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趙驥

清華大學國家CIMS工程技術研究中心高級工程師

當前，中國制造業(yè)在國際上的競爭力大幅提升，優(yōu)勢領域從以前的紡織、玩具等輕工業(yè)領域提升到高鐵、大飛機、新能源汽車、光伏等高技術領域。事實證明，中國在這些領域已擁有核心能力。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80年代興起的人工智能熱?？紤]到信息技術的現(xiàn)狀，我國將重點主要集中于CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)），也就是制造信息化，希望通過集成——信息互聯(lián)互通，帶動企業(yè)效益的提升。40多年來，從國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）CIMS，到中國工程院提出的數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造，都為我國的兩化融合、兩化深度融合戰(zhàn)略的實施起到了基礎性作用，在航空、航天、船舶等重點行業(yè)培育了關鍵能力。

當今世界，國與國的競爭主要是綜合國力的競爭，而衡量一個國家綜合國力的重要指標之一就是國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）。2023年我國數(shù)字經(jīng)濟保持穩(wěn)健增長，數(shù)字經(jīng)濟核心產(chǎn)業(yè)增加值占國內(nèi)生產(chǎn)總值比重達到10%。數(shù)字經(jīng)濟推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，為了助力高端制造邁上新臺階，我們需要對人工智能新高潮下的智能制造發(fā)展進行研究和部署。

智能制造面臨的一些問題與挑戰(zhàn)

從近些年各級政府的產(chǎn)業(yè)鼓勵政策到企業(yè)自發(fā)啟動的項目，都能看到大量智能制造的實踐案例。大到以整個工廠為對象進行智能工廠的建設，小到以單臺設備或生產(chǎn)單元為對象進行自動化改造，其繁榮背后，也存在一些問題與挑戰(zhàn)。

首先，數(shù)字化、智能化技術與企業(yè)渴望解決的問題差距較大。雖然很多企業(yè)也被授予未來工廠、智能工廠、燈塔工廠等各種稱號，但實際上智能化對企業(yè)效益的貢獻還不夠明顯。例如，對工業(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)新性技術卻難以落地應用，與企業(yè)需求匹配度不高。

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

另外，一些企業(yè)對數(shù)字化、智能化的理解和對智能制造的認識還不充分，缺乏系統(tǒng)性、全局性的思考和布局。

實際上，智能制造只是一個概念，對于企業(yè)界而言，概念需要轉(zhuǎn)變成有用的“東西”，如智能設備、智能生產(chǎn)線、智能車間、智能工廠等，通過這些有用的“東西”提升企業(yè)的價值創(chuàng)造能力。要達到此目的，避免走彎路，就需要加深對智能制造本質(zhì)的理解和理論的認識，才可使技術與需求更好地匹配。

認識智能制造的本質(zhì)

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

飛機、汽車、計算機、手機、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”出來的。首先，要將人腦海中想象的產(chǎn)品特征表達出來；其次，要將制造過程（材料、工藝、方法）表達出來；再次，要將運營過程、銷售過程和原材料的組織過程表達出來。當前，表達離不開計算機，離不開數(shù)字技術。數(shù)字化就是將物理的世界轉(zhuǎn)換為數(shù)學的世界，根本目的在于將這些信息交由計算機去存儲、計算、傳輸。當工業(yè)現(xiàn)場要求全要素連接、全線協(xié)同、全域智能時，本地的計算能力與存儲能力就會不夠，就需要將這些任務交給平臺（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）去處理。計算機及網(wǎng)絡平臺代替人處理這些任務會更加高效。

現(xiàn)實問題往往很復雜，涉及的各種因素會糾纏在一起，為了方便表達與解決問題，需要對問題進行簡化，而模型就是對現(xiàn)實問題的簡化表達。模型用數(shù)學來表達，才可以把實際的問題轉(zhuǎn)換成可計算的問題，交給計算機去解決。智能制造中的數(shù)學模型有很多，針對不同領域、不同問題會有不同的模型。這既可以是復雜系統(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）的過程模型，或是針對具體問題的機理模型（如運動軌跡、溫度壓力等物理屬性變化等），當然，也可以包括數(shù)據(jù)模型。

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

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

在智能制造場景中，針對諸如力、溫度、速度、能量等物理屬性的模型計算，常常需要設定具有實際物理意義的坐標系。在黎曼幾何中，把物理幾何化，空間不再是用坐標系表達的空間，而是用很多不同的坐標系表示成的流形（manifold）。然后，采用一種機制將不同的空間關聯(lián)起來。

作為深度學習的基礎，神經(jīng)網(wǎng)絡也是一種連接模型，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、機械、控制、計算機、通信、人工智能等多個學科，從應用視角看，是典型的復雜系統(tǒng)，但是，其理論不應該是各個學科知識的“拼湊”，應當有其獨立的理論體系。我們需要重視智能制造理論體系的構(gòu)建。在實踐中，不少問題表面看是技術問題或工程問題，歸根到底是理論的缺乏。

人工智能新高潮為智能制造打開新天地

自2016年AlphaGo戰(zhàn)勝人類圍棋世界冠軍以來，人工智能熱潮一浪高過一浪，波士頓動力的Atlas人形機器人、斯坦福大學的Mobile Aloha機器人表現(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，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）。連接的強度被稱為連接的權(quán)重，通過調(diào)整權(quán)重，使同樣的輸入產(chǎn)生不同的輸出。深度學習網(wǎng)絡規(guī)模非常大，有些達到上千層、參數(shù)多達幾千億個。參數(shù)越多，非線性越強，對復雜任務的表達也就越好。

生成式人工智能取得的突破性進展為人類社會提供了新的工具和思路。文本生成、圖像（視頻）生成在媒體、娛樂和教育等領域有廣闊的應用前景。在目前取得成功的領域，對結(jié)果的驗證基本都是靠人的感官體驗、主觀判斷。對于制造現(xiàn)場，要求的是精度、客觀和嚴謹。生成式內(nèi)容能否用于解決制造業(yè)所面臨的問題，是否可信可用，需要進一步研究與觀察。無論怎樣，人工智能的新熱潮，為智能制造的高水平發(fā)展打開了一個新的天地。

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

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

當前，人工智能賦能智能制造（“AI+制造”）已成為全球共識，各國紛紛制定策略，以人工智能融合制造業(yè)各環(huán)節(jié)發(fā)展。大模型驅(qū)動下具身智能、群體智能已成當前熱點。大模型加持的智能機器人將有望服務于制造業(yè)各類場景，實現(xiàn)真正意義上的“機器換人”，完成復雜、高危作業(yè)任務?！癆I+制造”深度融合應用階段是關鍵環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)+深層機理智能優(yōu)化，人工智能應用由單點場景應用向全流程綜合化演進。

2024年6月20日，2024世界智能產(chǎn)業(yè)博覽會在國家會展中心（天津）開幕，加油機器人吸引參觀者。

從系統(tǒng)的角度看待智能制造

1973年，美國約瑟夫·哈林頓博士首次提出CIM（Computer Integrated Manufacturing，計算機集成制造），指出它是未來制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)模式。CIM的核心觀點有兩個：第一，信息視角即整個生產(chǎn)制造過程實質(zhì)上是信息的采集、傳遞和加工處理的過程；第二，系統(tǒng)視角即企業(yè)的各種生產(chǎn)經(jīng)營活動是不可分割的，要統(tǒng)一考慮。

隨著時代的進步，CIM涉及的各項技術不斷發(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。我國在20世紀80年代到21世紀初的國家863計劃/CIMS工程中提出的信息集成、過程集成、企業(yè)集成，依然是目前大多數(shù)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關鍵著力點，具有指導性意義。

智能制造是智能技術（特別是新一代信息技術）在制造全生命周期的應用中所涉及的理論、方法、技術和實踐。我們需要從系統(tǒng)的角度看問題、講大局，目標在于TQCSE（Time，時間；Quality，質(zhì)量；Cost，成本；Service，服務；Environment，環(huán)保）。智能制造的發(fā)展要“頂天立地”?！绊斕臁本褪且c各種前沿科學的研究進展同頻共振，將人工智能、極端制造、腦機接口、信息技術、新材料等領域的最新研究成果吸收、應用到制造業(yè)。同時，要在制造業(yè)的各個層面都有所作為，貫穿產(chǎn)品創(chuàng)新設計、加工制造、裝配、測試、管理、營銷、售后服務、客戶關系、倉庫物流供應鏈、報廢處理等制造、管理全流程，達到制造業(yè)智能增長、包容性增長、可持續(xù)增長的目標，“效益、競爭力、可持續(xù)發(fā)展”是智能制造的出發(fā)點和目標，根本在于企業(yè)的核心能力建設，這就是“立地”。

制造業(yè)企業(yè)的智能化改造是復雜的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)集成首當其沖，它不僅包含硬件、軟件的互聯(lián)互通，還涵蓋設備、管理、產(chǎn)品研發(fā)、客戶服務等方面，通過數(shù)字平臺打造價值鏈（營銷、研發(fā)、制造、供應鏈）的互聯(lián)互通，實現(xiàn)產(chǎn)品的個性化定制，形成新的競爭優(yōu)勢。

隨著智能制造的縱深發(fā)展，工業(yè)軟件已成為推動制造業(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)問題，將工業(yè)知識、業(yè)務邏輯轉(zhuǎn)換成算法，軟件系統(tǒng)能與人對話（接收人的指令，給人反饋結(jié)果），能控制硬件及裝置（電動、機械、液壓、氣動），將各種工業(yè)系統(tǒng)運行情況以直觀的形式呈現(xiàn)出來。VR技術的成熟會使人機交互界面更為豐富，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)機器人在8AT自動變速箱智能化生產(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在用的系統(tǒng)，困難極大。中國工業(yè)軟件起步較晚，實現(xiàn)超越的機會主要在于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用。制造的互聯(lián)網(wǎng)化會使原有工業(yè)軟件體系發(fā)生調(diào)整，原有龐大的系統(tǒng)可以通過微服務基本單元松耦合方式實現(xiàn)，靈活組配。如同新能源汽車實現(xiàn)“超車”一樣，這是我國工業(yè)軟件國產(chǎn)化、換道超車的一次重要機會。

應重視我們的短板，即智能制造裝備與核心零部件國產(chǎn)化率較低；工業(yè)軟件對外依賴程度高；智能化系統(tǒng)集成生態(tài)尚未形成，不同端口標準協(xié)議存在差異，導致全流程智能化改造過程中硬件、軟件集成的兼容性、互操作性和適配性較低，實現(xiàn)人工智能融合難度大等。

近代以來，人類文明的進步都伴隨著“機器換人”的過程。通常技術進步在消除一類工作的同時，會自動創(chuàng)造出另一類或多項工作。其實，替換一直都在以漸變的形式進行，替代人的手、腳、腦或某一部分器官的作用。企業(yè)管理、工廠運行必須順從人性，適應人的變化，適應社會的變遷。智能制造的目的之一就是為了去掉或減輕人的勞作痛苦。“機器換人”都會經(jīng)歷機器“不會做”“做不好”“能做好”“超越人”等階段。值得強調(diào)的是：人工智能的新成果將在工業(yè)系統(tǒng)、服務系統(tǒng)運行中逐步解放人類的雙手，人類的分工已經(jīng)開始并將有重大的調(diào)整。對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，人工智能的新成果會不斷豐富智能制造的內(nèi)涵，各種新的應用將不斷涌現(xiàn)，新一代智能制造必將推動產(chǎn)業(yè)更上一層樓。