摘要

智能制造是一個不斷演進(jìn)發(fā)展的大概念，可歸納為三個基本范式：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造——新一代智能制造。新一代智能制造是新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(huán)節(jié)及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，減少資源能耗，是新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力，是今后數(shù)十年制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑。“人-信息-物理系統(tǒng)”（HCPS）揭示了新一代智能制造的技術(shù)機(jī)理，能夠有效指導(dǎo)新一代智能制造的理論研究和工程實踐。基于智能制造三個基本范式次第展開、相互交織、迭代升級的特征，推進(jìn)制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型應(yīng)采取“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞： 先進(jìn)制造，新一代智能制造，人-信息-物理系統(tǒng)，新一代人工智能，基本范式，并行推進(jìn)，融合發(fā)展

1、引言

面對新一輪工業(yè)革命，《中國制造2025》明確提出，要以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向[1]。世界各國都在積極采取行動，美國提出“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計劃”[2, 3]、德國提出“工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃”[4]、英國提出“工業(yè)2050”[5]、法國 提出“新工業(yè)法國計劃”[6]、日本提出“社會5.0戰(zhàn)略”[7]、韓國提出“制造業(yè)創(chuàng)新3.0計劃”[8]，都將發(fā)展智能制造作為本國構(gòu)建制造業(yè)競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵舉措。

新世紀(jì)以來，新一代信息技術(shù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化技術(shù)在制造業(yè)廣泛應(yīng)用，制造系統(tǒng)集成式創(chuàng)新不斷發(fā)展，形成了新一輪工業(yè)革命的主要驅(qū)動力。特別是，新一代智能制造作為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，正在引發(fā)制造業(yè)在發(fā)展理念、制造模式等方面重大而深刻的變革，正在重塑制造業(yè)的發(fā)展路徑、技術(shù)體系以及產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)，從而推動全球制造業(yè)發(fā)展步入新階段[9-13]。

2. 智能制造的三個基本范式

廣義而論，智能制造是一個大概念[10, 14]，是先進(jìn)信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計、制造、服務(wù)等全生命周期的各個環(huán)節(jié)及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，旨在不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，減少資源消耗，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展。

數(shù)十年來，智能制造在實踐演化中形成了許多不同的相關(guān)范式，包括精益生產(chǎn)、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、計算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造、智能化制造等[15-23]，在指導(dǎo)制造業(yè)技術(shù)升級中發(fā)揮了積極作用。但同時，眾多的范式不利于形成統(tǒng)一的智能制造技術(shù)路線，給企業(yè)在推進(jìn)智能升級的實踐中造成了許多困擾。面對智能制造不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新理念、新模式，有必要歸納總結(jié)提煉出基本范式。

智能制造的發(fā)展伴隨著信息化的進(jìn)步。全球信息化發(fā)展可分為三個階段：從上世紀(jì)中葉到90年代中期，信息化表現(xiàn)為以計算、通訊和控制應(yīng)用為主要特征的數(shù)字化階段；從上世紀(jì)九十年代中期開始，互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及應(yīng)用，信息化進(jìn)入了以萬物互聯(lián)為主要特征的網(wǎng)絡(luò)化階段；當(dāng)前，在大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集群突破、融合應(yīng)用的基礎(chǔ)上，人工智能實現(xiàn)戰(zhàn)略性突破，信息化進(jìn)入了以新一代人工智能技術(shù)為主要特征的智能化階段[24]。

綜合智能制造相關(guān)范式，結(jié)合信息化與制造業(yè)在不同階段的融合特征，可以總結(jié)、歸納和提升出三個智能制造的基本范式，也就是：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造——新一代智能制造。

圖 1 智能制造三個基本范式演進(jìn)

2.1 數(shù)字化制造

數(shù)字化制造是智能制造的第一個基本范式，也可稱為第一代智能制造。

智能制造的概念最早出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代[25]，但是由于當(dāng)時應(yīng)用的第一代人工智能技術(shù)還難以解決工程實踐問題，因而那一代智能制造主體上是數(shù)字化制造。

上世紀(jì)下半葉以來，隨著制造業(yè)對于技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)烈需求，以數(shù)字化為主要形式的信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，推動制造業(yè)發(fā)生革命性變化。數(shù)字化制造是在數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)融合的背景下，通過對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行數(shù)字化描述、分析、決策和控制，快速生產(chǎn)出滿足用戶要求的產(chǎn)品[15, 16, 26, 27]。

數(shù)字化制造的主要特征表現(xiàn)為：第一，數(shù)字技術(shù)在產(chǎn)品中得到普遍應(yīng)用，形成“數(shù)字一代”創(chuàng)新產(chǎn)品；第二，廣泛應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計、建模仿真、數(shù)字化裝備、信息化管理；第三，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的集成優(yōu)化。

需要說明的是，數(shù)字化制造是智能制造的基礎(chǔ)，其內(nèi)涵不斷發(fā)展，貫穿于智能制造的三個基本范式和全部發(fā)展歷程。這里定義的數(shù)字化制造是作為第一種基本范式的數(shù)字化制造，是一種相對狹義的定位。國際上也有若干關(guān)于數(shù)字化制造的比較廣義的定義和理論[28]。

2.2 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造是智能制造的第二種基本范式,也可稱為“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，或第二代智能制造[29]。

上世紀(jì)末互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用，“互聯(lián)網(wǎng)+”不斷推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)融合發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)將人、流程、數(shù)據(jù)和事物連接起來，通過企業(yè)內(nèi)、企業(yè)間的協(xié)同和各種社會資源的共享與集成，重塑制造業(yè)的價值鏈，推動制造業(yè)從數(shù)字化制造向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造轉(zhuǎn)變[17, 30-33]。

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造主要特征表現(xiàn)為：第一，在產(chǎn)品方面，數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到普遍應(yīng)用，產(chǎn)品實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)計、研發(fā)實現(xiàn)協(xié)同與共享。第二，在制造方面，實現(xiàn)橫向集成、縱向集成和端到端集成，打通整個制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流、信息流。第三，在服務(wù)方面，企業(yè)與用戶通過網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)聯(lián)接和交互，企業(yè)生產(chǎn)開始從以產(chǎn)品為中心向以用戶為中心轉(zhuǎn)型[34]。

德國“工業(yè)4.0”報告和美國GE“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”報告完整地闡述了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造范式，精辟地提出了實現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造的技術(shù)路線[4, 9, 31, 35-39]。

2.3 新一代智能制造——數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造是智能制造的第三種基本范式，也可稱為新一代智能制造。

近年來，在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展強(qiáng)烈需求以及互聯(lián)網(wǎng)的普及、云計算和大數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展等信息環(huán)境急速變化的共同驅(qū)動下，大數(shù)據(jù)智能、人機(jī)混合增強(qiáng)智能、群體智能、跨媒體智能等新一代人工智能技術(shù)加速發(fā)展，實現(xiàn)了戰(zhàn)略性突破[24, 40, 41]。新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，形成新一代智能制造——數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造。新一代智能制造將重塑設(shè)計、制造、服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期的各環(huán)節(jié)及其集成，催生新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新模式，深刻影響和改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式乃至生活方式和思維模式，實現(xiàn)社會生產(chǎn)力的整體躍升。新一代智能制造將給制造業(yè)帶來革命性的變化，將成為制造業(yè)未來發(fā)展的核心驅(qū)動力。

智能制造的三個基本范式體現(xiàn)了智能制造發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律：一方面，三個基本范式次第展開，各有自身階段的特點和要重點解決的問題，體現(xiàn)著先進(jìn)信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)融合發(fā)展的階段性特征；另一方面，三個基本范式在技術(shù)上并不是絕然分離的，而是相互交織、迭代升級，體現(xiàn)著智能制造發(fā)展的融合性特征。對中國等新興工業(yè)國家而言，應(yīng)發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采取三個基本范式“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。

3. 新一代智能制造引領(lǐng)和推動新一輪工業(yè)革命

3.1 發(fā)展背景

當(dāng)今世界，各國制造企業(yè)普遍面臨著提高質(zhì)量、增加效率、降低成本、快速響應(yīng)的強(qiáng)烈需求，還要不斷適應(yīng)廣大用戶不斷增長的個性化消費需求，應(yīng)對資源能源環(huán)境約束進(jìn)一步加大的挑戰(zhàn)。然而，現(xiàn)有制造體系和制造水平已經(jīng)難以滿足高端化、個性化、智能化產(chǎn)品和服務(wù)增值升級的需求，制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展面臨巨大瓶頸和困難。解決問題，迎接挑戰(zhàn)，迫切需要制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、智能升級[14, 41]。

新一輪工業(yè)革命方興未艾，其根本動力在于新一輪科技革命。新世紀(jì)以來，移動互聯(lián)、超級計算、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)日新月異、飛速發(fā)展[11, 12, 42-48]，并極其迅速地普及應(yīng)用，形成了群體性跨越。這些歷史性的技術(shù)進(jìn)步，集中匯聚在新一代人工智能技術(shù)的戰(zhàn)略性突破，實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[24]。新一代人工智能呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、跨界協(xié)同、人機(jī)融合、群體智能等新特征，為人類提供認(rèn)識復(fù)雜系統(tǒng)的新思維、改造自然和社會的新技術(shù)。當(dāng)然，新一代人工智能技術(shù)還在極速發(fā)展的進(jìn)程中，將繼續(xù)從“弱人工智能”邁向“強(qiáng)人工智能”，不斷拓展人類“腦力”，應(yīng)用范圍將無所不在。新一代人工智能已經(jīng)成為新一輪科技革命的核心技術(shù)，為制造業(yè)革命性的產(chǎn)業(yè)升級提供了歷史性機(jī)遇，正在形成推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的巨大引擎。世界各國都把新一代人工智能的發(fā)展擺在了最重要的位置[49, 50]。

新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，形成了新一代智能制造技術(shù)，成為了新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力。

3.2 新一代智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科技創(chuàng)新是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的根本動力。第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命分別以蒸汽機(jī)和電力的發(fā)明和應(yīng)用為根本動力，極大地提高了生產(chǎn)力，人類社會進(jìn)入了現(xiàn)代工業(yè)社會。第三次工業(yè)革命，以計算、通訊、控制等信息技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用為標(biāo)志，持續(xù)將工業(yè)發(fā)展推向新高度[51]。

新世紀(jì)以來，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化使得信息的獲取、使用、控制以及共享變得極其快速和普及，進(jìn)而，新一代人工智能突破和應(yīng)用進(jìn)一步提升了制造業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化的水平，其最本質(zhì)的特征是具備認(rèn)知和學(xué)習(xí)的能力，具備生成知識和更好地運用知識的能力，這樣就從根本上提高工業(yè)知識產(chǎn)生和利用的效率，極大地解放人的體力和腦力，使創(chuàng)新的速度大大加快，應(yīng)用的范圍更加泛在，從而推動制造業(yè)發(fā)展步入新階段，即數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造——新一代智能制造。如果說數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造是新一輪工業(yè)革命的開始，那么新一代智能制造的突破和廣泛應(yīng)用將推動形成新工業(yè)革命的高潮，將重塑制造業(yè)的技術(shù)體系、生產(chǎn)模式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)，并將引領(lǐng)真正意義上的“工業(yè)4.0”，實現(xiàn)新一輪工業(yè)革命。

3.3 愿景

制造系統(tǒng)將具備越來越強(qiáng)大的智能，特別是越來越強(qiáng)大的認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力，人的智慧與機(jī)器智能相互啟發(fā)性地增長，使制造業(yè)的知識型工作向自主智能化的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而突破當(dāng)今制造業(yè)發(fā)展所面臨的瓶頸和困難。

新一代智能制造中，產(chǎn)品呈現(xiàn)高度智能化、宜人化，生產(chǎn)制造過程呈現(xiàn)高質(zhì)、柔性、高效、綠色等特征，產(chǎn)業(yè)模式發(fā)生革命性的變化，服務(wù)型制造業(yè)與生產(chǎn)型服務(wù)業(yè)大發(fā)展，進(jìn)而共同優(yōu)化集成新型制造大系統(tǒng)，全面重塑制造業(yè)價值鏈，極大提高制造業(yè)的創(chuàng)新力和競爭力。

新一代智能制造將給人類社會帶來革命性變化。人與機(jī)器的分工將產(chǎn)生革命性變化，智能機(jī)器將替代人類大量體力勞動和相當(dāng)部分的腦力勞動，人類可更多地從事創(chuàng)造性工作；人類工作生活環(huán)境和方式將朝著以人為本的方向邁進(jìn)。同時，新一代智能制造將有效減少資源與能源的消耗和浪費，持續(xù)引領(lǐng)制造業(yè)綠色發(fā)展、和諧發(fā)展。

4. 新一代智能制造的技術(shù)機(jī)理：“人-信息-物理系統(tǒng)”（HCPS）

智能制造涉及智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)以及智能服務(wù)等多個方面及其優(yōu)化集成。從技術(shù)機(jī)理角度看，這些不同方面盡管存在差異，但本質(zhì)上是一致的，下面以生產(chǎn)過程為例進(jìn)行分析。

4.1 傳統(tǒng)制造與“人-物理系統(tǒng)”

傳統(tǒng)制造系統(tǒng)包含人和物理系統(tǒng)兩大部分，是完全通過人對機(jī)器的操作控制去完成各種工作任務(wù)（如圖2(a)所示）。動力革命極大提高了物理系統(tǒng)（機(jī)器）的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，物理系統(tǒng)（機(jī)器）代替了人類大量體力勞動。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，要求人完成信息感知、分析決策、操作控制以及認(rèn)知學(xué)習(xí)等多方面任務(wù)，不僅對人的要求高，勞動強(qiáng)度仍然大，而且系統(tǒng)工作效率、質(zhì)量和完成復(fù)雜工作任務(wù)的能力還很有限。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)可抽象描述為圖2(b)所示的“人-物理系統(tǒng)”（HPS—Human-Physical Systems）。

4.2 數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造與“人-信息-物理系統(tǒng)”

與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，第一代和第二代智能制造系統(tǒng)發(fā)生的本質(zhì)變化是，在人和物理系統(tǒng)之間增加了信息系統(tǒng)，信息系統(tǒng)可以代替人類完成部分腦力勞動，人的相當(dāng)部分的感知、分析、決策功能向信息系統(tǒng)復(fù)制遷移，進(jìn)而可以通過信息系統(tǒng)來控制物理系統(tǒng)，以代替人類完成更多的體力勞動，如圖3所示。

圖3 第一代和第二代智能制造系統(tǒng)

第一代和第二代智能制造系統(tǒng)通過集成人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，系統(tǒng)的能力尤其是計算分析、精確控制以及感知能力都得以很大提高。一方面，系統(tǒng)的工作效率、質(zhì)量與穩(wěn)定性均得以顯著提升；另一方面，人的相關(guān)制造經(jīng)驗和知識轉(zhuǎn)移到信息系統(tǒng)，能夠有效提高人的知識的傳承和利用效率。制造系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“人-物理系統(tǒng)”向 “人-信息-物理系統(tǒng)”（HCPS—Human-Cyber-Physical Systems）的演變可進(jìn)一步用圖4進(jìn)行抽象描述[11, 52, 53]。

信息系統(tǒng)（Cyber system）的引入使得制造系統(tǒng)同時增加了“人-信息系統(tǒng)”（HCS—Human-Cyber Systems）和“信息-物理系統(tǒng)”（CPS—Cyber-Physical Systems）。其中，“信息-物理系統(tǒng)”（CPS）是非常重要的組成部分。美國在本世紀(jì)初提出了CPS的理論[54]，德國將其作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)。“信息-物理系統(tǒng)”（CPS）在工程上的應(yīng)用是實現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的完美映射和深度融合， “數(shù)字孿生體”（Digital Twin）即是

最為基本而關(guān)鍵的技術(shù)，由此，制造系統(tǒng)的性能與效率可大大提高[13, 30, 37, 55, 56]。

圖4 從“人-物理系統(tǒng)”到“人-信息-物理系統(tǒng)”

4.3 新一代智能制造與新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”

新一代智能制造系統(tǒng)最本質(zhì)的特征是其信息系統(tǒng)增加了認(rèn)知和學(xué)習(xí)的功能，信息系統(tǒng)不僅具有強(qiáng)大的感知、計算分析與控制能力，更具有了學(xué)習(xí)提升、產(chǎn)生知識的能力，如圖5所示。

圖5 新一代智能制造系統(tǒng)的基本機(jī)理

在這一階段，新一代人工智能技術(shù)將使“人-信息-物理系統(tǒng)”發(fā)生質(zhì)的變化，形成新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”（如圖6所示）。主要變化在于：第一，人將部分認(rèn)知與學(xué)習(xí)型的腦力勞動轉(zhuǎn)移給信息系統(tǒng)，因而信息系統(tǒng)具有了“認(rèn)知和學(xué)習(xí)”的能力，人和信息系統(tǒng)的關(guān)系發(fā)生了根本性的變化，即從“授之以魚”發(fā)展到“授之以漁”；第二，通過“人在回路”的混合增強(qiáng)智能，人機(jī)深度融合將從本質(zhì)上提高制造系統(tǒng)處理復(fù)雜性、不確定性問題的能力，極大優(yōu)化制造系統(tǒng)的性能[52, 57]。

圖6 新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”

新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”中，HCS、HPS和CPS都將實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。