智能制造的基本范式與“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)

廣義而論，智能制造是一個(gè)大概念，一個(gè)不斷演進(jìn)的大系統(tǒng)，是新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，以及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，實(shí)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(wù)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(jìn)發(fā)展當(dāng)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(gè)世紀(jì)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(yīng)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(jì)80年代以來，我國企業(yè)逐步推進(jìn)應(yīng)用數(shù)字化制造，取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，同時(shí)我們必須清醒的認(rèn)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(jìn)智能制造過程當(dāng)中，必須踏踏實(shí)實(shí)地完成數(shù)字化“補(bǔ)課”，進(jìn)一步夯實(shí)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(jì)末，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始廣泛應(yīng)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(jià)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(shí)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(jìn)“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(shí)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(jìn)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(bǔ)課”，同時(shí)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Intelligent Manufactunring。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(jìn)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(jìn)新一輪工業(yè)革命。

4.“并行推進(jìn)融合發(fā)展的技術(shù)路線”。智能制造的三個(gè)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(gè)基本范式是次第展開各有自身階段的特點(diǎn)和需要重點(diǎn)解決的問題，體現(xiàn)著先進(jìn)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(gè)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(dá)國家是一個(gè)“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(gè)階段。我們國家應(yīng)該發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采取三個(gè)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(jìn)的智能制造創(chuàng)新之路。一方面，我國必須堅(jiān)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(jìn)的技術(shù)，推進(jìn)先進(jìn)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(shí)事求是、因企制宜、循序漸進(jìn)地推進(jìn)企業(yè)的技術(shù)改造、智能升級，充分利用我國推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的成功實(shí)踐給我們提供的重要啟示和寶貴經(jīng)驗(yàn)，企業(yè)根據(jù)自身發(fā)展的實(shí)際需要“以高打低”采取先進(jìn)的技術(shù)解決傳統(tǒng)制造難以解決的問題，扎扎實(shí)實(shí)的完成好數(shù)字化顧客“補(bǔ)課”。同時(shí)，向更高的智能制造水平邁進(jìn)。

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(qiáng)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(jī)遇。新世紀(jì)以來，移動互聯(lián)、超級計(jì)算、大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(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，新一代人工智能最本質(zhì)的特征是具備了認(rèn)知和學(xué)習(xí)的能力，具備了生成知識和更好地運(yùn)用知識的能力，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。當(dāng)然，新一代人工智能技術(shù)還在急速發(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，應(yīng)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(jì)社會發(fā)展的巨大引擎。

我國充分認(rèn)識到新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展，將深刻改變?nèi)祟惿睢⑸鐣?，改變世界，發(fā)布了發(fā)展規(guī)劃，以抓住機(jī)遇，搶占先機(jī)，世界主要發(fā)達(dá)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(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。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(yīng)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(shí)現(xiàn)第四次工業(yè)革命。

2.新一代智能制造的基本原理。人—信息—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(jī)器的直接操作控制去完成各種工作任務(wù)，它的原理就是“人-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？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(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。在這樣一個(gè)階段，制造系統(tǒng)從人—物理演變?yōu)椤叭恕畔⑽锢硐到y(tǒng)（HCPS），后者對于前者最本質(zhì)的進(jìn)步在于增加信息系統(tǒng)（Cyber system），后者對前者最本質(zhì)的進(jìn)步在于增加了信息系統(tǒng)，從二元系統(tǒng)進(jìn)化成了三元系統(tǒng)。大家都比較熟悉的CPS，在HCPS當(dāng)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(jì)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(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)字雙胞胎（Digital Twin），成為實(shí)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(rèn)知和學(xué)習(xí)的功能。在這樣一個(gè)階段，新一代人工智能技術(shù)將使得人-信息-物理系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化，形成新一代人—信息—信息系統(tǒng)（HCPS2.0），它主要的變化在于兩個(gè)方面：第一，人將部分認(rèn)知與學(xué)習(xí)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(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，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(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，極大地提高制造系統(tǒng)的性能。新一代智能制造進(jìn)一步突出人的中心地位，是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)人—信息系統(tǒng)—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(dāng)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(jìn)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(jìn)入智能時(shí)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(gè)大系統(tǒng)，主要是由智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)和智能服務(wù)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(gè)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(jī)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(jī)計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)年的超級計(jì)算機(jī)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(xué)習(xí)功能。不久的將來，新一代人工智能將全面應(yīng)用到手機(jī)上，智能手機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的預(yù)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(jìn)。

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(jìn)的智能產(chǎn)品，如智能終端、智能家居、智能服務(wù)機(jī)器人、智能玩具等，為人民更加美好的生活服務(wù)。另一方面，我們將著重推進(jìn)重點(diǎn)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(jī)器人、智能機(jī)床等。我們的“大國重器”將裝備“工業(yè)大腦”，更加先進(jìn)、更加強(qiáng)大。

新一代智能制造引領(lǐng)工業(yè)革命新時(shí)代

（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(biāo)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(diǎn)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(jìn)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(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自控制的新一代智能工廠進(jìn)軍。流程工業(yè)在我們國民經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(yīng)用新一代人工智能技術(shù)實(shí)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?！皺C(jī)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(dāng)長一段時(shí)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(jìn)智能制造的一個(gè)主要戰(zhàn)場。

（3）以智能服務(wù)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(yīng)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(shí)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(wù)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(yùn)用智能制造技術(shù)向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型的典范。GE將大量傳感器安裝在飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片上，運(yùn)用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行智能分析和智能控制，形成了航空發(fā)動機(jī)的優(yōu)化運(yùn)行和健康保障系統(tǒng)，在這個(gè)基礎(chǔ)上GE開展按小時(shí)支付的租賃服務(wù)模式，對發(fā)動機(jī)提供終身服務(wù)，從服務(wù)得到的盈利比例大幅度提高，因此成為了服務(wù)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(yīng)用，智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)將實(shí)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(gè)功能系統(tǒng)和兩個(gè)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(shí)現(xiàn)由大到強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期，也是制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量變革、效率變革的關(guān)鍵時(shí)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(jī)遇，以實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國為目標(biāo)，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(jiān)持并行推進(jìn)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(jì)、科技和金融的深度融合，良性循環(huán)，實(shí)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(gè)階段實(shí)現(xiàn)，第一個(gè)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(yīng)用，在發(fā)達(dá)地區(qū)和重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普及，同時(shí)新一代智能制造在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)示范取得顯著成果，并開始在部分企業(yè)推廣應(yīng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用，我國的智能制造技術(shù)和應(yīng)用水平走在世界前列，實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，制造業(yè)總體水平達(dá)到世界先進(jìn)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(qiáng)國奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在推進(jìn)智能制造進(jìn)程中要堅(jiān)持“五個(gè)堅(jiān)持”的方針，一要堅(jiān)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(jī)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(jiān)持因企制宜，推動智能制造，必須堅(jiān)持以企業(yè)為主體，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級為中心任務(wù)。要充分激發(fā)企業(yè)的內(nèi)生動力，各個(gè)企業(yè)，特別是廣大中小企業(yè)，要實(shí)事求是地實(shí)施適合自己轉(zhuǎn)型升級的技術(shù)路徑。三是要堅(jiān)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(gè)行業(yè)和整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)全方位的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級。四是堅(jiān)持建設(shè)良好的發(fā)展生態(tài)。各級政府、科技界、學(xué)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(jiān)持開放和協(xié)同創(chuàng)新。中國制造業(yè)界要不斷地?cái)U(kuò)大與世界各國制造業(yè)界的交流，實(shí)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(jìn)新一代智能制造，共同推進(jìn)新一輪工業(yè)革命，使制造業(yè)更好地為人類服務(wù)！

作者簡介：

周濟(jì)，1946年出生，上海人，中國工程院院士。作為機(jī)械工程專家，長期致力于機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)控技術(shù)的教學(xué)和研究工作。因?yàn)樵跀?shù)控、CAD與設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的杰出貢獻(xiàn)，2013年當(dāng)選美國國家工程院外籍院士。曾先后擔(dān)任華中科技大學(xué)校長，湖北省委常委兼省科技廳廳長，武漢市市長，中華人民共和國教育部部長，中國工程院院長等職。