謝博

2013年，德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術部提出了“工業(yè)4.0”概念，并將其描述為通過充分利用“信息物理融合系統(tǒng)”，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型的第四次工業(yè)革命。同時，美國、日本、英國、法國等制造強國也紛紛發(fā)布了自己相應的先進制造發(fā)展計劃（戰(zhàn)略），都將發(fā)展智能制造作為本國構建新形勢下制造業(yè)競爭優(yōu)勢的關鍵舉措。

面對新一輪工業(yè)革命，我國提出的“中國制造2025”明確指出，要以新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向。由智能產(chǎn)品、智能設備、宜人的工作環(huán)境、高素質(zhì)的勞動者和智能能源供應等構建智能工廠是智能制造的核心構想。智能制造借助計算機建模仿真和信息通信技術，優(yōu)化產(chǎn)品設計和制造過程，從而大幅減少物質(zhì)資源和能源的消耗，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的制造模式。顯然，“智能制造”對我國“中國制造2025”的制造強國的實現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實與長遠意義。

隨著客戶需求日益增多的多樣化和個性化，印刷生產(chǎn)制造逐步進入了“大規(guī)模個性化定制”的新生產(chǎn)模式。因此，印刷工業(yè)也需要在“智能制造”理論的指導下，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級以適應這種發(fā)展趨勢。

智能制造發(fā)展的技術機理

1.智能制造系統(tǒng)概述

討論“智能制造”，西門子作為“工業(yè)4.0”重要的推動者和實踐者，它是一個重要的參考對象。西門子認為，“工業(yè)4.0”是一次由現(xiàn)代信息和軟件技術與傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)相互作用的革命性轉(zhuǎn)變。這場轉(zhuǎn)變對生產(chǎn)過程將產(chǎn)生革命性的改變：數(shù)字化技術將貫穿產(chǎn)品全生命周期，從產(chǎn)品設計到生產(chǎn)規(guī)劃，生產(chǎn)工程以及生產(chǎn)執(zhí)行到服務；生產(chǎn)制造被分為了物理（現(xiàn)實生產(chǎn)）和數(shù)字（虛擬生產(chǎn)）兩個世界，并實現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和現(xiàn)實生產(chǎn)合二為一。

在物理世界里，主要包括了物理的對象如機傳感器、執(zhí)行器、機器、控制器等實體對象，數(shù)字世界則主要負責由數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析以及智能計算等工作。物理世界里基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器（節(jié)點）通過信息的采集將一切物理的東西獲得一個數(shù)字映射，所有的“物”、資源都有“數(shù)字雙胞胎”（Digital Twin）。“數(shù)字雙胞胎”不僅能對物理世界的實時映射（數(shù)字化仿真），還能對物理世界中的系統(tǒng)或生產(chǎn)進行虛擬仿真與調(diào)試，并可根據(jù)虛擬仿真與調(diào)試的結(jié)果對物理世界進行控制，從而實現(xiàn)數(shù)字世界（信息系統(tǒng)）和物理系統(tǒng)的深度融合，獲得“信息物理融合系統(tǒng)”。

由于“信息物理融合系統(tǒng)”的深度應用，在“智能制造系統(tǒng)”可實現(xiàn)大規(guī)模個性化生產(chǎn)。從客戶預定“定制化”產(chǎn)品開始，到個性化的產(chǎn)品設計，以及靈活高效的生產(chǎn)線流程和無縫的供應商信息交換，“智能制造系統(tǒng)”實現(xiàn)了智能的自主生產(chǎn)，而這一切可以讓消費者以更快的速度、更合理的價格得到自己個性化的產(chǎn)品。

2.智能制造發(fā)展的技術機理

早期還沒有信息系統(tǒng)介入的傳統(tǒng)制造系統(tǒng)，包含人和物理系統(tǒng)兩大部分。操作者通過直接對機器進行操作控制去完成各種工作任務。生產(chǎn)過程中，相關的感知、分析決策以及學習認知等活動也全由人來完成。到了20世紀中葉，以數(shù)字化為主要形式的信息技術廣泛應用于制造業(yè)，在制造系統(tǒng)中加入了信息系統(tǒng)。信息系統(tǒng)將原有的“人-物理”二元系統(tǒng)變?yōu)榱恕叭?信息-物理”三元系統(tǒng)。信息系統(tǒng)開發(fā)者通過將人類已獲知的知識通過算法代碼形式進行復制遷移到人工智能系統(tǒng)內(nèi)，如專家知識系統(tǒng)。這樣，制造系統(tǒng)就呈現(xiàn)出了相當程度的智能，操作者的部分感知、分析及決策功能向信息系統(tǒng)復制遷移。操作者通過信息系統(tǒng)來控制物理系統(tǒng)，這樣不僅人類更多的體力勞動得到代替，同時人類部分的腦力勞動也得到了代替。

近年來，通過深度學習、增強學習、遷移學習等技術的應用，人工智能加速發(fā)展，實現(xiàn)了戰(zhàn)略性突破。人工智能技術呈現(xiàn)出了前所未有的“認知”和“學習”能力，發(fā)展成為“新一代人工智能技術”。隨著先進制造技術與新一代人工智能技術的深度融合，形成了“新一代智能制造”，也就是我們當前討論的“工業(yè)4.0”背景下的“智能制造”。新一代智能制造系統(tǒng)同樣還是“人-信息-物理”三元系統(tǒng)，但與原有的系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。首先，信息系統(tǒng)增加了認知和學習的功能，信息系統(tǒng)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(chǎn)生知識的能力；其次，“信息”和“物理”兩個子系統(tǒng)在“數(shù)字雙胞胎”的支撐下深度融合為“信息物理融合系統(tǒng)”，從更宏觀的角度上觀察，新一代智能制造系統(tǒng)可視為“人-信息物理”二元系統(tǒng)。由于制造系統(tǒng)具備了“認知”和“學習”能力，因此操作者大量的體力勞動和包含部分創(chuàng)造性的腦力勞動得到代替，人類得以有更多的精力去完成更有創(chuàng)造性的工作。顯然，在“工業(yè)4.0”時代，制造領域的知識產(chǎn)生、獲取、應用和傳承效率將發(fā)生革命性變化，顯著提高創(chuàng)新與服務能力。

智能制造與印刷工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級

1.智能制造在印刷工業(yè)中的應用

伴隨著“工業(yè)4.0”的發(fā)展，印刷工業(yè)也朝著“印刷工業(yè)4.0”方向發(fā)展?！坝∷⒐I(yè)4.0”就是“工業(yè)4.0”在印刷工業(yè)中進一步發(fā)展和應用的結(jié)果。在“印刷工業(yè)4.0”背景下的印刷系統(tǒng)將以“智能印廠”形式呈現(xiàn)。

在智能印廠中，生產(chǎn)設備之間、設備和產(chǎn)品之間、虛擬和現(xiàn)實之間通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)。數(shù)據(jù)驅(qū)動著印刷系統(tǒng)中的一切過程、一切目標和一切事物。新一代智能技術通過生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)的學習提取知識，并實現(xiàn)生產(chǎn)的自主化。因此，未來的智能印廠將呈現(xiàn)出三大技術特征：數(shù)據(jù)、互聯(lián)和智能。

伴隨著制造系統(tǒng)的智能化發(fā)展，印刷工業(yè)的產(chǎn)業(yè)模式也將實現(xiàn)從以產(chǎn)品為中心向以用戶為中心的根本性轉(zhuǎn)變：第一，從大規(guī)模流水線生產(chǎn)轉(zhuǎn)向大規(guī)模定制化生產(chǎn)；第二，產(chǎn)業(yè)形態(tài)從生產(chǎn)型制造向服務型制造轉(zhuǎn)變。我們可以看到，在社會的個性化小批量的印制需求的拉動下，當前各種新的印制模式在不斷涌現(xiàn)，如按需印刷、網(wǎng)絡印刷、精益印刷、相冊定制等，印刷工業(yè)正在發(fā)生深刻的變革。

面對著行業(yè)的深刻變革，并在《中國制造2025》的制造強國戰(zhàn)略的影響下，中國的印刷工業(yè)對于智能升級有著極為強烈的需求?！爸悄苡S”不是單一的某種設備、某種技術的升級，而是整體、系統(tǒng)的全面升級，是信息技術與制造業(yè)深度融合、集成創(chuàng)新的根本性變革，最終建立起一個高度靈活、高效運轉(zhuǎn)的個性化、數(shù)字化、規(guī)?；挠∷a(chǎn)品和服務的制造和提供者。但是總體而言，由于中國智能制造的基礎非常薄弱，大多數(shù)企業(yè)，特別是廣大中小企業(yè)，還沒有完成數(shù)字化制造轉(zhuǎn)型。這就需要我們思考出一個適合中國國情的轉(zhuǎn)型升級策略，為中國從印刷大國向印刷強國的轉(zhuǎn)變提供行動指南。