近日，中國工程院院刊《Engineering》推出最新觀點性文章“走向新一代智能制造”，作者周濟、李培根、周艷紅等，文章指出智能制造是一個不斷演進發(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)與先進制造技術(shù)的深度融合，是新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力。“人-信息-物理系統(tǒng)”（HCPS）揭示了新一代智能制造的技術(shù)機理，能夠有效指導新一代智能制造的理論研究和工程實踐。推進制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型應采取“并行推進、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。
走向新一代智能制造
智能制造是一個不斷演進發(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)機理，能夠有效指導新一代智能制造的理論研究和工程實踐?；谥悄苤圃烊齻€基本范式次第展開、相互交織、迭代升級的特征，推進制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型應采取“并行推進、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。
關(guān)鍵詞： 先進制造，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，融合發(fā)展
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]。
廣義而論，智能制造是一個大概念[10, 14]，是先進信息技術(shù)與先進制造技術(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步。全球信息化發(fā)展可分為三個階段：從上世紀中葉到90年代中期，信息化表現(xiàn)為以計算、通訊和控制應用為主要特征的數(shù)字化階段；從上世紀九十年代中期開始，互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及應用，信息化進入了以萬物互聯(lián)為主要特征的網(wǎng)絡(luò)化階段；當前，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、融合應用的基礎(chǔ)上，人工智能實現(xiàn)戰(zhàn)略性突破，信息化進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。
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80年代[25]，但是由于當時應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。
上世紀下半葉以來，隨著制造業(yè)對于技術(shù)進步的強烈需求，以數(shù)字化為主要形式的信息技術(shù)廣泛應用于制造業(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, 43, 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)品中得到普遍應用，形成“數(shù)字一代”創(chuàng)新產(chǎn)品；第二，廣泛應用數(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]。
上世紀末互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始廣泛應用，“互聯(lián)網(wǎng)+”不斷推進互聯(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)濟社會發(fā)展強烈需求以及互聯(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、人機混合增強智能、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)著先進信息技術(shù)與先進制造技術(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，應發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采取三個基本范式“并行推進、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。
3.1 發(fā)展背景
當今世界，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、快速響應的強烈需求，還要不斷適應廣大用戶不斷增長的個性化消費需求，應對資源能源環(huán)境約束進一步加大的挑戰(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用，形成了群體性跨越。這些歷史性的技術(shù)進步，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)出深度學習、跨界協(xié)同、人機融合、群體智能等新特征，為人類提供認識復雜系統(tǒng)的新思維、改造自然和社會的新技術(shù)。當然，新一代人工智能技術(shù)還在極速發(fā)展的進程中，將繼續(xù)從“弱人工智能”邁向“強人工智能”，不斷拓展人類“腦力”，應用范圍將無所不在。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遇，正在形成推動經(jīng)濟社會發(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]。
