智能制造的基本范式與“并行推進、融合發(fā)展”的技術(shù)

廣義而論，智能制造是一個大概念，一個不斷演進的大系統(tǒng)，是新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務全生命周期的各個環(huán)節(jié)，以及相應系統(tǒng)的優(yōu)化集成，實現(xiàn)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務水平，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展。

智能制造作為制造業(yè)和信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，它的誕生和演變是和信息化發(fā)展相伴而生的。智能制造在演進發(fā)展當中總結(jié)出來三種智能制造的三種范式，即數(shù)字化制造，數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造就是“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造也就是新一代智能制造。

1.數(shù)字化制造。國際上稱之為Digital Manufacturing。數(shù)字化制造是智能制造的第一種基本范式，也可以稱之為第一代智能制造。上個世紀下半葉以來，以數(shù)字化為主要內(nèi)容的信息技術(shù)，廣泛應用于制造業(yè)，形成了“數(shù)字一代”創(chuàng)新產(chǎn)品，數(shù)字和制造系統(tǒng)和數(shù)字化企業(yè)。20世紀80年代以來，我國企業(yè)逐步推進應用數(shù)字化制造，取得了巨大的技術(shù)進步，同時我們必須清醒的認識到，我國大多數(shù)企業(yè)還沒有完成數(shù)字化制造的轉(zhuǎn)型，我國在推進智能制造過程當中，必須踏踏實實地完成數(shù)字化“補課”，進一步夯實智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)。

2.“互聯(lián)網(wǎng)+制造”。國際上稱之為smart Manufacturing，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化制造是智能制造的第二種基本范式，也可以稱之為“互聯(lián)網(wǎng)+制造”或者第二代智能制造。20世紀末，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始廣泛應用，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。德國“工業(yè)4.0”和美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”完善地闡述了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造范式，完美地提出了實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制造的技術(shù)路線。過去這幾年，我國工業(yè)界大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，一方面一批數(shù)字化制造基礎(chǔ)較好的企業(yè)成功實現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的升級，另一方面大量原來還沒有完成數(shù)字化改造的企業(yè)，采用并行推進數(shù)字化制造和“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的技術(shù)路線，完成了數(shù)字化制造的“補課”，同時跨越到了“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的階段。

3.新一代智能制造——數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造。國際上稱之IntelligentManufactunring。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造是智能制造第三種基本范式，也可以稱之為新一代智能制造，新一代人工智能技術(shù)和先進制造技術(shù)的深度融合，形成了新一代智能制造，新一代智能制造是真正意義上的制造，將從根本上引領(lǐng)和推進新一輪工業(yè)革命。

4.“并行推進融合發(fā)展的技術(shù)路線”。智能制造的三個基本范式體現(xiàn)智能制造發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，一方面三個基本范式是次第展開各有自身階段的特點和需要重點解決的問題，體現(xiàn)著先進信息技術(shù)和制造技術(shù)融合發(fā)展的階段性特征。另外一方面，三個基本范式在技術(shù)上相互交織，迭代升級，體現(xiàn)了智能制造發(fā)展的融合性特征。

智能制造在西方發(fā)達國家是一個“串聯(lián)式”的發(fā)展過程，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是西方順序發(fā)展智能制造的三個階段。我們國家應該發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采取三個基本范式并行融合發(fā)展的技術(shù)路線，走一條數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化并行推進的智能制造創(chuàng)新之路。一方面，我國必須堅持“創(chuàng)新引領(lǐng)”，直接利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等最先進的技術(shù)，推進先進信息技術(shù)和制造技術(shù)的深度融合。另一方面，我們必須實事求是、因企制宜、循序漸進地推進企業(yè)的技術(shù)改造、智能升級，充分利用我國推進“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的成功實踐給我們提供的重要啟示和寶貴經(jīng)驗，企業(yè)根據(jù)自身發(fā)展的實際需要“以高打低”采取先進的技術(shù)解決傳統(tǒng)制造難以解決的問題，扎扎實實的完成好數(shù)字化顧客“補課”。同時，向更高的智能制造水平邁進。

新一代智能制造引領(lǐng)和推動新一輪工業(yè)革命

1.新一代智能制造的發(fā)展背景。一方面是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的強烈需求，制造業(yè)急需一場革命性的產(chǎn)業(yè)升級。另一方面，是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的歷史性機遇。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，并極其迅速的普及應用，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，新一代人工智能最本質(zhì)的特征是具備了認知和學習的能力，具備了生成知識和更好地運用知識的能力，實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。當然，新一代人工智能技術(shù)還在急速發(fā)展的進程中，將繼續(xù)從弱人工智能邁向強人工智能，應用范圍將更加無所不在。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)，正在形成推動經(jīng)濟社會發(fā)展的巨大引擎。

我國充分認識到新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展，將深刻改變?nèi)祟惿?、社會生活，改變世界，發(fā)布了發(fā)展規(guī)劃，以抓住機遇，搶占先機，世界主要發(fā)達國家也都把人工智能的發(fā)展擺在了最重要的位置。

新一代人工智能技術(shù)與先進制造技術(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。如果說數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、“互聯(lián)網(wǎng)+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用將推動形成這次工業(yè)革命的高潮，引領(lǐng)真正意義上的“工業(yè)4.0”，實現(xiàn)第四次工業(yè)革命。

2.新一代智能制造的基本原理。人一信息一物理系統(tǒng)（HCPS）。傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)包含人和物理系統(tǒng)兩大部分，是通過人對機器的直接操作控制去完成各種工作任務，它的原理就是“人一物理系統(tǒng)”（HCPS），跟傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比較，第一代和第二代智能制造系統(tǒng)發(fā)生的最本質(zhì)的變化是什么呢7就是在人和物理系統(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，人的相當部分的感知、分析、決策功能向信息系統(tǒng)復制遷移，進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。在這樣一個階段，制造系統(tǒng)從人一物理演變?yōu)椤叭艘恍畔⑽锢硐到y(tǒng)（HCPS），后者對于前者最本質(zhì)的進步在于增加信息系統(tǒng)（cybersystem），后者對前者最本質(zhì)的進步在于增加了信息系統(tǒng)，從二元系統(tǒng)進化成了三元系統(tǒng)。大家都比較熟悉的CPS，在HCPS當中信息物理系統(tǒng)CPS-Cyber-Physical Systems）是非常重要的組成部分，美國在20世紀90年代初提出了CPS理論，德國將它作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，CPS實現(xiàn)了信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合，即實現(xiàn)了數(shù)字雙胞胎（Digital Twin），成為實現(xiàn)第一代和第二代智能制造的技術(shù)基礎(chǔ)。

新一代智能制造系統(tǒng)最本質(zhì)的特征是其信息系統(tǒng)增加了認知和學習的功能。在這樣一個階段，新一代人工智能技術(shù)將使得人一信息一物理系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化，形成新一代人一信息一信息系統(tǒng)（HCPS2.0），它主要的變化在于兩個方面：第一，人將部分認知與學習型的腦力勞動轉(zhuǎn)移給了信息系統(tǒng)，因而信息系統(tǒng)具有了認知和學習的能力，人和信息系統(tǒng)的關(guān)系發(fā)生了根本性的變化，就是從授之以魚發(fā)展到了授之以漁。第二通過人在回路的的混合增強智能，人機深度融合將從本質(zhì)上提高制造系統(tǒng)處理復雜性，不確定性問題的能力，極大地提高制造系統(tǒng)的性能。新一代智能制造進一步突出人的中心地位，是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)人一信息系統(tǒng)一物理系統(tǒng)的綜合集成大系統(tǒng)，將使得人類從更多的體力勞動和大量的腦力勞動當中解放出來，從使得人類可以從事更有意義的創(chuàng)造性工作，人類的思維進一步向互聯(lián)網(wǎng)思維、大數(shù)據(jù)思維和人工智能思維轉(zhuǎn)變，人類系統(tǒng)開始進入智能時代。

3.新一代智能制造的系統(tǒng)集成。新一代智能制造是一個大系統(tǒng)，主要是由智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)和智能服務三大功能系統(tǒng)以及智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)兩大支撐系統(tǒng)集合而成，是一個集成大系統(tǒng)。

（1）智能產(chǎn)品和裝備是新一代智能制造的主體。新一代人工智能技術(shù)的融入使得產(chǎn)品和裝備發(fā)生革命性變化。我們從智能手機和智能汽車的飛速發(fā)展，可以想像，智能產(chǎn)品和裝備未來的發(fā)展前景。我們現(xiàn)在使用的智能手機計算能力遠遠超過當年的超級計算機Cray-2，最新上市的iPhone x和華為mate10已經(jīng)搭載了人工智能芯片，開始具有了學習功能。不久的將來，新一代人工智能將全面應用到手機上，智能手機將發(fā)生什么樣的變化呢？我們充滿了熱切的期待。近期，智能汽車的快速發(fā)展遠遠超出了人們的預想。汽車正在經(jīng)歷著從燃油汽車向數(shù)字化電動汽車，向網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展歷程，現(xiàn)在正朝著無人駕駛汽車，向智能化汽車的方向急速前進。

新一代智能制造技術(shù)，將為產(chǎn)品和裝備的創(chuàng)新插上騰飛的翅膀、開辟更為廣闊的天地。我們可以想象到2035年，各種產(chǎn)品和裝備都將從數(shù)字一代發(fā)展能智能一代，升級成為智能產(chǎn)品和裝備，一方面涌現(xiàn)出一大批先進的智能產(chǎn)品，如智能終端、智能家居、智能服務機器人、智能玩具等，為人民更加美好的生活服務。另一方面，我們將著重推進重點領(lǐng)域重大裝備的智能升級，各種信息制造裝備、航天航空裝備、船舶海洋裝備、汽車、火車、能源裝備、醫(yī)療裝備、農(nóng)業(yè)裝備等特別是大力發(fā)展智能制造裝備，如智能機器人、智能機床等。我們的“大國重器”將裝備“工業(yè)大腦”，更加先進、更加強大。

（2）智能生產(chǎn)是新一代智能制造系統(tǒng)的主線。智能工廠是智能生產(chǎn)的主要載體。智能工廠根據(jù)行業(yè)的不同可以分為離散型智能工廠和流程型智能工廠，追求的目標都是生產(chǎn)過程的優(yōu)化，大幅度提升生產(chǎn)系統(tǒng)的性能、功能、質(zhì)量和效益，重點發(fā)展方向都是智能產(chǎn)線、智能車間、智能工廠。新一代人工智能技術(shù)與先進制造技術(shù)的融合將使得生產(chǎn)線、車間、工廠發(fā)生革命性變革，企業(yè)將會朝著自學習、自適應、自控制的新一代智能工廠進軍。流程工業(yè)在我們國民經(jīng)濟中占有基礎(chǔ)性的戰(zhàn)略地位，最有可能率先突破新一代智能制造，比如石化行業(yè)智能工廠建立了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化的生產(chǎn)運營管理新模式，可極大地提高生產(chǎn)優(yōu)化，安全環(huán)保水平。

離散型智能工廠將應用新一代人工智能技術(shù)實現(xiàn)加工質(zhì)量的升級、加工工業(yè)的優(yōu)化，加工裝備的健康保障，生產(chǎn)的智能調(diào)度和管理，建成真正意義上的智能工廠。“機器換人”，企業(yè)生產(chǎn)能力的技術(shù)改造、智能升級，不僅僅能解決生產(chǎn)一線勞動力短缺和人力成本高升的問題，更是從根本上提高制造業(yè)的質(zhì)量、效率和企業(yè)競爭力。在今后相當長一段時間內(nèi)，企業(yè)的生產(chǎn)能力升級、生產(chǎn)線、車間、工廠的智能升級將成為推進智能制造的一個主要戰(zhàn)場。

（3）以智能服務為核心的產(chǎn)業(yè)模式變革是一代智能制造系統(tǒng)的主題。新一代人工智能技術(shù)的應用催生了以產(chǎn)業(yè)模式的革命性的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)模式將實現(xiàn)從以產(chǎn)品為中心向以用戶為中心的根本性轉(zhuǎn)變，一方面產(chǎn)業(yè)模式從大規(guī)模流水線的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向規(guī)模定制化發(fā)展，另一方面，產(chǎn)業(yè)形態(tài)將從生產(chǎn)型制造向生產(chǎn)服務型制造轉(zhuǎn)變，完成深刻的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。

GE公司創(chuàng)立了運用智能制造技術(shù)向服務型制造轉(zhuǎn)型的典范。GE將大量傳感器安裝在飛機發(fā)動機葉片上，運用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)實時進行智能分析和智能控制，形成了航空發(fā)動機的優(yōu)化運行和健康保障系統(tǒng)，在這個基礎(chǔ)上GE開展按小時支付的租賃服務模式，對發(fā)動機提供終身服務，從服務得到的盈利比例大幅度提高，因此成為了服務型的制造企業(yè)，這給了我們很大的啟示。

（4）智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是支撐新一代智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著新一代通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展和應用，智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，為新一代智能制造生產(chǎn)力和生產(chǎn)方式變革提供發(fā)展的空間和可靠的保障。

（5）系統(tǒng)集成。系統(tǒng)集成將智能制造三個功能系統(tǒng)和兩個支撐系統(tǒng)集成成為新一代的智能制造系統(tǒng)。系統(tǒng)集成是新一代智能制造最基本的特征和優(yōu)勢。

中國智能制造發(fā)展的戰(zhàn)略建議

未來20年，是中國制造業(yè)實現(xiàn)由大到強的關(guān)鍵時期，也是制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革的關(guān)鍵時期。我們必須要緊緊抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革所帶來的千載難逢的戰(zhàn)略機遇，以實現(xiàn)制造強國為目標，以深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，以智能制造為主攻方向，堅持并行推進融合發(fā)展的技術(shù)路線，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，圍繞創(chuàng)新鏈完善資金鏈，形成經(jīng)濟、科技和金融的深度融合，良性循環(huán)，實現(xiàn)中國制造業(yè)智能升級，跨越發(fā)展。未來20年我國的智能制造發(fā)展總體可以分為兩個階段實現(xiàn)，第一個階段到2025年就是“中國制造2025”，“互聯(lián)網(wǎng)+制造”、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制造在全國得到大規(guī)模的推廣應用，在發(fā)達地區(qū)和重點領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普及，同時新一代智能制造在重點領(lǐng)域試點示范取得顯著成果，并開始在部分企業(yè)推廣應用。

第二階段到2035年，中國制造2035，新一代智能制造在全國制造業(yè)實現(xiàn)大規(guī)模推廣應用，我國的智能制造技術(shù)和應用水平走在世界前列，實現(xiàn)中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，制造業(yè)總體水平達到世界先進水平，部分領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，為2035年在我國建成世界領(lǐng)先的制造強國奠定堅實的基礎(chǔ)。在推進智能制造進程中要堅持“五個堅持”的方針，一要堅持創(chuàng)新驅(qū)動，我們必須抓住新一代智能制造的歷史性機遇，以科技創(chuàng)新作為中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的第一動力。二是要堅持因企制宜，推動智能制造，必須堅持以企業(yè)為主體，以實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級為中心任務。要充分激發(fā)企業(yè)的內(nèi)生動力，各個企業(yè)，特別是廣大中小企業(yè)，要實事求是地實施適合自己轉(zhuǎn)型升級的技術(shù)路徑。三是要堅持產(chǎn)業(yè)升級。推動智能制造的目的在于產(chǎn)業(yè)升級，要著眼于廣大的企業(yè)，各個行業(yè)和整個制造產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)中國制造業(yè)全方位的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級。四是堅持建設(shè)良好的發(fā)展生態(tài)。各級政府、科技界、學界、金融界要共同營造良好的生態(tài)環(huán)境，幫助和支持企業(yè)特別是廣大中小企業(yè)的智能升級。五是要堅持開放和協(xié)同創(chuàng)新。中國制造業(yè)界要不斷地擴大與世界各國制造業(yè)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(chuàng)新體系是開放的創(chuàng)新體系，我們要和世界制造業(yè)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(yè)革命，使制造業(yè)更好地為人類服務！