智能制造實施的核心支點是什么

如何實施智能制造，需要考慮智能制造的三個支點：產(chǎn)品、裝備和過程。

圖1 智能制造的三個支點

第一個需要考慮的是推動智能制造的目標(biāo)是什么。顯然，企業(yè)追求的是產(chǎn)品，而不是要把企業(yè)搞的有多時髦。企業(yè)銷售產(chǎn)品的時候，不是要宣傳企業(yè)的生產(chǎn)線有多漂亮、多現(xiàn)代，而一定要說明這個產(chǎn)品的價值何在。產(chǎn)品是企業(yè)面向社會的表現(xiàn)。智能制造的目標(biāo)是產(chǎn)品，而不是智能制造本身。因此，產(chǎn)品的智能化是企業(yè)必須考慮的首要問題之一。智能制造如果不能生產(chǎn)出智能的產(chǎn)品，智能制造就失去了時代的意義。而且，企業(yè)的產(chǎn)品如果不是智能化的，產(chǎn)品和企業(yè)今后被淘汰的可能性就很大。

第二個支點是裝備，生產(chǎn)過程（包括研發(fā)、設(shè)計）中的每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的裝備，一定要智能化。如果這個智能化實現(xiàn)不了，勞動生產(chǎn)力和勞動效率就不可能得到很大提高，企業(yè)可能就沒有競爭力。不是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的生產(chǎn)裝備，就不是這個時代的先進制造裝備。而且，如果設(shè)備沒有智能化，也可能無法生產(chǎn)出企業(yè)想要生產(chǎn)的智能化產(chǎn)品。

第三個支點是企業(yè)生產(chǎn)過程的智能化問題。裝備智能化解決的是生產(chǎn)過程中“點”的智能化問題；企業(yè)只有實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的智能化，才能實現(xiàn)企業(yè)全局的智能化，才能夠?qū)崿F(xiàn)智能化效益的最大化。

智能產(chǎn)品是第一支點

一個機床生產(chǎn)廠，生產(chǎn)裝備和過程如果都是智能化的，而它生產(chǎn)出來的機床卻是一般的機床，沒有智能化的要素，那么這個機床廠的前途就非?？皯n。因為，他自己都不會去購買這樣不夠智能化的機床。

因此，任何一個企業(yè)在考慮其智能制造如何發(fā)展的時候，首先應(yīng)該想到的是自己的產(chǎn)品怎么實現(xiàn)智能化。即使生產(chǎn)過程沒有部分或全部實現(xiàn)智能化，能夠把智能的產(chǎn)品做出來，那么企業(yè)還是應(yīng)該首先考慮產(chǎn)品的智能化問題。

產(chǎn)品的智能化，是通過產(chǎn)品中包含有各種復(fù)雜程度不等的計算機系統(tǒng)，尤其是嵌入式系統(tǒng)，來實現(xiàn)的。嵌入式系統(tǒng)不僅可以成為智能制造最重要最具有代表性的技術(shù)，而且會形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。中國的嵌入式系統(tǒng)，發(fā)展的速度比較緩慢——盡管起步并不晚。產(chǎn)品所用的嵌入式系統(tǒng)，絕大多數(shù)對于芯片的要求都不一定特別高，一般也就是幾十納米到上百納米，甚至檔次再低一點，也或許夠用。因此，技術(shù)難度并不大。

產(chǎn)品智能化是當(dāng)今計算技術(shù)發(fā)展的一個新的重大趨勢。計算技術(shù)發(fā)明的初衷是為了科學(xué)計算。而后，發(fā)展為支持人類各種業(yè)務(wù)活動的信息處理和傳播，即業(yè)務(wù)計算。業(yè)務(wù)計算的覆蓋范圍已經(jīng)比科學(xué)計算要大得多。上世紀(jì)90年代以后，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，QQ、微信、Facebook等開始崛起，計算技術(shù)滲入了人們的社會生活，大大地推動了社會計算的發(fā)展，計算技術(shù)的應(yīng)用覆蓋范圍則更進一步擴大。

現(xiàn)在，計算技術(shù)開始向各種產(chǎn)品領(lǐng)域滲透，提升產(chǎn)品的智能化水平。智能產(chǎn)品數(shù)以百億，甚至千億計，產(chǎn)品計算的覆蓋范圍可以說是“無遠弗屆”，一定會給整個IT產(chǎn)業(yè)帶來巨大的變化。因此，計算技術(shù)應(yīng)用的下一個熱點，是產(chǎn)品計算。所有的產(chǎn)品都要程度不等地走向智能化，計算都有可能參與其中。這一點，跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的需求有很大的關(guān)系。

圖2 計算技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展階段

現(xiàn)在的智能產(chǎn)品跟以前所謂的嵌入式系統(tǒng)功能需求還不完全一樣，主要功能體現(xiàn)在三個方面。第一個是傳感，產(chǎn)品需要能夠感受外部的情況變化，或者能夠整合產(chǎn)品內(nèi)部的數(shù)據(jù)。第二個是計算，包括產(chǎn)品本身的操作系統(tǒng)，以及產(chǎn)品使用的各種應(yīng)用系統(tǒng)。例如，從數(shù)據(jù)分析到高端計算——也就是人工智能。第三個是聯(lián)網(wǎng)，隨著全球物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，產(chǎn)品可能具有霧計算、邊緣計算和云計算相聯(lián)結(jié)的功能。因此新一代的智能產(chǎn)品，跟以前講的嵌入式系統(tǒng)的概念已經(jīng)大不相同。

圖3 無處不在的智能產(chǎn)品

智能裝備是最大難點

裝備是智能制造最大的難點。生產(chǎn)裝備一般都比較復(fù)雜，而且批量可能不大，所采用的工業(yè)軟件也往往非常復(fù)雜。這使得生產(chǎn)成本很高，市場很小，因此愿意或有實力從事智能裝備制造的企業(yè)并不多。而且，由于裝備的開發(fā)周期長，導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)營的風(fēng)險很大。

另外，裝備制造的難點很大程度上是在軟裝備上面，即以工業(yè)軟件為代表的軟裝備，包括CAD/CAE這樣的軟件工具。沒有軟裝備，就不可能有“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”。抽去軟件，信息化的一切成果都不復(fù)存在。工業(yè)軟件首先是一個工業(yè)產(chǎn)品，而且往往是高端工業(yè)產(chǎn)品。這是中國制造2025主要的難點，而工業(yè)界對這一點的認識，還很不充分。

過程智能化

發(fā)達國家的制造業(yè)在生產(chǎn)裝備智能化這一點上，已經(jīng)非常領(lǐng)先。尤其是日本和德國，已經(jīng)基本上壟斷了全球重大制造業(yè)生產(chǎn)裝備的市場。而智能制造的下一步的發(fā)展，就是要實現(xiàn)過程的智能化，完成從裝備這個“點”向過程這條“線”的發(fā)展。

過程智能化最典型的代表，正是工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的奮斗目標(biāo)。工業(yè)4.0提出，企業(yè)的信息系統(tǒng)要走向一體化，包括縱向一體化和橫向一體化。縱向一體化就是《三論智能制造》的系列之一中提到的企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)，而橫向一體化正是企業(yè)的外部網(wǎng)。現(xiàn)在，要把內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)完全整合在一起，將數(shù)據(jù)完全打通。

圖4 內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)的一體化

此外，要把整合之后的系統(tǒng)，打造成一個智能物理系統(tǒng)（Cyber-Physical-System, CPS）。這里的Cyber意指計算機或計算機網(wǎng)絡(luò)。在很多現(xiàn)代化企業(yè)里，不管內(nèi)部網(wǎng)或外部網(wǎng)，都還只是一個獨立的計算機網(wǎng)絡(luò)或者系統(tǒng)，或者實現(xiàn)了初步的整合。如何跟企業(yè)這個物理實體融為一體，有效地運轉(zhuǎn)，是一門大學(xué)問。

美國國家科學(xué)基金（NSF）在2006年的一個報告中指出，現(xiàn)有的、工業(yè)時代發(fā)展出來的系統(tǒng)科學(xué)（包括系統(tǒng)工程理論），還不能很好地回答這類問題。他們認為，企業(yè)這個物理實體與其內(nèi)含的計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如何協(xié)同一致、高效精確的工作，如何增強這類系統(tǒng)的適應(yīng)性、自主性、功能性、可靠性、安全性、可用性和效率，將會發(fā)展成為一個新的系統(tǒng)工程學(xué)，是美國需要重點發(fā)展的前沿命題。實際上，美國關(guān)于CPS的研究報告非常多，對這個命題非常關(guān)注。

過程智能化的實現(xiàn)

工業(yè)4.0或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)，不僅要把內(nèi)部網(wǎng)、外部網(wǎng)連起來，而且要變成一個智能物理系統(tǒng)（CPS）。二者都可以通過一個“5C（五層）”結(jié)構(gòu)來表述。

圖5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的“5C（五層）”架構(gòu)

最下面一層是智慧的連接層，第二層是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息，第三層是Cyber層，是企業(yè)的云計算數(shù)據(jù)中心。在這里，需要把第二層處理所得的有效數(shù)據(jù)，與企業(yè)計算機系統(tǒng)中相對應(yīng)的期望值做對比分析。第四層是認知層，根據(jù)對比差異，找到問題之所在及解決問題的方法。因此，這一層實際上是一個決策層。第五層是配置層，可以按照決策要求，通過計算機網(wǎng)絡(luò)，對人、對物、對計算機進行重新配置或更改。這樣的一個五層結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一個標(biāo)準(zhǔn)的反饋控制系統(tǒng)，可以對企業(yè)的控制對象，即：人（員工）、機器、計算機系統(tǒng)、各種物理實體等，進行實時的反饋和控制。這樣的一個反饋系統(tǒng)，其各層次所對應(yīng)的技術(shù)支撐，如圖5所示。正是利用這些當(dāng)下最時髦的先進技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了企業(yè)整個業(yè)務(wù)活動全過程的的智能控制。

根據(jù)這個思路，工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在2015年分別完成了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參考架構(gòu)，可以清楚地說明系統(tǒng)的要素和相互之間的關(guān)系，并提供了一個開放的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計指南”。應(yīng)該強調(diào)的是，這里說的是指南，是給出了一個大家共同努力、同向而行的方向，而不是標(biāo)準(zhǔn)。

這個架構(gòu)設(shè)計描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)外三層結(jié)構(gòu)。從邊緣層，到平臺層，再到企業(yè)層，如果我們把它看作是一個球體的話，外面就是設(shè)備端的邊緣層，中間是平臺層（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，主要指這一部分。當(dāng)然現(xiàn)在也有將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺泛化的趨勢），最內(nèi)層是企業(yè)層。在邊緣層上主要是邊緣的網(wǎng)關(guān)，采集各種各樣的數(shù)據(jù)；送到平臺層之后，平臺層對數(shù)據(jù)做必要的處理和分析；分析完之后，再送達企業(yè)層，送到企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)。企業(yè)會根據(jù)不同的應(yīng)用做不同的分析，做出判斷和決策，將數(shù)據(jù)再往回傳送到平臺層和邊緣層，直至送達企業(yè)內(nèi)外聯(lián)接的各個部門和單位。

圖6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的內(nèi)外三層結(jié)構(gòu)

顯然，數(shù)據(jù)分析和處理在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中極為重要，包括：端點數(shù)據(jù)的獲取、從數(shù)據(jù)中提取信息的先進數(shù)據(jù)處理技術(shù)，各種決策模型的分析計算，以及系統(tǒng)結(jié)果的輸出。其中，大量使用的是計算科學(xué)的辦法：需要建模，需要算法，需要數(shù)據(jù)等等，最后產(chǎn)生的是決策數(shù)據(jù)。當(dāng)然，安全、可信、隱私等，在結(jié)構(gòu)中也有詳細的考慮。

智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)在，國內(nèi)關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的概念討論很多。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，是一個以企業(yè)為中心的平臺，而不是說在整個工業(yè)行業(yè)建一個大的所謂“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺”。所謂平臺化是發(fā)展的趨勢，其實是指企業(yè)的平臺化，每一個大企業(yè)都會有自己的一個企業(yè)平臺，而不會把自己的業(yè)務(wù)搬到其他企業(yè)的平臺上去。波音的平臺不會到中航工業(yè)的平臺上，空客的平臺也不會到波音的平臺上去。

如果一定要說有一個工業(yè)和產(chǎn)業(yè)共用共享的平臺，那這個平臺就是全球物聯(lián)網(wǎng)平臺（Internet of Things, IOT），它不是為哪個工業(yè)，為哪個部門而設(shè)計的，而是面向全世界各行各業(yè)乃至個人服務(wù)的全球物聯(lián)網(wǎng)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是一個理想的“過程”智能化的平臺。設(shè)想非常完美，但系統(tǒng)非常復(fù)雜。在實現(xiàn)過程當(dāng)中，未知數(shù)還很多，不同產(chǎn)業(yè)類別的企業(yè)平臺之間的差異也很大。例如，中航工業(yè)的平臺，幾乎不太可能拿去給中石油用，基本上要推倒重建。所以，每個企業(yè)一定要從自身的緊迫需求和實際效益出發(fā)，分步推進，絕對不能盲目跟隨，尤其考慮到當(dāng)前中國制造業(yè)發(fā)展的水平和信息化的水平離國際先進水平相差仍然很大，“過程”智能化的路途還比較遙遠。

如果把智能制造的全部資源和精力都投在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上，又把平臺理解為產(chǎn)業(yè)的平臺，可能就誤判了智能制造的發(fā)展方向。當(dāng)務(wù)之急，還是我們的產(chǎn)品和裝備的智能化問題，這對當(dāng)下的中國來講，是智能制造的重點努力方向。