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趙驥

清華大學(xué)國(guó)家CIMS工程技術(shù)研究中心高級(jí)工程師

當(dāng)前，中國(guó)制造業(yè)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力大幅提升，優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域從以前的紡織、玩具等輕工業(yè)領(lǐng)域提升到高鐵、大飛機(jī)、新能源汽車(chē)、光伏等高技術(shù)領(lǐng)域。事實(shí)證明，中國(guó)在這些領(lǐng)域已擁有核心能力。智能制造作為主攻方向之一，持續(xù)推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

智能制造概念的提出，源于20世紀(jì)80年代興起的人工智能熱。考慮到信息技術(shù)的現(xiàn)狀，我國(guó)將重點(diǎn)主要集中于CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)），也就是制造信息化，希望通過(guò)集成——信息互聯(lián)互通，帶動(dòng)企業(yè)效益的提升。40多年來(lái)，從國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）CIMS，到中國(guó)工程院提出的數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造，都為我國(guó)的兩化融合、兩化深度融合戰(zhàn)略的實(shí)施起到了基礎(chǔ)性作用，在航空、航天、船舶等重點(diǎn)行業(yè)培育了關(guān)鍵能力。

當(dāng)今世界，國(guó)與國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)主要是綜合國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)，而衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要指標(biāo)之一就是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）。2023年我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)保持穩(wěn)健增長(zhǎng)，數(shù)字經(jīng)濟(jì)核心產(chǎn)業(yè)增加值占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值比重達(dá)到10%。數(shù)字經(jīng)濟(jì)推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，為了助力高端制造邁上新臺(tái)階，我們需要對(duì)人工智能新高潮下的智能制造發(fā)展進(jìn)行研究和部署。

智能制造面臨的一些問(wèn)題與挑戰(zhàn)

從近些年各級(jí)政府的產(chǎn)業(yè)鼓勵(lì)政策到企業(yè)自發(fā)啟動(dòng)的項(xiàng)目，都能看到大量智能制造的實(shí)踐案例。大到以整個(gè)工廠為對(duì)象進(jìn)行智能工廠的建設(shè)，小到以單臺(tái)設(shè)備或生產(chǎn)單元為對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)化改造，其繁榮背后，也存在一些問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

首先，數(shù)字化、智能化技術(shù)與企業(yè)渴望解決的問(wèn)題差距較大。雖然很多企業(yè)也被授予未來(lái)工廠、智能工廠、燈塔工廠等各種稱號(hào)，但實(shí)際上智能化對(duì)企業(yè)效益的貢獻(xiàn)還不夠明顯。例如，對(duì)工業(yè)大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等理論的研究很熱、很超前，而創(chuàng)新性技術(shù)卻難以落地應(yīng)用，與企業(yè)需求匹配度不高。

其次，新一代人工智能領(lǐng)域尤其是生成式人工智能（AIGC）技術(shù)發(fā)展很快，但除了機(jī)器視覺(jué)以外，人工智能技術(shù)的其他方面在制造型企業(yè)應(yīng)用案例較少，與人工智能技術(shù)的快速發(fā)展反差較大。

另外，一些企業(yè)對(duì)數(shù)字化、智能化的理解和對(duì)智能制造的認(rèn)識(shí)還不充分，缺乏系統(tǒng)性、全局性的思考和布局。

實(shí)際上，智能制造只是一個(gè)概念，對(duì)于企業(yè)界而言，概念需要轉(zhuǎn)變成有用的“東西”，如智能設(shè)備、智能生產(chǎn)線、智能車(chē)間、智能工廠等，通過(guò)這些有用的“東西”提升企業(yè)的價(jià)值創(chuàng)造能力。要達(dá)到此目的，避免走彎路，就需要加深對(duì)智能制造本質(zhì)的理解和理論的認(rèn)識(shí)，才可使技術(shù)與需求更好地匹配。

認(rèn)識(shí)智能制造的本質(zhì)

抽象通道，具象逐術(shù)。道是做事的原理和原則，術(shù)是具體的做事方法。只有把握了問(wèn)題的本質(zhì)，才能在解決問(wèn)題時(shí)游刃有余。

飛機(jī)、汽車(chē)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、衣服等人類產(chǎn)品，都不是自然界原本存在的，而是由人“想”到并“制造”出來(lái)的。首先，要將人腦海中想象的產(chǎn)品特征表達(dá)出來(lái)；其次，要將制造過(guò)程（材料、工藝、方法）表達(dá)出來(lái)；再次，要將運(yùn)營(yíng)過(guò)程、銷(xiāo)售過(guò)程和原材料的組織過(guò)程表達(dá)出來(lái)。當(dāng)前，表達(dá)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)，離不開(kāi)數(shù)字技術(shù)。數(shù)字化就是將物理的世界轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)的世界，根本目的在于將這些信息交由計(jì)算機(jī)去存儲(chǔ)、計(jì)算、傳輸。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求全要素連接、全線協(xié)同、全域智能時(shí)，本地的計(jì)算能力與存儲(chǔ)能力就會(huì)不夠，就需要將這些任務(wù)交給平臺(tái)（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）去處理。計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)代替人處理這些任務(wù)會(huì)更加高效。

現(xiàn)實(shí)問(wèn)題往往很復(fù)雜，涉及的各種因素會(huì)糾纏在一起，為了方便表達(dá)與解決問(wèn)題，需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，而模型就是對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的簡(jiǎn)化表達(dá)。模型用數(shù)學(xué)來(lái)表達(dá)，才可以把實(shí)際的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成可計(jì)算的問(wèn)題，交給計(jì)算機(jī)去解決。智能制造中的數(shù)學(xué)模型有很多，針對(duì)不同領(lǐng)域、不同問(wèn)題會(huì)有不同的模型。這既可以是復(fù)雜系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型，也可以是描述演化邏輯（狀態(tài)變遷）的過(guò)程模型，或是針對(duì)具體問(wèn)題的機(jī)理模型（如運(yùn)動(dòng)軌跡、溫度壓力等物理屬性變化等），當(dāng)然，也可以包括數(shù)據(jù)模型。

單個(gè)模型只是描述了復(fù)雜制造中的某一側(cè)面特性，如果需要將各個(gè)側(cè)面的模型統(tǒng)一起來(lái)，則需要集成技術(shù)。從應(yīng)用視角看，集成就是互聯(lián)互通互操作，從理論視角看，每個(gè)模型只是描述了一個(gè)“小宇宙”，集成就是將各個(gè)模型連接成“大宇宙”。

信息物理系統(tǒng)（CPS）是智能制造的核心技術(shù)，包含物理空間和數(shù)字空間兩部分。問(wèn)題-模型化、模型-算法化、算法-軟件化，這是構(gòu)建一個(gè)信息物理系統(tǒng)的基本步驟。在一個(gè)產(chǎn)品及其制造過(guò)程中，物理空間的力、熱、聲、電和光等統(tǒng)一存在于其物理對(duì)象中，而數(shù)字空間的力學(xué)模型、熱學(xué)模型、聲學(xué)模型、電學(xué)模型和光學(xué)模型等，相互之間并不是統(tǒng)一的，而是分離的。一方面是由于學(xué)科的劃分，另一方面不同的模型只適用于特定的具體問(wèn)題。信息物理系統(tǒng)中的這些模型需要連接在一起，統(tǒng)一在一個(gè)物理空間和數(shù)字空間相連接的孿生體上。這種連接機(jī)制的數(shù)學(xué)表達(dá)是什么？黎曼幾何給我們以啟示和思考方向。

在智能制造場(chǎng)景中，針對(duì)諸如力、溫度、速度、能量等物理屬性的模型計(jì)算，常常需要設(shè)定具有實(shí)際物理意義的坐標(biāo)系。在黎曼幾何中，把物理幾何化，空間不再是用坐標(biāo)系表達(dá)的空間，而是用很多不同的坐標(biāo)系表示成的流形（manifold）。然后，采用一種機(jī)制將不同的空間關(guān)聯(lián)起來(lái)。

作為深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是一種連接模型，又被稱為“連接主義”。

智能制造需要理論體系。雖然，智能制造涉及材料、機(jī)械、控制、計(jì)算機(jī)、通信、人工智能等多個(gè)學(xué)科，從應(yīng)用視角看，是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，但是，其理論不應(yīng)該是各個(gè)學(xué)科知識(shí)的“拼湊”，應(yīng)當(dāng)有其獨(dú)立的理論體系。我們需要重視智能制造理論體系的構(gòu)建。在實(shí)踐中，不少問(wèn)題表面看是技術(shù)問(wèn)題或工程問(wèn)題，歸根到底是理論的缺乏。

人工智能新高潮為智能制造打開(kāi)新天地

自2016年AlphaGo戰(zhàn)勝人類圍棋世界冠軍以來(lái)，人工智能熱潮一浪高過(guò)一浪，波士頓動(dòng)力的Atlas人形機(jī)器人、斯坦福大學(xué)的Mobile Aloha機(jī)器人表現(xiàn)出的感知、決策、執(zhí)行的流暢配合令人印象深刻。2020年至今，生成式人工智能派生出的各種應(yīng)用如ChatGPT、Sora等將大模型推至浪尖，人工智能不斷掀起新高潮。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是“黑箱”模型的典型代表，神經(jīng)元彼此相連，形成了智能的基礎(chǔ)，但智能并不體現(xiàn)在神經(jīng)元上，而在于神經(jīng)元彼此的連接（突觸）。連接的強(qiáng)度被稱為連接的權(quán)重，通過(guò)調(diào)整權(quán)重，使同樣的輸入產(chǎn)生不同的輸出。深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模非常大，有些達(dá)到上千層、參數(shù)多達(dá)幾千億個(gè)。參數(shù)越多，非線性越強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜任務(wù)的表達(dá)也就越好。

生成式人工智能取得的突破性進(jìn)展為人類社會(huì)提供了新的工具和思路。文本生成、圖像（視頻）生成在媒體、娛樂(lè)和教育等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在目前取得成功的領(lǐng)域，對(duì)結(jié)果的驗(yàn)證基本都是靠人的感官體驗(yàn)、主觀判斷。對(duì)于制造現(xiàn)場(chǎng)，要求的是精度、客觀和嚴(yán)謹(jǐn)。生成式內(nèi)容能否用于解決制造業(yè)所面臨的問(wèn)題，是否可信可用，需要進(jìn)一步研究與觀察。無(wú)論怎樣，人工智能的新熱潮，為智能制造的高水平發(fā)展打開(kāi)了一個(gè)新的天地。

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出中國(guó)人工智能發(fā)展“三步走”的戰(zhàn)略目標(biāo)，并確定了大數(shù)據(jù)智能、跨媒體智能、群體智能、混合增強(qiáng)智能、自主智能系統(tǒng)的專項(xiàng)框架。智能制造成為新一代人工智能創(chuàng)新應(yīng)用的首要領(lǐng)域，采用新的人工智能成果解決制造業(yè)面臨的問(wèn)題，被人們寄予厚望。

以大模型為代表的人工智能的突破性進(jìn)展，使通用人工智能成為當(dāng)前全球最具挑戰(zhàn)性、最具催化力、最具賦能特征的戰(zhàn)略性技術(shù)之一。對(duì)此，我們要加快推動(dòng)人工智能發(fā)展，大力推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，形成制造業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力，加快實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化。

當(dāng)前，人工智能賦能智能制造（“AI+制造”）已成為全球共識(shí)，各國(guó)紛紛制定策略，以人工智能融合制造業(yè)各環(huán)節(jié)發(fā)展。大模型驅(qū)動(dòng)下具身智能、群體智能已成當(dāng)前熱點(diǎn)。大模型加持的智能機(jī)器人將有望服務(wù)于制造業(yè)各類場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“機(jī)器換人”，完成復(fù)雜、高危作業(yè)任務(wù)?！癆I+制造”深度融合應(yīng)用階段是關(guān)鍵環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)+深層機(jī)理智能優(yōu)化，人工智能應(yīng)用由單點(diǎn)場(chǎng)景應(yīng)用向全流程綜合化演進(jìn)。

2024年6月20日，2024世界智能產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)在國(guó)家會(huì)展中心（天津）開(kāi)幕，加油機(jī)器人吸引參觀者。

從系統(tǒng)的角度看待智能制造

1973年，美國(guó)約瑟夫·哈林頓博士首次提出CIM（Computer Integrated Manufacturing，計(jì)算機(jī)集成制造），指出它是未來(lái)制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)模式。CIM的核心觀點(diǎn)有兩個(gè)：第一，信息視角即整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程實(shí)質(zhì)上是信息的采集、傳遞和加工處理的過(guò)程；第二，系統(tǒng)視角即企業(yè)的各種生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)是不可分割的，要統(tǒng)一考慮。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，CIM涉及的各項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展，有些已經(jīng)非常成熟，雖然概念一直在更新，但挑戰(zhàn)依然存在。我國(guó)在20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初的國(guó)家863計(jì)劃/CIMS工程中提出的信息集成、過(guò)程集成、企業(yè)集成，依然是目前大多數(shù)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵著力點(diǎn)，具有指導(dǎo)性意義。

智能制造是智能技術(shù)（特別是新一代信息技術(shù)）在制造全生命周期的應(yīng)用中所涉及的理論、方法、技術(shù)和實(shí)踐。我們需要從系統(tǒng)的角度看問(wèn)題、講大局，目標(biāo)在于TQCSE（Time，時(shí)間；Quality，質(zhì)量；Cost，成本；Service，服務(wù)；Environment，環(huán)保）。智能制造的發(fā)展要“頂天立地”。“頂天”就是要與各種前沿科學(xué)的研究進(jìn)展同頻共振，將人工智能、極端制造、腦機(jī)接口、信息技術(shù)、新材料等領(lǐng)域的最新研究成果吸收、應(yīng)用到制造業(yè)。同時(shí)，要在制造業(yè)的各個(gè)層面都有所作為，貫穿產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、加工制造、裝配、測(cè)試、管理、營(yíng)銷(xiāo)、售后服務(wù)、客戶關(guān)系、倉(cāng)庫(kù)物流供應(yīng)鏈、報(bào)廢處理等制造、管理全流程，達(dá)到制造業(yè)智能增長(zhǎng)、包容性增長(zhǎng)、可持續(xù)增長(zhǎng)的目標(biāo)，“效益、競(jìng)爭(zhēng)力、可持續(xù)發(fā)展”是智能制造的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)，根本在于企業(yè)的核心能力建設(shè)，這就是“立地”。

制造業(yè)企業(yè)的智能化改造是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)集成首當(dāng)其沖，它不僅包含硬件、軟件的互聯(lián)互通，還涵蓋設(shè)備、管理、產(chǎn)品研發(fā)、客戶服務(wù)等方面，通過(guò)數(shù)字平臺(tái)打造價(jià)值鏈（營(yíng)銷(xiāo)、研發(fā)、制造、供應(yīng)鏈）的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化定制，形成新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

隨著智能制造的縱深發(fā)展，工業(yè)軟件已成為推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要力量。工業(yè)軟件是現(xiàn)代工業(yè)體系的“大腦”，圍繞工業(yè)問(wèn)題，將工業(yè)知識(shí)、業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)換成算法，軟件系統(tǒng)能與人對(duì)話（接收人的指令，給人反饋結(jié)果），能控制硬件及裝置（電動(dòng)、機(jī)械、液壓、氣動(dòng)），將各種工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行情況以直觀的形式呈現(xiàn)出來(lái)。VR技術(shù)的成熟會(huì)使人機(jī)交互界面更為豐富，3I（Immersion、Interaction、Imagination）使沉浸感、交互感、想象力更加充分。

2024年6月19日，安徽省蕪湖市，工人和工業(yè)機(jī)器人在8AT自動(dòng)變速箱智能化生產(chǎn)流水線上作業(yè)。

工業(yè)軟件在智能制造中起著樞紐性作用。工業(yè)軟件黏性很大，用戶一旦要放棄某個(gè)在用的系統(tǒng)，困難極大。中國(guó)工業(yè)軟件起步較晚，實(shí)現(xiàn)超越的機(jī)會(huì)主要在于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。制造的互聯(lián)網(wǎng)化會(huì)使原有工業(yè)軟件體系發(fā)生調(diào)整，原有龐大的系統(tǒng)可以通過(guò)微服務(wù)基本單元松耦合方式實(shí)現(xiàn)，靈活組配。如同新能源汽車(chē)實(shí)現(xiàn)“超車(chē)”一樣，這是我國(guó)工業(yè)軟件國(guó)產(chǎn)化、換道超車(chē)的一次重要機(jī)會(huì)。

應(yīng)重視我們的短板，即智能制造裝備與核心零部件國(guó)產(chǎn)化率較低；工業(yè)軟件對(duì)外依賴程度高；智能化系統(tǒng)集成生態(tài)尚未形成，不同端口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議存在差異，導(dǎo)致全流程智能化改造過(guò)程中硬件、軟件集成的兼容性、互操作性和適配性較低，實(shí)現(xiàn)人工智能融合難度大等。

近代以來(lái)，人類文明的進(jìn)步都伴隨著“機(jī)器換人”的過(guò)程。通常技術(shù)進(jìn)步在消除一類工作的同時(shí)，會(huì)自動(dòng)創(chuàng)造出另一類或多項(xiàng)工作。其實(shí)，替換一直都在以漸變的形式進(jìn)行，替代人的手、腳、腦或某一部分器官的作用。企業(yè)管理、工廠運(yùn)行必須順從人性，適應(yīng)人的變化，適應(yīng)社會(huì)的變遷。智能制造的目的之一就是為了去掉或減輕人的勞作痛苦。“機(jī)器換人”都會(huì)經(jīng)歷機(jī)器“不會(huì)做”“做不好”“能做好”“超越人”等階段。值得強(qiáng)調(diào)的是：人工智能的新成果將在工業(yè)系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行中逐步解放人類的雙手，人類的分工已經(jīng)開(kāi)始并將有重大的調(diào)整。對(duì)于這種顛覆性的變化，我們需要未雨綢繆，確保人工智能安全、可靠、可控。

展望未來(lái)，人工智能的新成果會(huì)不斷豐富智能制造的內(nèi)涵，各種新的應(yīng)用將不斷涌現(xiàn)，新一代智能制造必將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)更上一層樓。