智慧云制造系統

李伯虎 柴旭東 侯寶存 劉陽 陸小兵

當前，一場新技術革命和新產業變革正在全球進行，“新互聯網+云計算+大數據+人工智能+”時代正在到來。2017年，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》中指出，人工智能發展進入新階段。當前，新一代人工智能相關學科發展、理論建模、技術創新、軟硬件升級等整體推進，正在引發鏈式突破，推動經濟社會各領域從數字化、網絡化向智能化加速躍升。

制造業是國民經濟的主體，是立國之本，興國之器，強國之基。它同樣面臨全球新技術革命和產業變革的挑戰。制造強國戰略中指出，中國制造業的發展路線是堅持走中國特色新型工業化道路，以創新發展為主題，以促進制造業提高質量增加效益為中心，以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向。

如何推進中國的智能制造？我們認為，在新一代人工智能技術的引領下，基于新互聯網，借助新一代智能科學技術、新制造科學技術、新信息通信科學技術與制造業的深度融合，加快我國制造業模式、手段和生態系統的重大變革，將是發展中國制造業實現跨越發展的難得良機，是打造新國際競爭優勢的必然選擇。新一代人工智能技術的引領下的智慧云制造系統正是一種新一代人工智能技術的引領下的智能制造系統。

解讀新一代人工智能

人工智能技術是研究開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術。新一代人工智能初步定義為“基于新的信息環境、新技術和新的發展目標的人工智能”。

其中，新的信息環境： 包括新互聯網，移動設備，網絡社區，傳感器網絡等;新技術：大數據、高性能計算技術、新的模型與算法等;新的發展目標：由從宏觀到微觀的智能化新領域，包括智能城市、數字經濟、智能制造、智能醫療等。其技術特征（趨勢）：數據驅動下深度強化學習智能;基于網絡的群體智能;人機和腦機交互的技術導向混合智能;跨媒體推理智能;自主智能無人系統。其具體研究內容：模擬、延伸和擴展人的能力學習能力（如機器學習）;語言能力（如自然語言處理）;感知能力（如圖像識別）;推理能力? （如自動推理）;記憶能力（如知識表示）;規劃能力（如自動規劃）;執行能力（如機器人）等。新一代人工智能技術還在發展：向強人工智能發展;向通用人工智能發展;向超人工智能發展。

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造

（1）新一代人工智能技術引領下的智慧云制造的內涵

技術手段：基于新互聯網，借助新一代智能科學技術、新制造科學技術、新信息通信科學技術、及新制造應用領域專業技術等4類技術深度融合的數字化、網絡化、云化、智能化技術新手段，構成以用戶為中心的統一經營的智能制造資源、產品與能力的服務云（網），使用戶通過智能終端及智能制造服務平臺便能隨時隨地按需獲取智能制造資源、產品與能力服務。

模式：以用戶為中心，人/機/物/環境/信息融合，“互聯化（協同化）、服務化、個性化（定制化）、柔性化、社會化、智能化的智能制造新模式”。

業態：“萬物互聯、數據驅動、共享服務、跨界融合、自主智慧、萬眾創新”的新業態。

特征：對制造全系統、全生命周期活動（產業鏈）中的人、機、物、環境、信息進行自主智能地感知、互聯、協同、學習、分析、認知、決策、控制與執行。

實施內容：促使制造全系統及全生命周期活動中的人、技術/設備、管理、數據、材料、資金（六要素）及人流、技術流、管理流、數據流、物流、資金流（六流）集成優化。

目標：實現高效、優質、節省、綠色、柔性地制造產品和服務用戶，提高企業的市場競爭能力。

（2）新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統的體系架構

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統就是按新一代人工智能技術引領下的智慧云制造內涵構建的智能制造系統。新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統的體系架構主要包括新智能資源/能力/產品層、新智能感知/接入/通信層、新智能制造云服務平臺層、新智能制造云服務應用層、新人/組織層以及各層的新標準及新安全管理。如圖1所示。

（3）新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統的技術體系

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統的技術體系主要包括智慧云制造總體技術、智能產品專業技術、智能感知/接入/通訊/邊緣處理層技術、智能制造云端服務平臺技術、智能產品設計技術、智能生產/裝備技術、智能經營管理技術、智能仿真與試驗技術及智能售前/售中/售后服務技術。

（4）新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統的支撐技術體系

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統的支撐技術體系主要包括新制造技術、新信息通信技術、新智能科學技術及新制造應用領域專業技術。

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統的模式、手段與業態等將會隨著制造技術和信息通信技術及智能科學技術的發展融合而不斷迭代與優化。這也是為什么在智能制造的發展過程中會不斷涌現出類似數字制造、集成制造、制造網格、精益生產、柔性制造、云制造、新一代智能制造等新理念、新手段、新模式和新業態。

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統與應用還在飛速發展的過程中，可以預見，它將形成推動經濟社會發展的巨大引擎。其中，“引領”的含義有兩層：（1）新一代人工智能技術用于（引領）智慧云制造的全系統、全生命周期。（2）基于新互聯網，借助新一代智能科學技術、新制造科學技術、新信息通信科學技術、及新制造應用領域專業技術等4類技術深度融合的數字化、網絡化、云化、智能化技術新手段（不僅是人工智能技術）。

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統初步實踐——航天云網

中國航天科工集團是中國戰略性、高科技、國家級創新型企業，2015年6月，航天科工成立航天云網公司，2017年6月，航天云網打造的中國智慧云制造服務平臺航天云網平臺面向全球正式發布。航天云網平臺是基于本團隊提出的云制造2.0（智慧云制造）理念、技術、模式、生態的進一步拓展，是新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統雛形初探，它融合了部分的新一代人工智能技術（基于大數據人工智能技術）與部分的新制造科學技術、新信息通信科學技術及新制造應用領域專業技術。航天云網系統架構包括五個層次，分別是面向智能研發、精益制造、智能服務、智能管控的工業應用層，提供IaaS服務、DaaS平臺、通用PaaS平臺和工業PaaS平臺服務的云平臺服務層（INDICS平臺層），提供工業設備接入、互聯能力的工業物聯網層（IIoT層）和各類工業設備、工業服務及工業產品的資源/能力/產品層，頂層是人/組織。如圖2所示。

其中，采用的新技術主要包括以下十類關鍵技術：新一代人工智能技術引領下的新智慧云制造協調體系架構/平臺技術;多協議的工業網關技術;云端計算與云邊緣計算融合技術;DaaS：基于大數據人工智能服務技術;PaaS：基于容器技術的平臺服務技術;建模、仿真引擎服務（虛擬工廠）技術——數字孿生服務技術;工業APP技術（原生APP 、第三方應用APP）技術;基于云平臺支持“智能工廠、協同制造、雙創（創新、創業）、智能服務”等技術;標準化技術;安全技術。

目前航天云網已面向用戶提供了門戶網站服務;智能制造、協同制造、云制造底層軟件開發與服務;工業大數據應用技術開發與服務和云端資源共享等20個業務模塊的產品服務體系，構建適應互聯網經濟業態與新型工業體系的航天云網生態系統，如圖3所示。

企業應用航天云網平臺由淺入深分為登云、數字化轉型和智慧化提升三個階段。

中國特色

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統初步實踐——航天云網基于智慧云制造理念構建，圍繞提高制造企業市場競爭力的目標，以兩化融合為主線，基于中國制造業信息化工作，可充分體現中國特色：

突出問題（大國向強國邁進）導向的需求牽引智慧云制造系統建設，進而推動產品制造全生命周期活動中的資源、產品與能力服務化及制造系統中六要素與六流的集成與優化的螺旋上升的循環發展途徑，進而加快中國制造業推進5個轉型升級。

突出建立智慧云制造新模式、新手段、新生態為核心的系統，實現“眾智、眾包、眾扶、眾籌”的“萬眾創新，大眾創業”。

突出工業2.0/3.0/4.0同步發展，即處于數字化、網絡化、智能化不同階段的制造企業皆能在“云”中，實現“信息互通、資源共享、能力協同、開放合作、互利共贏、萬眾創新”。

突出發揮“政、產、學、研、金、用”的團隊力量，實現高效、優質、節省、綠色、柔性地制造產品和服務，提高企業的市場競爭能力。

應用效果

航天云網在云制造戰略的牽引下，先后建設專有云、公有云、國際云“三朵云”，在解決航空航天復雜大制造系統問題基礎上，向社會企業、全球企業提供服務，取得了良好的應用效果。

截止到，2019年5月，注冊企業/單位數超230萬，需求發布條數達23萬條，發布需求金額超過5564.47億元，平臺接入設備達到近80萬臺;形成工業模型近40萬個，工業APP 超過2000個，在研發設計、生產制造等多個領域實現了大規模應用，形成了典型的智慧云制造系統應用模式。

航天云網在研發設計、采購供應、生產制造、運營管理等7個領域為航空航天、通用設備制造等行業數字化解決方案提供全面支撐。如在佛山某機器人公司目前共接入設備近6萬臺，日常在線設備15000余臺，實時監測機器人運行工況、工作異常并遠程維護保養，減少設備非計劃停機，積累故障數據優化機器人設計，實現對1022臺風機實時數據采集和存儲分析，全部風機每天上傳2億條數據，約20G，為開展智慧風場研究積攢了重要的數據資料。

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造的發展

新一代人工智能技術引領下的智慧云制造發展需要注重企業為中心的“政、產、學、研、金、用”結合的技術創新體系的建設及各類人才培養，需要實現“技術、產業、應用”的協調發展。

技術方面。在技術方面加強六個重視。一是要重視新一代人工智能技術引領下，將新制造科學技術、新信息科學技術、新智能科學技術及制造應用領域技術深度融合系統的發展;二是要重視加強智慧云制造平臺環境中的設計、生產、管理、試驗、保障服務等智能制造的新模式、新流程、新手段（硬/軟）、新業態的研究;三是要重視數據庫、算法庫、模型庫（包括一次模型、二次模型等）、大數據平臺、計算能力等基礎能力研究與建設;四是要重視符合“分享經濟”的商業模式技術研究;五是要重視安全技術（制造系統安全及商業安全技術）及相關標準和評估指標體系技術研究;六是要重視智能化感知、接入、互聯層的技術研究。

產業方面。在產業方面重視四個加強。一是加強新一代人工智能技術引領下，智能制造工具集（硬件/軟件）和平臺的產業;二是加強面向新一代人工智能技術的智能產品及智能互聯產品的產業;三是加強新一代人工智能技術引領下智慧云制造系統（行業、企業、車間制造云及制造產業鏈上各階段智慧云制造服務系統）的構建與運行產業;四是加強新一代人工智能技術引領下的智慧云制造運營中心的運營服務產業。

應用方面。在應用方面重視四個突出。一是要突出行業、企業特點;二是突出以問題為導向的制造模式、手段和業態的變革;三是突出系統的六要素、六流的綜合集成化、優化和智慧化;四是突出系統工程的實施原則，即“一把手掛帥”，“創新驅動，總體規劃，突出重點，分步實施”的指導思想，制定好發展規劃與階段性實施方案等。

基于作者所在團隊的研究與應用實踐，我們認識到以下四個方面：

（1）新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統是“新互聯網+云計算+大數據+人工智能+”時代的一種智能制造系統;是云計算在制造領域的落地和拓展。

（2）新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統是實施我國制造強國、網絡強國戰略規劃和行動計劃等的一種具有中國特色的新智能制造模式、手段和業態。

（3）新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統是持續發展中的制造新模式、手段和業態，隨著新需求和有關技術的發展，智慧云制造的模式、手段、業態還將持續發展。

（4）新一代人工智能技術引領下的智慧云制造系統（云）的發展與實施需要全國、全球的合作與交流，同時又要充分重視各國的特色和各行業、各企業的特點。