智能制造的三个支点

  国家信息化专家咨询委员会常务副主任周宏仁(图片来自网络)

  《论智能制造》系列中的“论智能制造的三个阶段”中，谈到了对三个阶段的基本认识。而如何履行智能制造，则必要考虑智能制造的三个支点：产品、设备和进程。

  图1 智能制造的三个支点

  第一个必要考虑的是推动智能制造的目标是什么。显著，企业追求的是产品，而不是要把企业搞的有多时髦。企业贩卖产品的时候，不是要宣传企业的临蓐线有多俊秀、多现代，而一定要说明这个产品的价值安在。产品是企业面向社会的表现。智能制造的目标是产品，而不是智能制造本身。因此，产品的智能化是企业必须考虑的紧张成就之一。智能制造假如不克不迭临蓐出智能的产品，智能制造就失去了时代的意义。而且，企业的产品假如不是智能化的，产品和企业往后被镌汰的可以或许或者或者或者性就很大。

  第二个支点是设备，临蓐进程(包括研发、筹划)中的每一个关键关键上的设备，一定要智能化。假如这个智能化完成不了，苏息临蓐力和苏息效率就不克不迭够或者得到很大提高，企业可以或许或者或者或者就没有竞争力。不是数字化、网络化和智能化的临蓐设备，就不是这个时代的前辈制造设备。而且，假如设备没有智能化，也可以或许或者或者或者无法临蓐出企业想要临蓐的智能化产品。

  第三个支点是企业临蓐进程的智能化成就。设备智能化解决的是临蓐进程中“点”的智能化成就;企业只需完成临蓐全进程的智能化，才能完成企业全局的智能化，才可以或许或者完成智能化效益的最大化。

智能产品是第一支点

  一个机床临蓐厂，临蓐设备和进程假如都是智能化的，而它临蓐出来的机床却是非常平凡的机床，没有智能化的身分，那么这个机床厂的前途就非常堪忧。由于，他本身都不会去购买这样不足智能化的机床。

  因此，任何一个企业在考虑其智能制造如何发展的时候，首先该当想到的是本身的产品如何完成智能化。即使临蓐进程没有部分或全部完成智能化，可以或许或者或者或者把智能的产品做出来，那么企业还是该当首先考虑产品的智能化成就。

  产品的智能化，是颠末进程产品中包括有各种复杂程度不等的打算机系统，分外是嵌入式系统，来完成的。嵌入式系统不但可以或许或者或者成为智能制造最紧张最具有代表性的技能，而且会构成一个庞大的产业链。中国的嵌入式系统，发展的速度比拟痴钝——尽管起步其实不晚。产品所用的嵌入式系统，绝大多数对于芯片的哀求都不一定分外高，非常平凡也就是几十纳米到上百纳米，乃至档次再低一点，也或者够用。因此，技能难度其实不大。

  产品智能化是当今打算技能发展的一个新的重大趋势。打算技能发明的初志是为了科学打算。而后，发展为支持人类各种业务活动的信息处理和传播，即业务打算。业务打算的覆盖范围已经比科学打算要大得多。上世纪90年代往后，随着互联网的发展，QQ、微信、Facebook等开始崛起，打算技能渗透排泄排泄了人们的社会生活，大大地推动了社会打算的发展，打算技能的应用覆盖范围则更进一步扩大。现在，打算技能开始向各种产品领域渗透排泄排泄，提升产品的智能化程度。智能产品数以百亿，乃至千亿计，产品打算的覆盖范围可以或许或者或者说是“无远弗届”，一定会给全部IT产业带来巨大的变革。因此，打算技能应用的下一个热点，是产品打算。所有的产品都要程度不等地走向智能化，打算都有可以或许或者或者或者参与其中。这一点，跟产业互联网快速发展的必要有很大的相干。

  图2 打算技能应用的发展阶段

  现在的智能产品跟曩昔所谓的嵌入式系统功能必要还不完备非常，紧张功能体现在三个方面。第一个是传感，产品必要可以或许或者或者或者感想沾染内部的情况变革，或者可以或许或者或者或者整合产品内部的数据。第二个是打算，包括产品本身的操纵系统，和产品使用的各种应用系统。比喻，从数据分析到高端打算——也就是人工智能。第三个是联网，随着环球物联网的发展，产品可以或许或者或者或者具有雾打算、边缘打算和云打算相联结的功能。因此新一代的智能产品，跟曩昔讲的嵌入式系统的概念已经大不相同。

  图3 无处不在的智能产品

智能设备是最大难点

  设备是智能制造最大的难点。临蓐设备非常平凡都比拟复杂，而且批量可以或许或者或者或者不大，所采用的产业软件也往往非常复杂。这使得临蓐成本很高，市场很小，因此愿意或有力量从事智能设备制造的企业其实不久不久不多。而且，由于设备的开拓周期长，导致企业经营的风险很大。别的，设备制造的难点很大程度上是在软设备上面，即以产业软件为代表的软设备，包括CAD/CAE这样的软件工具。没有软设备，就不克不迭够或者有“数字化、网络化、智能化”。抽去软件，信息化的一切成果都不复存在。产业软件首先是一个产业产品，而且往往是高端产业产品。这是中国制造2025紧张的难点，而产业界对这一点的认识，还很不充分。

进程智能化

  蓬勃国家的制造业在临蓐设备智能化这一点上，已经非常争先。分外是日本和德国，已经基本上垄断了环球重大制造业临蓐设备的市场。而智能制造的下一步的发展，就是要完成进程的智能化，完成从设备这个“点”向进程这条“线”的发展。

  进程智能化最典型的代表，恰是产业4.0和产业互联网的斗争目标。产业4.0提出，企业的信息系统要走向一体化，包括纵向一体化和横向一体化。纵向一体化就是《三论智能制造》的系列之一中提到的企业的内部网，而横向一体化恰是企业的内部网。现在，要把内部网和内部网完备整合在一起，将数据完备打通。

  图4 内部网和内部网的一体化

  别的，要把整合往后的系统，打构成一个智能物理系统(Cyber-Physical-System, CPS)。这里的Cyber意指打算机或打算机网络。在很多现代化企业里，岂论内部网或内部网，都还只是一个独立的打算机网络或者系统，或者完成为了开始的整合。如何跟企业这个物理实体融为一体，有效地运转，是一门大学问。美国国家科学基金(NSF)在2006年的一个报告中指出，现有的、产业时代发展出来的系统科学(包括系统工程理论)，还不克不迭很好地回答这类成就。他们感到，企业这个物理实体与其内含的打算机和网络系统如何协同一致、高效精确的工作，如何增强这类系统的适应性、自主性、功能性、可靠性、安全性、可用性和效率，将会发展成为一个新的系统工程学，是美国必要重点发展的前沿命题。实际上，美国对于CPS的研讨报告非常多，对这个命题非常存眷。

进程智能化的完成

  产业4.0或者产业互联网的目标，不但要把内部网、内部网连起来，而且要变成一个智能物理系统(CPS)。两者都可以或许或者或者颠末进程一个“5C(五层)”结构来表述。

  最上面一层是聪慧的连接层，第二层是数据转换成信息，第三层是Cyber层，是企业的云打算数据中心。在这里，必要把第二层处理所得的有效数据，与企业打算机系统中相对应的期望值做比拟分析。第四层是认知层，根据比拟差异，找到成就之所在及解决成就的办法。因此，这一层实际上是一个决定筹划层。第五层是设置设备陈设层，可以或许或者或者按照决定筹划哀求，颠末进程打算机网络，对人、对物、对打算机结束重新设置设备陈设或更改。这样的一个五层结构，构成为了一个标准的反响控制系统，可以或许或者或者对企业的控制工具，即：人(员工)、机器、打算机系统、各种物理实体等，结束实时的反响和控制。这样的一个反响系统，其各层次所对应的技能支持，如图5所示。恰是应用这些当下最时髦的前辈技能，产业互联网完成为了企业全部业务活动全进程的的智能控制。

  图5 产业互联网和产业4.0的“5C(五层)”架构

  根据这个思路，产业4.0和产业互联网在2015年分别完成为了系统的架构筹划。产业互联网的参考架构，可以或许或者或者清楚地说明系统的身分和相互之间的相干，并供给了一个凋零的“产业互联网系统筹划指南”。该当夸大的是，这里说的是指南，是给出了一个大家共同努力、同向而行的方向，而不是标准。

这个架构筹划描写了产业互联网系统的表里三层结构。从边缘层，到平台层，再到企业层，假如我们把它看作是一个球体的话，外面就是设备端的边缘层，中间是平台层(产业互联网平台，紧张指这一部分。虽然现在也有将产业互联网平台泛化的趋势)，最内层是企业层。在边缘层上重假如边缘的网关，网络各种千般的数据;送到平台层往后，平台层对数据做必要的处理和分析;分析完往后，再送达企业层，送到企业的应用系统。企业会根据不同的应用做不同的分析，做出判断和决定筹划，将数据再往回传送到平台层和边缘层，直至送达企业表里联接的各个部分和单位。

  图6 产业互联网架构的内外三层结构

  (来源：产业互联网联盟的白皮书)

  显著，数据分析和处理在产业互联网系统中极其紧张，包括：端点数据的得到、从数据中提取信息的前辈数据处理技能，各种决定筹划模型的分析打算，和系统成果的输出。其中，大量使用的是打算科学的办法：必要建模，必要算法，必要数据等等，最后产生的是决定筹划数据。虽然，安全、可信、隐私等，在结构中也有详细的考虑。

智能制造与产业互联网

  现在，国内对于产业互联网平台的概念驳倒争辩很多。产业互联网平台，是一个以企业为中心的平台，而不是说在全部产业行业建一个大的所谓“产业互联网平台”。所谓平台化是发展的趋势，其实是指企业的平台化，每一个大企业都会有本身的一个企业平台，而不会把本身的业务搬到别的企业的平台上去。波音的平台不会到中航产业的平台上，空客的平台也不会到波音的平台上去。假如一定要说有一个产业和产业共用共享的平台，那这个平台就是环球物联网平台(Internet of Things, IOT)，它不是为哪个产业，为哪个部分而筹划的，而是面向环球各行各业乃至个人做事的环球物联网。

  产业互联网平台是一个理想的“过程自动化”智能化的平台。设想非常完美，但系统非常复杂。在完成进程当中，未知数还很多，不同产业类别的企业平台之间的差异也很大。比喻，中航产业的平台，几乎不太可以或许或者或者或者拿去给中石油用，基本上要推倒重建。所以，每一个企业一定要从本身的紧急必要和实际效益出发，分步推动，相对不克不迭自发跟随，分外考虑到往后中国制造业发展的水平和信息化的程度离国内前辈程度相差仍然很大，“进程”智能化的途径还比拟迢遥。

  假如把智能制造的全部成本和精力都投在产业互联网平台上，又把平台理解为产业的平台，可以或许或者或者或者就误判了智能制造的发展方向。当务之急，还是我们的产品和设备的智能化成就，这对当下的中国来讲，是智能制造的重点努力方向。