木质家具智能制造赋能技术及发展路径分析
摘 要: 在国内加快建立新发展格局和世界制造业发展格局面临重大调整的当下，智能制造是培育我国新的经济增长动力、抢占新一轮产业竞争制高点的主攻方向。以木质家具制造业为代表的传统产业正面临转型升级的机遇与挑战。本研究结合智能制造对木质家具制造企业的转型要求，梳理了包含基础信息技术、新型制造技术、发展前沿技术等在内的家具智能制造赋能技术，并阐述了其在家具制造业的应用场景。为系统解决传统木质家具企业智能制造升级需要解决的编码困难、信息孤岛、排产难度大、生产调度慢等瓶颈问题，笔者提炼了基础保障、智能制造关键技术和行业应用等三部分构成的木质家具行业智能制造体系结构。最后，立足我国家具行业实际情况，从思维模式、人才培养、技术创新、管理能力、标准体系和产业联盟等要素解析了家具制造企业实现智能制造的发展路径，以期为助力木质家具制造企业成功实现智能制造转型、重建中国家具制造业新优势提供理论借鉴和参考。
关键词: 家具; 智能制造; 转型升级; 赋能技术; 发展路径
朱剑刚; 王旭， 林业工程学报 发表时间：2021-11-17
近年来，世界主要工业发达国家纷纷推出“工业 4.0”“先进制造业伙伴计划”等战略，将重振制造业作为重塑全球竞争力的战略制高点。为加速我国制造业转型升级、提质增效，我国先后发布实施“中国制造 2025”、“十四五”规划和 2035 年远景目标纲要，并将智能制造作为培育我国新的经济增长动力、抢占新一轮产业竞争制高点的主攻方向。在此背景下，以木质家具制造业为代表的我国传统制造业正面临来自国内经济进入新常态、加快建立新发展格局和国际环境复杂多变、世界制造业发展格局面临重大调整等多方面的新挑战。本研究紧扣赋能传统产业转型升级，探讨木质家具制造企业的智能制造赋能技术及智能制造体系结构，分析木质家具智能制造的发展路径，以期为木质家具制造企业智能制造升级提供启示。
1 智能制造赋能技术及其木质家具企业赋能场景
技术赋能是信息技术推进家具制造转型升级的关键机制之一。李克强总理在 2019 年政府工作报告中首次明确提出拓展“智能+”，为制造业转型升级赋能，并在 2020 年政府工作报告中进一步强调推进智能制造。
智能制造( 以下简称智造) 主要包括三大类关键赋能技术，即: 物联网、云计算、大数据为代表的基础信息技术; 工业机器人、增材制造、虚拟现实/ 增强现实技术为代表的新型制造技术; 人工智能、数字孪生、边缘计算为代表的发展前沿技术。智造赋能技术将在木质家具行业智能制造转型升级中产生深刻影响( 表 1) 。
1.1 基础信息技术及其赋能场景
1.1.1 物联网技术
物联网技术( Internet of Things，简称 IoT) 是综合运用传感器、信号识别、定位和红外线感知等技术，按约定协议，将末端设备和设施通过信息传感设备与网络相连接，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。射频识别技术( RFID) 等物联网基础技术已在家具生产中广泛采用[1]。基于物联网技术的设备管理可有效提升家具加工设备利用率并降低设备单位产量能耗[2]。物联网技术构建的家具供应链可以提高运作效率，减少不必要的差错。智慧家居设备远程控制也离不开物联网技术。
1.1.2 云计算技术
云计算技术( cloud computing，简称 CC) 是分布式计算的一种，指借助资源交付和使用模式，通过网络获得应用所需的资源( 硬件、平台、软件) 。广义上说，云计算是与信息技术、软件、互联网相关的一种服务，这种计算资源共享池叫作“云”。云计算技术赋能协同化生产，在提高各环节精准度和效率的同时降低了生产成本[3]。定制家具企业可借助云计算中心，集成全国主要城市样板房房型信息有效提升设计师精准服务能力。云计算技术还可确保家具企业财务会计管理的准确性和合理性[4]。
1.1.3 大数据技术
大数据( big data，简称 BD) ，是指将海量、高增长率和多样化的信息资产通过新型的信息处理方式进行高速及时的整理分析，促成更强的决策能力、洞察力与可视化应用，其战略意义在于对海量数据进行专业化的洞察和处理[5]。大数据技术可协助企业精准定位目标市场，发掘潜在客户进而有效降低企业的营销成本，通过大数据对顾客喜好、淡旺季的资源配置进行分析，可使企业在竞争中获取更大的利润[3]。大数据技术还可使家具物流变得可视化与可追溯化[6]。
1.2 新型制造技术及其赋能场景
1.2.1 工业机器人技术
工业机器人( industrial robot，简称 IR) 是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有柔性好、自动化程度高、可编程性好、通用型强等特点。在制造业行业中，工业机器人的应用技术优势主要分别体现在自动化、安全化、高效率 3 个方面。工业智能化及“工业 4.0”促进了工业机器人在工业制造领域的应用[7]，焊接、打磨、喷涂、装配、搬运、码垛、分拣等工业机器人有助于家具企业实现柔性制造模式[8]。工业机器人在家具批量生产中的优势还有待进一步发挥[9]。
1.2.2 增材制造技术
增材 制 造 技 术 ( additive manufacturing，简 称 AM) 是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系[10]。增材制造技术也称为快速原型、自由实体制造、快速制造或 3D 打印技术等，其中 3D 打印技术最为得到关注，在各产业应用愈加广泛。 3D 打印技术可以一体成型，减少组装程序， 3D 打印快速打样技术，有助于跨越设计与生产的鸿沟[11]。美国马里兰大学胡良兵课题组拓展了木材 3D 打印在木质家具制造领域的应用[12]。
1.2.3 虚拟现实/增强现实技术
虚拟现实技术( virtual reality，简称 VR) ，其基本实现方式是计算机模拟虚拟的环境从而给人以环境的沉浸感。虚拟现实是利用计算机技术模拟搭建出一个三维虚拟世界的仿真系统技术，通过手持式或头戴式的设备，进行数据的交换，从而可以让使用者沉浸于虚拟世界中。增强现实技术( augmented reality，简称 AR) ，是一种实时地计算摄影机的位置及角度并加上相应图像的技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术。 VR 技术可将全屋信息集成于软件中，用户通过头戴和手持 VR 设备，就可身临其境全方位环视全屋设计。VR 体验馆可有效弥补实体家具门店空间的限制，降低企业营销成本[13]。而家具 AR虚拟摆放移动应用可极大减少定制家具消费者选择和搭配的不确定性[14]。
1.3 发展前沿技术及其赋能场景
1.3.1 人工智能技术
人工智能( artificial intelligence，简称 AI) 是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的技术科学，旨在创建类似于人类智能的智能机器。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能技术可以贯穿木质家具的整个设计过程以及生产制造过程。如在实木板材加工过程中，智能检测算法可对实木板材进行缺陷检测，智能算法可应用于排产，有利于提高木材利用率[15]。人工智能还可帮助传统家居公司提升对消费者需求以及市场潮流的预测[16]。
1.3.2 数字孪生技术
数字孪生( digital twin，简称 DT) ，是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，以虚拟与物理空间融合的方式反映对应实体的全生命周期过程[17]。数字孪生可以应用于产品制造、产品设计、医疗分析、工程建设等领域，德国工业 4.0 工作组甚至把数字孪生体作为主攻方向。数字孪生技术可推动家具行业在设计、生产、维护等环节的变革。如酷家乐公司在设计阶段构建数字孪生体，然后根据物理结构对数字孪生体进行拆解和实验，最后再对照数字孪生体生产相应的物理实体，从而降低打样周期，提升产品迭代更新速度。
1.3.3 边缘计算技术
边缘计算( edge computing，简称 EC) ，是相对于云计算而提出的概念，具体指靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开发平台，就近提供服务，应用程序在边缘侧发起，数据无须回传至网络中心，而是在本地完成处理、存储等功能[18]。边缘计算提供更快且低延时的计算资源，可用于提高设备故障检测与缺陷的检测效率。边缘计算还能为工业应用的安全和隐私保护提供更多的选择。不过目前，边缘计算在家具制造等离散制造业的应用还处于起步阶段，相关应用实践还处在探索期，需加大应用示范力度。
2 木质家具企业生产瓶颈问题分析
木质家具行业是典型的离散制造业，生产环节分散且生产设备多样。木质家具行业同时又是劳动力密集型并以中小企业为主的传统行业，生产及管理过程往往缺乏智造赋能技术而导致各环节信息孤岛林立，生产效率低、订单差错率高、工艺品控和订单流转强依赖于工人及管理人员经验往往成为企业的生产瓶颈。
2.1 实木家具生产瓶颈问题
实木家具由于使用天然木材为主要原材料，从而造成实木家具制造传统设备较多，自动化、信息化的程度普遍较低，制造过程中所遇到的问题更多样、更复杂[19]。实木家具制造企业存在的瓶颈问题主要有:
1) 编码困难。实木家具主要以各向异性且存天然缺陷的木材为主，造成零部件标准化程度低且返工率较高，难以对实木家具零部件进行统一编码，极大影响了实木家具生产的信息化管理。 2) 产线复杂。实木家具产品零部件不仅繁杂且互换性较弱，同时加工工序多样且生产周期长，所以造成生产线更为复杂[20]。 3) 信息孤岛。家具制造企业自动化软件水平极不均衡，大多数实木家具企业的信息化系统常常是单点应用，且各系统间接口和数据交换标准缺乏集成和整合，所造成的信息孤岛阻碍了信息化提升竞争优势的作用。 4) 经验制约。实木家具制造属于劳动力密集型，砂光、精雕和涂装等工序对人工操作的依赖度高，且受人为因素影响大，生产现场管控靠经验还比较普遍，缺乏专业信息化工业软件支撑。
2.2 板式家具生产瓶颈问题
板式定制家具是目前板式家具的主流，其销售、设计、计划拆单等前端业务都基本实现了信息化管理，但对于后端生产而言，还存在着大量人工干预的生产过程，无法整体实现信息化制造。板式家具制造企业目前主要存在以下的瓶颈问题:
1) 排产难度大。随着市场日趋成熟，消费者对板式家具定制化、个性化等方面的要求逐步提升，带来订单数量多而交货周期短，从而造成排产难度大，容易出现订单漏排或错排。2) 分拣效率低。大多数板式定制家具企业采用了揉单生产，但由于板件规格种类繁多、尺寸和形状差异较大，分拣效率低下、分拣错误率高等瓶颈问题一直被企业所诟病[21]。 3) 生产调度慢。生产计划控制柔性不足，如出现设备刀具损坏或封边材料短缺等突发状况，容易造成产线停滞而影响生产进度，导致生产计划错乱无法及时调整[22]。 4) 反馈机制缺。设计前端和生产后端之间缺乏有效及时反馈机制，打通前端设计到后端制造全流程以实现门店和工厂的联动尚需专业的解决方案。
3 实现木质家具智能制造的体系结构
纵观木质家具企业当前的主要生产瓶颈问题，虽与家具行业整体工业基础薄弱、制造业信息化水平低、制造业信息化能力有待加强等密切相关，但其更深层次的产生原因是家具工业转型升级已经步入信息化深水区。无论是实木家具生产的编码困难、信息孤岛问题还是板式家具生产的排产错排漏排或设计与生产缺乏反馈机制等问题，通过导入基础信息技术、新型制造技术、发展前沿技术等智造赋能技术单项逐个击破，虽短期内可以奏效，但总体来看此策略难免事倍功半，因为其根本解决路径应定位在打通前端设计和后端生产的数字鸿沟以实现设计生产一体化等系统化解决方案，即通过系统思维、精准施策构建木质家具智能制造体系结构来实现总体( 技术融合的生态系统) 大于部分 ( 单点技术的转型升级) 之和。
作为木质家具行业智能制造转型升级系统化解决方案的基础架构和中枢系统，木质家具智能制造体系结构是构建知识驱动、产教融合、持续改善、安全高效的木质家具智能制造体系的关键内容[23]。具体而言，木质家具行业智能制造体系结构包括“A 基础保障”“B 智造关键技术”“C 行业应用”等三大部分，各部分体系结构如图 1 所示。基础保障是智造关键技术和行业应用的基础和支撑; 智造关键技术是整个体系结构的核心，除了智造赋能技术，还包含智能协同、智能供应链、智能工厂、智能装备及信息基础设施等内容; 信息基础设施主要涉及网络部署、数据中心、工业软件等; 而行业应用是在基础保障的支撑和智造关键技术的赋能下呈现的家具产业智能制造具体应用场景。
4 木质家具智能制造发展路径
我国木质家具行业智能制造转型升级已迫在眉睫，但本研究架构的木质家具行业智能制造体系结构不可能一蹴而就。智造关键技术虽然是体系结构的核心，但实施木质家具行业智能制造体系结构远不是技术问题，而是一个复杂的战略性系统工程，需从思维模式、人才培养、技术创新、管理能力、标准体系、产业联盟等多要素开展协调互动与融合创新，从技术变革和管理变革等维度系统推进工艺、装备、软件、网络的系统集成和深度融合，聚焦中小微木质家具企业特点和需求精准施策，逐步实现持续改进、转型升级和创新发展的木质家具智能制造发展路径( 图 2) 。
4.1 革新智能制造思维模式
与发达国家相比，我国的制造业信息基础设施建设和应用水平还相当滞后，尤其是家具制造企业之间信息化水平差距十分明显，虽然我国也涌现了一批信息化建设锐意进取的家具企业，但大部分企业缺乏利用信息技术改造传统制造和管理模式的图 2 木质家具智能制造发展路径 Fig. 2 Intelligent manufacturing development path of wooden furniture industry 意愿和决心，尤其缺乏对智能制造转型升级的深刻理解，企业内部常常出现的协同困难及固有利益壁垒往往成为智能制造实施的主要障碍。要成功实施智能制造，在企业自上而下理念先行并不断革新智能制造思维显得尤为重要。
4.2 加强智能制造人才培养
高等院校应发挥人才培养主阵地作用，深入推进新工科建设，积极加强相关学科专业和课程体系建设，加快家具智能制造高端人才培养。各高校可联合行业领军企业合作建设一批家具智能制造现代产业学院，推动行业智能制造升级急需人才培养。以南京林业大学为代表的行业特色高校自 2019 年以来，相继新增了机器人工程、大数据管理与应用、智能制造工程等本科专业，为家具行业智能制造高端人才培养提供了有力保障。广大家具制造企业也可从产教融合协同培养、加强员工智能制造技能培训、积极组织开展智能制造技术技能大赛等方面加强人才支撑[24]。
4.3 推动智能制造技术创新
创新是制造业发展的重要引擎，技术的不断创新发展不仅会带动传统制造领域生产率的提高和产品性能的提升，还会带来数量众多的新材料、新产品、新设备的出现，从而推进整个制造业的转型升级[25]。应充分发挥家具企业开展工程应用、产业化与试点示范的创新主体作用，推动建设企业内设研发机构，重点围绕智能制造关键技术环节，重点开展先进制造技术、人工智能技术、工业大数据等重点领域适用技术研发，建设并完善家具智能制造企业创新平台。
4.4 提升智能制造管理能力
国内大中型家具企业普遍重视建立现代企业管理模式，但现有的信息化管理系统还难以满足不断更新的智能制造业务场景需求。为满足智能制造的要求，应该协同推进运营管理技术与数字化、网络化的深度结合，不断提高企业管理人员的管理水平，才能最终提高企业信息化管理能力。为充分做好智能制造转型的管理准备，广大家具制造企业必须从只拥有智能制造能力的企业，转型为拥有智能制造运营管理能力的数字化企业。
4.5 完善智能制造标准体系
木质家具行业智能制造体系结构的成功架构依赖家具企业之间、行业之间的数据互联共享，但由于数据、技术等标准规范不统一，设备兼容、数据共享受制于信息系统互联互通，缺乏技术标准和统一接口规范，导致我国家具信息化标准建设远远滞后于欧美发达国家。我国要与世界家具强国进行更高层次的竞争，就要重视家具企业数字化的基础工作，当务之急是完善家具智能制造标准体系顶层设计，明确标准化的重点领域和方向，加快统一各类基础数据、接口规范等基础共性、产业急需标准的研究制定，并积极参与国际标准化活动并共同制定国际标准。木质家具行业智能制造体系结构这一中枢的畅通，是建立在跨部门、跨企业、跨行业的数据信息互联互通基础上，制定家具制造业两化融合统一技术标准并完善家具行业智能制造标准体系已势在必行。
4.6 促建智能制造产业联盟
直面全球新技术革命和产业变革，家具制造企业应该主动与数字科技企业( 工业自动化企业、工业软件开发商、智能硬件终端制造商等) 与产业链上下游企业多方协同构建智能制造生态共同体，聚合智能制造的新概念、新技术、新思想、新服务、新应用、新模式，协同开发家具智能制造解决方案，共同促进家具企业智能制造变革[26]。家具行业可以借鉴“工业互联网产业联盟”“中国轻工业两化融合产业联盟”等产业联盟模式，积极学习和借鉴典型或先进行业的示范经验，发挥企业、研究机构、高等院校等各方面优势，协同推进关键技术装备、软件、智能制造成套装备等的集成创新，推广行业优秀技术和系统解决方案，促进家具行业智能制造整体水平快速提升。
5 结 语
“工业 4.0”及“中国制造 2025”是未来制造业殊途同归的发展方向，智能制造作为其中的主攻方向，是各国木质家具制造企业转型升级不可避免的挑战。我国正追求从“家具制造大国”迈向“家具制造强国”，我国广大木质家具制造企业要紧紧抓牢智能制造转型的历史机遇，通过创新发展智能制造赋能技术、构建木质家具智能制造体系结构，不断提升家具业智能制造能力水平。如能率先在 “第四次工业革命”的浪潮中完成数字化转型，必将对重建中国家具制造业新优势、重塑我国未来家具制造业全球地位具有十分重要的意义。