人工智能技術(shù)的高速發(fā)展

時(shí)間：2020-07-23 15:39:02

關(guān)鍵字：人工智能智能制造

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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

摘要

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

1、引言

面對新一輪工業(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]。

2. 智能制造的三個(gè)基本范式

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。

圖 1 智能制造三個(gè)基本范式演進(jìn)

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, 16, 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. 新一代智能制造引領(lǐng)和推動(dòng)新一輪工業(yè)革命

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]。

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(dòng)力。

3.2 新一代智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科技創(chuàng)新是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的根本動(dòng)力。第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命分別以蒸汽機(jī)和電力的發(fā)明和應(yīng)用為根本動(dòng)力，極大地提高了生產(chǎn)力，人類社會(huì)進(jìn)入了現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)。第三次工業(yè)革命，以計(jì)算、通訊、控制等信息技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用為標(biāo)志，持續(xù)將工業(yè)發(fā)展推向新高度[51]。

新世紀(jì)以來，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化使得信息的獲取、使用、控制以及共享變得極其快速和普及，進(jìn)而，新一代人工智能突破和應(yīng)用進(jìn)一步提升了制造業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化的水平，其最本質(zhì)的特征是具備認(rèn)知和學(xué)習(xí)的能力，具備生成知識(shí)和更好地運(yùn)用知識(shí)的能力，這樣就從根本上提高工業(yè)知識(shí)產(chǎn)生和利用的效率，極大地解放人的體力和腦力，使創(chuàng)新的速度大大加快，應(yīng)用的范圍更加泛在，從而推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展步入新階段，即數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造——新一代智能制造。如果說數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造是新一輪工業(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(dòng)形成新工業(yè)革命的高潮，將重塑制造業(yè)的技術(shù)體系、生產(chǎn)模式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)，并將引領(lǐng)真正意義上的“工業(yè)4.0”，實(shí)現(xiàn)新一輪工業(yè)革命。

3.3 愿景

制造系統(tǒng)將具備越來越強(qiáng)大的智能，特別是越來越強(qiáng)大的認(rèn)知和學(xué)習(xí)能力，人的智慧與機(jī)器智能相互啟發(fā)性地增長，使制造業(yè)的知識(shí)型工作向自主智能化的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而突破當(dāng)今制造業(yè)發(fā)展所面臨的瓶頸和困難。

新一代智能制造中，產(chǎn)品呈現(xiàn)高度智能化、宜人化，生產(chǎn)制造過程呈現(xiàn)高質(zhì)、柔性、高效、綠色等特征，產(chǎn)業(yè)模式發(fā)生革命性的變化，服務(wù)型制造業(yè)與生產(chǎn)型服務(wù)業(yè)大發(fā)展，進(jìn)而共同優(yōu)化集成新型制造大系統(tǒng)，全面重塑制造業(yè)價(jià)值鏈，極大提高制造業(yè)的創(chuàng)新力和競爭力。

新一代智能制造將給人類社會(huì)帶來革命性變化。人與機(jī)器的分工將產(chǎn)生革命性變化，智能機(jī)器將替代人類大量體力勞動(dòng)和相當(dāng)部分的腦力勞動(dòng)，人類可更多地從事創(chuàng)造性工作；人類工作生活環(huán)境和方式將朝著以人為本的方向邁進(jìn)。同時(shí)，新一代智能制造將有效減少資源與能源的消耗和浪費(fèi)，持續(xù)引領(lǐng)制造業(yè)綠色發(fā)展、和諧發(fā)展。

4. 新一代智能制造的技術(shù)機(jī)理：“人-信息-物理系統(tǒng)”（HCPS）

智能制造涉及智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)以及智能服務(wù)等多個(gè)方面及其優(yōu)化集成。從技術(shù)機(jī)理角度看，這些不同方面盡管存在差異，但本質(zhì)上是一致的，下面以生產(chǎn)過程為例進(jìn)行分析。

4.1 傳統(tǒng)制造與“人-物理系統(tǒng)”

傳統(tǒng)制造系統(tǒng)包含人和物理系統(tǒng)兩大部分，是完全通過人對機(jī)器的操作控制去完成各種工作任務(wù)（如圖2(a)所示）。動(dòng)力革命極大提高了物理系統(tǒng)（機(jī)器）的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，物理系統(tǒng)（機(jī)器）代替了人類大量體力勞動(dòng)。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，要求人完成信息感知、分析決策、操作控制以及認(rèn)知學(xué)習(xí)等多方面任務(wù)，不僅對人的要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度仍然大，而且系統(tǒng)工作效率、質(zhì)量和完成復(fù)雜工作任務(wù)的能力還很有限。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)可抽象描述為圖2(b)所示的“人-物理系統(tǒng)”（HPS—Human-Physical Systems）。

4.2 數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造與“人-信息-物理系統(tǒng)”

與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，第一代和第二代智能制造系統(tǒng)發(fā)生的本質(zhì)變化是，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(dòng)，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(dòng)，如圖3所示。

圖3 第一代和第二代智能制造系統(tǒng)

第一代和第二代智能制造系統(tǒng)通過集成人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，系統(tǒng)的能力尤其是計(jì)算分析、精確控制以及感知能力都得以很大提高。一方面，系統(tǒng)的工作效率、質(zhì)量與穩(wěn)定性均得以顯著提升；另一方面，人的相關(guān)制造經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)轉(zhuǎn)移到信息系統(tǒng)，能夠有效提高人的知識(shí)的傳承和利用效率。制造系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“人-物理系統(tǒng)”向 “人-信息-物理系統(tǒng)”（HCPS—Human-Cyber-Physical Systems）的演變可進(jìn)一步用圖4進(jìn)行抽象描述[11, 52, 53]。

信息系統(tǒng)（Cyber system）的引入使得制造系統(tǒng)同時(shí)增加了“人-信息系統(tǒng)”（HCS—Human-Cyber Systems）和“信息-物理系統(tǒng)”（CPS—Cyber-Physical Systems）。其中，“信息-物理系統(tǒng)”（CPS）是非常重要的組成部分。美國在本世紀(jì)初提出了CPS的理論[54]，德國將其作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)。“信息-物理系統(tǒng)”（CPS）在工程上的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的完美映射和深度融合， “數(shù)字孿生體”（Digital Twin）即是

最為基本而關(guān)鍵的技術(shù)，由此，制造系統(tǒng)的性能與效率可大大提高[13, 30, 37, 55, 56]。

圖4 從“人-物理系統(tǒng)”到“人-信息-物理系統(tǒng)”

4.3 新一代智能制造與新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”

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，信息系統(tǒng)不僅具有強(qiáng)大的感知、計(jì)算分析與控制能力，更具有了學(xué)習(xí)提升、產(chǎn)生知識(shí)的能力，如圖5所示。

圖5 新一代智能制造系統(tǒng)的基本機(jī)理

在這一階段，新一代人工智能技術(shù)將使“人-信息-物理系統(tǒng)”發(fā)生質(zhì)的變化，形成新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”（如圖6所示）。主要變化在于：第一，人將部分認(rèn)知與學(xué)習(xí)型的腦力勞動(dòng)轉(zhuǎn)移給信息系統(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，即從“授之以魚”發(fā)展到“授之以漁”；第二，通過“人在回路”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，極大優(yōu)化制造系統(tǒng)的性能[52, 57]。

圖6 新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”

新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”中，HCS、HPS和CPS都將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

新一代智能制造，進(jìn)一步突出了人的中心地位，是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)“人”、“信息系統(tǒng)”和“物理系統(tǒng)”的綜合集成大系統(tǒng)；將使制造業(yè)的質(zhì)量和效率躍升到新的水平，為人民的美好生活奠定更好的物質(zhì)基礎(chǔ)；將使人類從更多體力勞動(dòng)和大量腦力勞動(dòng)中解放出來，使得人類可以從事更有意義的創(chuàng)造性工作，人類社會(huì)開始真正進(jìn)入“智能時(shí)代”[10-12, 51]。

圖7 從“人-物理系統(tǒng)”到新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”

總之，制造業(yè)從傳統(tǒng)制造向新一代智能制造發(fā)展的過程是從原來的“人-物理”二元系統(tǒng)向新一代“人-信息-物理”三元系統(tǒng)進(jìn)化的過程（圖7所示）。新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”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。

5. 新一代智能制造的系統(tǒng)組成與系統(tǒng)集成

新一代智能制造是一個(gè)大系統(tǒng)，主要由智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)及智能服務(wù)三大功能系統(tǒng)以及工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云兩大支撐系統(tǒng)集合而成（如圖8所示）。

圖8 新一代智能制造的系統(tǒng)集成

新一代智能制造技術(shù)是一種核心使能技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于離散型制造和流程型制造的產(chǎn)品創(chuàng)新、生產(chǎn)創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新等制造價(jià)值鏈全過程創(chuàng)新與優(yōu)化。

5.1 智能產(chǎn)品與制造裝備

產(chǎn)品和制造裝備是智能制造的主體，其中，產(chǎn)品是智能制造的價(jià)值載體，制造裝備是實(shí)施智能制造的前提和基礎(chǔ)[58]。

新一代人工智能和新一代智能制造將給產(chǎn)品與制造裝備創(chuàng)新帶來無限空間，使產(chǎn)品與制造裝備產(chǎn)生革命性變化，從"數(shù)字一代"整體躍升至"智能一代"。從技術(shù)機(jī)理看，"智能一代"產(chǎn)品和制造裝備也就是具有新一代HCPS特征的、高度智能化、宜人化、高質(zhì)量、高性價(jià)比的產(chǎn)品與制造裝備。

設(shè)計(jì)是產(chǎn)品創(chuàng)新的最重要環(huán)節(jié)，智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能協(xié)同設(shè)計(jì)、與用戶交互的智能定制、基于群體智能的“眾創(chuàng)”等都是智能設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。研發(fā)具有新一代HCPS特征的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)也是發(fā)展新一代智能制造的核心內(nèi)容之一。

5.2 智能生產(chǎn)

智能生產(chǎn)是新一代智能制造的主線[40, 59, 60]。

智能產(chǎn)線、智能車間、智能工廠是智能生產(chǎn)的主要載體[61-63]。新一代智能制造將解決復(fù)雜系統(tǒng)的精確建模、實(shí)時(shí)優(yōu)化決策等關(guān)鍵問題，形成自學(xué)習(xí)、自感知、自適應(yīng)、自控制的智能產(chǎn)線、智能車間和智能工廠，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的高質(zhì)、柔性、高效、安全與綠色。

5.3 智能服務(wù)

以智能服務(wù)為核心的產(chǎn)業(yè)模式變革是新一代智能制造的主題[64, 65]。

在智能時(shí)代，市場、銷售、供應(yīng)、運(yùn)營維護(hù)等產(chǎn)品全生命周期服務(wù)，均因物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)而賦予其全新的內(nèi)容。

新一代人工智能技術(shù)的應(yīng)用將催生制造業(yè)新模式、新業(yè)態(tài)：一是，從大規(guī)模流水線生產(chǎn)轉(zhuǎn)向規(guī)?；ㄖ粕a(chǎn)；二是，從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變，推動(dòng)服務(wù)型制造業(yè)與生產(chǎn)型服務(wù)業(yè)大發(fā)展，共同形成大制造新業(yè)態(tài)。制造業(yè)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，完成深刻的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。

5.4 智能制造云與工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)

智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是支撐新一代智能制造的基礎(chǔ)[9, 20, 31, 44, 66, 67]。

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。智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)將由智能網(wǎng)絡(luò)體系、智能平臺(tái)體系和智能安全體系組成，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[68]。

5.5 系統(tǒng)集成

新一代智能制造內(nèi)部和外部均呈現(xiàn)出前所未有的系統(tǒng)“大集成”特征：

一方面是制造系統(tǒng)內(nèi)部的“大集成”。企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)、管理過程等實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)智能集成，即縱向集成；企業(yè)與企業(yè)之間基于工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)與智能云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)集成、共享、協(xié)作和優(yōu)化，即橫向集成[69-72]。

另一方面是制造系統(tǒng)外部的“大集成”。制造業(yè)與金融業(yè)、上下游產(chǎn)業(yè)的深度融合形成服務(wù)型制造業(yè)和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)共同發(fā)展的新業(yè)態(tài)。智能制造與智能城市、智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療乃至智能社會(huì)交融集成，共同形成智能制造“生態(tài)大系統(tǒng)”。

新一代智能制造系統(tǒng)大集成具有大開放的顯著特征，具有集中與分布、統(tǒng)籌與精準(zhǔn)、包容與共享的特性，具有廣闊的發(fā)展前景。

6. 并行推進(jìn)、融合發(fā)展——中國推進(jìn)智能制造的技術(shù)路線

在西方發(fā)達(dá)國家，智能制造是一個(gè)“串聯(lián)式”的發(fā)展過程，他們是用幾十年時(shí)間充分發(fā)展數(shù)字化制造之后，再發(fā)展數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造，進(jìn)而邁向更高級(jí)的智能制造階段[16]。在中國，制造業(yè)對于智能升級(jí)有著極為強(qiáng)烈的需求，近年來技術(shù)進(jìn)步也很快，但是總體而言，中國智能制造的基礎(chǔ)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。面對這樣的現(xiàn)實(shí)，中國如何推進(jìn)制造業(yè)的技術(shù)改造、智能升級(jí)？

首先，必須實(shí)事求是，中國企業(yè)在推進(jìn)智能升級(jí)的過程中要踏踏實(shí)實(shí)地完成數(shù)字化“補(bǔ)課”，夯實(shí)智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)；同時(shí)，不必走西方發(fā)達(dá)國家“順序發(fā)展”的路徑，努力探索一條智能制造跨越式發(fā)展的新路。

近幾年，中國制造業(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)成功轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造；另一方面，部分原來還未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造的企業(yè)，則采用并行推進(jìn)數(shù)字化制造和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造的技術(shù)路線，在完成了數(shù)字化制造“補(bǔ)課”的同時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造的跨越。這給我們提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

中國推進(jìn)智能制造，應(yīng)采取“并聯(lián)式”的發(fā)展方式，采用“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)路線：并行推進(jìn)數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、新一代智能制造，以及時(shí)充分應(yīng)用高速發(fā)展的先進(jìn)信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的融合式技術(shù)創(chuàng)新，引領(lǐng)和推進(jìn)中國制造業(yè)的智能轉(zhuǎn)型。

未來若干年，考慮到中國智能制造發(fā)展的現(xiàn)狀，也考慮到新一代智能制造技術(shù)還不成熟，中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的工作重點(diǎn)要放在大規(guī)模推廣和全面應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+制造”；同時(shí)，在大力普及“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的過程中，要特別重視各種先進(jìn)技術(shù)的融合應(yīng)用，“以高打低、融合發(fā)展”。一方面，使得廣大企業(yè)都能高質(zhì)量完成“數(shù)字化補(bǔ)課”；另一方面，盡快盡好應(yīng)用新一代智能制造技術(shù)，大大加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的速度。

再過若干年，在新一代智能制造技術(shù)基本成熟之后，中國制造業(yè)將進(jìn)入全面推廣應(yīng)用普及新一代智能制造的新階段。

我國在推動(dòng)三個(gè)基本范式“融合發(fā)展”時(shí)，必須制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。未來數(shù)十年，我國企業(yè)在智能升級(jí)過程中，將普遍面臨多次范式轉(zhuǎn)化和技術(shù)升級(jí)，必須高度重視制定和實(shí)行智能制造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)發(fā)展做好準(zhǔn)備，避免企業(yè)的低水平重復(fù)建設(shè)，有利于我國推進(jìn)智能制造的分階段實(shí)施和不斷升級(jí)。

在實(shí)施“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”這一技術(shù)路線的過程中，要強(qiáng)調(diào)“五個(gè)堅(jiān)持”的方針。

一是堅(jiān)持“創(chuàng)新引領(lǐng)”。緊緊抓住新一代智能制造帶來的歷史性機(jī)遇，充分利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，瞄準(zhǔn)高端方向，加快研究、開發(fā)、示范、推廣和應(yīng)用新一代智能制造技術(shù)，用創(chuàng)新引領(lǐng)和推動(dòng)制造業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和效率提升，實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)由大變強(qiáng)。

二是堅(jiān)持“因企制宜”。推動(dòng)智能制造，要充分激發(fā)企業(yè)的內(nèi)生動(dòng)力。中國的企業(yè)參差不齊，實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型不能搞“一刀切”，各個(gè)企業(yè)特別是廣大中小企業(yè)，要結(jié)合企業(yè)發(fā)展實(shí)情，充分考慮技術(shù)先進(jìn)性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的平衡，實(shí)事求是地應(yīng)用適合自己轉(zhuǎn)型升級(jí)的技術(shù)路徑。

三是堅(jiān)持“產(chǎn)業(yè)升級(jí)”。推動(dòng)智能制造不能僅僅停留在典型、示范、部分制造環(huán)節(jié)或者部分制造領(lǐng)域，而是要著眼于廣大企業(yè)、各個(gè)行業(yè)和整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)中國制造業(yè)質(zhì)量變革、效率變革、動(dòng)力變革，實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)全方位的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

四是堅(jiān)持建設(shè)良好的發(fā)展生態(tài)。各級(jí)政府、科技界、學(xué)界、金融界等社會(huì)各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(jí)。營造“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的良好環(huán)境；建設(shè)“用產(chǎn)學(xué)研金政”緊密結(jié)合的智能制造技術(shù)創(chuàng)新體系；形成從事推廣應(yīng)用各種共性使能技術(shù)和提供系統(tǒng)解決方案的新興企業(yè)集群。

推進(jìn)智能制造成敗的關(guān)鍵在于人才，要以人為本，動(dòng)員各方力量，努力培養(yǎng)一代智能制造優(yōu)秀人才。

五是堅(jiān)持開放與協(xié)同創(chuàng)新。中國制造業(yè)界要不斷擴(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)更好地為人類造福。

致謝

感謝路甬祥、潘云鶴、朱高峰、吳澄、李伯虎、柳百成、王天然、盧秉恒、譚建榮、楊華勇、李德群、段正澄、蔣莊德、林忠欽、馬偉明、丁榮軍、高金吉、劉永才、馮培德、柴天佑、孫優(yōu)賢、袁晴棠、錢峰、屈賢明、邵新宇、董景辰、朱森第、蔡惟慈、張綱、黃群慧、呂薇、余曉暉、寧振波、趙敏、郭朝暉、李義章等各位專家所作出的貢獻(xiàn)。

感謝延建林、胡楠、古依莎娜、楊曉迎、徐靜、劉默、劉麗輝、韋莎、馬原野、張欣等各位同事所作出的貢獻(xiàn)。

本研究由中國工程院重大咨詢研究項(xiàng)目(2017-ZD-08)資助，特此感謝。

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作者

周濟(jì)1，李培根2，周艷紅2,*，王柏村3,*，臧冀原3，孟柳3

1.中國工程院，北京，100088；

2.華中科技大學(xué)，武漢，430074；

3.清華大學(xué)，北京，100084

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