新工業(yè)革命背景下的智能制造發(fā)展研究

李 晟

（東方國(guó)信，河南 鄭州 450066）

1 概述

如今，信息通信技術(shù)、新能源、新材料、生物技術(shù)等重要領(lǐng)域和前沿方向不斷出現(xiàn)革命性突破和交叉融合，人工智能、數(shù)字制造、3D 打印等技術(shù)不斷成熟，加之2008 年全球金融危機(jī)后以美國(guó)為首的主要發(fā)達(dá)國(guó)家推出 “重返制造業(yè)”的戰(zhàn)略政策，正引發(fā)全球工業(yè)發(fā)展模式發(fā)生巨大變革。一種普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，“第三次工業(yè)革命”已經(jīng)到來(lái)。然而當(dāng)前各國(guó)對(duì)智能生產(chǎn)的界定存在一定的分歧。因每個(gè)國(guó)家發(fā)展條件不同，所以還是要?jiǎng)?chuàng)造適合自身的技術(shù)體系。中國(guó)工業(yè)和信息化部門(mén)對(duì)“智能化”概念的界定為：智能化生產(chǎn)是以新一代信息通訊技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)為基礎(chǔ)，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理之中；它是具有自感知、自學(xué)習(xí)和自主決策能力的生產(chǎn)過(guò)程。這一概念體現(xiàn)了中國(guó)對(duì)智能化生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)。

“智能制造”是日本工業(yè)界于一九八九年推出的第一個(gè)智慧生產(chǎn)體系；美國(guó)于一九九二年推行新技術(shù)方針，目的在于推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)的更新與發(fā)展，包括信息科技、新制造工藝、智能制造技術(shù)等。智能制造表現(xiàn)出制造業(yè)和服務(wù)業(yè)相融合的趨勢(shì)，這使得傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)理論需要加以創(chuàng)新。

就制造業(yè)的發(fā)展歷程看，智能制造代表目前制造業(yè)發(fā)展的最高階段。它是建立在以信息化和自動(dòng)化為代表的工業(yè)3.0 成熟發(fā)展的基礎(chǔ)之上的。從現(xiàn)有的資料來(lái)看，美日是世界上最早開(kāi)始智能制造進(jìn)程的國(guó)家。美國(guó)學(xué)者杰里米·里夫金在其 《第三次工業(yè)革命》一書(shū)中提出，“第三次工業(yè)革命”是由互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與可再生能源革命相結(jié)合所產(chǎn)生的 “能源互聯(lián)網(wǎng)”為標(biāo)志的工業(yè)革命。

德國(guó)2013 舉辦漢諾威工業(yè)展覽會(huì)，并提出“工業(yè)4.0”將提升德國(guó)的工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。根據(jù)德國(guó)的工業(yè)4.0理論，其戰(zhàn)略的重點(diǎn)是以“物聯(lián)網(wǎng)”與“業(yè)務(wù)聯(lián)網(wǎng)”為基礎(chǔ)，把產(chǎn)品、機(jī)器和資源整合起來(lái)；將人有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，建立一個(gè)面向?qū)ο蟮男畔?物理融合系統(tǒng)（CPS），實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期和整個(gè)制造過(guò)程的數(shù)字化，并在 ICT 技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的一體化，從而形成一種高度靈活、可重構(gòu)、個(gè)性化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)模式。

從世界范圍來(lái)看，目前無(wú)論是理論構(gòu)架還是現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件都還處于較初級(jí)階段，要真正進(jìn)入工業(yè)4.0 時(shí)代還需要較長(zhǎng)的時(shí)間。即使在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)達(dá)的德國(guó)，要建立真正的全生命周期智能化制造系統(tǒng)，并投入大規(guī)模應(yīng)用也還有很長(zhǎng)的路要走。根據(jù)工信部關(guān)于“智能化”的概念，可以看到，“智能化”是“4.0”的關(guān)鍵所在。智能化生產(chǎn)和常規(guī)生產(chǎn)有著顯著的不同，這種差異在四個(gè)層面上表現(xiàn)出來(lái)。一是生產(chǎn)設(shè)計(jì)更加注重顧客的需要，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)實(shí)的融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)需求和設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)互動(dòng)，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間；二是柔性化、智能化、生產(chǎn)管理模式的個(gè)人化、檢驗(yàn)流程的在線(xiàn)化、實(shí)時(shí)化、人機(jī)互動(dòng)和多種生產(chǎn)形式的形成；三是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)越來(lái)越依靠資訊系統(tǒng)，比如越來(lái)越多地利用電腦資訊技術(shù)、更多的人機(jī)互動(dòng)、控制，涉及上下游乃至全鏈條。四是智能化的產(chǎn)品可以覆蓋所有的生產(chǎn)過(guò)程，使其從生產(chǎn)到銷(xiāo)售全閉環(huán)，從而使其更好地適應(yīng)市場(chǎng)，更好地滿(mǎn)足顧客的個(gè)性化要求。

2 新工業(yè)背景下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分析

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首要目的是要使企業(yè)運(yùn)作更加智能化，并產(chǎn)生工業(yè)效益，其實(shí)質(zhì)為利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能化生產(chǎn)設(shè)備，環(huán)境檢測(cè)設(shè)備，生產(chǎn)線(xiàn)；工廠，物流平臺(tái)，產(chǎn)品供應(yīng)商；生產(chǎn)操作員、消費(fèi)者等各環(huán)節(jié)要素資源的聯(lián)系和整合，突破溝通的障礙，有效地共享和協(xié)調(diào)各種制造資源、服務(wù)資源和人力資源，從而促進(jìn)制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的大整合，并在生產(chǎn)制造鏈的全流程中實(shí)現(xiàn)資源的有效分享。[1]

與目前的因特網(wǎng)不同，它強(qiáng)調(diào)的是物理設(shè)備、感測(cè)設(shè)備等多個(gè)方面的全面聯(lián)系（互聯(lián)），數(shù)據(jù)高速傳輸，多類(lèi)型集成，分析和建模，其實(shí)質(zhì)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合會(huì)在2017 年將其替換為“行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)”。

在制造業(yè)方面，“生產(chǎn)+物聯(lián)網(wǎng)”被稱(chēng)為以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)的生產(chǎn)（IoT）。

通用電器的“工業(yè)網(wǎng)絡(luò)”概念與德國(guó)“工業(yè)4.0”的概念如出一轍，并被譽(yù)為“工業(yè)4.0”的美國(guó)版本。不管是2012 年由通用電器推出的“工業(yè)網(wǎng)絡(luò)”，或是在2013 年由德國(guó)發(fā)起的“工業(yè)4.0”，或是在2015 年推出“中國(guó)制造2025”，都旨在實(shí)現(xiàn)流程、設(shè)備等數(shù)字化；信息化的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)實(shí)體與資訊的虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，向智能化的生產(chǎn)方向發(fā)展，從而使生產(chǎn)力最大化，最大限度地迎合使用者的個(gè)性化需要，并為企業(yè)帶來(lái)更多的利益。

在亞洲，AKARI 是由日本信息與通訊研究所（NI CT）于2006 年發(fā)起的一項(xiàng)關(guān)于未來(lái)因特網(wǎng)的調(diào)查，旨在于2015 年以前建立一套嶄新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以應(yīng)付目前網(wǎng)絡(luò)所面臨的問(wèn)題以及將來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求。[2]

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)將信息采集、傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算的時(shí)代，它的“四網(wǎng)”即Internet、IbfP、IoCK、業(yè)務(wù)聯(lián)網(wǎng)（IoS）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已經(jīng)是支撐未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的四大主要技術(shù)。因特網(wǎng)的發(fā)展歷程，既說(shuō)明了信息化的時(shí)代潮流，又為制造業(yè)的數(shù)字化、信息化及智能化提供了一個(gè)新的思路。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)由計(jì)算設(shè)備、智能感測(cè)設(shè)備和全球定位系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，其擁有統(tǒng)一的、獨(dú)特的標(biāo)識(shí)代碼，能夠在互聯(lián)網(wǎng)上傳送信息，并能夠知曉物體與人之間的互聯(lián)，并能夠智能地感知、辨別和控制物體和程序。物聯(lián)網(wǎng)利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)頻率識(shí)別技術(shù)，可以讓計(jì)算機(jī)在不受人為因素影響的情況下觀察、識(shí)別和認(rèn)知這個(gè)世界，而不會(huì)受到人為因素的影響，它的體系結(jié)構(gòu)一般包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)工具層和應(yīng)用層。SRI Consulting Business Intelligence 的技術(shù)被全球各國(guó)的政府和科研單位所采用，這四大部分包括供應(yīng)鏈輔助、垂直市場(chǎng)應(yīng)用、遍及全球的尋址服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)了“The Physical Web”（意思是將所有的物聯(lián)網(wǎng)裝置都標(biāo)記成URL）。

利用互聯(lián)網(wǎng)所獲得的大量信息，我們需要云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存技術(shù)，使之成為有用的信息、知識(shí)或智慧。在我們使用WeChat，QQ，Email；MSN、Blog、Tag、SNS 和維基等社交通訊工具和因特網(wǎng)把服務(wù)的資源擴(kuò)展到社交領(lǐng)域時(shí)，我們可以通過(guò)群體智力（CI）來(lái)進(jìn)行知識(shí)交流、知識(shí)協(xié)同創(chuàng)新、知識(shí)儲(chǔ)備沉淀；一個(gè)人的決定，一般都比不上多個(gè)人的決定，一個(gè)人的智慧，就是一個(gè)人的力量，多個(gè)人的觀點(diǎn)被集合起來(lái)，并轉(zhuǎn)換為決策的一種過(guò)程是通過(guò)多主體的合作與競(jìng)爭(zhēng)涌現(xiàn)出來(lái)的一種集體共識(shí)一致的決策模式。Web3.0 使使用者和因特網(wǎng)的互動(dòng)變得更為靈活，它的使用者不但可以在網(wǎng)上獲得信息，而且還可以作為信息的發(fā)布者和傳播者，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則，可以在網(wǎng)上隨意地發(fā)表自己的內(nèi)容、信息、知識(shí)等；通過(guò)這種特點(diǎn)，群體智力可以迅速且有效地促進(jìn)社會(huì)的內(nèi)容和知識(shí)共享。在網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用下，基于社群的論壇、朋友圈、創(chuàng)新興趣小組等在群體智力進(jìn)化的進(jìn)程中發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。“眾扶、眾籌、眾創(chuàng)”的“共享服務(wù)、跨界融合”，著重發(fā)揮“政、產(chǎn)、學(xué)；科、研、金”，用六方合一的整體合力實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、快速的響應(yīng)；節(jié)能環(huán)保，智能制造，為客戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，增強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。[3]

物聯(lián)網(wǎng)可以利用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)和“生產(chǎn)即服務(wù)”的概念，將分散的生產(chǎn)資源轉(zhuǎn)化為虛擬的服務(wù)，并將不同的服務(wù)資源整合在一起，形成一個(gè)“服務(wù)”的集合，以滿(mǎn)足客戶(hù)的需求、及時(shí)的服務(wù)和更佳的使用體驗(yàn)。SOA 的概念已經(jīng)被普遍認(rèn)可并被植入產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，包括原材料供應(yīng)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售、服務(wù)等。由此，服務(wù)的內(nèi)涵也被擴(kuò)展，不僅限于產(chǎn)品自身的售后服務(wù)，還涵蓋了各類(lèi)生產(chǎn)相關(guān)的資源、能源和知識(shí)；在這種情況下，制造網(wǎng)格和云制造就是一種新的服務(wù)方式。單個(gè)服務(wù)通常只能處理一個(gè)特定的服務(wù)，而不可能同時(shí)處理多個(gè)復(fù)雜的服務(wù)，這就要求把一個(gè)復(fù)雜的服務(wù)分成不同的單元，而不能被分割開(kāi)來(lái)，通過(guò)服務(wù)組合、擇優(yōu)、遺傳等高效的優(yōu)化方法來(lái)優(yōu)化服務(wù)組合。SOA的服務(wù)性系統(tǒng)“是一種松耦合的架構(gòu)，可以讓各個(gè)單獨(dú)的服務(wù)或子系統(tǒng)在沒(méi)有大的改變或者完全改變現(xiàn)有的體系架構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的增、刪、查；由于服務(wù)系統(tǒng)和服務(wù)平臺(tái)的穩(wěn)定性的提高，隨著將來(lái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不斷健全，網(wǎng)絡(luò)與 AI 的廣泛普及，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的群體化發(fā)展與應(yīng)用，不僅能夠做到“制造即服務(wù)”，而且還能實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)即服務(wù)”“軟件即服務(wù)”“基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)”“平臺(tái)即服務(wù)”“安全即服務(wù)”“管理即服務(wù)”等，并逐步邁向“一切服務(wù)”的智能服務(wù)社會(huì)。[4]

3 新工業(yè)革命與新一代智能制造

先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化機(jī)器人技術(shù)和功能完備的工業(yè)控制體系正在促使制造業(yè)朝著大規(guī)模的、靈活的生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。比如物聯(lián)網(wǎng)、AI2.0,3D 打印、電動(dòng)汽車(chē)等。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、CPS 等新技術(shù)的興起，實(shí)現(xiàn)了智能化供應(yīng)。

在過(guò)去的幾百年里，工業(yè)模式經(jīng)歷了幾次大的變革，從1.0 到4.0，都會(huì)隨著市場(chǎng)的需求而改變，但整體上，它的規(guī)模越來(lái)越大。從1.0 的一維到2.0 的工業(yè)2.0(Volume+Variety)，到3.0 的工業(yè)4.0 (Volume+Variety+DeliveryTime+DeliveryTime)，最終演變成了四維的工業(yè)4.0 (Volume+Variety+DeliveryTime+CustomerDemand）。

與之相比，工業(yè)4.0 有了新的技術(shù)特點(diǎn)。一是它不限于“人在環(huán)內(nèi)”，它可以操縱制造實(shí)體體系，而轉(zhuǎn)向“人在環(huán)上”，或者“人在環(huán)外”。以泛在感知為基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算為基礎(chǔ)；5G 通信技術(shù)包括高可靠性、低延時(shí)等，通過(guò)推理人類(lèi)的意圖、心理狀態(tài)、情緒、行為，將人類(lèi)行為包含到系統(tǒng)自身，從而達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)中人-機(jī)-物-環(huán)境的真正互聯(lián)互通，物理與信息世界的虛實(shí)交互融合、共享信息、實(shí)時(shí)智能優(yōu)化決策；對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)體系進(jìn)行精確控制；二是伴隨音頻、圖像、視頻等在軟件中的運(yùn)用；隨著人類(lèi)社會(huì)交際的日益廣泛，數(shù)據(jù)的處理也從單一的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向了半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，對(duì)海量的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)的分析，并能迅速地抽取出需要的信息、知識(shí)和智慧，是智能生產(chǎn)的一個(gè)難題；關(guān)鍵點(diǎn)：分析所用的資料，除了來(lái)自生產(chǎn)的基本資料外，還包括來(lái)自人際關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的各種額外資料。[5]

在工業(yè)4.0 中，CPS 是其核心，其關(guān)鍵在于將實(shí)體和虛擬相結(jié)合，目前已有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有 CPS 技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、AR/VR/MR 技術(shù)。[6]

4 結(jié)語(yǔ)

從“數(shù)字制造”到“計(jì)算機(jī)+”，再到網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算；隨著新一代的資訊科技和 AI 技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)的“AI+”，無(wú)論從哪一個(gè)角度都可以看出，“AI+”是未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的大方向，而“AI+”則是基于“計(jì)算機(jī)+”與“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展。所以，要使制造業(yè)的智能化升級(jí)，必須通過(guò)“計(jì)算機(jī)+”來(lái)推動(dòng)制造業(yè)的數(shù)字化，并通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+”來(lái)完成縱向、橫向、端對(duì)點(diǎn)的集成；同時(shí)，還要推動(dòng)新一代的人工智能，如大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等，深入制造領(lǐng)域。

盡管工業(yè)4.0 注重大規(guī)模的個(gè)人化生產(chǎn)，但未來(lái)的生產(chǎn)將是一種大規(guī)模生產(chǎn)、大規(guī)模定制和大規(guī)模個(gè)人化生產(chǎn)的“長(zhǎng)尾巴”，對(duì)目前還處在從2.0 到3.0 的中國(guó)制造業(yè)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)“智能化”生產(chǎn)，即“長(zhǎng)尾巴”生產(chǎn)，可以為企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)更多的、更廣泛的產(chǎn)品和服務(wù)。

國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)于“第三次工業(yè)共鳴”的主流觀點(diǎn)還是“制造業(yè)的數(shù)字化革命”。黃群慧、賀俊指出，“第三次工業(yè)革命”是以智能化、數(shù)字化、信息化技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代基礎(chǔ)制造技術(shù)對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)流水線(xiàn)和柔性制造系統(tǒng)的改造為主要內(nèi)容，以基于可重構(gòu)生產(chǎn)系統(tǒng)的個(gè)性化制造和快速市場(chǎng)反應(yīng)為特點(diǎn)，將從根本上解決傳統(tǒng)制作系統(tǒng)下新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、生產(chǎn)利用率、生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、個(gè)性化需求等主要產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)要素之間的沖突，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的綜合優(yōu)化和運(yùn)營(yíng)效率的大幅提升。