用麻烦家属和护士盯着点滴瓶，当药液注射完毕自动通知护士站，便会及时有人来换药④护士想 要了解病人的身体状况了，像体温等数据，再也不用去打扰病人，在护士站的计算机终端上就一目了 然……。但是，在国内目前没有哪一个公司去做，这就意味着商机，其背后蕴藏着广阔的市场。开发一套多功能、智能化病床系统，对我国目前的各个医院来说，是迫切需要的。每天医院都会有很多病人，尤其是大医院、有名气的医院。医院每天需要照料的病人多，相应就会需要更多的护士去照料他们。如果应用这样一套智能化病床，能够让一个护士照料更多的病人，而且能够减少人为操作失误，更重要的是人性化的满足了病人的大部分需求，相信医院会接受并认可这样的病床，而且会迅速的普及。综合以上分析，这款医院智能化病床的应用前景是非常广阔的。只要产品开发成功，并且技术完善，价格合理，相信各个医院会争相使用，而且会迅速普及。我国有那么多医院，每个医院有那么多病 床，如果打开这个市场，其市场价值可见一斑。

2.2、意义： 目前我国各地大小医院均采用普通病床，这些病床仅限于为病人提供一个躺的地方。而病人的 一切诉求，像喝口水这样简单的需求有时候都不得不依赖于陪护在身边的家属或护士。这样不但病人自己痛苦，陪护在身边的家属也会非常累，而且是浪费了大量的时间去做一些诸如给病人喂水这样简单的工作。对于病人来说，他们实在不想连喝水都要靠别人来帮助，但有时候自己确实没有办法做到。对于家属或护士来说，他们也不想在病人输液的时候精神高度紧张的盯着输液瓶，唯恐给病人换药不及时。所以，开发一套既能减轻家属和护士工作量又能更人道的满足病人需求的多功能、智能化病床是市场的迫切需求。