智能制造總體架構(gòu)探析

孟柳 ，延建林，董景辰，韋莎，李瑞琪，臧冀原 ，周源

（1.中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心， 北京 100088；2.清華大學，北京 100084；3.中國電子技術(shù)標準化研究院，北京 100007）

近年來，隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的融合不斷深入，智能制造成為世界各國搶占新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略制高點。為贏得智能制造戰(zhàn)略競爭的主動權(quán)，主要國家的工業(yè)界和學術(shù)界先后提出一系列智能制造體系架構(gòu)，旨在為國家規(guī)劃未來智能制造戰(zhàn)略提供借鑒，也為智能制造國際標準對接提供參考。當前，探討和分析中國智能制造總體架構(gòu)，是推動我國智能制造發(fā)展的一項重要而迫切的工作。

一、智能制造總體架構(gòu)的基本含義

智能制造涵蓋了產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期，是一個大概念[1]。

智能制造總體架構(gòu)（也稱作智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，或智能制造系統(tǒng)參考架構(gòu)），是對智能制造活動各相關(guān)要素及要素間關(guān)系的一種映射，是對智能制造活動的抽象化、模型化認識[2]。

構(gòu)建智能制造總體架構(gòu)，從微觀層面來看，是為智能制造實踐提供構(gòu)建、開發(fā)、集成和運行的框架；從中觀層面來看，是為企業(yè)實施智能制造提供技術(shù)路線指導(dǎo)；從宏觀層面來看，是為國家制定和推進制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型提供頂層設(shè)計模型，推動智能制造標準化建設(shè)[3]。

二、智能制造總體架構(gòu)維度解析

本研究從價值維、技術(shù)維和組織維三個維度，提出了中國智能制造總體架構(gòu)（見圖1）。

（一）技術(shù)維——以兩化融合為主線的技術(shù)進化維度

智能制造從技術(shù)進化的維度可以分為三個范式：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造（見圖2）。這三個范式之間的演進是互相關(guān)聯(lián)，迭代升級的。

圖1 智能制造總體架構(gòu)

數(shù)字化制造是智能制造的基礎(chǔ)，貫穿于三個基本范式，并不斷演進發(fā)展；數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造將數(shù)字化制造提高到一個新的水平，通過工業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+制造”；實現(xiàn)全價值鏈的優(yōu)化；新一代智能制造是在前兩種范式的基礎(chǔ)上，通過先進制造技術(shù)與新一代人工智能技術(shù)集成，使得制造具有了真正意義上的智能。

1.數(shù)字化制造

數(shù)字化制造如圖2（a）所示，是數(shù)字技術(shù)和制造技術(shù)的融合，是隨著數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用而出現(xiàn)的。數(shù)字化制造實現(xiàn)了制造的數(shù)字化設(shè)計、仿真、計算機集成制造，實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)和管理的集成和協(xié)同，在整個工廠內(nèi)部實現(xiàn)了計算機系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)的融合，提高了產(chǎn)品設(shè)計、制造質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低成本，提高能效。

數(shù)字化制造的特點如下：

（1）實現(xiàn)制造過程對象的數(shù)字化表達。包括產(chǎn)品和工藝的數(shù)字化，制造裝備/設(shè)備的數(shù)字化，材料、元器件、被加工的零部件、模具/卡具/刀具等“物”的數(shù)字化以及人的數(shù)字化。

（2）數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。包括網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)構(gòu)建，不同來源的異構(gòu)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)語義的統(tǒng)一。

（3）信息集成。生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)與信息化管理系統(tǒng)實現(xiàn)集成，其目的是要利用這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)整個制造過程各環(huán)節(jié)的協(xié)同和可視化管理。

2.數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造如圖2（b）所示，是在數(shù)字化制造的基礎(chǔ)上，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，企業(yè)間實現(xiàn)了互聯(lián)互通，包括生產(chǎn)方和需求方，也就是企業(yè)和用戶的需求信息的交融，企業(yè)的供應(yīng)鏈上下游之間整體的協(xié)同，改變了企業(yè)的經(jīng)營模式，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化，快速、高質(zhì)量、低成本地為市場提供所需的產(chǎn)品和服務(wù)。

圖2 智能制造總體架構(gòu)價值維分解示意圖

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造的特點如下：

（1）實現(xiàn)與用戶的充分溝通，更好了解用戶的需求，企業(yè)從以產(chǎn)品為中心向以用戶為中心轉(zhuǎn)型。

（2）實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)與企業(yè)之間的協(xié)同，包括企業(yè)間數(shù)據(jù)協(xié)同、資源協(xié)同、流程協(xié)同，從而使社會資源得到優(yōu)化配置。

（3）實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品鏈從產(chǎn)品向服務(wù)延伸。通過對產(chǎn)品的遠程運維，為用戶提供更多的增值服務(wù)，使企業(yè)從生產(chǎn)型企業(yè)向生產(chǎn)服務(wù)型企業(yè)轉(zhuǎn)型。

3.數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造如圖2（c）所示，是近年來高速發(fā)展的新一代人工智能技術(shù)與制造業(yè)技術(shù)融合的結(jié)果，是新一代智能制造。新一代人工智能技術(shù)的突破催生了多媒體智能、跨媒體智能、群體智能、人機混合增強智能、大數(shù)據(jù)智能以及自主智能系統(tǒng)，將給制造業(yè)帶來新的發(fā)展方向[4]。

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造將實現(xiàn)制造知識的自動化制造/服務(wù)，通過深度學習、遷移學習、增強學習等技術(shù)的應(yīng)用，制造數(shù)據(jù)和信息“自動地”被加工成為知識，即制造業(yè)具有了“學習”的能力。從而使制造知識的生成、積累、應(yīng)用和傳承的效率發(fā)生革命性的變化，極大地釋放人類智慧的潛能，顯著提高創(chuàng)新和服務(wù)能力。隨著制造知識生產(chǎn)方式的變革，數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造將成為一種新的制造模式，它融入了新一代人工智能技術(shù)，成為真正意義上的智能制造。

（二）價值維——以制造為主體的價值實現(xiàn)維度

智能制造主要由智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)及智能服務(wù)構(gòu)成。其中，智能產(chǎn)品是主體，智能生產(chǎn)是主線，以智能服務(wù)為中心的產(chǎn)業(yè)模式變革是主題。智能制造的價值實現(xiàn)主要體現(xiàn)在產(chǎn)品、生產(chǎn)、服務(wù)三個方面，如圖3所示。

1.智能產(chǎn)品

智能產(chǎn)品包括智能制造的裝備和各種產(chǎn)出物，產(chǎn)品通過智能制造技術(shù)提高產(chǎn)品功能、性能，帶來更高的附加值和市場競爭力。

2.智能生產(chǎn)

智能生產(chǎn)包括基于產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和管理等制造流程的各個環(huán)節(jié)，制造技術(shù)和信息技術(shù)融合，全面提升產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)和管理水平，顯著提升勞動生產(chǎn)率。

3.智能服務(wù)

智能服務(wù)包括以用戶為中心的產(chǎn)品全生命周期的各種服務(wù)，服務(wù)智能化將大大促進個性化定制等生產(chǎn)方式的發(fā)展，延伸發(fā)展服務(wù)型制造業(yè)和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)，深刻地改革制造業(yè)的生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)。

此外，系統(tǒng)集成是智能制造價值實現(xiàn)的關(guān)鍵。集成的核心就在于解決系統(tǒng)之間的互連和互操作性問題，從局部的優(yōu)化升級到整體的優(yōu)化，實現(xiàn)產(chǎn)品、裝備、生產(chǎn)、服務(wù)、市場、管理等整個制造生態(tài)效能的提升。

（三）組織維——以人為本的組織系統(tǒng)維度

智能制造是一個大系統(tǒng)，內(nèi)部和外部均呈現(xiàn)出前所未有的系統(tǒng)“大集成”特征，從組織維度來看，智能制造主要體現(xiàn)在智能單元、智能系統(tǒng)、系統(tǒng)之系統(tǒng)三個層面（見圖4）。

1.智能單元

智能單元是實現(xiàn)智能制造功能的最小單元，可以是一個部件或產(chǎn)品。智能單元可通過硬件和軟件實現(xiàn)感知-分析-決策-執(zhí)行的數(shù)據(jù)閉環(huán)。

2.智能系統(tǒng)

智能系統(tǒng)是指多個智能單元的集成，實現(xiàn)更大范圍、更廣領(lǐng)域的數(shù)據(jù)自動流動，提高制造資源配置的廣度、精度和深度，包括制造裝備、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線、車間、企業(yè)等多種形式。

3.系統(tǒng)之系統(tǒng)

系統(tǒng)之系統(tǒng)是多個智能系統(tǒng)的有機整合，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能云平臺，實現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨平臺的橫向、縱向和端到端集成，構(gòu)建開放、協(xié)同與共享的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。一方面是制造系統(tǒng)內(nèi)部的“大集成”。企業(yè)設(shè)備層、現(xiàn)場層、控制層、管理層、企業(yè)層之間的設(shè)備和系統(tǒng)集成，即縱向集成；另一方面是企業(yè)與企業(yè)之間基于工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)與智能云平臺，實現(xiàn)集成、共享、協(xié)作和優(yōu)化，即橫向集成，是制造系統(tǒng)外部的“大集成”。另外，還包括制造業(yè)與金融業(yè)、上下游產(chǎn)業(yè)的深度融合形成服務(wù)型制造業(yè)和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)共同發(fā)展的新業(yè)態(tài)。

圖3 智能制造總體架構(gòu)價值維分解示意圖

三、智能制造總體架構(gòu)比較分析

近年來，在推進智能制造發(fā)展過程中，世界各國研究機構(gòu)先后提出了相關(guān)的技術(shù)體系架構(gòu)[5]，如美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)（IIRA）”，德國電工電子與信息技術(shù)標準化委員會發(fā)布“工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI4.0）”，日本工業(yè)價值鏈促進會發(fā)布“工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)（IVRA）”，中國國家智能制造標準化總體組發(fā)布的“智能制造系統(tǒng)架構(gòu)”，與這些系統(tǒng)參考架構(gòu)相比較，可以更清晰地認識智能制造總體架構(gòu)的基本特征。

（一）技術(shù)維度比較

智能制造總體架構(gòu)技術(shù)維度反映了以兩化融合為主線的智能制造技術(shù)變遷，體現(xiàn)了技術(shù)可擴展性，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)具有相似性。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)是建立在具體應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)利益群體上描述慣例、原理和時間、活動的系統(tǒng)框架[6]，為其他領(lǐng)域架構(gòu)提供了一個基礎(chǔ)的架構(gòu)框架，可以擴展并相互參照。智能制造總體架構(gòu)同樣是在宏觀視角構(gòu)建的制造總體發(fā)展架構(gòu)，具備跨產(chǎn)業(yè)廣泛適用性和互操作的特性。

（二）價值維度比較

智能制造價值維反映了以制造為主體的智能制造價值的實現(xiàn)形式。智能制造總體架構(gòu)與工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型[7]都描述了制造產(chǎn)品全生命周期及其相關(guān)價值鏈。工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型的核心是智能生產(chǎn)技術(shù)和智能生產(chǎn)模式，旨在把產(chǎn)品、設(shè)備、資源和人有機地聯(lián)系在一起，推動各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)全生命周期和全制造流程的數(shù)字化。智能制造總體架構(gòu)聚焦制造業(yè)價值鏈全生命周期的數(shù)字化，并且在戰(zhàn)略規(guī)劃和對新技術(shù)應(yīng)用的敏感性方面，更加全面地包括了網(wǎng)絡(luò)和智能化發(fā)展的范式，具有更強的先進性和廣泛適應(yīng)性。

（三）組織維度比較

智能制造組織維反映了以人為本的智能制造組織體系擴展。智能制造總體架構(gòu)組織維借鑒了日本工業(yè)價值鏈[8]以及中國智能制造系統(tǒng)架構(gòu)[9]。智能制造總體架構(gòu)組織維提出智能單元、智能系統(tǒng)和系統(tǒng)之系統(tǒng)三個層次，旨在幫助企業(yè)通過構(gòu)建最基本的制造單元，從而一步一步實現(xiàn)智能車間、智能工廠、智能企業(yè)，最終構(gòu)建智能企業(yè)集群、區(qū)域集群，進而擴展到全國惠及大中型企業(yè)和中小微企業(yè)協(xié)同發(fā)展，并行推進數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，最終實現(xiàn)制造業(yè)企業(yè)的整體轉(zhuǎn)型升級。

圖4 智能制造總體架構(gòu)組織維分解示意圖

總的看來，如果說美國、德國、日本研究提出的智能制造參考架構(gòu)模型主要聚焦于制造業(yè)的高端產(chǎn)業(yè)和高端環(huán)節(jié)，那么本研究提出的智能制造總體架構(gòu)的著眼點在于中國整個制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的整體規(guī)劃，尤其是結(jié)合中國制造業(yè)發(fā)展不平衡不充分的實際現(xiàn)狀，提出數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造三種基本范式迭代進化，強調(diào)當前中國智能制造發(fā)展必須堅持并行推進、融合發(fā)展，不但針對傳統(tǒng)制造業(yè)改造升級有指導(dǎo)意義，而且對制造業(yè)未來的發(fā)展和技術(shù)的引領(lǐng)有著更遠的規(guī)劃[10]。未來的制造業(yè)發(fā)展不僅僅是實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期和制造全流程的數(shù)字化，端到端鏈接萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)化，而且要實現(xiàn)整個制造業(yè)在新一代人工智能引領(lǐng)下的智能化發(fā)展。

四、結(jié)語

《中國制造2025》明確提出，要以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向。站在科技和產(chǎn)業(yè)變革與國家轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的歷史交匯點上，中國迫切需要制定大力發(fā)展智能制造的技術(shù)路線和發(fā)展戰(zhàn)略，走出一條和西方發(fā)達國家不同的推進路徑，加快推進中國制造智能轉(zhuǎn)型，進而實現(xiàn)我國由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變。

面對智能制造不斷涌現(xiàn)出的新技術(shù)、新理念、新模式，有必要歸納總結(jié)出相應(yīng)的總體架構(gòu)，進而指導(dǎo)政府、企業(yè)發(fā)掘和探索新技術(shù)，應(yīng)用新的理念和模式，從而在產(chǎn)業(yè)革命與技術(shù)革命的歷史交匯點，抓住機遇，更好、更快地實現(xiàn)中國制造業(yè)的智能轉(zhuǎn)型和優(yōu)化升級。智能制造總體架構(gòu)的提出，有望為國家的未來規(guī)劃、企業(yè)的發(fā)展指出明確的技術(shù)路線，也為中國智能制造與世界各國的制造標準對接提出了清晰的方案。