智慧制造——面向未來互聯(lián)網(wǎng)的人機物協(xié)同制造新模式

姚錫凡，練肇通，楊 屹，張 毅，金 鴻

（1．華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2．華南理工大學 廣州學院，廣東 廣州 510800；3．澳門大學 工商管理學院，澳門 999078）

0 引言

以電子計算機和互聯(lián)網(wǎng)為主的信息技術(shù)革命，已對制造業(yè)產(chǎn)生了深刻的影響，使制造業(yè)的資源配置向信息/知識密集的方向發(fā)展［1］，知識與信息的生產(chǎn)和應(yīng)用已成為當今社會人類創(chuàng)造財富的主要形式。我國作為制造業(yè)大國，國民經(jīng)濟正處于結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，急需利用包括信息技術(shù)在內(nèi)的高新技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)，實現(xiàn)“兩化”的深度融合，走向綠色制造和智能制造［2］。

20世紀80年代以來，眾多國家都把先進制造技術(shù)的研究和開發(fā)作為國家的關(guān)鍵技術(shù)進行優(yōu)先發(fā)展，涌現(xiàn)出一批有代表性和影響力的制造模式及相關(guān)技術(shù)體系，有力地推動了制造業(yè)的發(fā)展。20世紀90年代，隨著因特網(wǎng)（Internet）的應(yīng)用和 Web技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)信息化逐漸從內(nèi)部向外部延伸，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化制造等模式［3］。進入21世紀，隨著可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML）技術(shù)和面向服務(wù)架構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）的發(fā)展，以及制造業(yè)和服務(wù)業(yè)不斷走向融合，出現(xiàn)了面向服務(wù)的制造模式。近幾年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的縱深發(fā)展以及云計算和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的出現(xiàn)，人們從不同角度提出四種制造模式：①企業(yè)2．0（Enterprise 2．0）［4］；②語義網(wǎng)絡(luò)化制造［5］；③云 制 造［6］；④ 物 聯(lián) 智 造 （Smart Manufacturing，SM）［7］。

網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。當今的互聯(lián)網(wǎng)始于1969年的阿帕網(wǎng)，成型于TCP/IP（transfer control protocol/Internet protocol）體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，Berners－Lee于1989年發(fā)明了目前互聯(lián)網(wǎng)上最為廣泛應(yīng)用的萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW或Web），此后 Web經(jīng)歷了 Web 1．0和 Web 2．0時代，進入當前的Web 3．0時代，預(yù)計2020～2030年進入 Web 4．0（即 WebOS，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)）時代［8］。Web 2．0［9］是以Blog（博客）、Tag（標簽）、社會網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Social Networking Services，SNS）、簡易信息聚合（Really Simple Syndication，RSS）、Wiki（維基）等社會性軟件的應(yīng)用為核心，將原來自上而下、由專業(yè)人士集中控制的互聯(lián)網(wǎng)體系轉(zhuǎn)換為自下而上、由廣大用戶集體智慧和力量主導的互聯(lián)網(wǎng)體系，并由此引起了Web應(yīng)用的一場社會革命［10］。企業(yè)2．0（Enterprise 2．0）是 McAfee于2006年將 Web 2．0應(yīng)用于企業(yè)而引伸出來的一個概念，并將其定義為“企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)與企業(yè)之間，以及企業(yè)與其伙伴和顧客之間對社會性軟件的運用”［11］。Blog，Tag，SNS和Wiki等Web 2．0社會性軟件的運用使互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用從“人機交互”向“人人交互”、從“以數(shù)據(jù)為中心”向“以人為中心”轉(zhuǎn)變，改變了人們互動和共享信息的方式。在Web 3．0時代，其處理對象從各種類型的數(shù)據(jù)發(fā)展到具有豐富內(nèi)容的知識，語義Web（Semantic Web）成為其重要組成部分［12］，語義Web最初由Berners－Lee提出，并在2000年世界可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML）大會上進行了正式解釋［13］，目的在于為因特網(wǎng)上的信息提供具有計算機可以理解的語義，而基于語義Web的網(wǎng)絡(luò)化制造（簡稱“語義網(wǎng)絡(luò)化制造”）［5］正是利用語義 Web（當前主要是其本體）技術(shù)將Web服務(wù)變?yōu)檎Z義Web服務(wù)，進而實現(xiàn)制造資源的智能集成。云制造［6］是由李伯虎院士等借鑒云計算理念提出的一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造模式。云制造強調(diào)制造資源與制造能力的服務(wù)化和按需使用，拓展了云計算的資源共享內(nèi)容和服務(wù)模式。SM［7］是物聯(lián)網(wǎng)與制造技術(shù)融合的產(chǎn)物，又稱為制造物 聯(lián) （Internet of Manufacturing Things，IoMT）［14］。

上述四種從不同視角提出的制造模式，由于產(chǎn)生的背景和針對問題的側(cè)重點不同，其體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)手段各異，雖然在各自的應(yīng)用場合均取得了一些重要成果，但還缺乏四者融合的研究?，F(xiàn)代制造系統(tǒng)日益復(fù)雜龐大，已成為包括社會、經(jīng)濟、人文等綜合因素在內(nèi)的復(fù)雜大系統(tǒng)，并向全球化、服務(wù)化、社會化、綠色化和智能化的方向發(fā)展，迫切需要將它們加以整合，以滿足這些發(fā)展趨勢的需求。為此，本文借鑒未來互聯(lián)網(wǎng)研究成果，利用云計算和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)為制造業(yè)信息化帶來的新機遇，將這四種制造理念加以融合和延伸，提出一種新型制造模式——智慧制造（Wisdom Manfacturing，WM）。

1 智慧制造的提出

基于TCP/IP體系結(jié)構(gòu)發(fā)展起來的互聯(lián)網(wǎng)正面臨移動與物聯(lián)網(wǎng)的接入、云計算、多媒體內(nèi)容分享應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)社會化等需求問題，人們試圖從未來互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)入手來解決這些問題［15］，其中歐盟第七框架研究認為：務(wù)聯(lián)網(wǎng)（Internet of Services，IoS）、內(nèi) 容/知 識 網(wǎng) （Internet of Contents and Knowledge，IoCK）、物 聯(lián) 網(wǎng) （Internet of Things，IoT）和人際網(wǎng)（Internet by and for People，IbfP）或者（Internet of People，IoP）是構(gòu)成未來互聯(lián)網(wǎng)的四大支柱［16］。本文借鑒歐盟第七框架對未來互聯(lián)網(wǎng)研究的成果，將務(wù)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)容/知識網(wǎng)（簡稱知識網(wǎng)）、人際網(wǎng)與制造技術(shù)融合，形成以客戶為中心、以人為本、面向服務(wù)、基于知識運用、人機物協(xié)同的制造系統(tǒng)，如圖1所示。

由此可見，智慧制造包含服務(wù)計算、物參與的計算（普適計算）、智能計算以及人參與的計算等模式；從數(shù)據(jù)、信息和知識流動來看，它通過物聯(lián)網(wǎng)感知獲得“物”的原始數(shù)據(jù)和事件；然后通過內(nèi)容/知識網(wǎng)（以下稱“知識網(wǎng)”）進一步加工處理這些原始數(shù)據(jù)和事件，從中抽取出所需的信息、知識、智慧或事件；再通過務(wù)聯(lián)網(wǎng)整合各種服務(wù)，圍繞客戶需求提供個性化服務(wù)；最后通過人機物的融合決策，實現(xiàn)對物或機器的控制，從而形成一個“物—數(shù)據(jù)—信息—知識—智慧—服務(wù)—人—物”循環(huán)，或者說形成一個感知、識別、響應(yīng)的智慧控制閉合回路。而前述的物聯(lián)智造、語義網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造、企業(yè)2．0只是分別強調(diào)物聯(lián)網(wǎng)、語義 Web（知識網(wǎng)的重要組成部分）、云計算（務(wù)聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分）、社會性軟件（人際網(wǎng)）在制造系統(tǒng)中的作用，而智慧制造在統(tǒng)一框架下將這些制造模式理念加以融合和拓展，進而將機器智能（人工智能）、普適智能（Ubiquitous Intelligence）［17］和人的經(jīng)驗、知識和智慧結(jié)合在一起。

另一方面，從制造業(yè)信息化的演化來看，智慧制造又是制造業(yè)信息化發(fā)展到一定程度時的必然產(chǎn)物。在（廣義）制造業(yè)信息化過程中，人們基于數(shù)據(jù)、信息和知識分別提出（狹義）數(shù)字化制造、（狹義）信息化制造和智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）/SM模式，在制造業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，IM/SM的進一步發(fā)展誕生了智慧制造，如圖2所示。在數(shù)據(jù)—信息—知識—智慧（Data－Information－Knowledge－Wisdom，DIKW）所形成的 DIKW 模型［18］中，從低層到高層的數(shù)據(jù)、信息/知識和智慧分別對應(yīng)符號學的語法、語義和語用/社會層次，以及Web 1．0/Web 2．0，Web 3．0，Web4．0。雖然 Web 2．0與Web 1．0可看作是語法層次的Web，但兩者又有顯著區(qū)別，Web 2．0通過社會性軟件延伸到了社會世界，使人們的交互溝通、知識共享和協(xié)作機制產(chǎn)生了革命性的變化。而Web 3．0最重要的特征就是語義 Web、個性化（personalization）和智能搜索［19］，它不但保留了 Web 2．0的 Tag、微格式（Microformats）和公眾分類（Folksonomy）的靈活性，而且可通過語義Web等更有效的技術(shù)來創(chuàng)建信息和共享信息，使得更高層次的信息處理和個性化服務(wù)成為可能。從Berners－Lee所提出的語義 Web結(jié)構(gòu)［13］（如圖2b）來看，它提供了一條從數(shù)據(jù)到信息/知識再到智慧的途徑。最底層的統(tǒng)一字符編碼（unicode）和統(tǒng)一資源標識（Universal Resource Indicator，URI），以及其上層的 XML＋NS＋XMLSchema，解決了數(shù)據(jù)語法的異構(gòu)性問題。資源描述框架（Resource Description Framework，RDF）和RDFSchema（RDF格式）解決由于數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)不同而造成的異構(gòu)性。而本體（ontology）使信息具有機器可理解的語義。本體、邏輯（logic）和證明（proof）層用于解決語義的異構(gòu)性，而信任（trust）屬于智慧范疇。

縱觀制造業(yè)信息化的歷程，其發(fā)展實際上是一個智能水平不斷提升的過程，而 Web 3．0/語義Web、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人際網(wǎng)和云制造等技術(shù)為其向更高層次——智慧層次發(fā)展提供了條件和使能，智慧制造誕生就成為必然。

2 智慧制造的定義與體系結(jié)構(gòu)

定義1 智慧（wisdom）。智慧是指對人、事物、事件或情景的深刻理解和認識，進而作出與這種理解相一致的感知、判斷和行動的能力［20］。

定義2 智慧制造。智慧制造是一種面向服務(wù)、基于知識運用的人機物協(xié)同制造模式，在務(wù)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)容/知識網(wǎng)、人際網(wǎng)和先進制造技術(shù)等的支持下，將各種制造資源連接在一起、形成統(tǒng)一的資源池，根據(jù)客戶的個性化需求和情境感知，在人機物共同決策下作出智能的響應(yīng)，在制造全生命周期過程中為客戶提供定制化的、按需使用的、主動、透明且可信的制造服務(wù)。

為實現(xiàn)如圖1所示的智慧制造功能，構(gòu)建了如圖3所示的智慧制造體系架構(gòu)。該架構(gòu)包括：①制造資源層，包括各種制造資源（模型資源、軟件資源、計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、知識資源、制造設(shè)備等）和制造能力。②虛擬資源層，通過虛擬化工具將各類制造資源虛擬化，使制造資源的集中管理和使用成為可能，并將SOA/云計算的計算資源延伸和拓展到非常廣泛的制造資源。而物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)各類制造資源的互聯(lián)互通，實現(xiàn)物理世界與虛擬世界的聯(lián)接。③服務(wù)層，定義與業(yè)務(wù)功能或者業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相關(guān)的接口，提供各種核心服務(wù)，包括原子服務(wù)和組合服務(wù)。④業(yè)務(wù)流程層，通過匹配、編排，將服務(wù)組合成一個流程。⑤服務(wù)集成（服務(wù)總線）層，提供從服務(wù)請求者到正確的服務(wù)提供者的中介、路由和傳輸?shù)墓δ?。⑥基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)層，提供服務(wù)監(jiān)控以及諸如安全、性能和可用性等服務(wù)質(zhì)量的能力。⑦云服務(wù)運營層，把虛擬化和服務(wù)化后的制造資源管理起來，對服務(wù)發(fā)布、查找與綁定、調(diào)度與部署等提供支持，從而為用戶提供按需服務(wù)。⑧事件處理層，包括物聯(lián)網(wǎng)傳感器中間件的簡單事件處理和復(fù)雜事件處理等。⑨業(yè)務(wù)智能層，定義業(yè)務(wù)規(guī)則和提供智能支持。⑩語義Web層，將數(shù)據(jù)提升到信息、知識或智慧?！?1應(yīng)用層，通過社會性軟件（人際網(wǎng)），將企業(yè)與合作者、客戶以及企業(yè)職員都納入一個網(wǎng)絡(luò)之中，可以訪問和使用云制造系統(tǒng)的各類云服務(wù)，包括注冊、驗證以及任務(wù)需求描述、創(chuàng)建等。

如圖3所示的智慧制造體系結(jié)構(gòu)（架構(gòu)）體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)、知識網(wǎng)、人際網(wǎng)與制造技術(shù)的融合，也實現(xiàn)了企業(yè)2．0、語義網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造和制造物聯(lián)的功能整合。其中，物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)制造中物與物之間的互聯(lián)互通和資源感知，是連接架構(gòu)第1層物理資源和第2層虛擬資源的橋梁；第2～7層體現(xiàn)了務(wù)聯(lián)網(wǎng)（SOA與云計算）的理念，實現(xiàn)了云制造的功能，為用戶提供各種服務(wù)；第8～10層的知識網(wǎng)（含事件處理、業(yè)務(wù)智能、語義Web等技術(shù)）為制造智能化提供了使能技術(shù)；第11層的人際網(wǎng)為人的集成和（隱性）知識共享提供了渠道。

3 相關(guān)制造模式的分析與面向服務(wù)制造的成熟度模型

如前所述，智慧制造一方面是融合企業(yè)2．0、語義網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造和制造物聯(lián)的思想和理念而提出來的，它與這些制造模式密切相關(guān)；另一方面又可以看作是智能制造向智慧化方向發(fā)展和延伸的結(jié)果，因此又與智能制造模式密切相關(guān)。

智能制造IM是一種基于知識的制造模式，即人工智能與制造技術(shù)融合的結(jié)果。由于受時代的制約，早期的IM是按當時對人工智能與制造技術(shù)的認識而提出的，而在當今互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下可看作是Web智能［21］與制造技術(shù)融合的產(chǎn)物。智能制造是一個與時俱進的概念，這可從“智能制造系統(tǒng)”國際合作研究計劃［22］中看到這種演進，而隨著語義Web和物聯(lián)網(wǎng)的興起，分別出現(xiàn)了語義網(wǎng)絡(luò)化制造和SM/IOMT的概念。SM又被譯為“智能制造”或“智慧制造”，后者源于IBM基于物聯(lián)網(wǎng)提出的“智慧地球”（smarter planet）［23］以及由它引伸出來的“智慧工廠”［24］等概念。從智慧定義來看，將基于物聯(lián)網(wǎng)的SM稱為“智慧制造”不是很確切，而作為美國 SMLC（smart manufacturing leadership coalition）會員之一的羅克韋爾自動化公司將其譯為“智能制造”［25］。暫且不管SM的中文稱謂，本文所提出的智慧制造繼承、包容和發(fā)展了SM，它通過融合務(wù)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、知識網(wǎng)和人際網(wǎng)（簡稱“四網(wǎng)”），具備了“智慧”所定義的感知、判斷和行動的能力。

此外，WM又可看作是智慧 Web［26］與制造技術(shù)融合的產(chǎn)物。雖然WM采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但又不限于該技術(shù)，不排除采用其他技術(shù)來實現(xiàn)的可能，如文獻［26］就設(shè)想用Agent來實現(xiàn)智慧 Web。從當前的技術(shù)水平來看，通過物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)智慧制造是非常必要的，但不是充分的。從DIKW模型來看，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，主要通過物聯(lián)網(wǎng)感知來獲得。而這種感知中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)又需要云計算來處理。但云計算還處在發(fā)展的初始階段，雖然不同廠商推出的云計算方案（或平臺）有所不同，就最典型、最廣泛使用的云計算MapReduce模型［27］而言，仍“以數(shù)據(jù)為中心”，未能提供從數(shù)據(jù)上升到知識的有效途徑。雖然語義Web提供了這樣的一條從數(shù)據(jù)上升到信息/知識的途徑，但語義Web目前還不成熟，其中的邏輯層、證明層和信任層還沒有實現(xiàn)［12］，當前研究主要利用語義Web的本體來表示知識，但知識表示不止本體這一種方法，還有邏輯、產(chǎn)生式、框架等其他表示方法。即使采用人工智能對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行挖掘，也只能得到顯性知識。從智慧角度來看，隱性知識尤其重要，而人是隱性知識的主要載體，因此迫切需要將人的隱性知識發(fā)掘出來。更重要的是，如何運用這些知識進行有效的智能決策，并采取正確的行動，而人在其中起關(guān)鍵作用，人的集成也成為重要的需求。而現(xiàn)有制造模式往往忽視人在制造系統(tǒng)中的重要地位，對人的集成及其隱性知識的共享、知識交流等缺乏有效的實現(xiàn)方法和機制，強調(diào)靜態(tài)和固定模式意義上的知識存儲和知識共享。而以語義、語用為重要特征的知識網(wǎng)和人際網(wǎng)將在智慧制造起到越來越重要作用，這可從圖2所示符號學的語用、語義與對應(yīng)的制造模式看得出來。這就是智慧制造結(jié)合務(wù)聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)后，再進一步引入知識網(wǎng)和人際網(wǎng)的緣故。與云制造、智能制造等模式相比，智慧制造更強調(diào)群體智能、知識運用和人的主觀能動性，特別是借助社會性軟件（人際網(wǎng)）實現(xiàn)知識獲取、知識積累、知識分享、知識利用以及知識創(chuàng)新；更加注重客戶參與的互動性、個性化和創(chuàng)新性，并將用戶作為共同開發(fā)者來信任，使生產(chǎn)者（producer）和消費者（consumer）融為一體，成為產(chǎn)消者prosumer（＝producer＋consumer）［28］。這些特性賦予了智慧制造不同于現(xiàn)有制造模式的新含義。

研究表明，雖然云制造［29］還達不到智慧制造的水平，但它融合了務(wù)聯(lián)網(wǎng)（SOA和云計算）的理念，無疑可作為實現(xiàn)智慧制造的起點，再進一步結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、知識網(wǎng)和人際網(wǎng)等技術(shù)來充實和拓展，但這種結(jié)合絕非簡單組合，還伴隨著復(fù)雜事件或現(xiàn)象的發(fā)生。例如，融合了務(wù)聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的云制造，還需要復(fù)雜事件處理（Complex Event Processing，CEP）和事件驅(qū)動架構(gòu)（Event－Driven Architecture，EDA）技術(shù)的支持，即需要將面向云制造服務(wù)架構(gòu)（Service－Oriented Architecture for Cloud Manufacturing，SOA4CM）［29］拓展為事件驅(qū)動的面向云制造服務(wù)架構(gòu) （Event－Driven SOA for Cloud Manufacturing，EDSOA4CM）［30］，因此需要探討這些技術(shù)融合的途徑和實現(xiàn)方法。

為此，本文從服務(wù)提供的角度出發(fā)，探討“四網(wǎng)”對面向服務(wù)制造成熟度（Service－Oriented Manufacturing Maturity，SOMM）的影響，如圖4所示，它表明將SOA服務(wù)提升到智慧服務(wù)所需的技術(shù)。SOMM分為4級，其后面的數(shù)字定性地表示成熟度，數(shù)值越大表示模型越成熟。第1級提供初始服務(wù)，主要采用SOA技術(shù)，稱為SOMM 0．5；第2級為SOMM 1．0，采用SOA/云計算技術(shù)，提供云服務(wù)；第3級為SOMM 2．0，主要采用務(wù)聯(lián)網(wǎng)（SOA/云計算）和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，涉及少量的知識網(wǎng)或人際網(wǎng)技術(shù)，提供事件驅(qū)動的云（制造）服務(wù)；第4級為SOMM 3．0，采用務(wù)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人際網(wǎng)和知識網(wǎng)作為支撐技術(shù)，提供智慧（制造）服務(wù)。圖中不同技術(shù)用不同圖形表示，充滿顏色的表示該層次得到左側(cè)對應(yīng)技術(shù)的全面支持，未充滿的表示該層次因當時對應(yīng)技術(shù)未成熟等原因只得到部分支持。務(wù)聯(lián)網(wǎng)是面向服務(wù)相關(guān)技術(shù)的統(tǒng)稱，包括SOA和云計算等面向服務(wù)技術(shù)。需要說明的是，因為各種制造模式都或多或少與內(nèi)容相關(guān)，所以圖4中用知識網(wǎng)代替前述的內(nèi)容/知識網(wǎng)。從某種程度上說，內(nèi)容/知識網(wǎng)即DIKW［18］，而DIKW模型又稱為信息層次模型、知識層次模型或智慧層次模型［31］。由于當前知識網(wǎng)、人際網(wǎng)還不成熟，對SOMM只起到部分支持作用。展望未來，智慧制造將得到這些技術(shù)的全面支持，屆時SOMM就會變得成熟。由此可見，通過物聯(lián)網(wǎng)和人際網(wǎng)可分別將信息世界（cyber world）延伸到物理世界和社會世界，同時使服務(wù)智慧水平得到提升。而在智慧水平上，人是遙遙領(lǐng)先于機器和物的，況且人是制造系統(tǒng)智慧的主要來源，只有結(jié)合人的經(jīng)驗、知識和智慧才能實現(xiàn)真正的智慧制造。本文正是探索這樣的人機物相結(jié)合的智慧制造系統(tǒng)。

智慧的產(chǎn)生需要基于知識的應(yīng)用，知識是智慧的基礎(chǔ)和條件，知識及其應(yīng)用在智慧制造中的重要性是前所未有的。在一個企業(yè)或制造系統(tǒng)中，知識是廣泛存在且無形的，而通過文字、圖像等編碼化形式表示的顯性知識只是“冰山一角”，更多的知識是默認的、隱藏的、未經(jīng)編碼化和形式化的隱性知識。因此，如何實現(xiàn)隱性知識轉(zhuǎn)化以及人的集成是智慧制造面臨的挑戰(zhàn)之一。對于隱性知識的轉(zhuǎn)化，最著名的是日本學者野中郁次郎提出的SECI（socialization，externalization，combination internalization）模型［32］。SECI模型揭示了隱性知識的轉(zhuǎn)化，即源于高度個人化的隱性知識，通過社會化（Socialization）、外化（Externalization）、融合（Combination）和內(nèi)化（Internalization），最終升華為組織所有成員的隱性知識。而人際網(wǎng)技術(shù)或者Web 2．0/Web 3．0的社會性軟件為SECI模型實現(xiàn)提供了新技術(shù)手段［33－34］。例如，可通過文字、視頻、音頻等在線實時交流方式交流實現(xiàn)隱性知識的社會化（或群化）；利用Blog/Wiki/BBS等實現(xiàn)隱性知識的外在化，即隱性知識轉(zhuǎn)化為顯性知識；通過RSS/Tag/Mashup實現(xiàn)隱性知識外在化之后的顯性知識的組織整理；通過閱讀Blog/Wiki/BBS/論壇吸取別人的經(jīng)驗、豐富自身的知識，還可通過Digg對知識進行篩選和評價，如圖5所示。由此可見，通過人際網(wǎng)可有效地實現(xiàn)隱性知識轉(zhuǎn)化以及人的集成。

3 智慧制造實現(xiàn)途徑

雖然要完整全面地實現(xiàn)智慧制造的理念，有賴于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、知識網(wǎng)和人際網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的高度發(fā)展，但未必要等到這些技術(shù)成熟和完善后才開始，而是在當前技術(shù)與經(jīng)濟因素的制約下，設(shè)法利用現(xiàn)有技術(shù)來搭建智慧制造平臺，并隨著這些技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展、成熟而成熟（如圖4），反過來，智慧制造的發(fā)展又會促進這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

如前所述，可以將云制造作為實現(xiàn)智慧制造的起點。為此，在結(jié)合務(wù)聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)云制造［29］和事件驅(qū)動的云制造［30］的基礎(chǔ)上，進一步結(jié)合語義Web和人際網(wǎng)探討智慧制造的實現(xiàn)問題。圖4中的第1～9層在文獻［29－30］中已作了詳細簡介，這里著重介紹第10和11層。

（1）語義 Web層

目前，主要采用SOA/云計算技術(shù)來實現(xiàn)面向服務(wù)的制造模式。SOA為 Web服務(wù)發(fā)布、查找和調(diào)用提供支持，其中它所包括的基于Web服務(wù)描述語言（Web Services Description Language，WSDL）的服務(wù)訪問接口定義、基于簡單對象訪問協(xié)議（Simple Object Access Protocol，SOAP）的信息交換機制和基于統(tǒng)一描述發(fā)現(xiàn)和集成協(xié)議（Universal Description，Definition，and Integration，UDDI）的服務(wù)注冊等技術(shù)已相對成熟，但Web服務(wù)只對服務(wù)語法進行了規(guī)定，缺乏諸如服務(wù)語義、服務(wù)能力等方面的描述，存在服務(wù)搜索準確率低、服務(wù)組合實現(xiàn)困難等問題。而作為SOA的延伸和發(fā)展的云計算，仍局限于語法數(shù)據(jù)處理。將語義Web應(yīng)用到Web服務(wù)中，就形成所謂語義Web服務(wù)，使Web服務(wù)能夠以一種語義清晰的方式表達，從而提高服務(wù)定位的準確率，并使服務(wù)匹配實現(xiàn)更高程度的智能化。本文采用開源的本體編輯工具Portege［35］和語義Web程序設(shè)計框架Jena［36］來實現(xiàn)。

（2）應(yīng)用層

應(yīng)用層是在原有應(yīng)用層的基礎(chǔ)上引入人際網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)的，具體選用基于Java語言開發(fā)的、開源的社會化網(wǎng)絡(luò)平臺ConcourseConnect［37］，它具有 Wiki、Blog、評論、評級、論壇、在線分類廣告業(yè)務(wù)、文件管理、項目管理等社會軟件應(yīng)用的核心功能，具有良好的可擴展性且支持客戶個性化的需求。員工、客戶和合作者可以利用這些功能進行互動，建立朋友關(guān)系，交流心得體會和尋求他人的幫助，進行信息交換、進程安排與項目跟蹤等。例如通過Blog進行溝通交流和知識共享；通過Wiki實現(xiàn)多人協(xié)作創(chuàng)建、積累、完善和分享彼此的知識；通過論壇對感興趣的話題進行討論，便于將隱性知識轉(zhuǎn)化為顯性知識。企業(yè)可收集、整理和分類存在于SNS網(wǎng)絡(luò)中的知識，使之成為有價值的知識，并轉(zhuǎn)存到知識庫中，供他人使用。

此外，為了將人集成到業(yè)務(wù)流程中，需擴展圖3中第4層的業(yè)務(wù)流程，以支持對Web服務(wù)和基于角色的人工活動的編排，此時可采用BPEL4People規(guī)范［38］。可 采 用 開 源 的 WSO2Business Process Server（BPS）［39］來實現(xiàn)，它兼容 WS－BPEL 2．0和BPEL4WS 1．1標準，并支持BPEL4People和人工活動的編排。

將這里選用的 Portege，Jena，ConcourseConnect，WSO2BPS開源插件和文獻［29－30］選用的Fosstrak，CloudSim，Tuscany SCA，Apache ODE，Apache Synapse，Drools，Esper等開源插件（如表1）集成到Eclipse平臺下，就可以形成實現(xiàn)智慧制造的開發(fā)環(huán)境。

表1 開源工具選用

智慧制造運作如圖6所示。在智慧制造中，通過物聯(lián)網(wǎng)和虛擬化/服務(wù)化技術(shù)將制造資源和制造能力虛擬化/服務(wù)化，將人、機、物抽象成一個個服務(wù)節(jié)點，構(gòu)成虛擬化制造資源和制造能力池，以服務(wù)方式統(tǒng)一于云池中?？蛻舻卿浧脚_系統(tǒng)后，可利用Wiki、Blog、項目管理等社會軟件尋求他人的幫助和協(xié)作，在多方（消費者、生產(chǎn)者和營運者）互動下，客戶完成需求任務(wù)的創(chuàng)建并提交，在務(wù)聯(lián)網(wǎng)和知識網(wǎng)的支持下按客戶業(yè)務(wù)需求將匹配的服務(wù)節(jié)點組合成業(yè)務(wù)流程，并根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)境的變化自動進行決策或進行初步?jīng)Q策，再推送到相關(guān)人員作進一步?jīng)Q策或確認，進而通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對制造資源的控制，最終形成一個人機物相結(jié)合的系統(tǒng)，同時實現(xiàn)了編碼化（如知識網(wǎng)中用本體表示的資源庫和知識庫等）和人際化策略，既注重于顯性知識的技術(shù)渠道作用，又注重于隱性知識的人際渠道作用，并與業(yè)務(wù)流程相結(jié)合。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合務(wù)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)容/知識網(wǎng)和人際網(wǎng)，提出一種面向個性化服務(wù)的人機物協(xié)同制造模式——智慧制造，并圍繞智慧制造誕生的背景、智慧制造定義、智慧制造體系架構(gòu)及其實現(xiàn)途徑等方面進行了初步探討。提出了面向服務(wù)制造的成熟度模型，以務(wù)聯(lián)網(wǎng)與制造技術(shù)融合而成的面向服務(wù)制造的典型代表——云制造為起點，進一步融入物聯(lián)網(wǎng)、知識網(wǎng)和人際網(wǎng)來實現(xiàn)智慧制造，為面向服務(wù)制造升級到智慧制造提供了途徑。

智慧制造融合了多種先進制造模式的思想與理念，并加以延伸和拓展，與現(xiàn)有的制造模式相比有很大的不同，它代表一種新的制造理念與思想體系：①通過務(wù)聯(lián)網(wǎng)和基于“一切皆為服務(wù)”的理念，形成面向服務(wù)的信息世界，提供按需即取的服務(wù)方式；②通過知識網(wǎng)，利用人工智能技術(shù)，從原始數(shù)據(jù)中抽取所需的信息、知識、智慧，或?qū)⒃际录铣删哂幸饬x的復(fù)雜事件；③通過物聯(lián)網(wǎng)，將服務(wù)資源延伸到物理世界，利用傳感器和普適計算（普適智能）獲得資源狀態(tài)和環(huán)境的信息；④通過人際網(wǎng)，將服務(wù)資源延伸到社會世界，利用群體智能，特別是借助社會性軟件實現(xiàn)知識（特別是隱性知識）獲取、知識積累、知識分享、知識利用和知識創(chuàng)新，將機器智能、普適智能、社會智能和人的經(jīng)驗、知識和智慧結(jié)合在一起，在信息世界、物理世界和社會世界組成的超世界環(huán)境中，人機物共同決策和行為響應(yīng)，為客戶提供個性化的制造服務(wù)或產(chǎn)品。

本文只是對智慧制造模式進行了初步探討，后繼研究將深化相關(guān)內(nèi)容，特別是要探討數(shù)據(jù)—信息—知識—智慧的互動及其在務(wù)聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、知識網(wǎng)、人際網(wǎng)中的關(guān)聯(lián)傳遞，進而形成智慧制造理論和技術(shù)體系。

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