基于人-信息-物理系統(tǒng)(HCPS)的新一代智能制造研究

王柏村 ，臧冀原 ，屈賢明，董景辰，周艷紅

（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. 華中科技大學，武漢 430074）

一、新一代智能制造的發(fā)展背景

（一）制造業(yè)亟需一場革命性變革

一方面，伴隨著廣大用戶不斷增長的個性化消費需求，以及資源能源環(huán)境約束進一步加大的挑戰(zhàn)，全球范圍內的制造業(yè)競爭愈演愈烈；同時制造業(yè)普遍有著提質增效降成本的強烈需求；制造業(yè)亟需一場革命性的產業(yè)升級 [1]。

另一方面，制造系統(tǒng)成為越來越復雜的大系統(tǒng)、制造全流程不確定性增加，為滿足制造系統(tǒng)快速響應與重組、優(yōu)化決策的能力，必須探索制造系統(tǒng)新的體系結構和運行機制；海量制造信息的獲取、集成與融合、傳播與處理、信息管理等方面均需進一步突破；知識的學習與傳承能力已成為制約現代制造技術中產品開發(fā)和制造的瓶頸，迫切需要新的使能技術來解決制造過程中知識的產生、利用效率以及規(guī)?；褂玫年P鍵問題，從而使得整個制造系統(tǒng)能夠以最優(yōu)化的方式進一步釋放能力與實現價值 [2]。

總的看來，現有制造體系和制造水平已經難以滿足高端化、個性化、智能化產品和服務增值升級的需求；生產制造過程本身也需要更加智能的工具和計算方法來突破優(yōu)化求解、知識傳承等問題。這些問題和挑戰(zhàn)均對制造業(yè)的技術創(chuàng)新、智能升級提出了緊迫要求。

（二）新一代人工智能技術給制造業(yè)變革帶來重大機遇

近年來，隨著計算能力的極大提高，互聯(lián)網引發(fā)了真正的大數據，在各種先進技術互融互通的基礎上，新一代人工智能技術應運而生。新一代人工智能呈現出深度學習、跨界融合、人機協(xié)同、群體智能等新特征，大數據驅動知識學習、跨媒體協(xié)同處理、人機協(xié)同增強智能、群體集成智能正在成為發(fā)展重點，為人類提供認識復雜系統(tǒng)的新思維、改造自然和社會的新技術 [3]。新一代人工智能解決復雜問題的方法從“強調因果關系”的模式向“強調關聯(lián)關系”模式轉變，進而向“關聯(lián)關系”和“因果關系”深度融合的先進模式發(fā)展，解決復雜問題的能力突飛猛進。最本質的是，人工智能具備了學習的能力，具備了生成知識和更好地運用知識的能力，實現了質的飛躍。當然，新一代人工智能技術還將繼續(xù)從“弱人工智能”邁向“強人工智能”，應用范圍將更加泛在、無所不在。總之，新一代人工智能已經成為新一輪科技革命的核心技術，正在形成推動經濟社會發(fā)展的巨大引擎[1]。

充分認識到新一代人工智能技術的發(fā)展將深刻改變人類社會生活、改變世界，中國發(fā)布了“新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃” ，以抓住機遇，搶占先機。世界主要經濟體也都把新一代人工智能的發(fā)展擺在了最重要的位置 [1]。

（三）新一代智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術

“科學技術是生產力”是馬克思主義的基本原理；科學技術是第一生產力；科技創(chuàng)新是經濟社會發(fā)展的根本動力 [4]。歷次工業(yè)革命都有其核心技術，第一次、第二次工業(yè)革命分別以蒸汽機和電力的發(fā)明和應用為根本動力，極大地提高了生產力，人類從此進入現代工業(yè)社會；第三次工業(yè)革命，以計算機、通信和控制等信息技術的創(chuàng)新與應用為標志，極大地推動了人類社會在經濟、政治、文化各領域的變革（見圖1）。

新一代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技術，成為了新一輪工業(yè)革命的核心驅動力 [1,5]。新一代智能制造將給制造業(yè)帶來革命性變化，真正形成第四次工業(yè)革命，也為我國實現制造業(yè)換道超車、跨越發(fā)展帶來了歷史性機遇。

圖1 工業(yè)革命的四個階段

二、智能制造：從人-物理系統(tǒng)（HPS）到人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）

智能制造是一個不斷演進發(fā)展的大概念，可歸納為三個基本范式：數字化制造（第一代智能制造）、數字化網絡化制造（第二代智能制造）、數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造 [1]。智能制造涉及智能產品、智能制造過程以及智能服務等多個方面，下面將以生產制造過程為例對智能制造的技術原理和演進過程進行分析。

傳統(tǒng)制造向智能制造發(fā)展的過程中，制造系統(tǒng)經歷了從原來的“人-物理”二元系統(tǒng)進入“人-信息-物理”三元系統(tǒng)，進而進入新一代“人-信息-物理”三元系統(tǒng)（HCPS2.0）的過程（見圖2）。

圖2 智能制造：從HPS到HCPS的演變

（一）傳統(tǒng)制造系統(tǒng)與HPS

早期制造系統(tǒng)（傳統(tǒng)制造系統(tǒng)）只包含人和物理系統(tǒng)兩大部分，是完全通過人對機器的操作控制去完成各種工作任務。盡管物理系統(tǒng)（機器）代替了人類大量的體力勞動，使人類的體力勞動得以極大減輕，但在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，仍然要求人完成感知、分析決策、操作控制以及學習等多種任務，因此，傳統(tǒng)制造系統(tǒng)實質上是“人-物理系統(tǒng)”。

在最初的HPS中，系統(tǒng)對人的要求高，勞動強度很大，系統(tǒng)工作效率還不夠高。第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命分別通過蒸汽機和電力等的發(fā)明和廣泛應用革命性地提高了物理系統(tǒng)（動力機械等）的性能，從而極大提高了HPS的生產能力。

（二）第一代、第二代智能制造系統(tǒng)與HCPS

與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，第一代和第二代智能制造系統(tǒng)主要有兩方面變化（見圖2）。第一，最本質的變化是，在人和物理系統(tǒng)之間增加了一個信息系統(tǒng)（cyber system），該信息系統(tǒng)可替代人去自動完成部分感知、分析決策和控制等各種任務；第二，物理系統(tǒng)進行了升級，如增加了各種傳感檢測裝置，動力裝置變成數字化動力裝置。

通過集成人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，第一代和第二代智能制造系統(tǒng)的能力尤其是計算分析、精確控制以及感知能力都得以很大提高，其結果是：一方面，系統(tǒng)的自動化程度、工作效率、質量與穩(wěn)定性以及解決復雜問題的能力等各方面均得以顯著提升；另一方面，不僅操作人員的體力勞動強度顯著降低，同時，還將人的相關制造經驗和知識轉移到信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)（主要是信息系統(tǒng)），有效提高了人的知識傳承和利用效率。

制造系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“人-物理系統(tǒng)”在向上述“人-信息-物理系統(tǒng)”的演變進程中，信息系統(tǒng)的引入使得制造系統(tǒng)同時增加了“人-信息系統(tǒng)”（HCS）和“信息-物理系統(tǒng)”（CPS）。HCS使得人的部分感知、分析決策與控制功能向信息系統(tǒng)復制遷移；同時，CPS系統(tǒng)逐漸實現物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)在感知、分析、決策、控制及管理等方面的深度融合；信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)共同代替人類完成更多的體力和腦力勞動，進而形成基于HCPS的新型制造系統(tǒng)。

（三）新一代智能制造系統(tǒng)與HCPS2.0

智能制造的根本目標是要實現產品及其生產和服務過程的最優(yōu)化，獲得高效、優(yōu)質、柔性、敏捷、低耗、宜人等效果。為此，智能制造需要解決方方面面、各種各樣的問題（產品設計、工藝設計、過程控制、生產管理、健康保障等），這些問題本質上都可以看成是各種各樣的最優(yōu)決策問題，這類問題的解決取決于建立有效的決策模型和準則。但由于制造系統(tǒng)和制造過程的復雜性，建立有效的決策模型和準則往往極為困難，它不僅可能要用到方方面面的人類已經掌握的知識規(guī)律，而且還可能涉及眾多目前尚未掌握或難以描述的知識規(guī)律。在第一代和第二代智能制造的信息系統(tǒng)中，模型和準則是在系統(tǒng)研發(fā)過程中由研發(fā)人員通過綜合利用相關理論知識、專家經驗、實驗數據等來建立并通過編程等方式固化到信息系統(tǒng)中，由此建立的模型和準則一方面受限于研發(fā)人員的知識、能力和研發(fā)條件；另一方面在系統(tǒng)使用過程中也往往是固定不變的，難以適應系統(tǒng)內部和外部狀態(tài)的動態(tài)變化。因此，第一代和第二代智能制造系統(tǒng)仍不能有效實現產品、生產和服務過程最優(yōu)化這一根本目標，需要發(fā)展新一代智能制造系統(tǒng)。

與第一代和第二代智能制造系統(tǒng)相比，新一代智能制造系統(tǒng)最本質的特征是其信息系統(tǒng)擴充了學習認知功能，使系統(tǒng)不僅具有強大的感知、計算分析與控制能力，更具有學習提升、產生知識的能力（見圖2）。新一代智能制造系統(tǒng)的“知識庫”是由系統(tǒng)研發(fā)人員和智能學習認知系統(tǒng)共同建立，它不僅包含系統(tǒng)研發(fā)人員所能獲取的各種知識，同時還包含研發(fā)人員難以掌握或難以描述的知識規(guī)律，而且在系統(tǒng)使用過程中還可通過自學習而不斷成長和完善。

新一代智能制造系統(tǒng)的核心關鍵技術是新一代人工智能技術，是通過大數據智能、人機混合增強智能、群體智能等使系統(tǒng)具有學習發(fā)現有關知識規(guī)律并有效實現人機協(xié)同的能力。這種新一代智能制造系統(tǒng)可有效建立與實際產品和生產過程高度一致的模型，不僅可對產品及其生產過程進行優(yōu)化，還可對產品的服務和維護進行優(yōu)化，即可對整個產品生命周期進行優(yōu)化。目前，作為新一代人工智能技術的典型代表，基于大數據和深度學習的大數據智能技術，已顯示出巨大潛力。

從第一代和第二代智能制造系統(tǒng)向新一代智能制造系統(tǒng)的演變實質上也即是從HCPS向HCPS2.0的演變，本質的變化是HCPS2.0的信息系統(tǒng)被賦予了認知和學習能力，即從“授之以魚”變成了“授之以漁”，可極大提高制造系統(tǒng)處理復雜性、不確定性問題的能力，有效實現產品及其生產和服務過程的最優(yōu)化。

新一代智能制造進一步突出了人的中心地位，在HCPS2.0中，人類智慧的潛能將得以極大釋放。一方面，新一代人工智能通過將人的作用或認知模型引入到系統(tǒng)中，人和機器之間能夠相互理解，形成“人在回路”的混合增強智能，人機深度融合將使人的智慧與機器的智能相互啟發(fā)性地增長；另一方面，知識型工作自動化將使人類從大量體力勞動和腦力勞動中解放出來，人類可以從事更有價值的創(chuàng)造性工作。

三、新一代智能制造的系統(tǒng)集成

新一代智能制造是一個基于HCPS的大系統(tǒng)，主要由智能產品、智能生產、智能服務、工業(yè)智聯(lián)網和智能制造云集合而成。其中，智能產品是主體，智能生產是主線，以智能服務為中心的產業(yè)模式變革是主題，并構成三大功能系統(tǒng)；智能制造云、工業(yè)智聯(lián)網是支撐智能制造的重要基石，并構成兩大支撐系統(tǒng) [1]。

新一代智能制造系統(tǒng)集成的主要特征：一是“大集成”，新一代智能制造系統(tǒng)由兩大支撐系統(tǒng)組成的連接、通信、計算控制與安全體系，使得三大功能系統(tǒng)實現高度集成化，各環(huán)節(jié)的企業(yè)可以在系統(tǒng)集成平臺上實現信息共享、系統(tǒng)集成與資源優(yōu)化配置；二是“大閉環(huán)”，在新一代人工智能技術的引領下，制造的三大功能系統(tǒng)的每一個智能活動環(huán)節(jié)都具有“感知-分析決策-執(zhí)行”的閉環(huán)特征；三是“大智能”，人-機器-企業(yè)之間能夠在互聯(lián)互通的基礎上，靈活運用集中智能、分布智能與群體智能，實現快速響應和優(yōu)化決策 [6]。

新一代智能制造的三大功能系統(tǒng)和兩大支撐系統(tǒng)，是發(fā)展新一代智能制造的五大重點任務，各自都要以自身先進技術為本，以HCPS作為理論基礎，深度融合新一代人工智能技術，并形成各自系統(tǒng)在未來20年的發(fā)展目標和技術路線。

四、新一代智能制造的愿景

新一代智能制造的廣泛應用將把新一輪工業(yè)革命推向高潮，使得整個制造業(yè)以至整個人類社會的面貌均朝著以人為本、智能、和諧、綠色、安全的方向發(fā)生革命性變化。

（一）給制造業(yè)帶來的革命性變化

第一，制造知識的產生、獲取、應用和傳承的方式與效率將發(fā)生根本性變化，制造業(yè)創(chuàng)新與服務能力極大提高。通過融合新一代信息技術尤其是人工智能技術，新一代智能制造的制造系統(tǒng)與工具將具備越來越強大的能力特別是機器學習能力，致使制造知識的產生、獲取、應用和傳承方式與效率均發(fā)生根本性變化，同時人類智慧與創(chuàng)新潛能也將得以極大釋放，由此將使制造業(yè)創(chuàng)新與服務能力極大提高。

新一代智能制造給制造業(yè)帶來的這一變化是最根本性的，對于發(fā)展中國家尤為重要，因為這將有助于解決工業(yè)化時間短、工業(yè)知識積累少所帶來的一系列問題，如高精尖基礎工藝、基礎材料、基礎零部件和裝備、技術質量基礎等方面的問題，同時也將有效解決廣大企業(yè)所面臨的高技能人才缺乏、創(chuàng)新能力不強等方面的問題。

第二，產品高度智能化、宜人化。產品創(chuàng)新是根本，新一代智能制造將給制造業(yè)產品創(chuàng)新帶來無限空間和可能，高度智能化與宜人化將成為未來產品的最重要特征。例如，產品可以方便地充分理解人的意圖，以至達到“所思即所得”的境界；如果需要，產品也可對自身狀態(tài)和外部環(huán)境進行監(jiān)測，在整個生命周期內隨時確認自身的損耗程度，并動態(tài)響應環(huán)境變化，還可不斷對自身性能進行學習提升，確保在使用過程中發(fā)揮最佳作用。

第三，產品制造過程高質、柔性、高效、低耗。在新一代智能制造環(huán)境下，各種高度智能化的系統(tǒng)和工具手段將全面支持制造企業(yè)的所有功能，質量、成本、效率等競爭要素顯著提升。

在產品設計方面，未來的新一代智能化設計系統(tǒng)將擁有強大且可不斷自主學習完善的知識庫支持，可對產品性能、可靠性、壽命、成本等進行準確建模與仿真分析，這不僅可極大提高產品設計的效率與質量以快速響應市場需求，同時將有效減輕產品設計人員的負擔，而且使用戶也可方便參與設計過程甚至自主設計所偏好的產品，大大提高產品創(chuàng)新的效率。

在產品生產方面，一方面，信息互聯(lián)互通將從企業(yè)內部延伸至全供應鏈和全產業(yè)鏈；另一方面，新一代人工智能技術將攻克復雜系統(tǒng)（制造裝備、車間、企業(yè)、全供應鏈）的精確建模、實時優(yōu)化決策等關鍵技術，解決制造系統(tǒng)全生命周期的高可靠性、高精確性、高適應性等難題，形成以知識驅動并能自我學習完善的智能工廠與智慧企業(yè)，實現產品制造的高質、柔性、高效與綠色。

第四，制造業(yè)的產業(yè)模式和產業(yè)形態(tài)將發(fā)生革命性的變化。一是服務型制造業(yè)快速發(fā)展；二是規(guī)模定制化生產將得到廣泛應用，特別是在消費品制造領域將得以普及；三是生產性服務業(yè)的大發(fā)展，并與制造業(yè)共同形成新型大制造。

（二）給人類社會帶來的革命性變化

第一，人類的工作生活環(huán)境和方式將發(fā)生根本性變化。一方面，人與機器的分工將產生革命性變化，人類可更多地從事創(chuàng)造性的和宜人環(huán)境下的工作，而將危險、枯燥、繁重、低附加值的工作和其他不愿意從事的工作交給機器去做；另一方面，制造業(yè)生產的各種高度智能化宜人化產品將遍及人類生活與經濟社會發(fā)展的方方面面，人類的工作生活環(huán)境和方式將朝著以人為本的方向邁進。

第二，資源環(huán)境等問題極大緩解。新一代智能制造將有效減少資源與能源的消耗和浪費，同時對于我國實現產業(yè)結構調整優(yōu)化、化解產能過剩等問題起到重要作用，持續(xù)引領我國經濟健康穩(wěn)定發(fā)展。

五、結語

制造業(yè)從傳統(tǒng)制造向智能制造發(fā)展的過程是從原來的“人-物理”二元系統(tǒng)進入新的“人-信息-物理”三元系統(tǒng)的過程。HCPS揭示了智能制造發(fā)展的基本原理，是支撐新一代智能制造發(fā)展的理論基礎，指明了智能制造的發(fā)展趨勢。未來20年，要分階段推進智能制造各個功能系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)的技術進步和產業(yè)化進程；特別要抓緊探索、研究與試點示范，爭取3～5年內在若干方向上實現重點突破，形成若干具有標志性意義的新一代智能制造示范性成就，真正引領和推動新一輪工業(yè)革命。