中國(guó)智能制造的路在何方

文|肖捷 王健 林雪萍

（作者：肖捷，北京弗戈工業(yè)媒體，出版人；王健，北京聯(lián)訊動(dòng)力咨詢有限公司執(zhí)行總經(jīng)理；林雪萍，北京索為高科系統(tǒng)技術(shù)有限公司副總經(jīng)理。）

當(dāng)下很多人認(rèn)為，推動(dòng)中國(guó)制造2025，需要大量的新技術(shù)作為支撐，如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)等。這些想法有各自積極的建設(shè)意義，然而這并不是中國(guó)工業(yè)系統(tǒng)升級(jí)的根本驅(qū)動(dòng)力。面向中國(guó)制造2025，建立數(shù)字化知識(shí)化為基礎(chǔ)的中國(guó)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，才是最為重要的國(guó)家戰(zhàn)略核企業(yè)需要面臨的問(wèn)題。

一、中國(guó)工業(yè)系統(tǒng)缺什么？

大家都公認(rèn)的是，德國(guó)2013年提出的工業(yè)4.0，基本等同于美國(guó)在2006年提出Cyber-Physical Systems（即虛擬網(wǎng)絡(luò)/信息——物理——系統(tǒng)）。但實(shí)際上不為眾所周知的是，CPS 概念是由中美學(xué)者首先倡議并明確的。早在2009年中科院出版的著名的科技發(fā)展系列報(bào)告叢書《創(chuàng)新2050》，就描述了“人-機(jī)-物”一體化系統(tǒng)，即社會(huì)物理信息系統(tǒng)CPSS（Cyber-Physical-Social Systems）。顯然增加“人與社會(huì)”的因素，更適合于未來(lái)的制造產(chǎn)業(yè)。Social（人與社會(huì)的因素）在德國(guó)工業(yè)4.0 被降低了一個(gè)層級(jí)，但卻被IBM 這樣的公司認(rèn)定為具有不亞于大數(shù)據(jù)的重要戰(zhàn)略地位。

國(guó)人將CPS 翻譯成“信息物理系統(tǒng)”，本文作者覺(jué)得略有誤導(dǎo)或者不夠精確，因?yàn)镃PS 中的C 代表Cyber，不僅僅是 “信息”，其本意更強(qiáng)調(diào)的是“網(wǎng)絡(luò)控制”相關(guān)的意思，是雙層含義，強(qiáng)調(diào)了“具有控制性的網(wǎng)絡(luò)和信息”；P 代表物理硬件層；System 則是系統(tǒng)工程的層面。

美國(guó)的下一代工業(yè)升級(jí)版本，主要是以GE 公司為代表提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念，并在企業(yè)橫向聯(lián)合層面上，成立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟組織，推動(dòng)和發(fā)展系統(tǒng)間的集成和兼容。在這個(gè)層面上，美國(guó)有著絕對(duì)領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)的頂層框架設(shè)計(jì)，在過(guò)去幾十年，已經(jīng)成為政府（尤其是軍方）拉動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)做法，同時(shí)軍工企業(yè)和民品企業(yè)也積極參與其中，從而形成了美國(guó)政、軍、企三方都熱衷于推動(dòng)系統(tǒng)工程和頂層框架的發(fā)展。下圖可以清晰看CPSS 系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的強(qiáng)化和精細(xì)化處理。

在德國(guó)工業(yè)4.0 的體系中，Cyber 的雙層含義中，信息層比較強(qiáng)，但互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)層比較弱；在P 層面，物理硬件非常強(qiáng)，是德國(guó)制造的優(yōu)勢(shì)所在；而S 系統(tǒng)層面，德國(guó)制造業(yè)也比較弱，德國(guó)人的頂層框架和系統(tǒng)工程，做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有美國(guó)好。在這個(gè)意義上進(jìn)行比較，就知道德國(guó)工業(yè)4.0 的背景及其工業(yè)本質(zhì)。德國(guó)工業(yè)有強(qiáng)大的工業(yè)體系、知識(shí)庫(kù)、產(chǎn)品硬件與設(shè)備、產(chǎn)品PLM 全生命周期管理，這些都是世界上領(lǐng)先的；但在IT 技術(shù)/互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)/大數(shù)據(jù)分析等這些“工業(yè)外套”上面，以及頂層框架的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，德國(guó)的制造業(yè)是落后的。搶占這兩個(gè)制高點(diǎn)，是德國(guó)工業(yè)推進(jìn)4.0 的核心意義。

就CPS 而言，中國(guó)制造業(yè)目前面臨的三個(gè)問(wèn)題分別是：1）Cyber 雙層含義中“信息化”有一定進(jìn)展，但不夠徹底，相互之間有裂縫，系統(tǒng)內(nèi)部往往通過(guò)強(qiáng)耦合連接，導(dǎo)致形成了實(shí)際上的信息孤島，系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的流通和連接非常弱——這主要是源于中國(guó)制造業(yè)的組織、管理模式的相對(duì)落后，工業(yè)系統(tǒng)自身的知識(shí)描述和行業(yè)知識(shí)庫(kù)的建設(shè)因?yàn)闅v史原因斷裂；因此，雖然“網(wǎng)絡(luò)控制”涉及到的互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)/云計(jì)算等技術(shù)，中國(guó)并不落后，但是因?yàn)樯鲜鏊裕刂频男畔?duì)象處于孤島狀態(tài)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)控制僅僅起到了表面上的作用；2）Physic 層面物理硬件，通過(guò)進(jìn)口設(shè)備，在裝備本身層面與全球同步，但使用層面處于知其然不知其所以然的被動(dòng)使用狀態(tài)；3）而S 頂層框架和系統(tǒng)工程，自80年代以來(lái)幾乎沒(méi)有發(fā)展。

因此對(duì)于中國(guó)而言，同樣是追求工業(yè)系統(tǒng)升級(jí)，我們“中國(guó)制造2025”要補(bǔ)的課，跟德國(guó)工業(yè)4.0 要補(bǔ)足和引為標(biāo)桿之處，有實(shí)質(zhì)性的不同。同時(shí)，中國(guó)工業(yè)體系來(lái)源于蘇聯(lián)體系，計(jì)劃經(jīng)濟(jì)先天性的體系化、全面性以及曾經(jīng)的自上而下的系統(tǒng)性，都有很多值得重新審視和汲取的地方。從歷史傳承和核心優(yōu)勢(shì)來(lái)考慮，“中國(guó)制造2025”也不能完全模仿美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，而是要建設(shè)中國(guó)自己的中國(guó)智造。

圖1：美國(guó)GE 公司主導(dǎo)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的頂層框架

圖2：德國(guó)ZVEI 提出的“工業(yè)4.0”的整體架構(gòu)RAMI（2015）

表1：中美德工業(yè)4.0 比較

二、中國(guó)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與智能制造

開(kāi)創(chuàng)大歷史觀的歷史學(xué)家黃仁宇在《中國(guó)大歷史》一書中指出，農(nóng)村基層的財(cái)務(wù)稅收的數(shù)目化管理與否，是區(qū)別于中世紀(jì)后歐洲國(guó)家意志蓬勃發(fā)展和中國(guó)幾千年君朝歷史螺旋性回落的根本性原因。缺乏基層數(shù)據(jù)的數(shù)目化和知識(shí)化管理，同樣也是目前制造工廠最為困惑和最亟需解決的問(wèn)題。目前在中國(guó)制造用著世界最先進(jìn)的軟件和設(shè)備，但產(chǎn)出效率卻完全不能與西方現(xiàn)代制造工廠相媲美。為什么西門子在美國(guó)波音公司6500 套基于產(chǎn)品管理的軟件，就可以支撐龐大的B787 的“一體化”協(xié)同制造網(wǎng)絡(luò)，而在中國(guó)許多工廠反而就變成了一大堆局部使用的孤島？實(shí)際上，在波音公司的最底層的基礎(chǔ)工作，已經(jīng)把飛機(jī)的數(shù)十萬(wàn)個(gè)零部件全部數(shù)字化，同時(shí)采用模塊化而非零部件級(jí)的層級(jí)控制，形成了完全可控的數(shù)字化產(chǎn)品體系。這才使得信息化軟件發(fā)揮了為虎添翼的作用。

本文作者認(rèn)為中國(guó)工業(yè)系統(tǒng)升級(jí)的過(guò)程，不必過(guò)分追求某些IT 技術(shù)的先進(jìn)性，也不要急于追逐德國(guó)的物理硬件能力，而是要深入制造業(yè)的基礎(chǔ)，探究能支撐制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的數(shù)字化基因和知識(shí)化處理?；谥袊?guó)制造業(yè)的歷史和實(shí)際，構(gòu)建中國(guó)的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，使得人、數(shù)據(jù)、知識(shí)、設(shè)備、產(chǎn)品等各種資源，能夠有效地重新加以配置，才是系統(tǒng)性解決中國(guó)智能制造的根本性因素。

智能制造的基本特征是協(xié)同化、微制造、低成本。協(xié)同化就是配置資源，并共享資源體系；微制造需要去中心化組織，實(shí)現(xiàn)小規(guī)模小批量的生產(chǎn)；而全新的低成本生產(chǎn)模式，才能有效支撐未來(lái)個(gè)性化的生產(chǎn)需求。

1、協(xié)同化

在下一代工業(yè)升級(jí)的體系下，系統(tǒng)變得復(fù)雜，協(xié)同關(guān)系變得分散化。制造由集中生產(chǎn)向網(wǎng)絡(luò)化異地協(xié)同生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使不同環(huán)節(jié)的企業(yè)間可以實(shí)現(xiàn)信息共享，能夠在全球范圍內(nèi)整合企業(yè)間的優(yōu)勢(shì)資源，在研發(fā)、制造、物流、售后服務(wù)等各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全球分散化的協(xié)同作業(yè)。任何一臺(tái)設(shè)備，任何一個(gè)工位，任何一個(gè)組織，只要在資源配置權(quán)限之內(nèi)，都可以參與到網(wǎng)絡(luò)化制造的任務(wù)節(jié)點(diǎn)中去，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)協(xié)同。

工業(yè)3.0 時(shí)代的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

工業(yè)4.0 時(shí)代的復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

2、微制造

微制造是指小批量、小規(guī)模、專業(yè)化的生產(chǎn)。這需要建設(shè)一種全新的、異于當(dāng)前大規(guī)模生產(chǎn)的去中心化組織，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)。工業(yè)4.0 時(shí)代強(qiáng)調(diào)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制模式的轉(zhuǎn)變，從而建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。

微制造有兩層含義，一個(gè)是微小企業(yè)的制造；一個(gè)是制造微小產(chǎn)品。前者是微小企業(yè)參與了全球化的云端資源配置，正如淘寶網(wǎng)可以讓一個(gè)一個(gè)的個(gè)體戶參與其中，將產(chǎn)品售賣到全世界一樣；后者是微小產(chǎn)品的專業(yè)制造，企業(yè)無(wú)論大小，可以只需專注于某一個(gè)細(xì)微產(chǎn)品，這種企業(yè)更容易產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新，有效帶動(dòng)“大眾創(chuàng)新、萬(wàn)眾創(chuàng)新”的局面甚至形成“隱形冠軍”，真正推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”。

3、低成本

按傳統(tǒng)的技術(shù)模式，沒(méi)有批量就沒(méi)有低成本。這個(gè)悖論，在未來(lái)的制造時(shí)代，必須通過(guò)資源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)低成本下的專業(yè)化和個(gè)性化服務(wù)，才能夠很好地實(shí)現(xiàn)。針對(duì)未來(lái)井噴式的個(gè)性化需求的多樣性問(wèn)題，東京大學(xué)坂村健教授提出“昆蟲綱現(xiàn)象”，傳統(tǒng)信息系統(tǒng)好像哺乳動(dòng)物綱（只有5 萬(wàn)左右物種），而工業(yè)4.0 催生的新領(lǐng)域更像是昆蟲綱（多達(dá)500 萬(wàn)物種）。這就要求所有的資源、流程，都要被充分納入到系統(tǒng)優(yōu)化之中，實(shí)現(xiàn)低成本的制造需求。

三、產(chǎn)品本體建設(shè)與智能制造

協(xié)同化、微制造、小批量、低成本生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)，根源于對(duì)產(chǎn)品歸一化描述和管理。目前企業(yè)在推進(jìn)信息化和數(shù)字化的過(guò)程中，最為頭疼的就是數(shù)據(jù)的分散和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的碎片化。而在多年的信息化建設(shè)過(guò)程中，也產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)裂縫和數(shù)據(jù)窟窿。智能制造要求所有產(chǎn)品都是單一數(shù)據(jù)來(lái)源，從設(shè)計(jì)、工藝到制造的各個(gè)階段的BOM（物料清單表）都需要統(tǒng)一；而且產(chǎn)品自身只有具備了自定義屬性和經(jīng)驗(yàn)的繼承，產(chǎn)品跟設(shè)備之間才能進(jìn)行深度通訊和控制，智能產(chǎn)品才能成為可能。

1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的單一數(shù)據(jù)源描述

傳統(tǒng)企業(yè)的PDM 和BOM 管理存在著多種形態(tài)，即使是同一個(gè)企業(yè)不同生產(chǎn)階段，也在不斷發(fā)生變化。目前管理軟件都是非常成熟的，然而如何打通產(chǎn)品各階段的數(shù)據(jù)連接，卻成為一個(gè)大問(wèn)題。以飛機(jī)制造為例，上百萬(wàn)的零部件，每個(gè)零部件有幾十個(gè)參數(shù)，它們以不同的方式被不同的單位所產(chǎn)出和擁有，同時(shí)存儲(chǔ)在不同結(jié)構(gòu)的IT 系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)之中，又遵循不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，同時(shí)還要跟數(shù)千個(gè)供應(yīng)商進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生了一個(gè)“產(chǎn)品數(shù)據(jù)爆炸”。這使得企業(yè)不得不在局部層面按照項(xiàng)目實(shí)施的方法解決問(wèn)題，完全無(wú)法建立系統(tǒng)級(jí)的數(shù)據(jù)維護(hù)和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)繼承。

本文作者認(rèn)為，通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的單一數(shù)據(jù)源描述，所有的零部件，都將被徹底的數(shù)字化。零部件的各種信息，從圖紙，到有效性的標(biāo)識(shí)，到狀態(tài)變更，都有一條完整的記錄體系；而它與周圍產(chǎn)品、系統(tǒng)所發(fā)展的變化關(guān)系，也將被有效地進(jìn)行記錄。

2、產(chǎn)品的自我身份化

每一個(gè)創(chuàng)意，每一個(gè)被設(shè)計(jì)的部件，都擁有自己獨(dú)立的ID 身份，就好像被分配了一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)址，進(jìn)行自記錄。所有有關(guān)信息都在不斷增長(zhǎng)和添加，跟所有其他外物的關(guān)聯(lián)，都形成互鏈接，進(jìn)行交互識(shí)別。換言之，被設(shè)計(jì)的產(chǎn)品本身，是智能產(chǎn)品，具備了獨(dú)立的自我表達(dá)能力。無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)的信息，從創(chuàng)意，到設(shè)計(jì)，到部件，到制造，到維修，到終端用戶使用，都記錄在它的身份信息中。通過(guò)既有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、服務(wù)網(wǎng)技術(shù)、廣域域名分配技術(shù)、大寬帶網(wǎng)絡(luò)等，從而使得一個(gè)產(chǎn)品具有“生命感知”的特征。

當(dāng)一個(gè)零部件，進(jìn)入另外一個(gè)產(chǎn)品；當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入到另外一個(gè)系統(tǒng)中的時(shí)候，該產(chǎn)品的身份，將停留在網(wǎng)頁(yè)最后指向的位置。因此，整個(gè)系統(tǒng)將可以產(chǎn)生回溯的作用；從而使得未來(lái)的故障查找與診斷，具有高度智能的可回溯特征。

3、產(chǎn)品的本體化表達(dá)

有了產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)的單一數(shù)據(jù)源描述，有了產(chǎn)品的自我身份化，就可以逐漸建立產(chǎn)品本體。也就是，對(duì)從應(yīng)用中分離出來(lái)的目標(biāo)領(lǐng)域做形式化的、明確的描述。當(dāng)前大多數(shù)應(yīng)用里，產(chǎn)品的描述，往往有大量領(lǐng)域概念（應(yīng)用邏輯）、數(shù)據(jù)（產(chǎn)品和過(guò)程）以及信息表現(xiàn)（演示）所組成的混合物。只有基于制造業(yè)詞表體系建設(shè)和領(lǐng)域模型的構(gòu)建，將知識(shí)本體、任務(wù)描述與物理邏輯分離，從而幫助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品完成智能化的跨越，構(gòu)建產(chǎn)品本體。產(chǎn)品本體，就是一個(gè)解耦合的過(guò)程，使得產(chǎn)品知識(shí)能夠自由地流動(dòng)和表達(dá)。而自體系自學(xué)習(xí)自優(yōu)化建設(shè)產(chǎn)品本體的過(guò)程，就是知識(shí)自動(dòng)化，即形成可執(zhí)行的文檔、可計(jì)算的知識(shí)體系、可執(zhí)行的流程模板，從而形成大量的工程中間件，使得無(wú)論是知識(shí)工作者，還是制造與仿真的工程師，工作效率才會(huì)大幅度提升。這樣，人類實(shí)踐過(guò)程中所積累的知識(shí)和各種經(jīng)驗(yàn)?zāi)０?，就可以有效、重?fù)性地加載在產(chǎn)品上，會(huì)使得設(shè)計(jì)與制造人員大幅度提高工作效率。

四、總結(jié)

早在2005年，美國(guó)提出了“聰明加工系統(tǒng)SMS(smart machining system)”，其中最為重要的兩點(diǎn)內(nèi)容就是：一是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，也就是將相關(guān)工藝過(guò)程和設(shè)備知識(shí)加以集成后進(jìn)行建模，進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化；二是設(shè)備特征化，即開(kāi)發(fā)特征化的測(cè)量方法、模型和標(biāo)準(zhǔn)，并在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行測(cè)量和通信等。從這些研究成果可以看出來(lái)，如何解決知識(shí)沉淀和經(jīng)驗(yàn)積累的循環(huán)利用，是提高制造的“聰明度”的核心問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，2011年，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布實(shí)施包括工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的“先進(jìn)制造聯(lián)盟計(jì)劃”。美國(guó)企業(yè)隨即提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念。這些高端制造的競(jìng)爭(zhēng)，強(qiáng)烈刺激了歐洲制造商的神經(jīng)，德國(guó)隨后高調(diào)推出德國(guó)工業(yè)4.0，一時(shí)間成為最為炙手可熱的概念。然而，工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字化知識(shí)化基因，卻是這些各種智能制造技術(shù)的核心底層。

德國(guó)工業(yè)4.0 不是一個(gè)新技術(shù)，而是一個(gè)基于德國(guó)工業(yè)既有優(yōu)勢(shì)的新體系建設(shè)，強(qiáng)化在頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)和互聯(lián)網(wǎng)的作用；而解構(gòu)美國(guó)CPS 系統(tǒng)時(shí)，需要關(guān)注其在系統(tǒng)工程的先天性優(yōu)勢(shì)，和成熟的產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)的建設(shè)。中國(guó)制造2025，不是一味地追求大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)，也不是魯莽地去和德國(guó)比拼物理硬件，而是立足中國(guó)制造業(yè)實(shí)際，重構(gòu)歷史積淀，補(bǔ)足體系性不足，構(gòu)建數(shù)字化知識(shí)化生態(tài)系統(tǒng)，推動(dòng)中國(guó)智造，從而實(shí)現(xiàn)彎道超車?！?/p>