探討制造業(yè)智能化的發(fā)展史

中國這幾年信息化的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)很多概念和熱點(diǎn)，從云計(jì)算到物聯(lián)網(wǎng)，智慧城市到大數(shù)據(jù)，到現(xiàn)在的人工智能這一波熱浪。這些熱浪一定要落地下來，為制造業(yè)服務(wù)。對(duì)于中國人工智能的發(fā)展而言，最重要的問題還是要解決中國的制造業(yè)發(fā)展問題。如果制造業(yè)的智能化上不去，中國國民經(jīng)濟(jì)的脊梁就不夠堅(jiān)實(shí)。

首先需要理解，什么是智能制造？按照百科定義，智能是指獲取知識(shí)和技巧一種能力。而“人工智能”現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一定義。這個(gè)概念，早在1952年就由圖靈提了出來?，F(xiàn)在，很多人把人工智能的解釋，句子越來越長，講的越來越復(fù)雜，最后大家都搞不清楚到底什么是人工智能了。其實(shí)，人工智能簡單地說，就是人賦予機(jī)器的職能。具體地說，就是通過計(jì)算機(jī)的硬件和軟件，尤其是各種軟件，給機(jī)器賦予了智能，讓機(jī)器可以感受環(huán)境，意識(shí)到環(huán)境的變化，進(jìn)一步為決策者提供建議，拓展了人的智能，甚至在事前授權(quán)的情況下自主做出決定。

如果說智能是指獲取知識(shí)和技能的一種能力的話，無可否認(rèn)的是，正是這些計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)和工業(yè)軟件為制造業(yè)帶來了智能。因此，智能制造，簡單地說就是計(jì)算機(jī)制造，無需加上太多的修飾和太復(fù)雜的定義。

電腦比人腦更強(qiáng)大之處，不完全在于其強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)量，關(guān)鍵是其中運(yùn)行的軟件。如果沒有軟件，計(jì)算機(jī)也就是一堆金屬塑料。以此為基礎(chǔ)，可以看看制造業(yè)信息化的發(fā)展，實(shí)際上也可以理解智能制造演進(jìn)的三個(gè)階段。

“四化一造”看工業(yè)信息化

制造業(yè)信息化的發(fā)展，主要是圍繞著企業(yè)的業(yè)務(wù)運(yùn)行而展開。首先是企業(yè)內(nèi)部信息化，見圖1。這包括“四化一再造”，也就是研發(fā)信息化、產(chǎn)品信息化、生產(chǎn)信息化、管理信息化以及業(yè)務(wù)流程和組織再造。其中產(chǎn)品信息化，主要是指帶有嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品，其復(fù)雜程度各不相同。理解產(chǎn)品信息化，對(duì)理解當(dāng)下的智能制造，非常重要。

企業(yè)內(nèi)部信息化

與此同時(shí)企業(yè)還有一個(gè)上游供應(yīng)鏈和下游社會(huì)關(guān)系的問題，上游包括原材料、零部件、裝備和人員招聘等，下游則與銷售、銀行、客戶關(guān)系等相關(guān)聯(lián)。這些屬于企業(yè)的外部信息化問題。

企業(yè)的內(nèi)部業(yè)務(wù)和外部業(yè)務(wù)，構(gòu)成了企業(yè)信息化最基本的內(nèi)涵。企業(yè)信息化最早就是從數(shù)字化開始的。計(jì)算機(jī)剛剛發(fā)明的時(shí)候，本來是做科學(xué)計(jì)算的，很快就被用來做業(yè)務(wù)處理，提升管理效果。這是一個(gè)從下往上發(fā)展的過程，開始是做一些數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如財(cái)務(wù)管理，包括一些統(tǒng)計(jì)報(bào)表處理；隨后，逐漸上升到管理層，也就是開發(fā)管理信息系統(tǒng)（MIS），從財(cái)務(wù)管理、人事管理，到生產(chǎn)管理，一層層往上走；最后，上升到了決策層和開發(fā)決策信息系統(tǒng)（DSS）。企業(yè)信息化，一開始就是處在數(shù)字化時(shí)期。

數(shù)字化起步

然而，利用計(jì)算機(jī)來改造企業(yè)的生產(chǎn)裝備，實(shí)際上比管理信息系統(tǒng)起步還要早。1952年，即商用電子計(jì)算機(jī)發(fā)明的第二年，美國就有一家公司設(shè)計(jì)了一套數(shù)控裝置，開發(fā)了第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床。盡管這個(gè)銑床體積很大，造價(jià)也很高，但是開辟了一個(gè)數(shù)字控制的新時(shí)代。1958年，美國研制出第一臺(tái)加工中心。這意味著，計(jì)算機(jī)改變制造業(yè)的時(shí)代，正式拉開了帷幕。隨后，隨著第一個(gè)微處理芯片的發(fā)明，各種各樣、數(shù)以億計(jì)的嵌入式系統(tǒng)開始嵌入到各種裝備、各種產(chǎn)品當(dāng)中去。制造業(yè)開始走向以數(shù)字制造技術(shù)為核心的計(jì)算機(jī)控制時(shí)代，當(dāng)時(shí)國內(nèi)叫做機(jī)電一體化?！皺C(jī)電一體化”這個(gè)提法沒有完全點(diǎn)到問題的本質(zhì)，那就是計(jì)算機(jī)控制。

可以看到，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)很早就開始賦予各種制造裝備以智能。如果按照前面智能的定義的話，那么智能制造這個(gè)問題，可以說很早就被提出來了。在整個(gè)信息化對(duì)制造業(yè)的改造過程當(dāng)中，是工業(yè)軟件支撐了企業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，扮演了一個(gè)非常關(guān)鍵的角色。

最近電視臺(tái)有一個(gè)關(guān)于中國制造業(yè)的討論會(huì)，其中，關(guān)于“中國制造業(yè)還有什么不能制造？”的問題，提了十個(gè)方面，唯獨(dú)沒有提到工業(yè)軟件。殊不知，中國制造業(yè)體量世界第一，占世界制造業(yè)的份額20%強(qiáng)，但是，中國的工業(yè)軟件現(xiàn)在90%以上依靠進(jìn)口，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的，都不是國產(chǎn)。而且，中國工業(yè)軟件的市場(chǎng)份額，僅占世界工業(yè)軟件市場(chǎng)份額的1.7%。一個(gè)20%的制造業(yè)大國只占1.7%的份額，足以說明中國工業(yè)的“體質(zhì)”太弱?？瓷先ィ蠹覍?duì)于這個(gè)問題的認(rèn)識(shí)，還是存在著比較大的偏差。

其實(shí)早在上世紀(jì)70年代，就可以看到數(shù)字化對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)的改造蓬勃發(fā)展。特別是在1974年，第五代使用微處理芯片和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置研制成功以后，從生產(chǎn)裝備的角度來看，發(fā)展非常迅速。拿數(shù)控機(jī)床來講，從一軸到三軸到五軸到七軸，對(duì)基于信息化的工業(yè)化產(chǎn)生了革命性的影響。還有各種各樣的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，從輔助制圖CAD、到計(jì)算機(jī)輔助工程仿真CAE、到計(jì)算機(jī)輔助制造CAM等，都對(duì)制造業(yè)的現(xiàn)代化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，完全改變了人們對(duì)現(xiàn)代化的工業(yè)化的認(rèn)識(shí)。

后來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了全三維數(shù)字化和數(shù)字仿真。工業(yè)數(shù)字化向高端方向發(fā)展。企業(yè)從接訂單開始，一直到最后的產(chǎn)品交付，全流程完全依賴計(jì)算機(jī)軟件的控制和支撐。

網(wǎng)絡(luò)化崛起

上個(gè)世紀(jì)90年代初互聯(lián)網(wǎng)開始在全球普及，企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化隨之也快速發(fā)展。在互聯(lián)網(wǎng)沒有普及應(yīng)用之前，基本上所有的企業(yè)都是采用客戶服務(wù)器（C/S）的架構(gòu)，但客戶服務(wù)器只能解決本地域的聯(lián)網(wǎng)問題?；ヂ?lián)網(wǎng)興起之后，異地可以聯(lián)網(wǎng)，企業(yè)也很快開始走向網(wǎng)絡(luò)化。

除了應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)之外，企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化有兩個(gè)主要的方向，一個(gè)就是內(nèi)部網(wǎng)，將企業(yè)內(nèi)部各個(gè)部門和下屬單位所有的信息系統(tǒng)全部連在一個(gè)網(wǎng)上，不管這些部門是在北京，還是在印度或墨西哥。這樣極大地提高了企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)的運(yùn)行效率和有效性。當(dāng)然，只是實(shí)現(xiàn)了信息和數(shù)據(jù)的交換，還沒有做到智能化。

另外一個(gè)是外部網(wǎng)。企業(yè)的外部聯(lián)系，全部通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行。也就是說，把企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的一部分向外部合作單位開放，求得橫向打通。比方說生產(chǎn)汽車的，會(huì)把生產(chǎn)計(jì)劃向上游的座椅工廠開放，后者可以進(jìn)入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，了解相關(guān)部門的生產(chǎn)進(jìn)度，以便準(zhǔn)確、及時(shí)供貨。企業(yè)跟銀行連通之后，只要座椅被汽車制造廠驗(yàn)收，銀行就會(huì)自動(dòng)打款給上游供應(yīng)商。這樣，就做到了外部信息系統(tǒng)的一體化。

互聯(lián)網(wǎng)帶來的制造和生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化，正是基于內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)可以看做是早期的“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的核心內(nèi)涵。可以說“互聯(lián)網(wǎng)+制造 ”實(shí)際上始于上世紀(jì)90年代。

制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)化帶來的重大技術(shù)突破，至少表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

第一個(gè)就是關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在虛擬設(shè)計(jì)與制造的環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)可以支持成百上千個(gè)在線用戶同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)，使得一個(gè)系統(tǒng)或者一臺(tái)裝備的總體、子系統(tǒng)之間的三維設(shè)計(jì)結(jié)果相互關(guān)聯(lián)。IBM早期大量發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的一個(gè)根本動(dòng)力，就是數(shù)字化圖紙可以通過網(wǎng)上傳送，可以在全世界任何一個(gè)IBM的工廠，生產(chǎn)所設(shè)計(jì)的零部件。當(dāng)時(shí)，新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度加快了16倍，產(chǎn)品更改和更新的速度提高了數(shù)百倍?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”為制造能力的提升開辟了一個(gè)難以想象的巨大空間，對(duì)企業(yè)來講是一個(gè)全新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

第二個(gè)是網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)化帶來的不僅僅是大家交換信息，而且可以帶來工程人員的協(xié)同工作。一些大的企業(yè)，如波音公司，率先建立了自己非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同平臺(tái)。2000年9月以波音、洛克希德?馬丁、雷神、BAE及R&R為代表的美英國防航空巨頭，發(fā)起組建了大名鼎鼎的Exostar，探索國防航空行業(yè)的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)同。目前，通過Exostar進(jìn)行供應(yīng)鏈管理和協(xié)同的有六大主制造商，涵蓋16000個(gè)不同規(guī)模的專業(yè)供應(yīng)商。隨后，歐洲國防航空行業(yè)的四巨頭，空中客車、達(dá)索航空、賽峰和泰雷茲，也跟隨美國競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的腳步，發(fā)起設(shè)立了一個(gè)屬于歐洲國防航空工業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造平臺(tái)Boost Aero Space，于2011年正式對(duì)行業(yè)內(nèi)客戶提供服務(wù)。

第三個(gè)是全三維標(biāo)注技術(shù)，任何一個(gè)產(chǎn)品只要把三維的圖做出來，零部件的圖紙就可以利用計(jì)算機(jī)軟件和系統(tǒng)自然而然地分解和生成。這就使得企業(yè)得以形成單一的數(shù)據(jù)源管理。美國國防部和航空航天近幾年非常重視的數(shù)字主線（Digital Thread），也正是這樣一種技術(shù)的發(fā)展和延伸。

然而，不管是關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)也好，網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同平臺(tái)也好，全三維標(biāo)注也好，背后的根本支撐，其實(shí)并不是網(wǎng)絡(luò)，而是工業(yè)軟件。這一切，都是依靠各種各樣的工業(yè)軟件來支撐的。今天大家討論的中國還不能生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品，可能很重要的原因就是沒有相應(yīng)的工業(yè)軟件支撐的制造設(shè)備。集成電路有很多難以突破的核心技術(shù)。其中，集成電路的設(shè)計(jì)就是重要的一環(huán)。高端集成電路的設(shè)計(jì)圖紙，人工是畫不出來的，是靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件畫出來的。沒有最先進(jìn)的這種軟件，就不可能設(shè)計(jì)出最先進(jìn)的集成電路。如果國外只賣給我們前二代、前三代的設(shè)計(jì)軟件，那么中國也就只能去設(shè)計(jì)前二代、前三代的相關(guān)產(chǎn)品。工業(yè)軟件的重要性由此可見一斑。

智能化發(fā)展

企業(yè)智能化的發(fā)展，可以回溯到上個(gè)世紀(jì)六十年代初。通過圖2的制造業(yè)智能化發(fā)展，可以看到制造業(yè)如何從數(shù)字化走到網(wǎng)絡(luò)化，再走到智能化。

制造業(yè)智能化的發(fā)展史

可以看到制造業(yè)的智能化，實(shí)際上跟數(shù)字化基本上是同步的，不過在早期，只是單機(jī)、單個(gè)裝備而已。像CAE這種非常復(fù)雜的軟件，需要把計(jì)算、工程知識(shí)和人類的經(jīng)驗(yàn)，都融合在里面。因此工業(yè)軟件并不簡單是軟件，而是一門學(xué)問。只有學(xué)計(jì)算機(jī)軟件的工程師，是設(shè)計(jì)不出先進(jìn)的工業(yè)軟件的。就智能化而言，從數(shù)據(jù)處理的角度來看，業(yè)務(wù)智能（Business Intelligence）也是很重要的一個(gè)分支。

過去幾十年中國信息化的發(fā)展有兩個(gè)不足之處。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的內(nèi)向性問題，很多企業(yè)只做了內(nèi)部網(wǎng)，幾乎沒有做外部網(wǎng)，這種情況與我們的國情有關(guān)。第二個(gè)就是業(yè)務(wù)智能的使用在中國發(fā)展非常緩慢，這可能是因?yàn)椤芭哪X袋做決策”已經(jīng)成為習(xí)慣。

現(xiàn)在炒得比較多的概念就是人工智能，其中最熱門的是深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)。這方面的發(fā)展主要是基于兩個(gè)條件：超強(qiáng)的計(jì)算能力和充沛的大數(shù)據(jù)集。現(xiàn)在，一方面是計(jì)算機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度很快，存儲(chǔ)量也很大；另外就是很多重要的數(shù)據(jù)可以收集上來處理。如語音識(shí)別、圖像識(shí)別，都不是今天才搞起來的。早在上世紀(jì)60年代初，中科院自動(dòng)化所就開展了模式識(shí)別中的研究。但在當(dāng)時(shí)，數(shù)據(jù)既算不過來，也存不過來。因此，70年代以后人工智能的動(dòng)靜就不大了。這幾年人工智能又開始熱起來，是因?yàn)閿?shù)據(jù)量大了，計(jì)算機(jī)算的快了。當(dāng)然，人工智能不僅僅是深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)，比方說人腦的模擬等，人工智能比較高級(jí)的發(fā)展階段，還將有更大的發(fā)展。

智能化實(shí)際上是依托于計(jì)算科學(xué)，而不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)。美國國家總統(tǒng)信息技術(shù)委員會(huì)在2005年專門就“計(jì)算科學(xué)”的重要意義給時(shí)任總統(tǒng)小布什寫過一個(gè)報(bào)告，其中講到計(jì)算科學(xué)是由三個(gè)不同的元素組成的：計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)、建模與模擬軟件和計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施，這三點(diǎn)缺一不可。

在計(jì)算科學(xué)意義上的智能化，實(shí)際上包含四個(gè)基本的要素：模型、算法、軟件和數(shù)據(jù)。研究任何一個(gè)問題，必須首先要把物理問題的數(shù)學(xué)模型構(gòu)造出來；之后需要有一套模型計(jì)算的算法方法，例如各種微分方程和代數(shù)方程的求解；需要形成可以按算法重復(fù)執(zhí)行計(jì)算的軟件；而在計(jì)算的時(shí)候，則需要大量的數(shù)據(jù)處理和分析。如果只是做了信息的采集、存儲(chǔ)、處理、檢索和利用，這個(gè)不是智能的系統(tǒng)，而只是一個(gè)簡單的信息系統(tǒng)；即使把它們都連成網(wǎng)絡(luò)了，仍然只是一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)，而不是一個(gè)智能的系統(tǒng)。因此，判定一個(gè)系統(tǒng)是否是真正的、智能的系統(tǒng)，一定要從這四個(gè)方面去評(píng)估。很多地方搞智慧城市、搞智能制造，如果需要仔細(xì)推敲其真?zhèn)危詈玫暮饬康姆椒?，就是利用這把具有四個(gè)維度的尺子。