近日，中國工程院院刊《Engineering》推出最新觀點(diǎn)性文章“走向新一代智能制造”，作者周濟(jì)、李培根、周艷紅等，文章指出智能制造是一個(gè)不斷演進(jìn)發(fā)展的大概念，可歸納為三個(gè)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(jìn)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(dòng)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(jī)理，能夠有效指導(dǎo)新一代智能制造的理論研究和工程實(shí)踐。推進(jìn)制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型應(yīng)采取“并行推進(jìn)、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(gè)不斷演進(jìn)發(fā)展的大概念，可歸納為三個(gè)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(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)及相應(yīng)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(dòng)力，是今后數(shù)十年制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(jī)理，能夠有效指導(dǎo)新一代智能制造的理論研究和工程實(shí)踐?；谥悄苤圃烊齻€(gè)基本范式次第展開、相互交織、迭代升級(jí)的特征，推進(jìn)制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型應(yīng)采取“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。
關(guān)鍵詞： 先進(jìn)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(jìn)，融合發(fā)展
面對(duì)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(jìn)智能制造為主攻方向[1]。世界各國都在積極采取行動(dòng)，美國提出“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃”[2, 3]、德國提出“工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃”[4]、英國提出“工業(yè)2050”[5]、法國 提出“新工業(yè)法國計(jì)劃”[6]、日本提出“社會(huì)5.0戰(zhàn)略”[7]、韓國提出“制造業(yè)創(chuàng)新3.0計(jì)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(jì)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(yīng)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(dòng)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(dòng)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(gè)大概念[10, 14]，是先進(jìn)信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)等全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)及相應(yīng)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(dòng)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(shí)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(jì)算機(jī)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(dǎo)制造業(yè)技術(shù)升級(jí)中發(fā)揮了積極作用。但同時(shí)，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(jìn)智能升級(jí)的實(shí)踐中造成了許多困擾。面對(duì)智能制造不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新理念、新模式，有必要?dú)w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(jìn)步。全球信息化發(fā)展可分為三個(gè)階段：從上世紀(jì)中葉到90年代中期，信息化表現(xiàn)為以計(jì)算、通訊和控制應(yīng)用為主要特征的數(shù)字化階段；從上世紀(jì)九十年代中期開始，互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及應(yīng)用，信息化進(jìn)入了以萬物互聯(lián)為主要特征的網(wǎng)絡(luò)化階段；當(dāng)前，在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集群突破、融合應(yīng)用的基礎(chǔ)上，人工智能實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性突破，信息化進(jìn)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(gè)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(gè)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(jì)80年代[25]，但是由于當(dāng)時(shí)應(yīng)用的第一代人工智能技術(shù)還難以解決工程實(shí)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(jì)下半葉以來，隨著制造業(yè)對(duì)于技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)烈需求，以數(shù)字化為主要形式的信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，推動(dòng)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(duì)產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)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(yīng)用，形成“數(shù)字一代”創(chuàng)新產(chǎn)品；第二，廣泛應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)、建模仿真、數(shù)字化裝備、信息化管理；第三，實(shí)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(gè)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(duì)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(jì)末互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始廣泛應(yīng)用，“互聯(lián)網(wǎng)+”不斷推進(jìn)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(huì)資源的共享與集成，重塑制造業(yè)的價(jià)值鏈，推動(dòng)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(yīng)用，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)計(jì)、研發(fā)實(shí)現(xiàn)協(xié)同與共享。第二，在制造方面，實(shí)現(xiàn)橫向集成、縱向集成和端到端集成，打通整個(gè)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(tái)實(shí)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(bào)告和美國GE“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”報(bào)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(shí)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(jì)社會(huì)發(fā)展強(qiáng)烈需求以及互聯(lián)網(wǎng)的普及、云計(jì)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(dòng)下，大數(shù)據(jù)智能、人機(jī)混合增強(qiáng)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(shí)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(jìn)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(jì)、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(shí)現(xiàn)社會(huì)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(dòng)力。
智能制造的三個(gè)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(gè)基本范式次第展開，各有自身階段的特點(diǎn)和要重點(diǎn)解決的問題，體現(xiàn)著先進(jìn)信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)融合發(fā)展的階段性特征；另一方面，三個(gè)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(jí)，體現(xiàn)著智能制造發(fā)展的融合性特征。對(duì)中國等新興工業(yè)國家而言，應(yīng)發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采取三個(gè)基本范式“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。
3.1 發(fā)展背景
當(dāng)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(yīng)的強(qiáng)烈需求，還要不斷適應(yīng)廣大用戶不斷增長的個(gè)性化消費(fèi)需求，應(yīng)對(duì)資源能源環(huán)境約束進(jìn)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(gè)性化、智能化產(chǎn)品和服務(wù)增值升級(jí)的需求，制造業(yè)的進(jìn)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(jí)[14, 41]。
新一輪工業(yè)革命方興未艾，其根本動(dòng)力在于新一輪科技革命。新世紀(jì)以來，移動(dòng)互聯(lián)、超級(jí)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[11, 12, 42-48]，并極其迅速地普及應(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，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[24]。新一代人工智能呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、跨界協(xié)同、人機(jī)融合、群體智能等新特征，為人類提供認(rèn)識(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的新思維、改造自然和社會(huì)的新技術(shù)。當(dāng)然，新一代人工智能技術(shù)還在極速發(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”，不斷拓展人類“腦力”，應(yīng)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(jí)提供了歷史性機(jī)遇，正在形成推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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]。
