智能制造：四個(gè)智能范式的共存與進(jìn)階

趙敏

走向智能研究院 北京 100005

1 序言

在智能制造中，智能一直是一個(gè)眾說紛紜的問題，它在清晰可見與若隱若現(xiàn)之間游離，在道理簡(jiǎn)明與論述繁復(fù)中徘徊。由于對(duì)智能的解讀一直處于這種狀態(tài)，所以智能制造的發(fā)展勢(shì)頭現(xiàn)在已經(jīng)明顯被工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)超越。

在2016年出版的《三體智能革命》中，筆者等人就已經(jīng)對(duì)智能做了闡述和解讀。按照書中對(duì)智能的定義和此后對(duì)智能的進(jìn)一步理解，筆者認(rèn)為人造系統(tǒng)存在四個(gè)智能范式：第一范式是“人智”轉(zhuǎn)“機(jī)智”，第二范式是“機(jī)智”群自治，第三范式是“機(jī)智”哺“人智”，第四范式是雙智共融惠人。這四個(gè)范式在智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型領(lǐng)域都是普遍適用的。

2 第一范式：“人智”轉(zhuǎn)“機(jī)智”

2.1 人類智慧主導(dǎo)著智能源頭

走向智能研究院九位創(chuàng)始研究員從2015年開始撰寫“走向智能叢書”第一本《三體智能革命》，對(duì)形形色色、大大小小的各種人造系統(tǒng)的智能現(xiàn)象進(jìn)行了橫向比較和打通研究，認(rèn)為：以人為代表的生物體有智能；電腦里的“數(shù)字虛體”有智能；物理實(shí)體有智能。三種“體”交匯融合，發(fā)展出豐富多彩、無以計(jì)數(shù)的人造智能系統(tǒng)。

人造智能是人造系統(tǒng)所具有的一種模仿、拓展和超越人類智能的能力。目前在市場(chǎng)上能夠看到的各種各樣的智能，如工業(yè)智能、人工智能、認(rèn)知計(jì)算和人造大腦等，都是人造智能的子集。人造智能的形成，是由“意識(shí)人體”在長(zhǎng)期與自然界的物理實(shí)體交互過程中，不斷探尋、發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、應(yīng)用和主導(dǎo)的。其總體智能水平目前大約相當(dāng)于5～10歲的孩子。

在《三體智能革命》中，以人為代表的生物體被命名為“意識(shí)人體”，這是一個(gè)具有開創(chuàng)意義的命名。意識(shí)人體，首先具有自我意識(shí)，其次具有直覺和第六感，另外人類還具有創(chuàng)造力、知行合一能力。筆者認(rèn)為，這四種能力是人類智慧與人造智能的極其重要的區(qū)別。人類智慧是高維度能力，目前看來只為人類所獨(dú)具，其他的生物系統(tǒng)、人造系統(tǒng)、復(fù)合系統(tǒng)等，都無法達(dá)到這種能力。諸如計(jì)算能力、學(xué)習(xí)能力、感知能力和資源協(xié)調(diào)能力等，則是人類和人造智能系統(tǒng)所共有的能力。換句話說，是人可以通過各種技術(shù)手段而賦予人造系統(tǒng)的智能能力[1]。

從高維人類智慧系統(tǒng)向低維人造智能系統(tǒng)輸送、傳遞、構(gòu)建智能機(jī)理、智能體系和知識(shí)內(nèi)容，是第三次工業(yè)革命之前就已經(jīng)在做的事情。自從有了電腦，伴隨著計(jì)算能力（芯片算力）的增強(qiáng)，人類一直在試圖把自己用人腦思考問題、解決問題的模式和過程，復(fù)制到電腦（如CAX、MES）或機(jī)載電腦（如PLC、DCS、SCADA）中的軟件和算法中去。筆者在參撰的《機(jī)·智：從數(shù)字化車間走向智能制造》《鑄魂：軟件定義制造》這兩本書中都做了預(yù)測(cè)和闡述。

在《機(jī)·智》中預(yù)測(cè)：“出現(xiàn)大規(guī)模的“勞動(dòng)力轉(zhuǎn)型”，即人體、人腦離開系統(tǒng)回路，基于“人智”的數(shù)字化勞動(dòng)力（智能機(jī)器）大規(guī)模登場(chǎng)，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人，以泛在聯(lián)接、自主自治的智能機(jī)器來拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)的徹底轉(zhuǎn)型。”[2]

在《鑄魂》中寫到：“通俗地說，所謂智能制造就是一個(gè)“人智變機(jī)智”的過程——即把人的智能（簡(jiǎn)稱“人智”）以顯性知識(shí)的形式提煉出來，進(jìn)行模型化、算法化處理，再把各種模型化（機(jī)理模型、數(shù)據(jù)分析模型等）的知識(shí)嵌入軟件，軟件嵌入芯片，芯片嵌入某個(gè)數(shù)字裝置/模塊，再把該數(shù)字裝置/模塊嵌入到物理設(shè)備中，由此而賦予機(jī)器一定的自主能力，讓機(jī)器具有一定程度的“智能”（簡(jiǎn)稱“機(jī)智”），我們將這個(gè)過程稱為“賦能”。”[3]

人造系統(tǒng)的智能由人賦予和掌控，源頭是人智，形式是知識(shí)，載體是軟件和芯片，作用是讓人造系統(tǒng)按照人的意愿實(shí)現(xiàn)更高水平的智能（控制）行為。

2.2 無價(jià)“人智”超越時(shí)空永存

數(shù)字孿生是一個(gè)含義廣泛的概念。不僅把物理實(shí)體的形、態(tài)、演變規(guī)律和內(nèi)涵映射到數(shù)字空間，同樣的操作也可以用于意識(shí)人體，即將人腦中的“碳基知識(shí)”，映射/轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字空間的“硅基知識(shí)”，把人的思考過程映射/轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字過程，把世間萬物之間的概念互聯(lián)關(guān)系映射為數(shù)字互聯(lián)關(guān)系，把“人智”映射/轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C(jī)智”。

在上述至關(guān)重要的數(shù)字映射過程中，產(chǎn)生了兩個(gè)意義深遠(yuǎn)的產(chǎn)品——包含“人智”的工業(yè)軟件，因?yàn)榍度肓税叭酥恰钡墓I(yè)軟件而具備了“機(jī)智”的智能機(jī)器。人類的智慧、智力思考方式、智能原理、訣竅和最佳數(shù)據(jù)等，以模型、算法和推理機(jī)制等知識(shí)形式，映射/轉(zhuǎn)換到工業(yè)軟件和包含工業(yè)軟件的機(jī)器中，完成了人類歷史上最偉大的事業(yè)——在數(shù)字空間永久保存人類各種智力成果，讓人類智慧超越生命周期、超越時(shí)代而獲得永生。

對(duì)于這一點(diǎn)，工信部原副部長(zhǎng)楊學(xué)山教授在為《機(jī)·智》所作序中寫到：“生物智能基于遺傳基因而延續(xù)，人類智能的各種產(chǎn)物和成果基于各種工具和記錄的信息而傳承。智能時(shí)代的傳承和延續(xù)，與生物智能和人類智能的結(jié)晶相比有何特征？如果超越產(chǎn)品的生命周期，這個(gè)特征就是數(shù)字孿生，數(shù)字孿生是智能時(shí)代智能的遺傳基因。顯然，數(shù)字孿生是可以跨越產(chǎn)品的生命周期的。”

筆者認(rèn)為，在數(shù)字孿生技術(shù)的高級(jí)階段：更高水平的數(shù)字技術(shù)徹底穿透數(shù)、物兩界，生成豐富的、無處不在的虛擬數(shù)字制造資源（產(chǎn)品、人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)），并隨時(shí)把它們疊加到現(xiàn)實(shí)的工業(yè)場(chǎng)景中，數(shù)字虛體機(jī)器與物理實(shí)體機(jī)器相互配合運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)字虛體人配合人類同時(shí)觀察和監(jiān)控虛、實(shí)兩種機(jī)器，數(shù)字虛體物料與實(shí)體物料同時(shí)與虛、實(shí)兩種機(jī)器交互作用等，可以發(fā)展和想象的空間無比巨大。數(shù)據(jù)無處不在，知識(shí)無處不在，人智無處不在，機(jī)智無處不在，虛實(shí)交互融合無處不在。其實(shí)這些內(nèi)涵已經(jīng)完全包含了當(dāng)前社會(huì)熱議的“元宇宙”概念。

3 第二范式：“機(jī)智”群自治

3.1 智能機(jī)器群體越來越龐大

智能機(jī)器是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)極其重要的組成部分。在英文中，諸如Smart Machine、Intelligent Machine、Brilliant Machine這幾個(gè)詞組都有“智能機(jī)器”的意思；智能機(jī)器包括但是并不限于傳統(tǒng)的物理實(shí)體機(jī)器的智能化，也包括諸如軟件機(jī)器人這樣的軟件系統(tǒng)；數(shù)字勞力“Digital Labor”經(jīng)過轉(zhuǎn)譯之后，也帶有一定的“智能機(jī)器”的含義；在GE公司給出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定義中，將軟件定義的機(jī)器視為智能機(jī)器。

在《三體智能革命》書中給出了智能系統(tǒng)的五個(gè)基本特征：“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升”，這是對(duì)智能系統(tǒng)進(jìn)行普適性判斷的“20字箴言”。符合前四個(gè)特征是恒定智能系統(tǒng)，符合第五個(gè)特征則是具有學(xué)習(xí)能力的開放式智能系統(tǒng)。

伴隨著數(shù)字化ICT技術(shù)與工業(yè)實(shí)體的不斷融合，符合上述五個(gè)基本特征的機(jī)器設(shè)備越來越多。智能機(jī)器的另外一個(gè)顯著特征是彼此聯(lián)網(wǎng)，在“工業(yè)4.0”定義中，機(jī)器要像社交網(wǎng)絡(luò)終端一樣，彼此之間會(huì)相互傳輸數(shù)據(jù)、溝通信息、分享知識(shí)、報(bào)告現(xiàn)狀。

海量智能節(jié)點(diǎn)的聯(lián)接，如同大腦神經(jīng)元的聯(lián)接一樣，讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)展現(xiàn)出更多的智能屬性，如人離開系統(tǒng)回路、機(jī)器自主運(yùn)行、機(jī)器引導(dǎo)機(jī)器（M2M或MxM）及超大范圍與尺度的“陸、海、空、天、賽”五域終端智能協(xié)同等。

3.2 多種“M2M”技術(shù)共存

以“機(jī)器引導(dǎo)機(jī)器”為例，闡述如下。

“人在回路”的“有人機(jī)器引導(dǎo)無人機(jī)”。例如，美國一家創(chuàng)業(yè)公司Peloton做了一個(gè)L4級(jí)的“自動(dòng)列隊(duì)跟馳”系統(tǒng)，可以有效地讓一個(gè)人同時(shí)駕駛兩輛卡車，前車是有人駕駛卡車，后面跟隨無人駕駛卡車，形成了“有人車引導(dǎo)無人車”的智能模式，顯著降低油耗[4]。

“人離開回路”的“智能機(jī)器引導(dǎo)智能機(jī)器”。當(dāng)無人機(jī)技術(shù)發(fā)展到高度智能狀態(tài)時(shí)，由“數(shù)字智能駕駛員”來替代人駕駛飛機(jī)，目前已有的“有人機(jī)+無人機(jī)”編組方案，將進(jìn)化成為“智能無人機(jī)+半智能無人機(jī)”編組方案，智能無人機(jī)替代原來的有人駕駛飛機(jī)成為空戰(zhàn)主導(dǎo)。

當(dāng)所有無人機(jī)都在技術(shù)上進(jìn)化到智能無人機(jī)時(shí)，智能無人機(jī)群的整體作戰(zhàn)能力將會(huì)有飛躍式提升，因?yàn)檫@種智能無人機(jī)群不存在中心控制，完全是對(duì)等的分布式控制，可以利用“涌現(xiàn)”的場(chǎng)景，隨時(shí)自主指定任何一架智能無人機(jī)來擔(dān)任整個(gè)無人機(jī)群指揮者，形成強(qiáng)大的群體智能。

4 第三范式：“機(jī)智”哺“人智”

4.1 智能軟件輔助人思考決策

工業(yè)軟件是一種工業(yè)化的頂級(jí)產(chǎn)物，如容器一般盛裝了包括但是并不限于工業(yè)知識(shí)的一個(gè)集大成的知識(shí)體系。這些裝進(jìn)容器的各種知識(shí)，不僅盡量趨于體系化和完整化，而且還會(huì)在工業(yè)軟件這個(gè)知識(shí)大熔爐、工具魔法器里，在人機(jī)交互使用軟件的過程中，不斷發(fā)生知識(shí)的交叉與融合、解構(gòu)與重構(gòu)，既發(fā)生物理反應(yīng)，也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在原有存量知識(shí)的基礎(chǔ)上，生成增量知識(shí)，持續(xù)豐富、補(bǔ)充著容器的知識(shí)體系。

筆者把人機(jī)交互使用軟件的過程，稱作“集智應(yīng)用”。集智的意思是，在工業(yè)軟件這個(gè)超級(jí)容器中，集中了海量的前人智慧。當(dāng)用戶進(jìn)入軟件使用界面時(shí)，用戶始終不是獨(dú)自一人在使用軟件，而是如同有千千萬萬個(gè)數(shù)理化先賢、領(lǐng)域?qū)＜?、行業(yè)翹楚和專業(yè)能人站在他的身后，在每一次點(diǎn)擊菜單、每一次模型計(jì)算、每一次控制指令傳輸中，都在出手扶助、指點(diǎn)迷津、啟智開慧。

人類智能最好的容身場(chǎng)所是軟件，而軟件的最佳作用是像“軟件機(jī)器人”一樣，以“機(jī)智”反哺“人智”。

4.2 智能裝置助人成專業(yè)高手

投籃百發(fā)百中是所有打籃球人的心愿。但是誰也不能真正做到百發(fā)百中。即使是經(jīng)過刻苦訓(xùn)練的美國職業(yè)籃球運(yùn)動(dòng)員，在比賽中最好成績(jī)也只能達(dá)到67%投中率。

美國3D打印技術(shù)開發(fā)商和制造商福姆實(shí)驗(yàn)室首席工程師謝恩·威頓的想法是，研制一個(gè)智能籃板，只要投籃者能把球砸到籃板上，就能做到“百發(fā)百中”。智能籃板的機(jī)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能籃板的機(jī)電結(jié)構(gòu)

他設(shè)計(jì)的智能籃板是多軸動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的，即籃板固定在萬向節(jié)上，可以前后伸縮、上下和左右擺動(dòng)。而且，這個(gè)籃板必須具有自主觀察能力和思考能力，它知道籃球的出手角度、飛行軌跡以及即將碰到籃板的時(shí)間，然后快速分析計(jì)算出籃板該以什么樣的策略來反彈這個(gè)球，并給籃板發(fā)出最佳動(dòng)作指令，確?；@球入筐[5]。

由于從籃球出手到碰籃板只有約600ms，因此對(duì)于這款智能籃板來說，設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于：計(jì)算時(shí)間盡量短，結(jié)果盡量準(zhǔn)確，籃板盡可能輕，動(dòng)作盡快完成。前面提到的描述智能系統(tǒng)的“20字箴言”適用于該場(chǎng)景。

1）狀態(tài)感知：使用微軟為XBOX360制造的3D體感相機(jī)Kinect作為高靈敏度傳感器，它可以精準(zhǔn)地跟蹤目標(biāo)，并提供帶有視頻輸入的軟件，其中包含深度信息，并且可以指示目標(biāo)和相機(jī)之間的三維坐標(biāo)。

2）實(shí)時(shí)分析：寫了控制籃板動(dòng)作的專用軟件程序，并利用Kinect傳感器提供的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為計(jì)算籃球時(shí)空位置和狀態(tài)的依據(jù)。

3）自主決策：通過分析計(jì)算，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的支持下，做出籃板動(dòng)作決策。

4）精準(zhǔn)執(zhí)行：給籃板的控制器發(fā)出最佳動(dòng)作指令，指示致動(dòng)器精準(zhǔn)動(dòng)作，讓籃板瞬間旋轉(zhuǎn)到位，反彈籃球入筐。

5）學(xué)習(xí)提升：如果打算持續(xù)改進(jìn)智能籃板，較好方式是在籃板不斷反彈籃球入筐的過程中，積累大數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，找到更好的改進(jìn)方向，不斷優(yōu)化智能籃板這個(gè)“機(jī)智”系統(tǒng)，讓每一個(gè)出手投籃的人，都成為百發(fā)百中的投籃高手。

基于此范式，未來智能設(shè)備可以助力普通人成為專業(yè)高手。

5 第四范式：雙智共融惠人

人智和機(jī)智之間，盡管早期存在著“人智”轉(zhuǎn)“機(jī)智”的初始規(guī)律，但二者相對(duì)來說還是在各自獨(dú)立發(fā)展，交集極少。但是自從新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)實(shí)體交匯融合之后，人智和機(jī)智已經(jīng)開始逐漸交匯和融合，原本清晰的邊界開始變得模糊。

《三體智能革命》書中前瞻性展望：“自然物理實(shí)體，孕育意識(shí)人體，打造數(shù)字虛體。三體交匯，認(rèn)知互動(dòng)，協(xié)同發(fā)展，共軛進(jìn)化。三體交匯的中心就是智能。三個(gè)界面不斷模糊邊界并且擴(kuò)大范圍，最終界面消失，歸為一統(tǒng)。”

在歐盟要發(fā)布“工業(yè)5.0”文件中寫到，“工業(yè)5.0的以下特點(diǎn)得到了特別強(qiáng)調(diào)：將人類和技術(shù)技能的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，使工業(yè)和工業(yè)人互惠互利，不是技術(shù)取代，而是補(bǔ)充人類。這使得工作環(huán)境更安全、更令人滿意、更符合人體工程學(xué)，在這種環(huán)境中，人類可以利用自己的創(chuàng)造力解決問題，扮演新角色，提高技能。”[6]

日本也提出了應(yīng)對(duì)老齡社會(huì)的“社會(huì)5.0”戰(zhàn)略，核心思想是讓人與界面友好、善解人意的服務(wù)機(jī)器人共生共融，細(xì)分需求，定制服務(wù)，改善生活品質(zhì)，預(yù)測(cè)潛在需求，消除由于地區(qū)和年齡等造成的服務(wù)差異。技術(shù)路線是聯(lián)網(wǎng)并協(xié)調(diào)不同領(lǐng)域的獨(dú)立系統(tǒng)，以群智的方式提高自律化和自動(dòng)化程度，做到人智與機(jī)智共融共存。

無論是人智還是機(jī)智，無論是分立還是協(xié)同，其目的都是人智與機(jī)智共融，以人為本，利人賦能，為人服務(wù)，造福社會(huì)。

6 結(jié)束語

本文所闡述的四個(gè)智能范式，既在現(xiàn)有的智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐中共存，又按照范式順序逐漸進(jìn)階：“人智”轉(zhuǎn)“機(jī)智”是最初的樣本，已經(jīng)持續(xù)了幾十年；進(jìn)入新世紀(jì)后，智能機(jī)器的群體越來越龐大和互聯(lián)，越來越自主和自治；機(jī)器智能達(dá)到一定程度后開始反哺人類，利人賦能；未來，人智和機(jī)智融為一體，形成高度智能、高度發(fā)達(dá)的數(shù)字工業(yè)，推動(dòng)中國乃至全球知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，繁榮人類的數(shù)字文明。