離開這三點 談什么智能制造

　　筆者在《論智能制造》系列中的“論智能制造的三個階段”中，談到了對三個階段的基本認識。而如何實施智能制造，則需要考慮智能制造的三個支點：產品、裝備和過程。

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

　　第二個支點是裝備，生產過程（包括研發(fā)、設計）中的每一個關鍵環(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、網絡化和智能化的生產裝備，就不是這個時代的先進制造裝備。而且，如果設備沒有智能化，也可能無法生產出企業(yè)想要生產的智能化產品。

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

　　智能產品是第一支點
　　一個機床生產廠，生產裝備和過程如果都是智能化的，而它生產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，首先應該想到的是自己的產品怎么實現(xiàn)智能化。即使生產過程沒有部分或全部實現(xiàn)智能化，能夠把智能的產品做出來，那么企業(yè)還是應該首先考慮產品的智能化問題。

　　產品的智能化，是通過產品中包含有各種復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，而且會形成一個龐大的產業(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，技術難度并不大。

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

　　現(xiàn)在，計算技術開始向各種產品領域滲透，提升產品的智能化水平。智能產品數(shù)以百億，甚至千億計，產品計算的覆蓋范圍可以說是“無遠弗屆”，一定會給整個IT產業(yè)帶來巨大的變化。因此，計算技術應用的下一個熱點，是產品計算。所有的產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)網快速發(fā)展的需求有很大的關系。

　　現(xiàn)在的智能產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，產品需要能夠感受外部的情況變化，或者能夠整合產品內部的數(shù)據(jù)。第二個是計算，包括產品本身的操作系統(tǒng)，以及產品使用的各種應用系統(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，隨著全球物聯(lián)網的發(fā)展，產品可能具有霧計算、邊緣計算和云計算相聯(lián)結的功能。因此新一代的智能產品，跟以前講的嵌入式系統(tǒng)的概念已經大不相同。

　　智能裝備是最大難點
　　裝備是智能制造最大的難點。生產裝備一般都比較復雜，而且批量可能不大，所采用的工業(yè)軟件也往往非常復雜。這使得生產成本很高，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，導致企業(yè)經營的風險很大。

　　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、網絡化、智能化”。抽去軟件，信息化的一切成果都不復存在。工業(yè)軟件首先是一個工業(yè)產品，而且往往是高端工業(yè)產品。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)在生產裝備智能化這一點上，已經非常領先。尤其是日本和德國，已經基本上壟斷了全球重大制造業(yè)生產裝備的市場。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)網的奮斗目標。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)的內部網，而橫向一體化正是企業(yè)的外部網?，F(xiàn)在，要把內部網和外部網完全整合在一起，將數(shù)據(jù)完全打通。

    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絡。在很多現(xiàn)代化企業(yè)里，不管內部網或外部網，都還只是一個獨立的計算機網絡或者系統(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，是一門大學問。

　　美國國家科學基金（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（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含的計算機和網絡系統(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，是美國需要重點發(fā)展的前沿命題。實際上，美國關于CPS的研究報告非常多，對這個命題非常關注。

    過程智能化的實現(xiàn)
　　工業(yè)4.0或者工業(yè)互聯(lián)網的目標，不僅要把內部網、外部網連起來，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）”結構來表述。

    最下面一層是智慧的連接層，第二層是數(shù)據(jù)轉換成信息，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，通過計算機網絡，對人、對物、對計算機進行重新配置或更改。這樣的一個五層結構，構成了一個標準的反饋控制系統(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)，其各層次所對應的技術支撐，如圖5所示。正是利用這些當下最時髦的先進技術，工業(yè)互聯(lián)網實現(xiàn)了企業(yè)整個業(yè)務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)網在2015年分別完成了系統(tǒng)的架構設計。工業(yè)互聯(lián)網的參考架構，可以清楚地說明系統(tǒng)的要素和相互之間的關系，并提供了一個開放的“工業(yè)互聯(lián)網系統(tǒng)設計指南”。應該強調的是，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，而不是標準。

　　這個架構設計描述了工業(yè)互聯(lián)網系統(tǒng)的內外三層結構。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，外面就是設備端的邊緣層，中間是平臺層（工業(yè)互聯(lián)網平臺，主要指這一部分。當然現(xiàn)在也有將工業(yè)互聯(lián)網平臺泛化的趨勢），最內層是企業(yè)層。在邊緣層上主要是邊緣的網關，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)的應用系統(tǒng)。企業(yè)會根據(jù)不同的應用做不同的分析，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)內外聯(lián)接的各個部門和單位。

    顯然，數(shù)據(jù)分析和處理在工業(yè)互聯(lián)網系統(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，各種決策模型的分析計算，以及系統(tǒng)結果的輸出。其中，大量使用的是計算科學的辦法：需要建模，需要算法，需要數(shù)據(jù)等等，最后產生的是決策數(shù)據(jù)。當然，安全、可信、隱私等，在結構中也有詳細的考慮。

　　智能制造與工業(yè)互聯(lián)網
　　現(xiàn)在，國內關于工業(yè)互聯(lián)網平臺的概念討論很多。工業(yè)互聯(lián)網平臺，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)和產業(yè)共用共享的平臺，那這個平臺就是全球物聯(lián)網平臺（Internet of Things，IOT），它不是為哪個工業(yè)，為哪個部門而設計的，而是面向全世界各行各業(yè)乃至個人服務的全球物聯(lián)網。

　　工業(yè)互聯(lián)網平臺是一個理想的“過程”智能化的平臺。設想非常完美，但系統(tǒng)非常復雜。在實現(xiàn)過程當中，未知數(shù)還很多，不同產業(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)網平臺上，又把平臺理解為產業(yè)的平臺，可能就誤判了智能制造的發(fā)展方向。當務之急，還是我們的產品和裝備的智能化問題，這對當下的中國來講，是智能制造的重點努力方向。