智能制造的三個基本范式：從數(shù)字化制造、“互聯(lián)網(wǎng)+”制造到新一代智能制造

臧冀原 ，王柏村 ，孟柳 ，周源

（1.中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心，北京100088；2.清華大學公共管理學院，北京 100084）

一、研究背景

當前全球制造業(yè)發(fā)生深層次的變化，制造業(yè)再次成為全球競爭的焦點。改革開放40年來，我國制造業(yè)快速發(fā)展，取得了舉世矚目的成就，建立起世界規(guī)模第一、門類齊全、獨立完整的制造體系，但大而不強、產業(yè)水平多處于中低端等問題突出。為應對發(fā)達國家高端制造業(yè)回流影響和新興市場國家的要素成本優(yōu)勢的競爭，我國制造業(yè)的發(fā)展方式不能是粗放式增長模式的簡單復制，而是需要在智能制造條件下推進高質量發(fā)展[1]。

新一代信息技術，特別是新一代人工智能技術，飛速發(fā)展，并加速與制造業(yè)融合，這一融合趨勢為全球制造業(yè)的轉型升級帶來了新機遇。我國“政產學研用金”各個主體搶抓機遇，因勢利導，初步形成了推進智能制造的熱潮。智能制造是我國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主要抓手，是制造業(yè)轉型升級的主要路徑，是建設制造強國的主攻方向[2]。

企業(yè)是智能制造的主體，質量和效益提升是企業(yè)實施智能制造的目標。近年來，在智能制造的推進過程中，部分企業(yè)存在盲目實施智能制造項目的情況，為智能制造而智能制造，偏離了智能制造的目標。廣大企業(yè)在智能制造的理性認識、發(fā)展方向、路徑選擇等方面還存在許多困惑和誤區(qū)。因此特別應該討論清楚什么是智能制造，明晰智能制造的內涵，梳理出智能制造的基本范式，有力推動我國制造企業(yè)轉型升級。

二、智能制造的內涵、發(fā)展歷程和基本范式

（一）智能制造的內涵

廣義而論，智能制造是新一代信息技術與先進制造技術的深度融合，貫穿于產品、制造、服務全生命周期的各個環(huán)節(jié)及相應系統(tǒng)的優(yōu)化集成，實現(xiàn)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，并不斷提升企業(yè)的產品質量、效益、服務水平，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調、開放、共享發(fā)展[1]。

（二）智能制造的發(fā)展歷程

智能制造的理念與技術發(fā)展，迄今已經(jīng)歷幾十年的歷程。從20世紀80年代日本提出“智能制造系統(tǒng)（IMS）”，到美國提出“信息物理系統(tǒng)（CPS）”，德國提出“工業(yè)4.0”，再到中國提出“中國制造2025”，智能制造廣泛影響著世界主要國家的工業(yè)轉型戰(zhàn)略。在幾十年的發(fā)展歷程中，與智能制造相關的各種范式層出不窮、相互交織，如精益生產、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、計算機集成制造、網(wǎng)絡化制造、云制造、智能化制造等。精益生產從20世紀50年代起源于日本豐田汽車公司，并被廣泛應用于制造業(yè)，主要目標是在需要的時候，按需要的量生產需要的產品，由準時生產（JIT）、全面質量管理、全面生產維護、人力資源管理等構成，體現(xiàn)了持續(xù)改善的思想，是智能制造的基礎之一[3]。柔性制造在20世紀80年代初期進入實用階段，是由數(shù)控設備、物料儲運裝置和數(shù)字化控制系統(tǒng)組成的自動化制造系統(tǒng)，能根據(jù)制造任務或生產環(huán)境的變化迅速進行調整，適用于多品種、中小批量生產，系統(tǒng)具備生產、供應鏈的柔性、敏捷和精準的反應能力。并行工程利用數(shù)字化工具從產品概念階段就考慮產品全生命周期，強調產品設計、工藝設計、生產技術準備、采購、生產等環(huán)節(jié)并行交叉進行，并行有序，盡早開展工作。敏捷制造誕生于20世紀90年代，隨著信息技術的發(fā)展，企業(yè)采用信息手段，通過快速配置技術、管理和人力等資源，快速有效響應用戶和市場需求。我國1986年開始研究計算機集成制造，它是將傳統(tǒng)制造技術與現(xiàn)代信息技術、管理技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術有機結合，借助計算機，實現(xiàn)企業(yè)產品全生命周期各個階段的人、經(jīng)營管理和技術有機集成并優(yōu)化運行[4]。21世紀初，網(wǎng)絡化制造興起，它是先進的網(wǎng)絡技術、制造技術及其他相關技術結合構建的制造系統(tǒng)，是提高企業(yè)的市場快速反應和競爭能力的新模式[5]。近幾年，為解決更加復雜的制造問題和開展更大規(guī)模的協(xié)同制造，面向服務的網(wǎng)絡化制造新模式——云制造開始爆發(fā)式發(fā)展[6]。智能化制造則是新一代信息技術、傳感技術、控制技術、新一代人工智能技術等的不斷發(fā)展與在制造中的深入應用，產品制造、服務等具備的自適應、自學習、自決策等能力，這是一種面向未來的制造范式[7]。

這些范式里既有智能制造的基礎，也有體現(xiàn)智能制造價值實現(xiàn)、技術路徑升級、組織方式等不同維度的范式，它們從不同視角上反映出制造業(yè)的數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化特征，在制造業(yè)從自動化走向智能化的轉型過程中發(fā)揮了積極作用。但是，眾多的智能制造范式在企業(yè)選擇技術路徑、推進智能升級的實踐中造成一定的困難。面對智能制造不斷涌現(xiàn)出的新技術、新理念、新模式，迫切需要歸納總結出基本范式，為我國企業(yè)發(fā)展智能制造凝聚共識，更好地服務于中國制造業(yè)的智能轉型、優(yōu)化升級。

（三）智能制造的三個基本范式

智能制造作為制造技術和信息技術深度融合的產物，相關范式的誕生和演變發(fā)展與數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化的特征緊密聯(lián)系，這些范式從其誕生之初都具有數(shù)字化特征，計算機集成制造、網(wǎng)絡化制造、云智造和智能化制造等具有網(wǎng)絡化特征，而未來融入新一代人工智能的智能化制造則具有智能化特征，如表1所示。

根據(jù)智能制造數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化的基本技術特征，智能制造可總結歸納為三種基本范式，即：數(shù)字化制造——第一代智能制造、數(shù)字化網(wǎng)絡化制造——“互聯(lián)網(wǎng)+”制造或第二代智能制造、數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造——新一代智能制造（見圖 1）。

需要強調的是，我國制造業(yè)有世界上門類最為齊全、獨立完整的產業(yè)體系，包括以機電產品制造為主體的離散型制造業(yè)和石化、冶金、建材、電力等流程型制造業(yè)。這里討論的智能制造包括了離散型制造業(yè)和流程型制造業(yè)的數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化。

三、數(shù)字化制造

第一代智能制造是數(shù)字化制造，它是智能制造的第一種范式。20世紀80年代后期，智能制造的概念被首次提出，當時智能制造的主體就是數(shù)字化制造，是后兩個智能制造基本范式的基礎。

表1 智能制造相關范式基本技術特征

20世紀下半葉以來，隨著制造業(yè)對于技術進步的強烈需求，數(shù)字化制造引領和推動了第三次工業(yè)革命，以計算機數(shù)字控制為代表的數(shù)字化技術廣泛應用于制造業(yè)，推動制造業(yè)發(fā)生革命性變化。數(shù)字化制造是在制造技術和數(shù)字化技術融合的背景下，通過對產品信息、工藝信息和資源信息進行數(shù)字化描述、集成、分析和決策，進而快速生產出滿足用戶要求的產品。數(shù)字化制造主要聚焦于提升企業(yè)內部的競爭力，提高產品設計和制造質量、提高勞動生產率、縮短新產品研發(fā)周期、降低成本和提高能效。

數(shù)字化制造的主要特征表現(xiàn)為：第一，在產品方面，數(shù)字化技術得到普遍應用，形成數(shù)控機床等“數(shù)字一代”創(chuàng)新產品。第二，大量采用計算機輔助設計/工程設計中的計算機輔助工程/計算機輔助工藝規(guī)劃/計算機輔助制造（CAD/CAE/CAPP/CAM）等數(shù)字化設計、建模和仿真方法；大量采用數(shù)控機床等數(shù)字化裝備；建立了信息化管理系統(tǒng)，采用制造資源計劃/企業(yè)資源計劃/產品數(shù)據(jù)管理（MRPII/ERP/ PDM）等，對制造過程中的各種信息與生產現(xiàn)場實時信息進行管理，提升各生產環(huán)節(jié)的效率和質量。第三，實現(xiàn)生產全過程各環(huán)節(jié)的集成和優(yōu)化運行，產生了以計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）為標志的解決方案。在這個階段，以現(xiàn)場總線為代表的早期網(wǎng)絡技術和以專家系統(tǒng)為代表的早期人工智能技術在制造業(yè)得到應用。

圖1 智能制造基本范式的演進

20世紀80年代，我國企業(yè)開始了解和認識到數(shù)字化制造的重大意義，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，一大批企業(yè)實施了設計、制造、管理等制造全過程的數(shù)字化，推廣數(shù)字化制造裝備和數(shù)控系統(tǒng)，企業(yè)信息化成果顯著，特別是近年來，廣東、江蘇、浙江等地大力推進“機器換人” “數(shù)字化改造”， 建立起大量的數(shù)字化生產線、數(shù)字化車間和數(shù)字化工廠，眾多的企業(yè)完成了數(shù)字化升級，我國數(shù)字化制造進入從探索示范漸入推廣普及發(fā)展階段。同時，要充分意識到，我國真正完成數(shù)字化制造轉型的企業(yè)數(shù)量，相對我國巨大的企業(yè)基數(shù)，特別是中小企業(yè)，還是少數(shù)。因此，我國的智能制造發(fā)展必須堅持實事求是的原則，踏踏實實從數(shù)字化“補課”做起，進一步夯實智能制造發(fā)展的基礎。但是，還必須深刻地認識到，西方發(fā)達國家是在數(shù)字化制造普及的基礎上推進網(wǎng)絡化制造，而我國在數(shù)字化制造“補課”過程中不必沿著西方順序發(fā)展的路徑，我們可以并且必須并行推進數(shù)字化制造和數(shù)字化網(wǎng)絡化制造，在幫助企業(yè)扎實完成數(shù)字化制造“補課”的同時，實現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡化制造升級。

需要說明的是，數(shù)字化制造是智能制造的基礎，其內涵不斷發(fā)展，貫穿于智能制造的三個基本范式和全部發(fā)展歷程。這里定義的數(shù)字化制造是作為第一種基本范式的數(shù)字化制造，是一種相對狹義的定位。國際上也有多種關于數(shù)字化制造的比較廣義的定位和理論。

四、“互聯(lián)網(wǎng)+”制造——數(shù)字化網(wǎng)絡化制造

第二代智能制造是數(shù)字化網(wǎng)絡化制造，它是智能制造的第二個范式，從本質上講，就是“互聯(lián)網(wǎng)+”制造，在國外也被稱為“smart manufacturing”，是在數(shù)字化制造的基礎上實現(xiàn)網(wǎng)絡化，應用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)云的技術實現(xiàn)聯(lián)通和集成，同時還具備一定的智能。

20世紀末，互聯(lián)網(wǎng)技術快速發(fā)展并得到廣泛普及和應用，“互聯(lián)網(wǎng)+”不斷推進制造業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展，制造技術與數(shù)字技術、網(wǎng)絡技術的密切結合重塑制造業(yè)的價值鏈，推動制造業(yè)從數(shù)字化制造向數(shù)字化網(wǎng)絡化制造的范式轉變。

“互聯(lián)網(wǎng)+”制造是在數(shù)字化制造的基礎上，深入應用先進的通信技術和網(wǎng)絡技術，用網(wǎng)絡將人、流程、數(shù)據(jù)和事物連接起來，聯(lián)通企業(yè)內部和企業(yè)間的“信息孤島”，通過企業(yè)內、企業(yè)間的協(xié)同和各種社會資源的共享與集成, 實現(xiàn)產業(yè)鏈的優(yōu)化，快速、高質量、低成本地為市場提供所需的產品和服務。先進制造技術和數(shù)字化網(wǎng)絡化技術的融合，使得企業(yè)對市場變化具有更快的適應性，能夠更好地收集用戶對使用產品和對產品質量的評價信息，在制造柔性化、管理信息化方面達到了更高的水平。

“互聯(lián)網(wǎng)+”制造在產品、制造、服務各環(huán)節(jié)，相對之前的制造模式都有了顯著不同，實現(xiàn)了制造系統(tǒng)的連通和信息反饋，主要特征表現(xiàn)為：第一，在產品方面，數(shù)字技術、網(wǎng)絡技術得到普遍應用。部分產品能夠通過網(wǎng)絡進行連接和交互，成為網(wǎng)絡的終端。第二，在制造方面，實現(xiàn)企業(yè)內、企業(yè)間的供應鏈、價值鏈的連接和優(yōu)化，打通整個制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流、信息流。企業(yè)能夠通過設計和制造平臺實現(xiàn)制造資源的全社會優(yōu)化配置，開展與其他企業(yè)之間的業(yè)務流程協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同、模型協(xié)同，實現(xiàn)協(xié)同設計和協(xié)同制造。生產過程更加柔性，能夠實現(xiàn)小批量多品種的混流生產。第三，在服務方面，企業(yè)與用戶通過網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)聯(lián)接和交互，企業(yè)掌握用戶的個性化需求，用戶能夠參與產品全生命周期活動，將產業(yè)鏈延伸到為用戶提供產品健康保障等服務。大規(guī)模個性化定制生產、遠程運維服務、全生命周期質量追溯服務、以供應鏈優(yōu)化為核心的網(wǎng)絡協(xié)同制造等新模式新業(yè)態(tài)正在悄然興起。規(guī)模定制生產逐漸成為消費品制造業(yè)發(fā)展的一種普遍模式，遠程運維服務模式在工程機械行業(yè)得到廣泛應用。企業(yè)生產開始從以產品為中心向以用戶為中心轉型，企業(yè)形態(tài)也逐步從生產型企業(yè)向生產服務型企業(yè)轉型。

21世紀以來，世界主要國家加速推進智能制造。德國“工業(yè)4.0”以CPS為核心，將產品、制造、服務數(shù)據(jù)化和集成化，實現(xiàn)企業(yè)內和企業(yè)間的集成和互聯(lián)互通。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提出將全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、傳感技術及互聯(lián)網(wǎng)的高度融合，重構全球工業(yè)，激發(fā)生產力。德國“工業(yè)4.0”和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)完整地闡述和提出了數(shù)字化網(wǎng)絡化制造范式及實現(xiàn)的技術路線。

我國工業(yè)界緊緊抓住互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略機遇，大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+”制造，一批企業(yè)在進行數(shù)字化改造的同時，逐漸形成從內部互聯(lián)到企業(yè)間互聯(lián)互通，形成了一些典型試點示范項目。例如，海爾集團建立起以智能制造執(zhí)行系統(tǒng)（iMES）為核心的互聯(lián)工廠，可實時、同步響應全球用戶需求，并快速交付智能化、個性化的方案。佛山維尚家居制造有限公司構建“新居網(wǎng)”互動開放式設計平臺，充分挖掘消費者的個性化需求，實現(xiàn)消費驅動生產，并建立“大規(guī)模家具設計定制生產系統(tǒng)”，有效解決個性化定制與標準化、批量化生產的矛盾。西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司構建了飛機協(xié)同開發(fā)與制造云平臺（DCEaaS），實現(xiàn)10家參研單位和60多家供應商的協(xié)同開發(fā)、制造服務和資源動態(tài)分析與彈性配置。

在今后一個階段，我國推進智能制造的重點是推廣和大規(guī)模應用“互聯(lián)網(wǎng)+”制造——第二代智能制造。

五、新一代智能制造——數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造

新一代智能制造——數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造是智能制造的第三種基本范式，可對應于國際上推行的“intelligent manufacturing”。

21世紀以來，移動互聯(lián)、超級計算、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術飛速發(fā)展，集中匯聚在人工智能技術的突破上。人工智能技術與先進制造技術的深度融合，形成了新一代智能制造——數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造，成為新一輪工業(yè)革命的核心驅動力。新一代智能制造的主要特征表現(xiàn)在制造系統(tǒng)具備了“認知學習”能力。通過深度學習、增強學習、遷移學習等技術的應用，新一代智能制造中制造領域的知識產生、獲取、應用和傳承效率將發(fā)生革命性變化，顯著提高創(chuàng)新與服務能力。隨著制造知識生產方式的變革，新一代智能制造形成了一種新的制造范式。

新一代智能制造將給制造業(yè)帶來革命性變化，是真正意義上的智能制造，將從根本上引領和推進第四次工業(yè)革命，為我國實現(xiàn)制造業(yè)換道超車、跨越發(fā)展帶來了歷史性機遇。如果說數(shù)字化網(wǎng)絡化制造是新一輪工業(yè)革命的開始，那么新一代智能制造的突破和廣泛應用將推動形成新一輪工業(yè)革命的高潮。

六、結語

本文分析了智能制造三個基本范式的內涵和特征，從中可以總結出智能制造發(fā)展的兩個特性[8]：延續(xù)性和融合性。

延續(xù)性：智能制造的三個基本范式同時具有時間上和目標上的延續(xù)性，數(shù)字化制造、“互聯(lián)網(wǎng)+”制造和新一代智能制造次第展開，目標聚焦制造業(yè)的效率和質量提升，體現(xiàn)出新一代信息技術與先進制造技術融合發(fā)展的階段性特征[1]。

融合性：數(shù)字化制造、“互聯(lián)網(wǎng)+”制造和新一代智能制造范式并不是絕然分離的，而是相互交織、迭代升級，例如，在數(shù)字化制造范式中，已經(jīng)應用了信息通信技術和第一代人工智能技術；在數(shù)字技術、網(wǎng)絡技術充分發(fā)展的今天，智能制造各基本范式推進過程中都可按照需要融入各種先進技術，體現(xiàn)著智能制造發(fā)展的融合性特征。

綜合中國國情，基于對智能制造延續(xù)性和融合性的認識，我國推進智能制造應采取三個基本范式“并行推進、融合發(fā)展”的技術路線，從而實現(xiàn)制造業(yè)的智能升級、跨越發(fā)展。