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摘要：本文從生產線本質特征的角度分析了現有的以生產線為基礎的制造系統所存在的問題，辯證地提出二維并行的制造系統--智能生產矩陣，并通過與生產線進行對比，闡述智能生產矩陣的動態配置工藝和工序、發散式發展的特點，以及其作為智能制造核心基礎的原理優勢和顛覆性意義，并系統描述了以生產矩陣為基礎的智能制造系統的應用需求和對社會生產發展的意義。

引子：完全動態配置的智能生產矩陣是智能制造和智慧生產的核心基礎，是真正意義上的百萬機器人、犀牛制造、大生產體系，是實現“人為生產”向“生產為人”轉變的使能技術。由智能生產矩陣提煉出來的矩陣生產方式，亦將像豐田生產方式一樣深刻改變和深遠影響社會生產組織模式。

生產線是現在普遍使用的生產制造系統，其原理特征是一維串行的，工藝和工序靜態配置，并且，就某一條生產線而言，隨著功能的增加，其發展必然收斂于專用產線。由于生產線存在這些原理性特征，當前的以大規模定制為發展方向的制造系統如果以生產線為基礎物理模型，在發展上很容易就會遇到一些無法解決的瓶頸和天花板的問題。

生產線的一維串行原理，需要將生產的工藝和工序固化，將操作設備和工位固定，并按照生產流程順次執行。這種靜態配置工藝和工序的生產組織方式導致生產線沒有柔性，或柔性不充分的問題，一條生產線只能生產一種產品或有限的相似度極高的同類型產品。并且，同一條生產線上，在同等時間內完成多個不同工序非常困難，也并不現實，這就必然產生生產節拍的不平衡問題。

盡管我們在傳統生產線上通過配置更多的機器人和機器視覺等設備，以期提升產線的效率。但是，在實踐中，我們很快就發現這種效率的提升非常有限，遠不是我們所需要的可持續的線性提升。

收斂式發展的特性使生產線最終必然成為一條只能生產一種產品的專用產線。如果企業要更換產品型號或生產全新的產品，就要對之前的產線做相應的調整，耗費企業資源和成本。更有甚者，當出現產品的代級變化或品類變化，之前的產線很可能徹底不能用，比如生產功能手機的產線無法生產智能手機，這就嚴重阻礙了企業轉型。這些問題是生產線的本質特征造成的，只要使用生產線作為制造系統的基礎，相應的就必然會存在這些問題。

大規模定制是制造業的發展趨勢，需要相應的制造系統充分柔性和冗余，能夠動態配置工藝和工序，在發展方式上能夠線性提升產能和效率，并且這種提升不與柔性相互矛盾。應用于單一型號產品的大批量生產，傳統產線為基礎的制造系統確實有較高的效率。但對于大規模定制這一更智能化的制造需求，以產線為基礎的制造系統暴露出諸多在原理上無法解決的問題。畢竟，百年前創造生產線的目的是為解決單一品種產品大批量生產的問題。現在的需求發生了根本性的變化，百年前的解決方案還能解決今天的問題嗎？

生產線不是大規模定制這一類智能制造真正優選的核心基礎。相應的，通過對生產線進行再多的智能化，也無法從根本上實現大規模定制的“生產為人”的真智能目標。

根據哲學的對立統一規律，既然存在生產線這種一維串行的、收斂式發展的、靜態配置的制造系統，必然存在與之相對的二維并行的制造系統，這種制造系統的特征是動態配置工藝和工序，并且發散式發展。事實上，確實存在這樣的制造系統--生產矩陣。

生產矩陣，是指在矩陣軌道系統上設置關聯回路，基本單元機器人在關聯回路上通過運動耦合進行重構，重構機器人和物料通過運動耦合執行工藝操作，完成產品生產的制造系統。

生產矩陣是一種二維并行的生產制造系統，具有充分柔性、充分冗余、完全動態配置工藝和工序、發散式發展的本質特征。從基本原理上解決以生產線為基礎的制造系統在發展中遇到的無法解決的問題，生產矩陣是較之生產線更適合作為智能制造和智慧生產的核心基礎。

當前廣泛應用的生產線在維度上是一維的線，根據所制造產品的工藝流程設置固定工位，以順次執行相應的工藝操作。一維生產線所處理的對象只能是固定的工藝流程，因為這根“線”不能“亂”。

智能生產矩陣是二維的制造系統。因為二維可以設置回路，可以讓工藝設備和物料在設置好的關聯回路上無限循環的運動耦合以執行工藝操作。這種運動耦合的處理對象除了包含常規的固定工藝流程外，還包括實時變化的工藝流程和更為廣義的“流”，即可以通過調整軌道矩陣相應節點改變關聯回路，實現物料和工藝設備實時分流/合流，從而實時調整物料、工藝（工藝設備和工藝參數）和工序（工藝流程）。

二維的制造系統是并行生產的前提，是動態配置的物理基礎。維度的提升從本質上改變了制造系統的特性，也相應的改變了生產組織方式，我們稱之為生產矩陣對生產線的“降維打擊”。

一維的生產線只能串行生產，物料在流水線上，完成第一個工序后才能接下去執行第二個工序。必須順次執行，不能調整先后順序。串行生產要求生產線全部建成后才能投產，其中的任何一個工位或設備未完成，都無法生產；同樣的，在生產線運行過程中，如果有某一個工位或某一臺設備故障，整條產線都將無法工作。串行生產系統相當于串聯電阻電路，每個電阻都有效，整個電路才可以實現功能。

智能生產矩陣是完全并行的生產制造系統，這種并行不是兩條固定工位的生產線的并行，而是同一條路徑上的多個工藝“流”的并行，是某一時刻同時耦合的可重構機器人所執行的多個工藝操作。打個比方，生產線系統是一條路線上在某一時刻只能行駛一輛車，而且其行駛的過程中還不能執行工藝操作，要等車行駛到固定工位，停下來后才能執行操作，這個行駛的過程其實僅僅是物料輸送。而生產矩陣是一條路線上在某一時刻可以同時行駛多輛車，這多輛車在運動的過程中同時執行工藝操作。矩陣的并行特征，為制造系統提供了充分冗余。并行生產可以讓制造企業根據投入和產出的需要更靈活的組織產品的部件或整機生產。生產矩陣這樣的并行制造系統相當于并聯電阻電路，即使某一個電阻無效，整個電路仍然可以工作，當然，并聯電阻電路的比喻并不能完全表達出矩陣這樣并行制造系統的特征。

廣義的并行生產，是在生產矩陣上同時執行多個工藝操作“流”，也就是說，在一個生產矩陣上可以同時生產多個不同的組件，多個不同型號或品類的產品，這是生產矩陣較之生產線的顛覆性的改變，將生產線的效率-柔性矛盾，轉化為既提高產能又增加柔性，從原理上提升了制造系統的適應能力和生產效率。

生產線的工位是按工藝流程固定設置的。在生產線上，物料隨傳輸系統傳送至固定工位，并在工位上處于靜止狀態時才能進行工藝操作。并且，目前看來，多數組裝性的工藝操作時間遠遠短于物料傳輸時間。

智能生產矩陣沒有固定工位的概念，工藝操作是一組可重構機器人在回路上與物料的運動耦合，這個耦合是在運動的過程中進行的，也就是說，機器人與物料在同步運動的過程中相互之間執行工藝操作。在生產矩陣上，物料從裝到托盤機器人上開始“流動”，在流動的過程中，完成多個所需的工藝操作，在這期間不停車，從矩陣上出來就是制成品。多個不同類型的工藝耦合可以同時在生產矩陣的閉合回路上無限循環的執行，多個工藝耦合的先后順序（工序）也可以在矩陣上進行實時調整。工藝和工序的調整不需要任何停機，只是執行智能生產矩陣軟件的指令而已。

在生產矩陣上，所有工藝操作隨物料的傳輸流動就已經完成了。這一功能極大的縮短了物料在工序之間傳輸的時間，這對制造系統在產能效率方面是根本性的提升，這也是豐田公司大野耐一的“連續單件流”夢想的客觀實現。

生產線布置取決于所要生產的產品的工藝流程，也就是說，產品的工藝流程確定了，相應的生產線就確定了。如果要調整一下工藝流程，或者調整某一個工藝參數，則需要將整個生產線停機，對相應固定工位上的工藝設備進行相應調整，再重新調試生產線后才能生產。生產線的操作工位，工序和工藝都是固定的，這是生產線的靜態配置的本質特征。生產線不具有動態配置的特征。生產線的物料流動只是按工序分配物料，不是動態配置。

智能生產矩陣的工藝操作是多個“流”的耦合，耦合的物理對象是工藝設備和物料，耦合的時間和路徑是工藝參數，耦合的先后順序是工序。對于運動耦合的物料、工藝設備、工藝和工序參數，都可以通過智能生產矩陣軟件在設備正常運行的過程中進行實時的調整，而不需要任何停機。這種完全動態配置的特征是生產矩陣所特有的，也是生產矩陣對生產線在原理上的顛覆。同時，我們可以明顯的看到，動態配置是軟件化制造的基礎前提。

生產線的功能隨產品加工的工藝和工序而定，并且固化。本質上，生產線隨著其功能的增加和固化而收斂于專用制造系統，也就是常說的”專線“，這種發展方式是收斂式發展。收斂式發展是一種不可持續的發展方式。收斂式發展的制造系統存在的問題是，一方面，在設計時就有明確的產能和柔性的天花板，到了天花板，即使再多投入也無法提高產能和增加柔性；另一方面，收斂式發展的制造系統，在產品換型或更換產品品類時，原有產線仍可繼續使用的部分較少，調整周期長，浪費多，成本高。

智能生產矩陣的運動功能設備和工藝功能設備都是極度單元化、標準化、模塊化的可重構機器人，換型或換產品時，系統可以隨時隨需的通過運動耦合進行重構，用時組裝，不用時拆分入庫，這種發展方式是發散式發展。發散式發展是一種可持續增長的發展方式。發散式發展給制造企業提供了持續線性投入的發展模式，即：很少投入即可開始產出，持續投入獲得持續增長的產出；而不是像生產線，需要一次性完成全部投入才能生產。最主要的，當企業需要轉型改做其它產品時，智能生產矩陣除了極少的工裝治具需要適量調整外，可重構機器人和矩陣軌道系統都不改變，工藝和工序都在軟件里調整。而生產線，往往是整條線改造，或者整條線作廢，這是多大的浪費呀？

智能生產矩陣較之現有的生產線，既是技術和產品的代級的發展，也是原理和邏輯的根本性改變。在當前普遍應用生產線的行業背景下，對生產矩陣的研究還非常少。但是，生產線在智能制造中暴露出來的問題逐漸尖銳，智能制造對更加普適的核心基礎的需求更為強烈，問題帶來需求，這是刺激生產矩陣基礎理論更深入研究和系統產品更快速實現的契機。

與生產線類似，生產矩陣自身就是一個龐大的行業和市場，并且具有所有工業普遍應用的基本特征。智能生產矩陣原理上的優勢為其在大規模定制的智能制造和智慧生產方面的應用展現出壯麗藍圖。

智能生產矩陣是真正意義上的百萬機器人、犀牛制造、大生產體系和智能制造平臺；發散式發展的制造系統更深遠的影響社會生產。智能生產矩陣上升為與豐田生產方式相對應的矩陣生產方式，以更智慧的生產制造體系改變社會生產組織模式。

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