知識(shí)自動(dòng)化相關(guān)概念辨析及應(yīng)用展望

楊曦宇

（攀枝花行政學(xué)院， 四川 攀枝花 617000）

1 知識(shí)、知識(shí)型工作及知識(shí)自動(dòng)化

知識(shí)是人類(lèi)對(duì)自然、社會(huì)和思維探索的結(jié)果總和，是人類(lèi)在教育和實(shí)踐中獲得的認(rèn)識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技能。大數(shù)據(jù)與智能時(shí)代，知識(shí)是模型化、數(shù)字化，指導(dǎo)人和機(jī)器學(xué)習(xí)及做事的指令集合和規(guī)則體系。知識(shí)型工作是對(duì)知識(shí)的利用和創(chuàng)造，是具備知識(shí)才能完成的工作，或者有知識(shí)的人或系統(tǒng)完成的工作，是生產(chǎn)有用信息和知識(shí)的創(chuàng)造性腦力勞動(dòng)[1]。彼得·德魯克（Peter Drucker）曾經(jīng)把新的商業(yè)世界描繪為一個(gè)“知識(shí)社會(huì)”[2]，在這個(gè)社會(huì)中，知識(shí)是關(guān)鍵資源，而知識(shí)工作者則是勞動(dòng)力中的主導(dǎo)群體。德魯克認(rèn)為，在未來(lái)的十年里，知識(shí)工作者中最重要的新生力量將會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)新群體中，稱(chēng)之為“知識(shí)技工（KnowledgeTechnologists）”。這些新的知識(shí)工作者包括計(jì)算機(jī)科學(xué)家、軟件設(shè)計(jì)師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員、助理律師以及各種各樣的信息提供者，比如競(jìng)爭(zhēng)情報(bào)從業(yè)者。這種新型的基于信息和知識(shí)的工作方式，根據(jù)麥肯錫全球研究院估計(jì)，未來(lái)會(huì)產(chǎn)生非常大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。新型的知識(shí)工作者對(duì)于未來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，知識(shí)型工作在當(dāng)代社會(huì)分工中亦占有壓倒性的重要地位，其核心要求是完成實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的復(fù)雜任務(wù)。關(guān)于知識(shí)自動(dòng)化（Knowledge Automation），業(yè)界認(rèn)為主要是指知識(shí)型工作的自動(dòng)化。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)是將人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)融合來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下自動(dòng)感知、處理、計(jì)算、決策的智能系統(tǒng)[1]。工業(yè)4.0中的知識(shí)自動(dòng)化，是一種可執(zhí)行知識(shí)工作任務(wù)的智能軟件系統(tǒng)[3]。認(rèn)為平行時(shí)代的知識(shí)自動(dòng)化必然是信息化、自動(dòng)化、智能化、人機(jī)化等的有機(jī)融合，必須從信息物理系統(tǒng)（CPS）走向信息物理社會(huì)系統(tǒng)或社會(huì)物理信息系統(tǒng)（CPSS），并認(rèn)為虛擬空間里的自動(dòng)化之核心就是知識(shí)自動(dòng)化[4]。簡(jiǎn)而言之，知識(shí)自動(dòng)化就是通過(guò)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)來(lái)自動(dòng)完成人的知識(shí)型工作，將人從重復(fù)的腦力勞動(dòng)中解放出來(lái)，去從事更高端、更具有創(chuàng)造性的工作。

2 知識(shí)自動(dòng)化相關(guān)概念辨析

2.1 知識(shí)自動(dòng)化與知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化

知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化（Knowledge Driven Automation，KDA）是利用知識(shí)工程技術(shù)獲取過(guò)程知識(shí)，并采用知識(shí)熔接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)和制造的自動(dòng)化。

KDA是一個(gè)用于知識(shí)捕捉、重復(fù)使用以及過(guò)程自動(dòng)化的工具，是用來(lái)驅(qū)動(dòng)、建立、選擇、裝配、制造相應(yīng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD、計(jì)算機(jī)輔助工程CAE和計(jì)算機(jī)輔助制造CAM及產(chǎn)品生命周期管理PLM領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的捕捉、知識(shí)的重用和過(guò)程自動(dòng)化。知識(shí)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer-aided design）到計(jì)算機(jī)主導(dǎo)設(shè)計(jì)CAD（Computer-automated design），輸入約束條件，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)輸出最優(yōu)設(shè)計(jì)效果。作為自動(dòng)化設(shè)計(jì)的一種實(shí)現(xiàn)方式，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（Generative Design，GD）在“開(kāi)放”的“進(jìn)化”系統(tǒng)支持下，通過(guò)對(duì)已有設(shè)計(jì)方案的編碼化、構(gòu)件化和重用，生成許許多多新的設(shè)計(jì)方案。知識(shí)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)設(shè)計(jì)、自主學(xué)習(xí)、自我進(jìn)化、自動(dòng)生成，并通過(guò)云工業(yè)平臺(tái)及其工程中間件來(lái)操作軟件、硬件和設(shè)施設(shè)備。知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化應(yīng)用于數(shù)字化制造領(lǐng)域，知識(shí)自動(dòng)化更是工業(yè)4.0的支柱技術(shù)之一。

2.2 知識(shí)自動(dòng)化與人機(jī)一體化

20世紀(jì)80年代以來(lái)世界上出現(xiàn)了無(wú)人化工廠，工業(yè)自動(dòng)化水平達(dá)到了空前的高度。20世紀(jì)90年代，路甬祥、陳鷹提出了人機(jī)一體化理論[5]，其核心內(nèi)容是采取以人為中心，走人機(jī)一體的技術(shù)路線，人與機(jī)器共同組成系統(tǒng)，各自完成各自最擅長(zhǎng)的工作，在平等合作的基礎(chǔ)上，共同感知、共同認(rèn)識(shí)、共同決策，并在實(shí)際運(yùn)行中取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同工作，形成超智能系統(tǒng)。以后在其他領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD中的人機(jī)一體化，智能制造系統(tǒng)中的人機(jī)一體化，可以擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類(lèi)專(zhuān)家在設(shè)計(jì)制造和服務(wù)過(guò)程中的腦力勞動(dòng)，而不是完全替代人類(lèi)自動(dòng)做出決策。

早期的人機(jī)一體化也編寫(xiě)了諸如可識(shí)別空間力的人機(jī)接口裝置與上位機(jī)通訊等軟件，人直接參與系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。但這種人機(jī)一體化是一種由機(jī)器和人類(lèi)專(zhuān)家共同組成的超智能系統(tǒng)，機(jī)器（包括計(jì)算機(jī)、機(jī)器人）是人的同事和助手，是人的能力的延伸和擴(kuò)展，人與機(jī)器是一種合作共事關(guān)系。智能制造裝備中的人機(jī)一體化最終要從以人為主要決策核心的人機(jī)和諧系統(tǒng)向以機(jī)器為主體的自主運(yùn)行方向轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)知識(shí)型工作自動(dòng)化，通過(guò)軟件和指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體及環(huán)境的狀態(tài)感知、計(jì)算分析，并最終控制到物理實(shí)體，系統(tǒng)本身具有自組織、自配置、自?xún)?yōu)化、自決策功能。

2.3 知識(shí)自動(dòng)化與信息自動(dòng)化

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的興起，開(kāi)啟了網(wǎng)絡(luò)虛擬空間里的信息自動(dòng)化，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代其多數(shù)過(guò)程不再是物理實(shí)在的，而是基于信息物理系統(tǒng)（CPS）的虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合，基于軟件和算法的數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的規(guī)則體系的建立。在大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，知識(shí)自動(dòng)化是互聯(lián)網(wǎng)信息自動(dòng)化的自然延伸與提高，是從物理世界的自動(dòng)化控制轉(zhuǎn)向虛擬空間里的自動(dòng)化[6]。信息自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)了文件的遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程協(xié)同及信息處理，但無(wú)法處理復(fù)雜系統(tǒng)龐雜的、種類(lèi)繁多的信號(hào)、參數(shù)、數(shù)據(jù)和信息。相比于信息自動(dòng)化時(shí)代僅著眼于信息的傳遞交流，知識(shí)自動(dòng)化可以結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)ACP理論方法，利用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和認(rèn)知計(jì)算等更智能地處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)、智能和智慧的轉(zhuǎn)化，形成具有意義的洞察，支持個(gè)人和組織完成以前無(wú)法完成的事情，比如更深入地理解世界的運(yùn)轉(zhuǎn)方式、預(yù)測(cè)行為的后果并制定更好的決策。

2.4 知識(shí)自動(dòng)化與知識(shí)工程和專(zhuān)家系統(tǒng)

“知識(shí)工程”（Knowledge Engineering，KE）概念是由美國(guó)斯坦福大學(xué)費(fèi)根鮑姆教授在1977年提出的，當(dāng)時(shí)是人工智能技術(shù)的重要分支之一。知識(shí)工程是以知識(shí)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，建立供計(jì)算機(jī)使用的知識(shí)庫(kù)，是人工智能在知識(shí)信息處理方面的發(fā)展。此后，隨著人類(lèi)知識(shí)飛速的更新和變化，隨著知識(shí)科學(xué)的深入發(fā)展，知識(shí)已經(jīng)從一種對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N資源，從知識(shí)資產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵母?jìng)爭(zhēng)力，并不斷通過(guò)知識(shí)和智能來(lái)創(chuàng)造價(jià)值，創(chuàng)造新的知識(shí)，新的商業(yè)模式和工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，知識(shí)工程也從集成專(zhuān)家系統(tǒng)變成了技術(shù)創(chuàng)新。

與知識(shí)自動(dòng)化和知識(shí)管理技術(shù)相比，知識(shí)工程關(guān)注的是知識(shí)產(chǎn)生和驗(yàn)證過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，它的創(chuàng)新性更強(qiáng)，并通過(guò)本體的構(gòu)建和知識(shí)重構(gòu)，可以巧妙地找出相關(guān)領(lǐng)域或不同領(lǐng)域各種知識(shí)間前人或他人未能找出的聯(lián)系，形成和擴(kuò)展創(chuàng)新思維。知識(shí)工程著眼于“知識(shí)”、“知識(shí)創(chuàng)新”和“問(wèn)題自動(dòng)求解”，知識(shí)自動(dòng)化的著眼點(diǎn)于“知識(shí)型工作”、“自動(dòng)化”。知識(shí)自動(dòng)化封裝了知識(shí)型工作者的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，凝結(jié)著人類(lèi)的物化勞動(dòng)。知識(shí)自動(dòng)化通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)驅(qū)動(dòng)軟件、硬件和設(shè)施，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重用，直接將知識(shí)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)使用方式的變革，實(shí)現(xiàn)軟件封裝技術(shù)的革命。知識(shí)工程是知識(shí)管理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，知識(shí)自動(dòng)化是賦能技術(shù)。同工業(yè)自動(dòng)化一樣，作為一種生產(chǎn)工具和手段，工業(yè)自動(dòng)化延伸了人的體力勞動(dòng)，知識(shí)自動(dòng)化延伸了人的腦力勞動(dòng)。

知識(shí)工程通過(guò)知識(shí)的獲取、驗(yàn)證、表示、推論等活動(dòng)來(lái)構(gòu)建專(zhuān)家系統(tǒng)和智能系統(tǒng)，專(zhuān)家系統(tǒng)是知識(shí)工程的智能應(yīng)用，知識(shí)自動(dòng)化與專(zhuān)家系統(tǒng)具有更為深刻的內(nèi)在聯(lián)系，專(zhuān)家系統(tǒng)可以視作知識(shí)自動(dòng)化的早期應(yīng)用。

3 知識(shí)自動(dòng)化應(yīng)用展望

3.1 基于信息物理社會(huì)系統(tǒng)的知識(shí)自動(dòng)化集成應(yīng)用

工業(yè)4.0之后將進(jìn)入工業(yè)5.0時(shí)代，在體系架構(gòu)和運(yùn)行上工業(yè)5.0應(yīng)是一個(gè)信息物理社會(huì)系統(tǒng)（Cyber-physical-social systems CPSS），CPSS系統(tǒng)需構(gòu)建一個(gè)虛擬平行人工系統(tǒng)（VPAS)，通過(guò)人工系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模，形成“數(shù)字鏡像”、“數(shù)字孿生”或“數(shù)字化映射”。信息物理社會(huì)系統(tǒng)主要包含兩個(gè)子系統(tǒng)：一個(gè)是具有自我校正能力的鏡像仿真系統(tǒng)，一個(gè)是具有平行機(jī)器學(xué)習(xí)和智能決策算法的知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)，是CPSS架構(gòu)中另一個(gè)關(guān)鍵組成部分[7]。平行機(jī)器學(xué)習(xí)方法以平行世界的角度來(lái)看待系統(tǒng)狀態(tài)的演化過(guò)程，將新獲得的數(shù)據(jù)映射到平行空間中，可以通過(guò)大量、長(zhǎng)期的仿真迭代或計(jì)算實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析和評(píng)估，形成最優(yōu)決策，并將最優(yōu)決策用來(lái)對(duì)物理空間實(shí)體進(jìn)行控制，使得物理空間的物理實(shí)體朝向資源配置更為優(yōu)化的方向發(fā)展。

3.2 分布式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中信息類(lèi)型主要有物流信息、設(shè)備參數(shù)、零部件數(shù)據(jù)、溫度濕度數(shù)據(jù)、液體流速、壓差、原始數(shù)據(jù)流、決策信息流和知識(shí)信息，其中蘊(yùn)含了從原始數(shù)據(jù)集成為大數(shù)據(jù)，從大數(shù)據(jù)中獲取稀疏信息，從稀疏信息中提取知識(shí)，從知識(shí)實(shí)現(xiàn)決策的一系列關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)基于知識(shí)自動(dòng)化決策支持環(huán)境。要實(shí)現(xiàn)隱性數(shù)據(jù)、顯性數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)的無(wú)障礙自動(dòng)流動(dòng)和轉(zhuǎn)化，需要突破網(wǎng)絡(luò)的金字塔分層式機(jī)構(gòu)，構(gòu)建分布式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將各種物理設(shè)施、設(shè)備、機(jī)器、硬件、軟件和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，與各種感應(yīng)器、傳感器、激光掃描器、控制器和射頻識(shí)別技術(shù)RFID等等連接形成一個(gè)大型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的互通、開(kāi)放和兼容。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合進(jìn)行合理決策，從而能更有效地發(fā)揮出各機(jī)器設(shè)備的潛能，提高生產(chǎn)力。

3.3 單一數(shù)據(jù)源描述與數(shù)據(jù)連接

在數(shù)據(jù)大爆炸時(shí)代，單一數(shù)據(jù)源描述要求從產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)、工藝制造設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造各個(gè)階段的物料清單都要實(shí)現(xiàn)有機(jī)的統(tǒng)一，確保企業(yè)設(shè)計(jì)、工藝、計(jì)劃、供應(yīng)、成本、生產(chǎn)、銷(xiāo)售等部門(mén)以相同的數(shù)據(jù)協(xié)同工作，形成雙向的無(wú)縫傳輸數(shù)據(jù)，避免大量重合數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，避免數(shù)據(jù)裂縫和數(shù)據(jù)孤島的產(chǎn)生，從而通過(guò)數(shù)據(jù)價(jià)值再造實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、業(yè)務(wù)、管理和決策等過(guò)程的優(yōu)化，提升企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率，形成數(shù)據(jù)和知識(shí)驅(qū)動(dòng)型企業(yè)。

3.4 產(chǎn)品與知識(shí)的本體表達(dá)

通過(guò)構(gòu)建產(chǎn)品領(lǐng)域模型，建設(shè)制造業(yè)詞表體系，才能有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的智能化、智慧化和協(xié)同化。建立本體庫(kù)的目的是實(shí)現(xiàn)知識(shí)和工作流程相融合的智能元素，使得產(chǎn)品數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)能夠自動(dòng)地流動(dòng)和表達(dá)，而且能形成知識(shí)型工作者意想不到的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，這個(gè)過(guò)程本質(zhì)是知識(shí)自動(dòng)化的過(guò)程，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。這樣，人類(lèi)實(shí)踐過(guò)程中所積累的知識(shí)和各種經(jīng)驗(yàn)?zāi)０澹涂梢杂行?、重?fù)地加載在產(chǎn)品上[8]，機(jī)器開(kāi)始代替一部分重復(fù)性的腦力勞動(dòng)，知識(shí)型工作自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)。

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