张青杰 张连正 窦永香陈 姝

(① 西安电子科技大学经济与管理学院，陕西 西安 710071;② 中国科学院电子学研究所，北京 100190)



基于CiteSpace的智能制造研究现状分析

张青杰①张连正②窦永香①陈 姝①

(① 西安电子科技大学经济与管理学院，陕西 西安 710071;② 中国科学院电子学研究所，北京 100190)

智能制造(intelligent Manufacturing)是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统。以CiteSpace为工具，对中国知网(CNKI)收录的智能制造相关文献进行了计量与可视化分析，概述了智能制造近些年的研究状况；深入阐述了该领域近几年的研究热点；并对比《中国制造2025》以及关于积极推进“互联网+”行动中有关智能制造的指导意见，总结了智能制造行业现阶段所面临的问题并提出相应建议。

智能制造；智能制造系统；智能制造技术；智能制造装备

随着数字化、信息化、网络化、自动化和人工智能等技术的发展，特别是德国工业4.0、《中国制造2025》的推出，智能制造已成为现代先进制造业新的发展方向。《中国制造2025》中指出推进智能制造需要紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂、数字化车间，在重点地区、行业和企业中，分类实施流程制造、离散制造、智能装备和产品、智能化管理和服务等试点示范及应用推广。在国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见中提出要大力发展智能制造，以智能工厂为发展方向，加快推动云计算、物联网、移动互联网、大数据、智能工业机器人、增材制造等技术在生产过程中的应用，推进生产装备智能化升级、工艺流程改造和基础数据共享。着力在工控系统、智能感知元器件、工业云平台、操作系统和工业软件等核心环节取得突破。

智能制造是未来制造业的发展方向，引起了国家和相关学者的高度重视，然而采用文献计量对其进行科学的分析与可视化的成果较少，本文基于CNKI检索数据，利用CiteSpace进行统计分析、高频关键词分析及聚类分析，在深入研读关键文献的基础上概述了智能制造近些年的研究状况，深入阐述了该领域近几年的研究热点，并结合当前国家政策及相关的指导意见，展望了智能制造未来的发展方向，从而为相关研究学者提供一些参考。

1 数据准备与研究工具

从CNKI收录的SCI来源期刊、EI来源期刊、核心期刊、CSSCI中检索关于智能制造的文献，检索时间为2015年11月25日；检索式：主题词=智能制造；时间跨度为2006～2015；得到635条文献记录，通过人工筛选剔除主题效果较差的文献最终得到598条记录。

本文使用的分析工具是CiteSpace 3.9.R2，是由美国Drexel大学信息科学与技术学院陈超美博士开发的基于Java平台的可视化分析软件，适用于多元、分时、动态的复杂网络分析[1]。CiteSpace中通过节点年环的标号和节点大小展现节点各时期被引用的频次，网络中的关键节点用圆圈突出显示。通过绘制科学知识图谱，能够显示一个学科或者知识域在一定时期的发展趋势与演变历程。

2 智能制造基本情况

2.1 智能制造领域年发文量

学术论文随年份的数量变化是评价某一学科领域发展态势的重要指标之一，绘制文献分布并对其进行分析，对衡量该领域所处的阶段和发展趋势具有重要意义。

图1为2006～2015年CNKI数据库中关于智能制造的发文量结果。从图1来看2011年之前智能制造发文量较少且较为稳定，年发文量在10篇左右，从2012年开始发文量呈指数型增长，特别是在2015年3月李克强总理在全国两会上作《政府工作报告》时首次提出《中国制造2025》的宏伟计划引发了人们对制造行业的深入研究，2015年较2014年发文量增长了240%。智能制造成为了我国制造业的一个研究实践热点。

2.2 相关期刊分析

通过相关期刊发文量来了解智能制造研究所涉及的学科领域，发文量多少能表示该领域与智能制造联系紧密程度。

以智能制造为主题发文量较多的期刊包括《航空制造技术》、《制造技术与机床》、《机床与液压》、《计算机集成制造系统》、《科技导报》、《自动化与仪表》等均在10篇以上，所涉及航空制造业、机床制造、制造系统、自动化等领域，其中《航空制造技术》发文量最多，为64篇，该刊有关智能制造领域的文献主要针对飞行器智能制造方面的研究，飞机装配智能制造是将物联网、大数据、云计算、人工智能等技术引入到飞机装配的设计、生产、管理和服务中；《制造技术与机床》发文量达到了58篇，该刊有关智能制造领域的文献的研究主要是高档数控机床与基础制造装备，自动化成套生产线，智能控制系统，精密、智能的仪器仪表与试验设备，关键基础零部件、元器件及通用部件等，以实现生产过程自动化、智能化、精密化、绿色化。

3 智能制造研究热点

高频关键词可以概括地反映学科领域的研究热点。使用CiteSpace进行关键词共现分析以及高频关键词聚类，将前文确定的598条数据源导入CiteSpace通过人工对没有实际意义的关键词进行剔除，得到一个网络图谱(如图2所示)，关键节点越大表示出现的频次越高，节点中不同标号代表不同年份(其中年份2006～2008、2009～2011、2012～2013、2014～2015分别用①、②、③、④表示)。可以发现图2中大多数为标号④，说明集中在近两年的高频关键词较多。通过对高频关键词聚类，输出结果如表1。

如图2中2006-2015年近十年的高频关键词有：物联网、云制造、绿色制造、热处理、工业机器人、中国制造2025等。通过对关键词共现聚类得到8个类如表1(其中Cluster ID 为聚类编号；Size为类的大小；Silhouette表示聚类效果，越接近1聚类效果越好；Lable(tf*idf) 为采用tf*idf(信息检索与数据挖掘常用加权技术)得到类标签)。结合高频关键词和关键词共现聚类以及阅读重要节点文章，笔者认为智能制造领域研究热点主要集中在以下4个方面：绿色智能制造、智能制造系统、智能制造装备、智能制造技术。

3.1 绿色智能制造

本热点主要以“绿色”和“智能”为主要发展方向的先进制造模式，绿色智能制造是在保证产品的功能、质量和成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，已逐步成为未来制造业的发展趋势。目前我国的制造业整体一直未能摆脱高损耗和低效率的困局这制约着我国制造业的发展。我国的能源利用率是33%，比发达国家低约10个百分点[2]。

为了产业的持续发展，需要转变这种不健康的发展方式，借助技术进步促进产出的快速增长，形成一套完善的绿色技术发展体系[3]。通过技术研发过程创新和产品设计方法与工具的创新、管理模式的创新、制造模式的创新，来降低生产过程中的物耗、能耗和排放以及人力成本，快速响应市场变化，同时实现所生产的产品具有绿色智能、可回收、易拆卸，部件或整机可翻新和循环利用等特性[4]。

表1 关键词共现聚类

ClusterIDSizeSilhouetteLable(tf*idf)0210.880装备制造技术、物流装备、测控装置1190.888工业机器人、再工业化、罗克韦尔自动化2180.907物联网、云计算、移动技术、离散制造3101.000绿色增长、热论、绿色智能、热处理4150.9513D打印、打印设备、增材制造551.000制造控制系统、知识功能块、智能重构651.000敏捷化智能制造系统、敏捷制造790.929数字化制造技术、人工智能技术

3.2 智能制造系统

本热点主要涉及多种智能制造系统，智能制造系统集合了柔性制造、虚拟制造、系统控制、网络集成、信息处理等技术，由原来的能量驱动转变为信息技术驱动[5]。能够实现各种制造过程自动化、智能化、精益化、绿色化，应对大量的复杂信息、瞬息万变的市场需求和激烈竞争[6]。

不同行业的智能制造系统有不同的特点。针对柔性智能制造系统在生产过程中环境参数、操作行为、随机事件对产品质量的影响的判断数据不完善等问题，刘昭斌等人给出了一种融合多种传感器为一体的三维虚拟监控的设计方法，该系统从数据的采集、分析、处理、建模、通信，以及工件的库存状态显示，构建了一个完整的物联网3D监控体系[7]；针对工序离散型程度大、品种规格多等特点的系统，陈大川等人设计了基于物联网的智能制造系统，系统基于SOA(面向服务)架构，采用SQL数据库，应用RFID(无线射频识别)把人、机、料接入物联网，实现在制品信息与服务器实时交互[8]；针对某些无法实现全面自动化须考虑人为因素的情况，常涛等人将人为现场智能体的一部分也纳入到整个智能制造系统中并横向划分为三层架构：MES(制造执行系统)层、信息采集平台、人机共事层，在MES层需要根据现场工艺流程和作业现状综合分析，在信息采集平台层将车间各个设备进行联网根据需求传感信息，在人机共事层增加传感器，实现关键过程参数全覆盖，增加执行器，降低人在生产过程中所占的比重，建立专家系统，降低该工序/设备生产对人员的技能以及人员情绪、责任心等的要求[9]。

面临越来越激烈的市场竞争和动态多变的制造环境，制造企业需要不断提高对制造控制系统可重构性能的要求，最初是简单重构，然后是动态重构，未来实现智能重构[10]。

3.3 智能制造装备

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新一代制造装备[11]。

近几年国家通过智能制造装备立项来加强和推进智能制造装备领域的研发，针对智能制造装备产业推出的多项政策[12]，将从智能化、精密化、绿色化和集成化等方面提升装备制造产业走向高端市场，这些领域涉及汽车制造、饲料加工、家电、轮胎、煤炭、港口、液压油缸、工程机械、轨道交通、化工、新材料等[13]。

未来几年，我国智能制造装备产业发展将围绕智能制造过程中的感知、决策、执行3个关键环节[14]，开发工业机器人感知系统等典型的测控装置并实现产业化，研发基于机器人的自动化成型与加工装备生产线、自动化仓储与分拣系统以及数字化车间等一批智能决策与执行的成套装备。

3.4 智能制造技术

智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程、制造过程智能化[15]。目前比较热门的智能技术主要有：云计算、物联网、数字制造、工业机器人、3D打印等。

云计算就是把大量的软、硬件和数据等用户所需要的资料传送到网络上，让用户可以在任何的时间、地点，使用不同的终端设备进行连接，最终实现资源共享[16]。近几年我国在服务器、存储设备、云操作系统等领域取得一批具有知识产权的技术成果。但是我国在基础软件、高端存储设备等领域的技术和产品仍很薄弱，基础架构软件和数据中心整体设计水平偏低，且虚拟化软件、云操作系统等关键软件产品性能同国外比有相当大差距[17]。美国在云计算技术领域掌握了分布式体系架构、虚拟资源管理、海量存储等全球云计算的核心技术[18]。

物联网是物物相连接的互联网，物联网除用在智能家居外还能用在安防、电力、交通、物流、环保、市政设施监控、节能减排、食品安全等领域中[19]。目前我国已经拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链，但是我国的传感器技术、和超高频、微波频段RFID技术和发达国家还存在一定的差距[20]。美国的在RFID和无线传感网络处于领先地位，美国在RFID的应用案例占到了全球的59%[21]。

数字制造技术是制造业信息化的基础，是制造企业的神经系统和核心技术。

数字制造技术具有提高产品研发和设计能力、提高资源利用利率、节省时间降低成本等特点。目前数字制造技术已发展得比较成熟，各种计算机辅助技术和系统，如CAD(辅助设计)、CAM(辅助制造)、CAPP(辅助工艺规划)等[22]。

工业机器人是可编程序的多功能操作器，通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置。我国工业机器人近几年得到了快速的发展，在工业机器人研发方面，沈阳新松机器人自动化股份有限公司在自动导引车(AGV)方面取得重要市场突破，哈尔滨博实自动化股份有限公司重点在石化行业的自动包装与码垛机器人方面进行产品开发与产业化推广应用[23]，广州数控设备有限公司研发了用于机床上下料的工业机器人产品，上海沃迪科技公司联合上海交通大学研制成功了码垛机器人并进行市场化推广等。然而我国机器人企业在关键核心部件上如：高性能交流伺服电动机、精密减速器及控制器等长期依赖进口[24]。欧洲、日本在工业机器人的研发与应用方面占有绝对优势，其中知名的机器人公司包括ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA等这四家占到整个行业市场份额的60%～80%[25]。

增材制造(即3D打印)是一种根据零部件的三维模型数据，利用成形设备以材料堆积的方式制造实体的技术。3D打印技术在原形制造、医药工业、航空工业、军事、家居、建筑等领域有着较好的应用前景。目前3D打印存在着一些挑战例如：成本较高；材料多采用化学聚合物局限性较大，成型品的物理特性也不理想，并且存在一定安全隐患；3D打印设备在软件功能、后处理、设计软件与生产控制软件的无缝对接等方面还有许多问题。总的来说我国在关键器件、成型材料、智能化控制较国外先进水平有一定的差距[26]。

4 结语

2012年以来关于智能制造研究文献发文量发生了快速增长，特别是2015年研究成果较上一年增长了240%；《航空制造技术》、《制造技术与机床》刊发的相关智能制造文章较多。通过对高频关键词共现分析及聚类分析，了解了近几年研究热点包括：绿色智能制造、智能制造系统、智能制造装备、智能制造技术。针对智能制造领域出现的问题笔者认为应从以下几点做出改进：(1)通过产品设计方法与工具的创新、管理模式的创新、制造模式的创新，降低生产过程中的物耗、能耗和排放，降低人力成本，同时产品应具有可回收、易拆卸，部件或整机可翻新和循环利用的特性。(2)智能制造系统是为了实现各种制造过程自动化、智能化、精益化、绿色化，从而更快速、有效地应对越来越激烈的市场竞争和动态多变的制造环境。(3)我国智能制造装备产业发展将围绕智能制造过程中的感知、决策、执行3个关键环节，开发工业机器人感知系统、智能仪表等典型的智能测控装置。(4)在对云计算不断完善的过程中，应对用户的服务进行系统化、标准化的制定，通过该种方式加强云计算的标准化服务类型。以及基础软件、虚拟化软件、高端存储设备、基础架构软件和数据等方面有待提高。物联网核心技术需要加强如移动处理器、传感器、大型服务器等。工业机器人领域还需通过提高产业化促进精密制造技术，促进机器人控制系统和传感器产业化、加强智能制造系统的应用，来提高工业机器人的广泛应用[27]。增材制造未来研究重点应放在：降低打印设备以及打印成本，提高打印精度，打印性能，提高软件与设备的无缝对接、软件功能、后续处理能力，打印材料安全且易获取等。

综上所述，智能制造研究热点主要集中在智能制造系统和智能制造技术上，未来智能制造系统应能够快速适应市场需求的变化来调整制造过程、制造功能等。云计算应在不断完善的过程中形成一套标准化的服务体系；物联网核心技术需要加强如移动处理器、传感器、大型服务器等；工业机器人还需应用在高精密度的工作中，完善机器人控制系统和传感器产业化；增材制造应提高打印精度降低成本提高后续处理能力。

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Analysis of the current research status about intelligent manufacturing based on CiteSpace

ZHANG Qingjie①, ZHANG Lianzheng②, DOU Yongxiang①, CHEN Shu①

(①College of Economics and Managerment,Xidian University，Xi’an 710071, CHN; ②Insititute of Electrics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, CHN)

Intelligent manufacturing is a kind of intelligent system composed of intelligent machine and experts.In this paper, the bibliometric analysis and the visualization analysis about intelligent manufacturing are shown by using the CiteSpace based on the data from CNKI.The current research status is summarized and the hot topics of the research field are concluded.In contrast to “Made in China 2025”and the guidance on the promotion of ‘Internet plus’ action about intelligent manufacturing, the problems faced by industry of domestic intelligent manufacturing at the present stage are raised, and then corresponding suggestions are put forward.

intelligent manufacturing; intelligent manufacturing system; intelligent manufacturing technology; intelligent manufacturing equipment

T19

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.006

张青杰，男，1988年生，硕士研究生，研究方向为信息可视化、物流信息系统。

(编辑 汪 艺)

2016-06-20)

161113