走向新一代智能制造！

走向新一代智能制造！

1、引言

面對新一輪工業革命，《中國制造2025》明確提出，要以新一代信息技術與制造業深度融合為主線，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“先進制造業伙伴計劃”[2, 3]、德國提出“工業4.0戰略計劃”[4]、英國提出“工業2050”[5]、法國 提出“新工業法國計劃”[6]、日本提出“社會5.0戰略”[7]、韓國提出“制造業創新3.0計劃”[8]，都將發展智能制造作為本國構建制造業競爭優勢的關鍵舉措。

新世紀以來，新一代信息技術呈現爆發式增長，數字化網絡化智能化技術在制造業廣泛應用，制造系統集成式創新不斷發展，形成了新一輪工業革命的主要驅動力。特別是，新一代智能制造作為新一輪工業革命的核心技術，正在引發制造業在發展理念、制造模式等方面重大而深刻的變革，正在重塑制造業的發展路徑、技術體系以及產業業態，從而推動全球制造業發展步入新階段[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]，是先進信息技術與先進制造技術的深度融合，貫穿于產品設計、制造、服務等全生命周期的各個環節及相應系統的優化集成，旨在不斷提升企業的產品質量、效益、服務水平，減少資源消耗，推動制造業創新、綠色、協調、開放、共享發展。

數十年來，智能制造在實踐演化中形成了許多不同的相關范式，包括精益生產、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數字化制造、計算機集成制造、網絡化制造、云制造、智能化制造等[15-23]，在指導制造業技術升級中發揮了積極作用。但同時，眾多的范式不利于形成統一的智能制造技術路線，給企業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的新技術、新理念、新模式，有必要歸納總結提煉出基本范式。

綜合智能制造相關范式，結合信息化與制造業在不同階段的融合特征，可以總結、歸納和提升出三個智能制造的基本范式，也就是：數字化制造、數字化網絡化制造、數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造。

圖 1 智能制造三個基本范式演進

2.1 數字化制造

數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字化制造。

上世紀下半葉以來，隨著制造業對于技術進步的強烈需求，以數字化為主要形式的信息技術廣泛應用于制造業，推動制造業發生革命性變化。數字化制造是在數字化技術和制造技術融合的背景下，通過對產品信息、工藝信息和資源信息進行數字化描述、分析、決策和控制，快速生產出滿足用戶要求的產品[15, 16, 26, 27]。

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

2.2 數字化網絡化制造

數字化網絡化制造是智能制造的第二種基本范式,也可稱為“互聯網+制造”，或第二代智能制造[29]。

上世紀末互聯網技術開始廣泛應用，“互聯網+”不斷推進互聯網和制造業融合發展，網絡將人、流程、數據和事物連接起來，通過企業內、企業間的協同和各種社會資源的共享與集成，重塑制造業的價值鏈，推動制造業從數字化制造向數字化網絡化制造轉變[17, 30-33]。

數字化網絡化制造主要特征表現為：第一，在產品方面，數字技術、網絡技術得到普遍應用，產品實現網絡連接，設計、研發實現協同與共享。第二，在制造方面，實現橫向集成、縱向集成和端到端集成，打通整個制造系統的數據流、信息流。第三，在服務方面，企業與用戶通過網絡平臺實現聯接和交互，企業生產開始從以產品為中心向以用戶為中心轉型[34]。

德國“工業4.0”報告和美國GE“工業互聯網”報告完整地闡述了數字化網絡化制造范式，精辟地提出了實現數字化網絡化制造的技術路線[4, 9, 31, 35-39]。

2.3 新一代智能制造——數字化網絡化智能化制造

數字化網絡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。

智能制造的三個基本范式體現了智能制造發展的內在規律：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，體現著先進信息技術與先進制造技術融合發展的階段性特征；另一方面，三個基本范式在技術上并不是絕然分離的，而是相互交織、迭代升級，體現著智能制造發展的融合性特征。對中國等新興工業國家而言，應發揮后發優勢，采取三個基本范式“并行推進、融合發展”的技術路線。

3. 新一代智能制造引領和推動新一輪工業革命

3.1 發展背景

當今世界，各國制造企業普遍面臨著提高質量、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，應對資源能源環境約束進一步加大的挑戰。然而，現有制造體系和制造水平已經難以滿足高端化、個性化、智能化產品和服務增值升級的需求，制造業的進一步發展面臨巨大瓶頸和困難。解決問題，迎接挑戰，迫切需要制造業的技術創新、智能升級[14, 41]。

新一代人工智能技術與先進制造技術的深度融合，形成了新一代智能制造技術，成為了新一輪工業革命的核心驅動力。

3.2 新一代智能制造是新一輪工業革命的核心技術

科學技術是第一生產力，科技創新是經濟社會發展的根本動力。第一次工業革命和第二次工業革命分別以蒸汽機和電力的發明和應用為根本動力，極大地提高了生產力，人類社會進入了現代工業社會。第三次工業革命，以計算、通訊、控制等信息技術的創新與應用為標志，持續將工業發展推向新高度[51]。

新世紀以來，數字化和網絡化使得信息的獲取、使用、控制以及共享變得極其快速和普及，進而，新一代人工智能突破和應用進一步提升了制造業數字化網絡化智能化的水平，其最本質的特征是具備認知和學習的能力，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知識產生和利用的效率，極大地解放人的體力和腦力，使創新的速度大大加快，應用的范圍更加泛在，從而推動制造業發展步入新階段，即數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造。如果說數字化網絡化制造是新一輪工業革命的開始，那么新一代智能制造的突破和廣泛應用將推動形成新工業革命的高潮，將重塑制造業的技術體系、生產模式、產業形態，并將引領真正意義上的“工業4.0”，實現新一輪工業革命。

3.3 愿景

制造系統將具備越來越強大的智能，特別是越來越強大的認知和學習能力，人的智慧與機器智能相互啟發性地增長，使制造業的知識型工作向自主智能化的方向發生轉變，進而突破當今制造業發展所面臨的瓶頸和困難。

新一代智能制造中，產品呈現高度智能化、宜人化，生產制造過程呈現高質、柔性、高效、綠色等特征，產業模式發生革命性的變化，服務型制造業與生產型服務業大發展，進而共同優化集成新型制造大系統，全面重塑制造業價值鏈，極大提高制造業的創新力和競爭力。

新一代智能制造將給人類社會帶來革命性變化。人與機器的分工將產生革命性變化，智能機器將替代人類大量體力勞動和相當部分的腦力勞動，人類可更多地從事創造性工作；人類工作生活環境和方式將朝著以人為本的方向邁進。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，持續引領制造業綠色發展、和諧發展。

4. 新一代智能制造的技術機理：“人-信息-物理系統”（HCPS）

智能制造涉及智能產品、智能生產以及智能服務等多個方面及其優化集成。從技術機理角度看，這些不同方面盡管存在差異，但本質上是一致的，下面以生產過程為例進行分析。

4.1 傳統制造與“人-物理系統”

傳統制造系統包含人和物理系統兩大部分，是完全通過人對機器的操作控制去完成各種工作任務（如圖2(a)所示）。動力革命極大提高了物理系統（機器）的生產效率和質量，物理系統（機器）代替了人類大量體力勞動。傳統制造系統中，要求人完成信息感知、分析決策、操作控制以及認知學習等多方面任務，不僅對人的要求高，勞動強度仍然大，而且系統工作效率、質量和完成復雜工作任務的能力還很有限。傳統制造系統可抽象描述為圖2(b)所示的“人-物理系統”（HPS—Human-Physical Systems）。

4.2 數字化制造、數字化網絡化制造與“人-信息-物理系統”

與傳統制造系統相比，第一代和第二代智能制造系統發生的本質變化是，在人和物理系統之間增加了信息系統，信息系統可以代替人類完成部分腦力勞動，人的相當部分的感知、分析、決策功能向信息系統復制遷移，進而可以通過信息系統來控制物理系統，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

第一代和第二代智能制造系統通過集成人、信息系統和物理系統的各自優勢，系統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，系統的工作效率、質量與穩定性均得以顯著提升；另一方面，人的相關制造經驗和知識轉移到信息系統，能夠有效提高人的知識的傳承和利用效率。制造系統從傳統的“人-物理系統”向 “人-信息-物理系統”（HCPS—Human-Cyber-Physical Systems）的演變可進一步用圖4進行抽象描述[11, 52, 53]。

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

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

圖4 從“人-物理系統”到“人-信息-物理系統”

4.3 新一代智能制造與新一代“人-信息-物理系統”

新一代智能制造系統最本質的特征是其信息系統增加了認知和學習的功能，信息系統不僅具有強大的感知、計算分析與控制能力，更具有了學習提升、產生知識的能力，如圖5所示。

圖5 新一代智能制造系統的基本機理

在這一階段，新一代人工智能技術將使“人-信息-物理系統”發生質的變化，形成新一代“人-信息-物理系統”（如圖6所示）。主要變化在于：第一，人將部分認知與學習型的腦力勞動轉移給信息系統，因而信息系統具有了“認知和學習”的能力，人和信息系統的關系發生了根本性的變化，即從“授之以魚”發展到“授之以漁”；第二，通過“人在回路”的混合增強智能，人機深度融合將從本質上提高制造系統處理復雜性、不確定性問題的能力，極大優化制造系統的性能[52, 57]。

圖6 新一代“人-信息-物理系統”

新一代“人-信息-物理系統”中，HCS、HPS和CPS都將實現質的飛躍。

新一代智能制造，進一步突出了人的中心地位，是統籌協調“人”、“信息系統”和“物理系統”的綜合集成大系統；將使制造業的質量和效率躍升到新的水平，為人民的美好生活奠定更好的物質基礎；將使人類從更多體力勞動和大量腦力勞動中解放出來，使得人類可以從事更有意義的創造性工作，人類社會開始真正進入“智能時代”[10-12, 51]。

圖7 從“人-物理系統”到新一代“人-信息-物理系統”

總之，制造業從傳統制造向新一代智能制造發展的過程是從原來的“人-物理”二元系統向新一代“人-信息-物理”三元系統進化的過程（圖7所示）。新一代“人-信息-物理系統”揭示了新一代智能制造的技術機理，能夠有效指導新一代智能制造的理論研究和工程實踐。

5. 新一代智能制造的系統組成與系統集成

新一代智能制造是一個大系統，主要由智能產品、智能生產及智能服務三大功能系統以及工業智聯網和智能制造云兩大支撐系統集合而成（如圖8所示）。

圖8 新一代智能制造的系統集成

新一代智能制造技術是一種核心使能技術，可廣泛應用于離散型制造和流程型制造的產品創新、生產創新、服務創新等制造價值鏈全過程創新與優化。

5.1 智能產品與制造裝備

產品和制造裝備是智能制造的主體，其中，產品是智能制造的價值載體，制造裝備是實施智能制造的前提和基礎[58]。

新一代人工智能和新一代智能制造將給產品與制造裝備創新帶來無限空間，使產品與制造裝備產生革命性變化，從"數字一代"整體躍升至"智能一代"。從技術機理看，"智能一代"產品和制造裝備也就是具有新一代HCPS特征的、高度智能化、宜人化、高質量、高性價比的產品與制造裝備。

設計是產品創新的最重要環節，智能優化設計、智能協同設計、與用戶交互的智能定制、基于群體智能的“眾創”等都是智能設計的重要內容。研發具有新一代HCPS特征的智能設計系統也是發展新一代智能制造的核心內容之一。

5.2 智能生產

智能生產是新一代智能制造的主線[40, 59, 60]。

智能產線、智能車間、智能工廠是智能生產的主要載體[61-63]。新一代智能制造將解決復雜系統的精確建模、實時優化決策等關鍵問題，形成自學習、自感知、自適應、自控制的智能產線、智能車間和智能工廠，實現產品制造的高質、柔性、高效、安全與綠色。

5.3 智能服務

以智能服務為核心的產業模式變革是新一代智能制造的主題[64, 65]。

在智能時代，市場、銷售、供應、運營維護等產品全生命周期服務，均因物聯網、大數據、人工智能等新技術而賦予其全新的內容。

新一代人工智能技術的應用將催生制造業新模式、新業態：一是，從大規模流水線生產轉向規模化定制生產；二是，從生產型制造向服務型制造轉變，推動服務型制造業與生產型服務業大發展，共同形成大制造新業態。制造業產業模式將實現從以產品為中心向以用戶為中心的根本性轉變，完成深刻的供給側結構性改革。

5.4 智能制造云與工業智聯網

智能制造云和工業智聯網是支撐新一代智能制造的基礎[9, 20, 31, 44, 66, 67]。

隨著新一代通訊技術、網絡技術、云技術和人工智能技術的發展和應用，智能制造云和工業智聯網將實現質的飛躍。智能制造云和工業智聯網將由智能網絡體系、智能平臺體系和智能安全體系組成，為新一代智能制造生產力和生產方式變革提供發展的空間和可靠的保障[68]。

5.5 系統集成

新一代智能制造內部和外部均呈現出前所未有的系統“大集成”特征：

一方面是制造系統內部的“大集成”。企業內部設計、生產、銷售、服務、管理過程等實現動態智能集成，即縱向集成；企業與企業之間基于工業智聯網與智能云平臺，實現集成、共享、協作和優化，即橫向集成[69-72]。

另一方面是制造系統外部的“大集成”。制造業與金融業、上下游產業的深度融合形成服務型制造業和生產性服務業共同發展的新業態。智能制造與智能城市、智能農業、智能醫療乃至智能社會交融集成，共同形成智能制造“生態大系統”。

新一代智能制造系統大集成具有大開放的顯著特征，具有集中與分布、統籌與精準、包容與共享的特性，具有廣闊的發展前景。

6. 并行推進、融合發展——中國推進智能制造的技術路線

在西方發達國家，智能制造是一個“串聯式”的發展過程，他們是用幾十年時間充分發展數字化制造之后，再發展數字化網絡化制造，進而邁向更高級的智能制造階段[16]。在中國，制造業對于智能升級有著極為強烈的需求，近年來技術進步也很快，但是總體而言，中國智能制造的基礎非常薄弱，大多數企業，特別是廣大中小企業，還沒有完成數字化制造轉型。面對這樣的現實，中國如何推進制造業的技術改造、智能升級？

首先，必須實事求是，中國企業在推進智能升級的過程中要踏踏實實地完成數字化“補課”，夯實智能制造發展的基礎；同時，不必走西方發達國家“順序發展”的路徑，努力探索一條智能制造跨越式發展的新路。

近幾年，中國制造業界大力推進“互聯網+制造”。一方面， 一批數字化制造基礎較好的企業成功轉型，實現了數字化網絡化制造；另一方面， 部分原來還未實現數字化制造的企業，則采用并行推進數字化制造和數字化網絡化制造的技術路線，在完成了數字化制造“補課”的同時，成功實現了向數字化網絡化制造的跨越。這給我們提供了成功的經驗。

中國推進智能制造，應采取“并聯式”的發展方式，采用“并行推進、融合發展”的技術路線：并行推進數字化制造、數字化網絡化制造、新一代智能制造，以及時充分應用高速發展的先進信息技術和先進制造技術的融合式技術創新，引領和推進中國制造業的智能轉型。

未來若干年，考慮到中國智能制造發展的現狀，也考慮到新一代智能制造技術還不成熟，中國制造業轉型升級的工作重點要放在大規模推廣和全面應用“互聯網+制造”；同時，在大力普及“互聯網+制造”的過程中，要特別重視各種先進技術的融合應用，“以高打低、融合發展”。一方面，使得廣大企業都能高質量完成“數字化補課”；另一方面，盡快盡好應用新一代智能制造技術，大大加速制造業轉型升級的速度。

再過若干年，在新一代智能制造技術基本成熟之后，中國制造業將進入全面推廣應用普及新一代智能制造的新階段。

我國在推動三個基本范式“融合發展”時，必須制定統一的標準。未來數十年，我國企業在智能升級過程中，將普遍面臨多次范式轉化和技術升級，必須高度重視制定和實行智能制造的相關標準，為后續發展做好準備，避免企業的低水平重復建設，有利于我國推進智能制造的分階段實施和不斷升級。

在實施“并行推進、融合發展”這一技術路線的過程中，要強調“五個堅持”的方針。

一是堅持“創新引領”。緊緊抓住新一代智能制造帶來的歷史性機遇，充分利用互聯網、大數據、人工智能等先進技術，瞄準高端方向，加快研究、開發、示范、推廣和應用新一代智能制造技術，用創新引領和推動制造業生產質量和效率提升，實現中國制造業由大變強。

二是堅持“因企制宜”。推動智能制造，要充分激發企業的內生動力。中國的企業參差不齊，實現智能轉型不能搞“一刀切”，各個企業特別是廣大中小企業，要結合企業發展實情，充分考慮技術先進性和技術經濟性的平衡，實事求是地應用適合自己轉型升級的技術路徑。

三是堅持“產業升級”。推動智能制造不能僅僅停留在典型、示范、部分制造環節或者部分制造領域，而是要著眼于廣大企業、各個行業和整個制造產業，推動中國制造業質量變革、效率變革、動力變革，實現中國制造業全方位的智能化轉型升級。

四是堅持建設良好的發展生態。各級政府、科技界、學界、金融界等社會各界要共同營造良好的生態環境，幫助和支持企業特別是廣大中小企業的智能升級。營造“大眾創業、萬眾創新”的良好環境；建設“用產學研金政”緊密結合的智能制造技術創新體系；形成從事推廣應用各種共性使能技術和提供系統解決方案的新興企業集群。

推進智能制造成敗的關鍵在于人才，要以人為本，動員各方力量，努力培養一代智能制造優秀人才。

五是堅持開放與協同創新。中國制造業界要不斷擴大與世界各國制造業界的交流，實行更高水平的開放。中國的市場是開放的市場，中國的創新體系是開放的創新體系。我們要和世界制造業的同行們共同努力，共同推進新一代智能制造，共同推進新一輪工業革命，使制造業更好地為人類造福。

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