智能制造
——比較性綜述與研究進(jìn)展

王柏村, 陶飛, 方續(xù)東 *, 劉超, 劉宇飛 , Theoor Freiheit

a State Key Lab of Fluid Power & Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China b Department of Mechanical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109, USAc Chinese Academy of Engineering, Beijing 100088, Chinad School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China e School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Chinaf School of Engineering, Cardiff University, Cardiff CF24 3AA, UK

1. 引言

信息和通信技術(shù)（ICT）在制造系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與相關(guān)智能技術(shù)[1-4]的不斷發(fā)展催生出了大數(shù)據(jù)、工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計(jì)算、信息-物理系統(tǒng)（CPS）、數(shù)字孿生（DT）及新一代人工智能技術(shù)（AI）[5-8]，同時(shí)各種先進(jìn)的生產(chǎn)模式被提出，基于這些理念可以改良制造工藝、促進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)智能化的發(fā)展。表1 [3,9-12]列出了幾篇關(guān)聯(lián)或比較分析這些理念及技術(shù)的文獻(xiàn)。

表1 對工業(yè)4.0中新興理念/技術(shù)進(jìn)行對比分析的相關(guān)文章

近幾年，大多數(shù)國家已經(jīng)意識到了制造業(yè)改造升級的重要性，全社會對制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的關(guān)注不斷升溫。學(xué)術(shù)界與相關(guān)行業(yè)的研究人員為了描述制造業(yè)與先進(jìn)信息技術(shù)的深度融合提出了兩種制造模式，即“Smart manufacturing” (SM)與“Intelligent manufacturing” (IM) [4,13-15]。

學(xué)者們對SM與IM的聯(lián)系已經(jīng)進(jìn)行了初步研究。Zhou等[4]將IM的發(fā)展劃分為三個(gè)階段：2000年前為第一階段，即數(shù)字化制造，使用計(jì)算機(jī)支持機(jī)器及系統(tǒng)層面的操作，并在一定程度上應(yīng)用了專家決策系統(tǒng)；2000年之后為第二階段，即SM階段，在這個(gè)階段，數(shù)字化制造通過改進(jìn)數(shù)字化模型、利用網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)動態(tài)環(huán)境和客戶需求；2020年之后為第三階段，即新一代智能制造階段（NGIM），使用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)融合。Thoben等[9]認(rèn)為SM與IM在有些時(shí)候雖然意義相同，但是相對于組織管理理念，IM更多地側(cè)重于技術(shù)，而SM更多強(qiáng)調(diào)分析和控制。Yao [16]和Zhang [17]等將SM看作IM的更新版本，再加以利用物聯(lián)網(wǎng)、信息-物理系統(tǒng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等智能技術(shù)可使工業(yè)4.0成為可能。

這些研究反映出關(guān)于SM與IM之間關(guān)系的一些早期觀點(diǎn)，然而并不能確定SM與IM之間是否真正存在差異，還是僅僅因?yàn)榭蒲腥藛T之間缺乏溝通和共識造成的術(shù)語差異。此外，在SM與IM的發(fā)展中，各類文獻(xiàn)也對SM與IM的定義、理念、內(nèi)涵及技術(shù)發(fā)展缺乏考證。“Smart”和“Intelligent”兩個(gè)含義相近的形容詞經(jīng)常被用于描述聰明的人，而詞典中對“Intelligence”的定義在智能程度上要高于“Smartness”。在非英語國家，SM與IM經(jīng)常被翻譯為同一個(gè)詞，如果表示不同的含義時(shí)則可能會造成混淆。例如，在中國，SM與IM被經(jīng)常翻譯為同一個(gè)詞“智能制造”。

關(guān)于SM與IM之間關(guān)系的其他問題包括：? SM與IM的起源與學(xué)術(shù)上的定義是什么？

? 它們與其他生產(chǎn)模式/范式（包括柔性制造和云制

造等）的關(guān)系是什么？

? 它們的發(fā)展情況是否有所不同，特別是關(guān)鍵技術(shù)、

框架架構(gòu)等方面？

? SM與IM的發(fā)展趨勢是相互融合還是相互背離？

為了對兩種術(shù)語進(jìn)行辨析，消除智能技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)應(yīng)用中的一些誤解，本文系統(tǒng)地比較了SM與IM的研究領(lǐng)域、典型技術(shù)和架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)了各自的特征，并進(jìn)一步提出了SM與IM融合發(fā)展的未來路徑。

2. 研究方法

本文研究內(nèi)容包括了對SM與IM概念和定義的概述和比較，對兩者研究內(nèi)容及架構(gòu)的討論。分析研究（圖 1）按照下面的步驟展開。

（1）通過對Web of Science (WoS) Core Collection和Scopus數(shù)據(jù)庫的文章標(biāo)題、摘要及關(guān)鍵詞進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析，然后通過網(wǎng)絡(luò)分析對高頻率關(guān)鍵詞進(jìn)行定量分析。

（2）以高頻率關(guān)鍵詞為基礎(chǔ)，從文獻(xiàn)中回顧研究進(jìn)展，并確定SM與IM的起源、發(fā)展、關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)架構(gòu)等關(guān)鍵主題。確定SM/IM發(fā)展時(shí)間順序并定性分析常見定義、特征與原則。

（3）評估SM、IM及其他模式/范式之間的關(guān)系，并且對SM和IM相關(guān)關(guān)鍵概念的共現(xiàn)關(guān)系進(jìn)行量化。

（4）通過計(jì)算關(guān)鍵詞頻率討論共性關(guān)鍵技術(shù)并綜述相關(guān)案例。

（5）回顧SM和IM的實(shí)現(xiàn)構(gòu)架和國家/地區(qū)的發(fā)展重點(diǎn)，并尋找其中典型的影響因素。

3. 文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)能分析評估當(dāng)前文章研究的趨勢，提供整個(gè)領(lǐng)域的框架結(jié)構(gòu)和未來研究的指導(dǎo)方針和動機(jī)[18,19]。通過將“intelligent manufactur*”及“smart manufactur*”作為查詢詞條對標(biāo)題、摘要和關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，從WoS和Scopus中收集截至2019年的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)。在這一部分，我們比較了SM和IM的文獻(xiàn)數(shù)量的增長、國家地區(qū)的分析與協(xié)作、頂級期刊及會議分布和關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻率。

3.1. 每年文獻(xiàn)發(fā)表量

從每年WoS（圖2）和Scopus（圖3）中SM與IM文獻(xiàn)的發(fā)表量可以反映出學(xué)者們的研究興趣。在數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)的第一篇有關(guān)SM的文章是Schaffer [20]在1986 年寫的，文中提出“人工智能是智能制造（SM）的一種工具”。從1985年到2008年，關(guān)于IM的文獻(xiàn)數(shù)量增長較緩慢，從WoS及Scopus數(shù)據(jù)庫中得知從1991年到2012 年IM文章年發(fā)表量大約在20～60篇。在2008年，Scopus中有關(guān)SM的論文數(shù)量出現(xiàn)了一個(gè)小峰值，數(shù)量超過了100篇，實(shí)際他們主要來源于當(dāng)年的智能制造應(yīng)用國際會議（ICSMA），但這些文章只有極少數(shù)真正地討論SM。圖2和圖3都顯示大約從2013年開始，學(xué)者們才在SM與IM上投入了更多的關(guān)注，在2015年開始變得更熱。

3.2. 國家/地區(qū)及研究機(jī)構(gòu)分析

表2為在WoS數(shù)據(jù)庫中不同地區(qū)的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量。發(fā)表SM相關(guān)文獻(xiàn)最多的國家是美國，其次是中國、德國、韓國和英國；中國在IM相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量上領(lǐng)先，其次是美國、英國、加拿大和德國。總的來說，美國、中國、德國所有關(guān)于SM和IM的文章占全球總量的53%，這三個(gè)國家實(shí)際上也已經(jīng)將SM與IM作為國家制造業(yè)計(jì)劃或政策的核心[21-23]。其他國家或地區(qū)似乎更傾向于其中某一種術(shù)語。例如，日本、法國、加拿大、西班牙和葡萄牙總的來說在兩種術(shù)語中更傾向于IM，發(fā)表關(guān)于IM和SM的文章數(shù)目比例是2∶1，羅馬尼亞、斯洛伐克、墨西哥和匈牙利基本只使用IM。相反地，意大利和韓國更傾向于使用SM，發(fā)表關(guān)于SM和IM的文章數(shù)目比例是1.6∶1，而澳大利亞、奧地利、新西蘭和芬蘭基本只使用SM。英國、印度、瑞典和巴西使用兩種術(shù)語的文獻(xiàn)數(shù)目基本相同，偏差不超過15%。

表2 發(fā)表SM/IM相關(guān)文章數(shù)量排名靠前的國家/地區(qū)

圖1. 研究范疇和章節(jié)劃分。

圖3. 在Scopus數(shù)據(jù)庫中，從1985年到2019年每年關(guān)于SM與IM的文章發(fā)表量。其中，關(guān)于SM共1968篇，關(guān)于IM共2297篇。

圖4展示了國家地區(qū)間合作發(fā)表文章情況。不同節(jié)點(diǎn)大小代表國家/地區(qū)的合作強(qiáng)度，線的粗細(xì)代表了兩個(gè)國家或地區(qū)間的合作頻率。圖中出現(xiàn)的較為清晰的國家的文章發(fā)表量均超過10篇。在圖4（a）中可以看到，美國、中國、英國和瑞典在SM領(lǐng)域的合作最多，同時(shí)，文章發(fā)表量較少的國家（如澳大利亞、巴西和加拿大）合作頻率也很高。在圖4（b）中可以看到，中國、美國、英國、加拿大和德國在IM上的合作最多，同時(shí)，SM出版物較少的國家（如新西蘭和芬蘭），也有較高的合作頻率。

表3是在WoS數(shù)據(jù)庫中已發(fā)表與SM和IM有關(guān)論文的研究機(jī)構(gòu)情況。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）已發(fā)表SM相關(guān)論文數(shù)量最多，大約是排名2～6的機(jī)構(gòu)各自發(fā)表數(shù)目的6～7倍。發(fā)表關(guān)于IM論文數(shù)目最多的都是高校，其中華中科技大學(xué)和北京航空航天大學(xué)的論文數(shù)目為后面五所大學(xué)的1.6～1.8倍。在SM與IM相關(guān)文章發(fā)表機(jī)構(gòu)中，北美洲、亞洲和歐洲的大學(xué)在其中都占有一席之地。

表3 發(fā)表SM/IM相關(guān)文章最多的機(jī)構(gòu)

3.3. 排名靠前的來源期刊

表4是在WoS數(shù)據(jù)庫收錄SM和IM文章最多的期刊列表。IEEE Access中收錄SM相關(guān)文章數(shù)量最多，緊接著是Journal of Manufacturing Systems和International Journal of Advanced Manufacturing Technology，排名前七的每個(gè)刊物收錄SM相關(guān)文章都超過10篇。Journal of Intelligent Manufacturing中收錄IM相關(guān)文章數(shù)量最多，超過了IFAC-PapersOnLine的兩倍，排名前十的刊物收錄IM相關(guān)文章數(shù)目均超過10篇。在這些刊物列表中，

表4 收錄SM和IM相關(guān)文章最多的期刊

IEEE Access、International Journal of Advanced Manufacturing Technology和IFAC-PapersOnLine同時(shí)都收錄了SM與IM相關(guān)文章。

3.4. 關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻率

VOSviewer是一種廣泛使用的信息可視化工具[24]，本文使用VOSviewer進(jìn)行了關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻率分析。通過分析發(fā)現(xiàn)工業(yè)4.0、CPS、設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、框架和模型占了SM的共現(xiàn)詞的約50%。其他排名靠前的概念包括：優(yōu)化、互聯(lián)網(wǎng)、管理和智能工廠。關(guān)于IM排名前50%的共現(xiàn)詞包括：（智能制造）系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、架構(gòu)、最優(yōu)化、工業(yè)4.0、建模、遺傳算法和仿真。其他排名靠前的概念包括：代理、大數(shù)據(jù)（分析）和（架構(gòu)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

通過分析SM與IM的共現(xiàn)詞隨時(shí)間的變化，可以觀察使用傾向和發(fā)展趨勢，見圖5和圖6（為保證圖片清晰度，只有共同出現(xiàn)8次以上的名詞才出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中）。在網(wǎng)絡(luò)中，從藍(lán)到黃的顏色梯度代表了文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間從早到晚。與IM相關(guān)的早期名詞出現(xiàn)在2000年左右，有專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、代理、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等；與SM相關(guān)的早期名詞出現(xiàn)在2010年左右，有工業(yè)4.0和自動化，這可能揭示了兩個(gè)模式起源的核心。更多關(guān)于起源的細(xì)節(jié)和SM與IM的發(fā)展將會在第4部分詳細(xì)闡述。與IM有關(guān)的最新關(guān)鍵詞是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能工廠、云計(jì)算和信息-物理系統(tǒng)（圖5）。與之類似的是，與SM有關(guān)的最新關(guān)鍵詞是：信息-物理系統(tǒng)、智能工廠、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)（圖6）。工業(yè)4.0概念和實(shí)踐的拓寬應(yīng)用很可能推動了SM與IM相關(guān)關(guān)鍵詞的使用。

圖4. SM（a）和IM（b）國際合作研究網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞 使用頻率揭示了SM與IM共同的理念和技術(shù)，包括工業(yè)4.0、信息-物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、云計(jì)算和人工智能。第6部分將會綜述和討論這些技術(shù)。框架、架構(gòu)也是SM和IM的共同關(guān)鍵詞，第7部分將討論相關(guān)內(nèi)容。

4. 智能制造的起源與發(fā)展

本部分主要回顧和討論SM和IM的起源、定義、功能和準(zhǔn)則。

4.1. SM和IM的起源

有種觀點(diǎn)認(rèn)為SM最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代末，據(jù)我們所知，這個(gè)觀點(diǎn)可以被最早的將人工智能與SM聯(lián)系起來的文章——Artificial intelligence: a tool for smart manufacturing[20]所證明。緊接著是1987年出版的Smart manufacturing with artificial intelligence[25]，闡述了人工智能如何提高生產(chǎn)率和生產(chǎn)過程中的利潤率。這本書包含的主題：人工智能、專家系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)、機(jī)器人及展望、柔性制造系統(tǒng)、檢測和過程控制。經(jīng)過近20年較緩慢的發(fā)展，有關(guān)SM的現(xiàn)代理念更多地伴隨著工業(yè)4.0而重新出現(xiàn)。今天關(guān)于SM的核心觀點(diǎn)是基于NIST [26,27]和美國Smart Manufacturing Leadership Coalition（SMLC）[28,29]的定義而提出的。

圖5. WoS數(shù)據(jù)庫中關(guān)于IM的關(guān)鍵詞共現(xiàn)詞的可視化網(wǎng)絡(luò)。CNC：計(jì)算機(jī)數(shù)字控制；NC：數(shù)字控制。

圖6. WoS數(shù)據(jù)庫中關(guān)于SM的關(guān)鍵詞共現(xiàn)詞的可視化網(wǎng)絡(luò)。

學(xué)者們相信IM最初的起源來自人工智能和機(jī)器智能領(lǐng)域[30]。早期關(guān)于IM的文章在1988年[30]、1990年[31]、1995年被發(fā)表[32]。在20世紀(jì)90年代，日本對IM率先進(jìn)行了研究并發(fā)起了智能制造系統(tǒng)（IMS）項(xiàng)目[33]。也是在20世紀(jì)90年代，美國和歐盟開始了IM的研究[34,35]，并和日本的IMS項(xiàng)目展開合作。近幾年，IM和IMS正努力向更高的智能化程度發(fā)展。

4.2. SM與IM的相關(guān)定義

過去幾年，學(xué)術(shù)界提出了SM不同的定義。

? 從工程的角度看[29]，SM是一種先進(jìn)智能技術(shù)的應(yīng)用，可以提高新產(chǎn)品的生產(chǎn)速度和可靠性，對個(gè)性化的產(chǎn)品需求做出響應(yīng)，及時(shí)對生產(chǎn)和供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。SM平臺可以整合設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、運(yùn)營及跨越車間、中心、工廠、企業(yè)和整個(gè)供應(yīng)鏈的商務(wù)系統(tǒng)。

? 從網(wǎng)絡(luò)的角度看[36]，SM是信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的應(yīng)用，可以通過傳感器和通信技術(shù)捕獲整個(gè)生產(chǎn)中各個(gè)層次的數(shù)據(jù)。隨著時(shí)間推移，SM會變得更智能，生產(chǎn)率會提高，錯(cuò)誤和生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)會減少。

? 從決策的角度看[37]，SM利用可訪問的大量區(qū)域數(shù)據(jù)來協(xié)助生產(chǎn)企業(yè)更好地預(yù)測和維持生產(chǎn)過程與系統(tǒng)，并提高生產(chǎn)率?；诖髷?shù)據(jù)分析，SM會優(yōu)化生產(chǎn)實(shí)踐中的控制過程，包括進(jìn)度規(guī)劃、故障診斷、供給預(yù)測和評估。

在過去10年，學(xué)者們也提出了關(guān)于IM不同的定義。

? 從代替人類智慧的角度看，IM中自動化的生產(chǎn)操作就像熟練工在執(zhí)行任務(wù)一樣[38,39]。IM系統(tǒng)利用人工智能技術(shù)最大限度減少了人類在生產(chǎn)活動和生產(chǎn)系統(tǒng)中的介入。

? 從系統(tǒng)集成的角度看，IM使用不同等級的機(jī)器智能融入生產(chǎn)過程和系統(tǒng)，包括人工智能支持系統(tǒng)、人工智能集成系統(tǒng)和全智能系統(tǒng)[39]。

? 從智能科學(xué)的角度看[2]，IM旨在通過整合先進(jìn)的信息技術(shù)、計(jì)算能力和人工智能，建立全球性或地區(qū)性的可適應(yīng)的生產(chǎn)車間和系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)智能處理的角度看，IM依賴于實(shí)時(shí)性獲取、分配、分析和利用來自人、機(jī)器以及整個(gè)車間、工廠和整個(gè)跨產(chǎn)品生命周期過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

? 從人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）的角度看[1,4,40,41]，IM是一個(gè)為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)整合人、物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)。IM是一種在不同系統(tǒng)層次上設(shè)計(jì)、架構(gòu)和應(yīng)用HCPS的組織系統(tǒng)。先進(jìn)信息技術(shù)已促進(jìn)IM從數(shù)字化制造演變?yōu)榱藬?shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造，并正走向新一代智能制造。

4.3. SM/IM的特征和準(zhǔn)則

學(xué)者們已經(jīng)提出了關(guān)于SM的特征、性能和準(zhǔn)則[13,28,42,43]，NIST對其關(guān)鍵性能的總結(jié)是：敏捷性、高質(zhì)量、高生產(chǎn)率和可持續(xù)性[44]。

? 敏捷性：在不斷變化和充滿競爭的環(huán)境中，通過有效反饋來實(shí)現(xiàn)滿足客戶需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和服務(wù)，以此生存并能保持活力的能力。技術(shù)對敏捷性的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，包括建模和仿真、供應(yīng)鏈集成和分布式智能。

? 高質(zhì)量反映了如何按設(shè)計(jì)規(guī)范很好地完成產(chǎn)品制造。在應(yīng)用SM的情況下，質(zhì)量也意味著產(chǎn)品的創(chuàng)新程度和用戶定制化程度。

? 傳統(tǒng)意義上，生產(chǎn)力是生產(chǎn)中產(chǎn)入和產(chǎn)出的比率，包括制造時(shí)間、成本、勞動力、材料和能量效率。對SM來說，生產(chǎn)力的衡量標(biāo)準(zhǔn)還包括對客戶需求的響應(yīng)，這更體現(xiàn)了個(gè)性化的重要性。

? 可持續(xù)性被定義為制造業(yè)對環(huán)境、社會及員工福祉的影響，以及其經(jīng)濟(jì)可行性。與時(shí)間、成本等驅(qū)動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的因素相比，可持續(xù)性已經(jīng)變得更加重要。然而，在熱門的研究領(lǐng)域，可持續(xù)性還不是十分成熟。

Kusiak [38]、Oztemel [39]和Rzevski [45]提出IM系統(tǒng)應(yīng)該有以下特征：

? 適應(yīng)性是最重要的特征之一，是在不影響目標(biāo)結(jié)

果的情況下適應(yīng)不斷變化環(huán)境的能力。

? 自維護(hù)是一種無需人為干預(yù)便可檢測故障并進(jìn)行校正的能力，IM系統(tǒng)可利用該特征進(jìn)行重新配置。

? 學(xué)習(xí)和自我進(jìn)步是IM系統(tǒng)的一個(gè)重要特征，可以通過不斷更新知識庫或通過對現(xiàn)有知識進(jìn)行試驗(yàn)并評估其性能來升級系統(tǒng)。

? 自主性表示一種獨(dú)立程度，沒有它，智能性會受到限制。

? 通信通過生成報(bào)告、下達(dá)命令和開始運(yùn)行使子系統(tǒng)和組件展開合作。

? 預(yù)測能力是一種預(yù)測變化以及該變化對系統(tǒng)性能所產(chǎn)生的影響的能力。

? 目標(biāo)搜尋是一種根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和任務(wù)制定、提煉和升級目標(biāo)的能力。

? 創(chuàng)造性是希望IM系統(tǒng)可以創(chuàng)造新理論、新原則及預(yù)測等。這個(gè)能力需要與系統(tǒng)組件進(jìn)行交互，和更高等級的自主性一樣，這也是當(dāng)前IM系統(tǒng)想要達(dá)到的效果。

在IM系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)中，人類起著十分重要的作用，“以人為中心”可以處理不斷出現(xiàn)的未知問題，使人類可以保持對生產(chǎn)過程的控制，但目前對人機(jī)協(xié)作原則的關(guān)注較為缺乏[40,41]。與20世紀(jì)90年代的IM不同的是，周濟(jì)[1,4]和王柏村[46]等在人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）理念的基礎(chǔ)上，將數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造定義為新一代智能制造（NGIM）。受AI2.0 [8,47-51]的啟發(fā)，新一代智能制造反映了最新人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合。新一代智能制造系統(tǒng)最基本的特征是在信息系統(tǒng)增加了強(qiáng)大的認(rèn)知及學(xué)習(xí)能力，去不斷提高系統(tǒng)學(xué)習(xí)能力、擴(kuò)大其知識儲量。

4.4. SM/IM的發(fā)展比較

第3部分總結(jié)的文獻(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)可以用來分析和比較SM和IM的演變發(fā)展，仔細(xì)觀察它們的發(fā)展軌跡可以更好地理解它們的相關(guān)性和一致性。從圖2中展示的每年文獻(xiàn)數(shù)量增長情況看，SM/IM的發(fā)展可以被分為4個(gè)階段：1990—2000年為第一階段，2001—2010年為第二階段，2011—2015年到第三階段，2016年到2020年5月（文章投稿時(shí)）為第四階段，見表6 [11,28,52-58]。盡管其他的劃分方法也是可能的，但是我們相信這種劃分方法可以更好地幫助理清SM和IM相關(guān)研究的發(fā)展情況。

表6 從文獻(xiàn)分析角度看SM/IM的發(fā)展

第一階段（1990—2000年）：這個(gè)階段發(fā)表了約270篇文章。出現(xiàn)次數(shù)最多的關(guān)鍵詞按順序分別是：IM（系統(tǒng)）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/人工智能、專家系統(tǒng)、自動代理、計(jì)算機(jī)集成制造、并行工程、模糊控制和柔性制造系統(tǒng)。在這一階段，SM/IM最基礎(chǔ)的特征包括了專家系統(tǒng)、柔性和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在這個(gè)階段，最多被提起的術(shù)語是IM、計(jì)算機(jī)集成制造、并行工程和柔性制造。

第二階段（2001—2010年）：這個(gè)階段約有327篇文章被發(fā)表。這些文章中使用最多的關(guān)鍵詞包括：IM（系統(tǒng)）、（遺傳）算法、（多）代理、最優(yōu)化、建模/仿真、合弄制造、人工智能、集成、知識、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、射頻識別技術(shù)（RFID）、SM等。這一階段最基礎(chǔ)的特征包括代理應(yīng)用、集成化和知識工程。在這個(gè)階段被提到最多的術(shù)語按順序分別是：IM、合弄制造，一小部分文章提到了SM。

第三階段（2011—2015年）：在這個(gè)階段約有276篇文章被發(fā)表。在這些文章中使用最多的關(guān)鍵詞包括：IM（系統(tǒng)）、SM、最優(yōu)化、建模/仿真、多代理、管理、工業(yè)4.0、框架、射頻識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和可持續(xù)制造。在這一階段，SM/IM最基礎(chǔ)的特征包括：優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)和管理。在這個(gè)階段，最常被提起的術(shù)語按順序分別是：IM、SM和工業(yè)4.0。

第四階段（2016年至2020年5月）：在這個(gè)階段大約有1570篇文章被發(fā)表，顯示了對SM/IM的研究快速增長的現(xiàn)象。這些文章中被使用最多的關(guān)鍵詞包括：SM（系統(tǒng)）、工業(yè)4.0、IM（系統(tǒng)）、大數(shù)據(jù)（分析）、互聯(lián)網(wǎng)、信息-物理系統(tǒng)、最優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、智慧工廠、（遺傳）算法、機(jī)器語言、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)階段SM/IM主要特征包括：物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)。最常被提起的術(shù)語按順序分別是：SM、工業(yè)4.0和IM。

通過對SM/IM的發(fā)展軌跡進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)比較，我們發(fā)現(xiàn)隨著技術(shù)研究和熱點(diǎn)的改變，關(guān)鍵詞也發(fā)生了改變。從國家層面技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略和計(jì)劃看，模式/范式上的改變可能已經(jīng)越來越多。最新相關(guān)研究包括：在SM/IM語義下的信息鏈接[59]、人類的角色[1,60]、制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)[61]、智能科學(xué)[2]、算法學(xué)習(xí)[62]和成熟指數(shù)[63]。通過對SM和IM發(fā)展進(jìn)行分析，可以得出一個(gè)觀點(diǎn)：SM/IM發(fā)展水平相對較低的企業(yè)和地區(qū)，可以在以往的文獻(xiàn)中找到范式轉(zhuǎn)化、制定發(fā)展戰(zhàn)略、選擇合適技術(shù)、評估成熟度階段的指南。

5. 智能制造與其他制造模式/范式的關(guān)系

在SM與IM的發(fā)展的同時(shí)，也誕生了許多其他生產(chǎn)模式/范式，包括計(jì)算機(jī)集成制造、數(shù)字化制造、云制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、信息-物理生產(chǎn)和社群化制造等。表7 [6,64-84]對這些模式以及它們的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。一般來說，這些模式都是相似的，都有諸如更智能決策和對制造資源優(yōu)化利用的目標(biāo)要求，除此之外，它們也有各自的多元性和差異性。

每個(gè)模式的研究都基于其技術(shù)和理念。例如，數(shù)字化制造使用計(jì)算機(jī)提高生產(chǎn)效率并減少成本；云制造利用分散管理、網(wǎng)絡(luò)化制造和服務(wù)型架構(gòu)（SOA）；信息-物理制造系統(tǒng)在工業(yè)4.0中扮演了一個(gè)重要的角色。在特定區(qū)域或特定時(shí)間，制造業(yè)部門進(jìn)行升級時(shí)，相關(guān)生產(chǎn)模式都發(fā)揮了一定的作用。

這些模式和SM/IM都展現(xiàn)了一個(gè)或多個(gè)共同原則，為現(xiàn)代SM和IM建立基礎(chǔ)做出了貢獻(xiàn)。為了幫助理解SM和IM的研究熱點(diǎn)，我們根據(jù)WoS數(shù)據(jù)庫中文章標(biāo)題、摘要和關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)研究了SM或IM的共現(xiàn)詞頻率，見表7 [6,64-84]。除了先進(jìn)制造外，與SM共同出現(xiàn)頻率最高的術(shù)語為：信息-物理制造系統(tǒng)、云制造、數(shù)字制造和可持續(xù)制造。相應(yīng)地，與IM共同出現(xiàn)頻率最高的四個(gè)術(shù)語是：柔性制造、合弄制造、計(jì)算機(jī)集成制造和敏捷制造。SM和IM有不同的優(yōu)先標(biāo)準(zhǔn)，但都利用當(dāng)前最好的技術(shù)，對制造規(guī)模、成本、質(zhì)量、服務(wù)和智能化進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級。特別是計(jì)算機(jī)模擬、監(jiān)控、信息/ 數(shù)據(jù)分析都在這些模式/范式中被應(yīng)用。在下一部分，將會更多地討論SM和IM的共性技術(shù)。

表7 與SM和IM相關(guān)的其他制造模式

6. 共性關(guān)鍵技術(shù)和研究領(lǐng)域

SM與IM的共性技術(shù)包括工業(yè)4.0、信息-物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與霧計(jì)算、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，在一定程度上，這些技術(shù)可以被認(rèn)為是新一代信息技術(shù)（New-IT）[85]。表8 [2,9,11,36,46,61,62,86-96]列出了通過研究標(biāo)題、摘要或關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻率得出的與SM和IM有關(guān)的共性關(guān)鍵技術(shù)。在文獻(xiàn)中被提到的其他關(guān)鍵技術(shù)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、移動網(wǎng)絡(luò)和第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（5G）[97-99]。

表8 與SM和IM有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

6.1. 工業(yè)4.0與信息-物理系統(tǒng)

工業(yè)4.0是德國提出的一項(xiàng)倡議，強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)制造系統(tǒng)與新一代IT系統(tǒng)的全面集成[22,100]，并引起了SM和IM相關(guān)研究人員的關(guān)注。工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橫向集成、縱向集成和貫穿整條價(jià)值鏈的端到端集成。它與SM、IM、信息-物理系統(tǒng)和信息通信技術(shù)有密切關(guān)系[9,66,101-103]。Thoben等[9]對工業(yè)4.0和SM進(jìn)行了概述，并且分析了信息-物理系統(tǒng)的潛在應(yīng)用，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、維護(hù)和開發(fā)。Zheng等[36]對工業(yè)4.0中的SM系統(tǒng)進(jìn)行了分析，包括SM系統(tǒng)的框架、腳本說明、關(guān)鍵技術(shù)和潛在應(yīng)用。研究工業(yè)4.0背景下IM的學(xué)者將信息-物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和數(shù)字工廠作為關(guān)鍵技術(shù)[11]。Cheng等[104]對工業(yè)4.0未來發(fā)展方向也進(jìn)行了分析，為IM的應(yīng)用提供了一定參考。與IM相關(guān)的內(nèi)容還包括人-信息-物理系統(tǒng)、人在回路的信息-物理系統(tǒng)和信息-物理-社會系統(tǒng)[1,105-109]。

（續(xù)表）

6.2. 物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)將計(jì)算機(jī)、機(jī)器和人連接在一起的網(wǎng)絡(luò)，可以被識別并進(jìn)行數(shù)據(jù)共享[7,80,110,111]。大數(shù)據(jù)是指新的數(shù)據(jù)處理程序需要分析在生產(chǎn)環(huán)境中收集到的數(shù)據(jù)的理念，然而大數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)模式來說過于龐大和復(fù)雜。物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析（BDA）是SM和IM中的熱門話題。Yang [86]等回顧了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在SM中數(shù)據(jù)驅(qū)動上的創(chuàng)新，并提出了制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）。Kusiak [87]提出SM必須與大數(shù)據(jù)相融合，并指出SM創(chuàng)新中需要填補(bǔ)的空白：戰(zhàn)略旋轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)收集和共享的升級、模型預(yù)測、工廠網(wǎng)絡(luò)和過程控制。Tao [61]等對生產(chǎn)數(shù)據(jù)周期和大數(shù)據(jù)在SM中的作用進(jìn)行了討論，并提出大數(shù)據(jù)能將現(xiàn)在的生產(chǎn)制造模式轉(zhuǎn)化為SM模式。Bai [90]對IM中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究，并對它的基礎(chǔ)設(shè)施和信息交互設(shè)備進(jìn)行了概述。Zhu等[112]認(rèn)為IM的成功依賴于及時(shí)的獲取、分配和使用大量數(shù)據(jù)；Xiao和Liu [93]將大數(shù)據(jù)處理應(yīng)用在IM環(huán)境下的機(jī)械工具；Zhong等[94]介紹了利用物聯(lián)網(wǎng)和無線技術(shù)的IM車間的大數(shù)據(jù)分析。

6.3. 云計(jì)算與霧計(jì)算

云計(jì)算提供可拓展的、請求式計(jì)算機(jī)資源，包括數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算能力，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問[10,68,113-115]?；谠朴?jì)算可以實(shí)現(xiàn)云制造，這是一種服務(wù)型的制造模式，可減少資源浪費(fèi)，提高資源利用率[114,116]。霧計(jì)算和邊緣計(jì)算是一種與之相關(guān)的概念，其將分布式計(jì)算拓展到網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備上，可支持新的應(yīng)用和服務(wù)[117]。Park和Tran [118]研究了一種基于云技術(shù)的SM系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了先進(jìn)的信息技術(shù)，如認(rèn)知智能、云計(jì)算和群體智能。Qi和Tao [88]為SM引入了一種層次性參考架構(gòu)，將計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)功能部署到云的邊緣。Zhong等[11]回顧了云計(jì)算在IM中的應(yīng)用，與周濟(jì)等[4]觀點(diǎn)一致，將云計(jì)算看作IM的關(guān)鍵使能技術(shù)。

6.4. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是自18世紀(jì)中葉的工業(yè)革命以及20世紀(jì)50年代[5]的計(jì)算機(jī)革命之后的新工業(yè)革命的推動力。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的未來很大程度上取決于先進(jìn)信息和通信技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)的應(yīng)用，包括射頻識別技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相對SM/IM是一種重要且獨(dú)立的研究，典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架對發(fā)展早期SM/IM構(gòu)架[119]產(chǎn)生了重要影響。Zhou等[4]提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的特征是以智能網(wǎng)絡(luò)、平臺和安全系統(tǒng)的支持作為基礎(chǔ)。Wang等[120]闡述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺可通過整合制造設(shè)備來完成復(fù)雜任務(wù)，這是實(shí)現(xiàn)SM的一件關(guān)鍵技術(shù)。此外，研究工業(yè)4.0和CPS應(yīng)用的學(xué)者對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的理解是類似的。近期，學(xué)者們將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)[98,121]結(jié)合起來，并提出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，本文對此不作展開討論。

6.5. 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生描述的是一種多層次生產(chǎn)過程或系統(tǒng)的虛擬表現(xiàn)方法。數(shù)字孿生在廣義上說是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)仿真、計(jì)算、監(jiān)控、過程控制與系統(tǒng)監(jiān)視[122-127]的集成系統(tǒng)。雖然它對SM和IM來說都是標(biāo)志性技術(shù)，但是數(shù)據(jù)顯示更多的文章傾向?qū)?shù)字孿生與SM聯(lián)系在一起。Tao和Zhang [89]等將數(shù)字孿生車間定義為SM模式的一部分，討論了物理和虛擬車間、服務(wù)系統(tǒng)和四個(gè)關(guān)鍵數(shù)字孿生組件的數(shù)據(jù)。Qi等[128]研究比較了SM服務(wù)與數(shù)字孿生相結(jié)合后從根本上改變設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和其他過程。Lu等[129]討論了由數(shù)字孿生驅(qū)動的SM模型、應(yīng)用和研究問題。Zheng等[130]提出隨著虛擬技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字孿生逐漸成為IM一種關(guān)鍵研究。Zhou等[96]提出了一種由知識驅(qū)動的數(shù)字孿生制造單元IM框架，通過結(jié)合認(rèn)知智能、仿真、優(yōu)化、預(yù)測和控制可實(shí)現(xiàn)自動化制造。

6.6. 人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

人工智能是一種通過應(yīng)用邏輯、if-then規(guī)則、專家系統(tǒng)、決策樹和機(jī)器學(xué)習(xí)等使計(jì)算機(jī)可模仿、加強(qiáng)或者代替人類大腦的技術(shù)[8,131,132]。人工智能早期的應(yīng)用使用代理和通用算法。機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的子集，包括統(tǒng)計(jì)技術(shù)，使機(jī)器根據(jù)經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)任務(wù)。深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的子集，它使用的軟件算法是通過將大量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。Schaあer [20]將AI視為SM的一種重要的工具，Wang等[62]回顧了SM中由數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能演化中的深度學(xué)習(xí)部分，討論了SM中典型深度學(xué)習(xí)的構(gòu)架，包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動編譯和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Ozteme [39]闡述了為實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)智能化，必須使用多重人工智能技術(shù)，而且它們必須展示出如學(xué)習(xí)、推理和決策制定的特征。Wang [2]從智能科學(xué)的角度提出IM的未來在很多方面將會依賴于人工智能。他提出了人機(jī)協(xié)作和大腦機(jī)器人這兩個(gè)在IM模式下人工智能發(fā)展的典型例子。

總的來說，如今的SM和IM都使用了大量類似的技術(shù)和理念，同時(shí)，SM和IM細(xì)微的差異和偏向決定了它們的探索方向和實(shí)施方法會有所不同。例如，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)被更多的應(yīng)用到IM研究中，同時(shí)工業(yè)4.0和數(shù)字孿生更多的被應(yīng)用到SM研究中。不過，隨著SM和IM使用很多相似的關(guān)鍵技術(shù)，它們的邊界開始變得模糊。

7. 智能制造的參考架構(gòu)和實(shí)施

SM和IM中經(jīng)常出現(xiàn)的兩個(gè)關(guān)鍵詞是框架（framework）和架構(gòu)（architecture），這表明這兩個(gè)詞對智能制造的重要性?？蚣芎图軜?gòu)被廣泛地應(yīng)用在復(fù)雜系統(tǒng)中，用于描述通用框架及其內(nèi)部關(guān)系?？蚣苊枋隽讼到y(tǒng)中的基礎(chǔ)原理、知識表征和信息流；架構(gòu)是子系統(tǒng)功能分配和子系統(tǒng)間接口的規(guī)范[133,134]。

7.1. 智能制造的參考架構(gòu)和規(guī)范

在關(guān)于智能制造技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)中，有幾種典型的與SM和IM相關(guān)的框架或體系架構(gòu)[135]：

? 美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所提出的SME（智能制造生態(tài)）[26,27]；

? 德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)和參考架構(gòu)平臺提出的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型[136]；

? 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會（SAC）提出的IMSA架構(gòu)[137]；

? 美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所提出的一種制造智能系統(tǒng)架構(gòu)（ISAM）[134]。

圖7是這四種典型框架或參考架構(gòu)的示意圖[27,134,136,137]。其他被提出的框架/架構(gòu)還包括CPSs（F-CPSs）框架[138]、工業(yè)價(jià)值鏈參考體系結(jié)構(gòu)（IVRA）[139]、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考體系結(jié)構(gòu)（IIRA）[119]和物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)參考模型（IoT-ARM）[140]等。盡管有多種SM相關(guān)的參考架構(gòu)被提出[135,141,142]，但在本小節(jié)中，只對SME和RAMI 4.0著重進(jìn)行討論。同樣，有關(guān)IM的各種參考體系也已被提出[11,45,134,143]，但在本部分只著重討論IMSA和ISAM。

2016年，NIST為使SM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化提出了SME [26,27]。SME由產(chǎn)品、生產(chǎn)系統(tǒng)和企業(yè)（商業(yè)）系統(tǒng)構(gòu)成的金字塔結(jié)構(gòu)組成（圖7、表9）。NIST基于分級控制模型提出了一種系統(tǒng)架構(gòu)模式，覆蓋了SM的所有領(lǐng)域。在Current standards landscape for smart manufacturing systems[26]報(bào)告中，從生產(chǎn)開發(fā)周期、生產(chǎn)系統(tǒng)周期、供應(yīng)鏈管理中的商業(yè)循環(huán)和金字塔式制造模式的角度分析了SME系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品生命周期的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括模型建立（如ISO/TC213全球定位系統(tǒng)）、生產(chǎn)模型和數(shù)據(jù)交換（如初始圖形交換規(guī)范、圖紙交換格式）、制造模型數(shù)據(jù)（如ISO 14649）、產(chǎn)品目錄數(shù)據(jù)（如ISO 13584）和產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)管理（如產(chǎn)品生命周期管理可擴(kuò)展標(biāo)記語言）。制造業(yè)生命周期的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)包括生產(chǎn)系統(tǒng)模型和實(shí)踐（如IEC 62832）、生產(chǎn)系統(tǒng)工程（如系統(tǒng)建模語言和建模）、生產(chǎn)生命周期數(shù)據(jù)管理（ISO 10303-239）和生產(chǎn)系統(tǒng)維護(hù)（GEIA 927）。通用業(yè)務(wù)模型標(biāo)準(zhǔn)用于生產(chǎn)廠家、供應(yīng)商、消費(fèi)者、合作伙伴和競爭對手之間的交流，包括供應(yīng)鏈操作參考（SCOR）、開發(fā)應(yīng)用程序組集成規(guī)范（OAGIS）和制造企業(yè)解決方案協(xié)會的B2MML。基于ISA 95的集成化標(biāo)準(zhǔn)，可將制造金字塔分為設(shè)備級（IEC 61784, MT Connect）、SCADA級（Modbus, ISA 88）、生產(chǎn)操作管理級（ISO 22400）和企業(yè)級（ISO 19440, OAGIS）。關(guān)于SM系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的分析結(jié)果表明當(dāng)前的制造標(biāo)準(zhǔn)是不足以完全支持SM系統(tǒng)的[27]，還需要網(wǎng)絡(luò)安全、云基制造業(yè)服務(wù)、供應(yīng)鏈集成和數(shù)據(jù)分析等方面的標(biāo)準(zhǔn)。此外，還有兩個(gè)因素限制了SM系統(tǒng)的發(fā)展，分別是缺乏標(biāo)準(zhǔn)有效跟蹤、實(shí)際使用標(biāo)準(zhǔn)的缺乏和標(biāo)準(zhǔn)之間的重疊冗余。因此，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展組織之間的協(xié)調(diào)合作是必要的。

圖7. SM的典型框架/架構(gòu)：（a）SME [27]；（b）RAMI4.0 [136]；IM的典型框架/架構(gòu)：（c）IMSA [137]；（d）ISAM [134]。CAE：計(jì)算機(jī)輔助工程；CAM：計(jì)算機(jī)輔助制造；CCX：連續(xù)調(diào)試；CPI：持續(xù)過程改進(jìn)；DCS：分散控制系統(tǒng)；DFMA：面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)；DFSCM：基于產(chǎn)品協(xié)調(diào)開發(fā)的供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)；ERP：企業(yè)資源計(jì)劃；FMS：柔性制造系統(tǒng)；HMI：人機(jī)接口；MFG：制造業(yè)；MOM：生產(chǎn)運(yùn)營管理；O&M：使用和維護(hù)；PLM：產(chǎn)品生命周期管理；QMS：質(zhì)量管理系統(tǒng)；SCM：供給鏈關(guān)系管理：BG：行為生成；SP：感知處理；WM：世界模型。

表9 美國制定的SM系統(tǒng)的架構(gòu)SM [27]

工業(yè)4.0參考架構(gòu)（RAMI 4.0）中定義的領(lǐng)域包括了圖層、生命周期價(jià)值鏈和層次結(jié)構(gòu)，詳見圖8（b）[144]和表10 [136]。RAMI 4.0的目標(biāo)是彈性制造、易于拓展或與其他SM構(gòu)架連接。理論上說，任何級別的SM企業(yè)都可以在這三級架構(gòu)中找到自己的定位。RAMI 4.0一些重要的標(biāo)準(zhǔn)包括關(guān)于生命周期情況的IEC 62890、企業(yè)控制系統(tǒng)集成的ISO/IEC 62264和批量控制的IEC 61512。其他有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還包括IEC 62541、IEC61784、VDMA 24582、IEC 61987和ISO/IEC20140。

表10 德國提出的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型[136]

文獻(xiàn)[134,143]定義的系統(tǒng)構(gòu)架可作為IM系統(tǒng)的參考模型，見圖8（d）[144]。它為不同制造領(lǐng)域的IM標(biāo)準(zhǔn)和工程指導(dǎo)方針提供了框架。ISAM將智能過程節(jié)點(diǎn)組織為一個(gè)有嵌入式控制回路的多層次結(jié)構(gòu)。IMSA為IM提供了模型、術(shù)語、模型評估和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[137]，見圖8（c）[144]和表11 [137]。此外，IMSA指出智能元素的生命周期、系統(tǒng)層級和功能決定了每一項(xiàng)IM相關(guān)技術(shù)的范圍。為理清標(biāo)準(zhǔn)，IMSA提供了一個(gè)IM標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圖表，見圖8 [144]。IM標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)圖包括：A.基礎(chǔ)要求；B.關(guān)鍵技術(shù)；C.工業(yè)應(yīng)用，它們反映了不同標(biāo)準(zhǔn)體系之間的關(guān)系。截至2018年11月，中國出臺或?qū)徖砹舜蠹s300項(xiàng)IM標(biāo)準(zhǔn)，主要覆蓋基礎(chǔ)要求和關(guān)鍵技術(shù)。

表11 中國提出的IMSA構(gòu)架[137]

近期，為更好地理解SM和IM之間的關(guān)系，一種作為通用參考架構(gòu)的HCPS模型被提出。由于HCPS有定義明確的維度，因此HCPS很適合用于做這種比較分析[1]。表12 [1,135]映射了典型的SM與IM架構(gòu)，并得出以下結(jié)論：

表12 映射到HCPS的SM/IM參考架構(gòu)[1,135]

（1）SME、RAMI 4.0和IMSA從不同角度考慮系統(tǒng)集成和管理。這些結(jié)構(gòu)分別描述了產(chǎn)品、生產(chǎn)周期和供給鏈。然而，所有的參考架構(gòu)對于當(dāng)前人工智能/機(jī)器語言技術(shù)、能源、材料和制造模式發(fā)展缺乏綜合的考慮，這對智能制造的進(jìn)一步深入實(shí)施是很重要的。

（2）在相關(guān)架構(gòu)中，對人的因素的關(guān)注以及對企業(yè)文化和人力資源的提升工作在變化。例如，RAMI 4.0中，工業(yè)4.0的參考架構(gòu)、企業(yè)文化和人力資源是體現(xiàn)不出來的。但是事實(shí)上，工業(yè)4.0的成熟度指數(shù)[63]和日本SM/IM參考架構(gòu)[139]包括這些內(nèi)容。

（3）SME構(gòu)架不能完全描述企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生等主要要素。例如，智能機(jī)器人、3D打印、新材料等物理系統(tǒng)（工業(yè)技術(shù)的）也沒有在SM中被著重強(qiáng)調(diào)。RAMI 4.0也沒有提出一個(gè)SM實(shí)現(xiàn)的具體方案，因?yàn)樗鼪]有覆蓋到SM的所有領(lǐng)域并連接所有有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）參考架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)是有時(shí)效性的。標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)智能制造的發(fā)展及新問題的出現(xiàn)和解決再去跟進(jìn)修訂。此外，很多發(fā)展中國家的工業(yè)仍處于半自動化階段或在數(shù)字化或網(wǎng)絡(luò)化的初級階段，所以標(biāo)準(zhǔn)還要考慮到工業(yè)的復(fù)雜性。

7.2. 各國聚焦重點(diǎn)和典型實(shí)際案例

在SM/IM或工業(yè)4.0的大背景下，許多國家都啟動了國家級計(jì)劃，見表13 [4,11,28,64,145,146]。下面分析這些典型計(jì)劃項(xiàng)目及具體實(shí)施中的模式選擇、投資水平、聚焦重點(diǎn)，以及其發(fā)展道路的相似之處或區(qū)別：

表13 關(guān)于SM或IM的國家級政策和項(xiàng)目[64]

自2011年以來，美國已經(jīng)啟動了一系列制造業(yè)國家性計(jì)劃和舉措，包括先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃和確保美國領(lǐng)導(dǎo)力的先進(jìn)制造戰(zhàn)略。先進(jìn)制造中與SM/IM有關(guān)的許多政策和項(xiàng)目已經(jīng)啟動，所以它選擇的模式或者首選的SM/IM術(shù)語是先進(jìn)制造。在SM/IM方面，美國著重強(qiáng)調(diào)IT的頂層位置，如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)及虛擬現(xiàn)實(shí)和能源效率。舉一個(gè)清潔能源智能制造協(xié)會和SMLC [28]的例子，他們通過識別數(shù)據(jù)作為新資源，力圖解決能源消耗和環(huán)境可持續(xù)性的問題。另一個(gè)例子是通用電氣Predix平臺和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[11]。

圖8. IM標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)圖[144]。HMI：人機(jī)接口；A～E是IMSA的模塊。

（續(xù)表）

2012年前后，德國出臺了與智能制造有相同愿景的國家性戰(zhàn)略。德國將工業(yè)4.0首選為SM/IM的術(shù)語。德國聚焦于智能車間/工廠和相關(guān)的潛在研究，如智能傳感、無線網(wǎng)絡(luò)和信息物理系統(tǒng)。工業(yè)4.0國家計(jì)劃的一個(gè)重要特征是基于設(shè)備提供增值服務(wù)的各層級集成化。例如，西門子名為“Sinalytics”的數(shù)字化云服務(wù)平臺[11]。

在20世紀(jì)90年代，日本學(xué)者發(fā)起了關(guān)于IM的國際項(xiàng)目。近年來，日本開啟了基于SM/IM的社會5.0和工業(yè)價(jià)值鏈倡議（IVI）。日本注重通過精益管理和面向服務(wù)的信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)來提高每個(gè)企業(yè)的價(jià)值，同時(shí)解決社會老齡化問題。一個(gè)例子就是在醫(yī)療保健方面，他們加強(qiáng)服務(wù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用。另一個(gè)就是他們在精益生產(chǎn)中持續(xù)改進(jìn)和尊重員工的原則，這是影響日本智能制造發(fā)展愿景的關(guān)鍵因素[145]。

2015年，中國出臺了一系列關(guān)于智能制造的國家級項(xiàng)目和計(jì)劃。中國更傾向于使用IM。由于中國發(fā)展不平衡的現(xiàn)實(shí)，中國關(guān)于制造業(yè)升級的戰(zhàn)略是并行推進(jìn)，而不是依次進(jìn)行（從數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化）。中國智能制造的另一個(gè)特征是用戶導(dǎo)向型。例如，三一重工的數(shù)字預(yù)測維護(hù)平臺和海爾的CosmoPlat平臺[4,146]。

總的來說，智能制造（SM/IM）是信息技術(shù)、工業(yè)制造或操作技術(shù)（OT）和人的聰明才智及創(chuàng)造性融合發(fā)展的結(jié)果，引導(dǎo)了制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展。然而，SM/IM僅僅是一個(gè)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)終極目標(biāo)的工具，最終目標(biāo)還是減小缺陷、提高質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、減小成本、預(yù)測故障并在發(fā)生前停機(jī)和減少浪費(fèi)的同時(shí)增強(qiáng)可持續(xù)性，以及通過理解、積累和應(yīng)用制造過程及系統(tǒng)知識庫維持競爭優(yōu)勢[64]。

眾所周知，每個(gè)國家、地區(qū)或企業(yè)會面臨不同的問題，同時(shí)，每個(gè)國家、地區(qū)或企業(yè)都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，在整合先進(jìn)IT和OT技術(shù)時(shí)，會有不同的技術(shù)道路，發(fā)展不同的技術(shù)，對SM和IM的選擇也會有所不同。從哲學(xué)以及文化的角度看，這些差異隨著知識在制造過程、系統(tǒng)和部門中的理解、積累及應(yīng)用而變得更明顯。例如，一家典型的日本制造企業(yè)希望通過組織文化和個(gè)人培訓(xùn)來持續(xù)不斷的改進(jìn)，他們的知識獲取嚴(yán)重依賴個(gè)人。一家典型的美國公司會通過數(shù)據(jù)和知識遷移獲取知識，他們善于顛覆和重新定義問題。德國制造公司則善于通過嵌入新知識到設(shè)備來持續(xù)升級設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)，給他們自己和消費(fèi)者創(chuàng)造新的價(jià)值。通過對比分析不同國家的聚焦重點(diǎn)和SM/IM的實(shí)際案例，可以得出這些制造理念與哲學(xué)上的不同，對于不同國家、地區(qū)和企業(yè)制定自身發(fā)展戰(zhàn)略時(shí)，這些比較分析可能有參考價(jià)值。

8. 小結(jié)

SM和IM對于新工業(yè)革命（工業(yè)4.0）來說是重要的模式/范式。SM和IM理念和技術(shù)發(fā)展的特征以及研究焦點(diǎn)是有重疊的，兩者都利用了先進(jìn)信息和通信技術(shù)來促進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。學(xué)術(shù)界、制造業(yè)部門和政府都對SM和IM展示了強(qiáng)烈的興趣，從SM和IM被提出的第一天起，它們的理念一直在發(fā)展。然而，在文獻(xiàn)中它們的定義、理念、內(nèi)涵和技術(shù)發(fā)展是否有區(qū)別或相似則很少被考慮到。為彌補(bǔ)這個(gè)漏洞，本研究從多個(gè)角度回顧和比較聯(lián)系了SM和IM，總結(jié)在表14中[1,2,4,11,26-28,30,31,33,38,39,42,83,90,93,134,136,137,141,147-150]。

表14 SM和IM的多角度比較與聯(lián)系

SM和IM的早期理念幾乎在同一時(shí)間被提出，并且都因?yàn)槿斯ぶ悄茉?0世紀(jì)80年代的興起而發(fā)展。然而，SM和IM似乎是兩個(gè)并行發(fā)展的獨(dú)立模式/范式，并在2014年前后吸引了不同群體的關(guān)注。本文綜述揭示了SM與工業(yè)4.0、數(shù)據(jù)驅(qū)動和大數(shù)據(jù)等概念共同出現(xiàn)的頻率更高，IM與人工智能算法、優(yōu)化、代理和架構(gòu)等概念的共現(xiàn)頻率更高，它們各自引起了相應(yīng)領(lǐng)域?qū)W者的研究興趣。在不同的定義下，不同的理念和研究主題與SM或IM不同的發(fā)展時(shí)期有關(guān)聯(lián)，其中制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展趨勢是這兩種模式的共同特點(diǎn)。

從SM和IM發(fā)展分析的角度看，關(guān)鍵詞和最相關(guān)模式的改變反映了技術(shù)的應(yīng)用和國家戰(zhàn)略層面SM與IM的研究重點(diǎn)。參考架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的比較指明了全球?qū)W術(shù)界和相關(guān)產(chǎn)業(yè)得益于SM和IM團(tuán)體的國際合作。制造業(yè)協(xié)會和組織應(yīng)該努力達(dá)成共識，在共同的問題上進(jìn)行合作研究（如統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和參考架構(gòu)、勞動力培訓(xùn)等）。國家計(jì)劃和項(xiàng)目在SM和IM模式/概念選擇、投資水平、聚焦重點(diǎn)和發(fā)展道路等方面表現(xiàn)出鮮明的特點(diǎn)。此外，對持續(xù)獲取知識的追求和實(shí)現(xiàn)減少缺陷、提高生產(chǎn)率、節(jié)約成本、減少停機(jī)次數(shù)、浪費(fèi)最小化、提高持久性和維持競爭性優(yōu)勢的目標(biāo)，已經(jīng)被不同國家的制造業(yè)發(fā)展計(jì)劃共同確立。

有關(guān)SM和IM發(fā)展的研究為如何在落后地區(qū)和企業(yè)理解和實(shí)施SM和IM提供了指引。當(dāng)制定決策時(shí)，例如，選擇合適的升級模式和發(fā)展戰(zhàn)略以及評估和選擇合適的技術(shù)，其制造理念及其一致性可能會有所幫助。由于制造企業(yè)為智能制造的主要實(shí)施者，所以無論應(yīng)用哪種模式，都應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，將更多的注意力放在關(guān)鍵技術(shù)上，如CPS、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能以及員工教育等。

為進(jìn)一步理解和應(yīng)用SM/IM，未來的研究包括：

? 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展：為提高制造系統(tǒng)的智能化，應(yīng)同時(shí)發(fā)展如傳感、數(shù)字孿生、信息-物理系統(tǒng)、知識工程和深度學(xué)習(xí)等關(guān)鍵技術(shù)，使他們的應(yīng)用更加可靠，有更強(qiáng)的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

? 人機(jī)共生：當(dāng)今SM和IM的要求人機(jī)共生發(fā)揮更大的作用，人類和智能機(jī)器（如CPS）應(yīng)該有更深的融合和合作，而不是僅僅使用機(jī)器代替人。

? 跨學(xué)科、跨領(lǐng)域及社會整合：如果與智能交通、智能能源/電網(wǎng)、智能建筑、智能醫(yī)療、智能城市和智能社會等技術(shù)融合，SM和IM將釋放出更大的潛力。研究領(lǐng)域可能還包括：多物理建模、社交網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)儲存、隱私和安全、標(biāo)準(zhǔn)和倫理。

? 其他方面的比較分析：為了比較標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用，以及解決中小型企業(yè)實(shí)施SM/IM面臨的獨(dú)特問題，可通過專利分析、預(yù)測技術(shù)發(fā)展軌跡和專家采訪對SM和IM相關(guān)的問題進(jìn)行調(diào)查，這可能會得出進(jìn)一步的見解。另一個(gè)值得系統(tǒng)研究的潛在課題是智能制造相關(guān)文化的比較。

致謝

感謝博士后國際交流計(jì)劃（20180025）、國家自然科學(xué)基金（51703180）、中國博士后科學(xué)基金（2018M630191和2017M610634）、陜西省博士后科學(xué)基金（2017BSHEDZZ73）及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（xpt012020006和xjj2017024）的支持。

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