實(shí)施智能制造需要考慮三個(gè)支點(diǎn)

如何實(shí)施智能制造？需要考慮智能制造的三個(gè)支點(diǎn)：產(chǎn)品、裝備和過(guò)程。

筆者在《論智能制造》系列中的“論智能制造的三個(gè)階段”中，談到了對(duì)三個(gè)階段的基本認(rèn)識(shí)。而如何實(shí)施智能制造，則需要考慮智能制造的三個(gè)支點(diǎn)：產(chǎn)品、裝備和過(guò)程。

圖1? 智能制造的三個(gè)支點(diǎn)

第一個(gè)需要考慮的是推動(dòng)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(shí)髦。企業(yè)銷售產(chǎn)品的時(shí)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(shuō)明這個(gè)產(chǎn)品的價(jià)值何在。產(chǎn)品是企業(yè)面向社會(huì)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(wèn)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(shí)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(gè)支點(diǎn)是裝備，生產(chǎn)過(guò)程（包括研發(fā)、設(shè)計(jì)）中的每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的裝備，一定要智能化。如果這個(gè)智能化實(shí)現(xiàn)不了，勞動(dòng)生產(chǎn)力和勞動(dòng)效率就不可能得到很大提高，企業(yè)可能就沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)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(gè)時(shí)代的先進(jìn)制造裝備。而且，如果設(shè)備沒(méi)有智能化，也可能無(wú)法生產(chǎn)出企業(yè)想要生產(chǎn)的智能化產(chǎn)品。

第三個(gè)支點(diǎn)是企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的智能化問(wèn)題。裝備智能化解決的是生產(chǎn)過(guò)程中“點(diǎn)”的智能化問(wèn)題；企業(yè)只有實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的智能化，才能實(shí)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(diǎn)

一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)廠，生產(chǎn)裝備和過(guò)程如果都是智能化的，而它生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)床卻是一般的機(jī)床，沒(méi)有智能化的要素，那么這個(gè)機(jī)床廠的前途就非常堪憂。因?yàn)?，他自己都不?huì)去購(gòu)買這樣不夠智能化的機(jī)床。

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

產(chǎn)品的智能化，是通過(guò)產(chǎn)品中包含有各種復(fù)雜程度不等的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，尤其是嵌入式系統(tǒng)，來(lái)實(shí)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(huì)形成一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。中國(guó)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(duì)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(diǎn)，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(jì)算技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的重大趨勢(shì)。計(jì)算技術(shù)發(fā)明的初衷是為了科學(xué)計(jì)算。而后，發(fā)展為支持人類各種業(yè)務(wù)活動(dòng)的信息處理和傳播，即業(yè)務(wù)計(jì)算。業(yè)務(wù)計(jì)算的覆蓋范圍已經(jīng)比科學(xué)計(jì)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(kāi)始崛起，計(jì)算技術(shù)滲入了人們的社會(huì)生活，大大地推動(dòng)了社會(huì)計(jì)算的發(fā)展，計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用覆蓋范圍則更進(jìn)一步擴(kuò)大。

現(xiàn)在，計(jì)算技術(shù)開(kāi)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(jì)，產(chǎn)品計(jì)算的覆蓋范圍可以說(shuō)是“無(wú)遠(yuǎn)弗屆”，一定會(huì)給整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的變化。因此，計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的下一個(gè)熱點(diǎn)，是產(chǎn)品計(jì)算。所有的產(chǎn)品都要程度不等地走向智能化，計(jì)算都有可能參與其中。這一點(diǎn)，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(jì)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(gè)方面。第一個(gè)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(gè)是計(jì)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(jì)算——也就是人工智能。第三個(gè)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(jì)算、邊緣計(jì)算和云計(jì)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(wú)處不在的智能產(chǎn)品

智能裝備是最大難點(diǎn)

裝備是智能制造最大的難點(diǎn)。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(chǎng)很小，因此愿意或有實(shí)力從事智能裝備制造的企業(yè)并不多。而且，由于裝備的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)很大。

另外，裝備制造的難點(diǎn)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(méi)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(gè)工業(yè)產(chǎn)品，而且往往是高端工業(yè)產(chǎn)品。這是中國(guó)制造2025主要的難點(diǎn)，而工業(yè)界對(duì)這一點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，還很不充分。

過(guò)程智能化

發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)在生產(chǎn)裝備智能化這一點(diǎn)上，已經(jīng)非常領(lǐng)先。尤其是日本和德國(guó)，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(chǎng)。而智能制造的下一步的發(fā)展，就是要實(shí)現(xiàn)過(guò)程的智能化，完成從裝備這個(gè)“點(diǎn)”向過(guò)程這條“線”的發(fā)展。

過(guò)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?？v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)?，F(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(gè)智能物理系統(tǒng)（Cyber-Physical-System, CPS）。這里的Cyber意指計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)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(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者系統(tǒng)，或者實(shí)現(xiàn)了初步的整合。如何跟企業(yè)這個(gè)物理實(shí)體融為一體，有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，是一門大學(xué)問(wèn)。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金（NSF）在2006年的一個(gè)報(bào)告中指出，現(xiàn)有的、工業(yè)時(shí)代發(fā)展出來(lái)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(wèn)題。他們認(rèn)為，企業(yè)這個(gè)物理實(shí)體與其內(nèi)含的計(jì)算機(jī)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(qiáng)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(huì)發(fā)展成為一個(gè)新的系統(tǒng)工程學(xué)，是美國(guó)需要重點(diǎn)發(fā)展的前沿命題。實(shí)際上，美國(guó)關(guān)于CPS的研究報(bào)告非常多，對(duì)這個(gè)命題非常關(guān)注。

過(guò)程智能化的實(shí)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(lái)，而且要變成一個(gè)智能物理系統(tǒng)（CPS）。二者都可以通過(guò)一個(gè)“5C（五層）”結(jié)構(gòu)來(lái)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(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中相對(duì)應(yīng)的期望值做對(duì)比分析。第四層是認(rèn)知層，根據(jù)對(duì)比差異，找到問(wèn)題之所在及解決問(wèn)題的方法。因此，這一層實(shí)際上是一個(gè)決策層。第五層是配置層，可以按照決策要求，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)人、對(duì)物、對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行重新配置或更改。這樣的一個(gè)五層結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的反饋控制系統(tǒng)，可以對(duì)企業(yè)的控制對(duì)象，即：人（員工）、機(jī)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、各種物理實(shí)體等，進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋和控制。這樣的一個(gè)反饋系統(tǒng)，其各層次所對(duì)應(yīng)的技術(shù)支撐，如圖5所示。正是利用這些當(dāng)下最時(shí)髦的先進(jìn)技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)整個(gè)業(yè)務(wù)活動(dòng)全過(guò)程的的智能控制。

根據(jù)這個(gè)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(jì)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參考架構(gòu)，可以清楚地說(shuō)明系統(tǒng)的要素和相互之間的關(guān)系，并提供了一個(gè)開(kāi)放的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南”。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，這里說(shuō)的是指南，是給出了一個(gè)大家共同努力、同向而行的方向，而不是標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)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(tái)層，再到企業(yè)層，如果我們把它看作是一個(gè)球體的話，外面就是設(shè)備端的邊緣層，中間是平臺(tái)層（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，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(tái)泛化的趨勢(shì)），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(tái)層之后，平臺(tái)層對(duì)數(shù)據(jù)做必要的處理和分析；分析完之后，再送達(dá)企業(yè)層，送到企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)。企業(yè)會(huì)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(tái)層和邊緣層，直至送達(dá)企業(yè)內(nèi)外聯(lián)接的各個(gè)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(diǎn)數(shù)據(jù)的獲取、從數(shù)據(jù)中提取信息的先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，各種決策模型的分析計(jì)算，以及系統(tǒng)結(jié)果的輸出。其中，大量使用的是計(jì)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(xì)的考慮。

智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的概念討論很多。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，是一個(gè)以企業(yè)為中心的平臺(tái)，而不是說(shuō)在整個(gè)工業(yè)行業(yè)建一個(gè)大的所謂“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)”。所謂平臺(tái)化是發(fā)展的趨勢(shì)，其實(shí)是指企業(yè)的平臺(tái)化，每一個(gè)大企業(yè)都會(huì)有自己的一個(gè)企業(yè)平臺(tái)，而不會(huì)把自己的業(yè)務(wù)搬到其他企業(yè)的平臺(tái)上去。波音的平臺(tái)不會(huì)到中航工業(yè)的平臺(tái)上，空客的平臺(tái)也不會(huì)到波音的平臺(tái)上去。

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

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)理想的“過(guò)程”智能化的平臺(tái)。設(shè)想非常完美，但系統(tǒng)非常復(fù)雜。在實(shí)現(xiàn)過(guò)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(tái)之間的差異也很大。例如，中航工業(yè)的平臺(tái)，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(gè)企業(yè)一定要從自身的緊迫需求和實(shí)際效益出發(fā)，分步推進(jìn)，絕對(duì)不能盲目跟隨，尤其考慮到當(dāng)前中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的水平和信息化的水平離國(guó)際先進(jìn)水平相差仍然很大，“過(guò)程”智能化的路途還比較遙遠(yuǎn)。

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(tái)上，又把平臺(tái)理解為產(chǎn)業(yè)的平臺(tái)，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(wèn)題，這對(duì)當(dāng)下的中國(guó)來(lái)講，是智能制造的重點(diǎn)努力方向。