離開(kāi)這三點(diǎn) 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(gè)階段”中，談到了對三個(gè)階段的基本認識。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。

    第一個(gè)需要考慮的是推動(dòng)智能制造的目標是什么。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(xiāo)售產(chǎn)品的時(shí)候，不是要宣傳企業(yè)的生產(chǎn)線(xiàn)有多漂亮、多現代，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。智能制造的目標是產(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)、設計）中的每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節上的裝備，一定要智能化。如果這個(gè)智能化實(shí)現不了，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)有競爭力。不是數字化、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)現生產(chǎn)全過(guò)程的智能化，才能實(shí)現企業(yè)全局的智能化，才能夠實(shí)現智能化效益的最大化。

　　智能產(chǎn)品是第一支點(diǎn)
　　一個(gè)機床生產(chǎn)廠(chǎng)，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)的機床卻是一般的機床，沒(méi)有智能化的要素，那么這個(gè)機床廠(chǎng)的前途就非?？皯n(yōu)。因為，他自己都不會(huì )去購買(mǎi)這樣不夠智能化的機床。

　　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，首先應該想到的是自己的產(chǎn)品怎么實(shí)現智能化。即使生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有部分或全部實(shí)現智能化，能夠把智能的產(chǎn)品做出來(lái)，那么企業(yè)還是應該首先考慮產(chǎn)品的智能化問(wèn)題。

　　產(chǎn)品的智能化，是通過(guò)產(chǎn)品中包含有各種復雜程度不等的計算機系統，尤其是嵌入式系統，來(lái)實(shí)現的。嵌入式系統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。中國的嵌入式系統，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，絕大多數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(diǎn)，也或許夠用。因此，技術(shù)難度并不大。

　　產(chǎn)品智能化是當今計算技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的重大趨勢。計算技術(shù)發(fā)明的初衷是為了科學(xué)計算。而后，發(fā)展為支持人類(lèi)各種業(yè)務(wù)活動(dòng)的信息處理和傳播，即業(yè)務(wù)計算。業(yè)務(wù)計算的覆蓋范圍已經(jīng)比科學(xué)計算要大得多。上世紀90年代以后，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，QQ、微信、Facebook等開(kāi)始崛起，計算技術(shù)滲入了人們的社會(huì )生活，大大地推動(dòng)了社會(huì )計算的發(fā)展，計算技術(shù)的應用覆蓋范圍則更進(jìn)一步擴大。

　　現在，計算技術(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)品數以百億，甚至千億計，產(chǎn)品計算的覆蓋范圍可以說(shuō)是“無(wú)遠弗屆”，一定會(huì )給整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的變化。因此，計算技術(shù)應用的下一個(gè)熱點(diǎn)，是產(chǎn)品計算。所有的產(chǎn)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(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。

　　現在的智能產(chǎn)品跟以前所謂的嵌入式系統功能需求還不完全一樣，主要功能體現在三個(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)品內部的數據。第二個(gè)是計算，包括產(chǎn)品本身的操作系統，以及產(chǎn)品使用的各種應用系統。例如，從數據分析到高端計算——也就是人工智能。第三個(gè)是聯(lián)網(wǎng)，隨著(zhù)全球物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，產(chǎn)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(chǎn)品，跟以前講的嵌入式系統的概念已經(jīng)大不相同。

　　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(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(cháng)，導致企業(yè)經(jīng)營(yíng)的風(fēng)險很大。

　　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。這是中國制造2025主要的難點(diǎn)，而工業(yè)界對這一點(diǎn)的認識，還很不充分。

　　過(guò)程智能化
　　發(fā)達國家的制造業(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，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)現過(guò)程的智能化，完成從裝備這個(gè)“點(diǎn)”向過(guò)程這條“線(xiàn)”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。工業(yè)4.0提出，企業(yè)的信息系統要走向一體化，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(wǎng)，而橫向一體化正是企業(yè)的外部網(wǎng)?，F在，要把內部網(wǎng)和外部網(wǎng)完全整合在一起，將數據完全打通。

    此外，要把整合之后的系統，打造成一個(gè)智能物理系統（Cyber-Physical-System，CPS）。這里的Cyber意指計算機或計算機網(wǎng)絡(luò )。在很多現代化企業(yè)里，不管內部網(wǎng)或外部網(wǎng)，都還只是一個(gè)獨立的計算機網(wǎng)絡(luò )或者系統，或者實(shí)現了初步的整合。如何跟企業(yè)這個(gè)物理實(shí)體融為一體，有效地運轉，是一門(mén)大學(xué)問(wèn)。

　　美國國家科學(xué)基金（NSF）在2006年的一個(gè)報告中指出，現有的、工業(yè)時(shí)代發(fā)展出來(lái)的系統科學(xué)（包括系統工程理論），還不能很好地回答這類(lèi)問(wèn)題。他們認為，企業(yè)這個(gè)物理實(shí)體與其內含的計算機和網(wǎng)絡(luò )系統如何協(xié)同一致、高效精確的工作，如何增強這類(lèi)系統的適應性、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)新的系統工程學(xué)，是美國需要重點(diǎn)發(fā)展的前沿命題。實(shí)際上，美國關(guān)于CPS的研究報告非常多，對這個(gè)命題非常關(guān)注。

    過(guò)程智能化的實(shí)現
　　工業(yè)4.0或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標，不僅要把內部網(wǎng)、外部網(wǎng)連起來(lái)，而且要變成一個(gè)智能物理系統（CPS）。二者都可以通過(guò)一個(gè)“5C（五層）”結構來(lái)表述。

    最下面一層是智慧的連接層，第二層是數據轉換成信息，第三層是Cyber層，是企業(yè)的云計算數據中心。在這里，需要把第二層處理所得的有效數據，與企業(yè)計算機系統中相對應的期望值做對比分析。第四層是認知層，根據對比差異，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)計算機網(wǎng)絡(luò )，對人、對物、對計算機進(jìn)行重新配置或更改。這樣的一個(gè)五層結構，構成了一個(gè)標準的反饋控制系統，可以對企業(yè)的控制對象，即：人（員工）、機器、計算機系統、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，其各層次所對應的技術(shù)支撐，如圖5所示。正是利用這些當下最時(shí)髦的先進(jìn)技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現了企業(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年分別完成了系統的架構設計。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參考架構，可以清楚地說(shuō)明系統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)系統設計指南”。應該強調的是，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，而不是標準。

　　這個(gè)架構設計描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統的內外三層結構。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(gè)球體的話(huà)，外面就是設備端的邊緣層，中間是平臺層（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，主要指這一部分。當然現在也有將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)關(guān)，采集各種各樣的數據；送到平臺層之后，平臺層對數據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。企業(yè)會(huì )根據不同的應用做不同的分析，做出判斷和決策，將數據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(gè)部門(mén)和單位。

    顯然，數據分析和處理在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統中極為重要，包括：端點(diǎn)數據的獲取、從數據中提取信息的先進(jìn)數據處理技術(shù)，各種決策模型的分析計算，以及系統結果的輸出。其中，大量使用的是計算科學(xué)的辦法：需要建模，需要算法，需要數據等等，最后產(chǎn)生的是決策數據。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(wǎng)
　　現在，國內關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的概念討論很多。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，是一個(gè)以企業(yè)為中心的平臺，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”。所謂平臺化是發(fā)展的趨勢，其實(shí)是指企業(yè)的平臺化，每一個(gè)大企業(yè)都會(huì )有自己的一個(gè)企業(yè)平臺，而不會(huì )把自己的業(yè)務(wù)搬到其他企業(yè)的平臺上去。波音的平臺不會(huì )到中航工業(yè)的平臺上，空客的平臺也不會(huì )到波音的平臺上去。

　　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，那這個(gè)平臺就是全球物聯(lián)網(wǎng)平臺（Internet of Things，IOT），它不是為哪個(gè)工業(yè)，為哪個(gè)部門(mén)而設計的，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)平臺是一個(gè)理想的“過(guò)程”智能化的平臺。設想非常完美，但系統非常復雜。在實(shí)現過(guò)程當中，未知數還很多，不同產(chǎn)業(yè)類(lèi)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(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(jìn)水平相差仍然很大，“過(guò)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(wǎng)平臺上，又把平臺理解為產(chǎn)業(yè)的平臺，可能就誤判了智能制造的發(fā)展方向。當務(wù)之急，還是我們的產(chǎn)品和裝備的智能化問(wèn)題，這對當下的中國來(lái)講，是智能制造的重點(diǎn)努力方向。