智能制造總體架構探析

孟柳 ，延建林，董景辰，韋莎，李瑞琪，臧冀原 ，周源

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

近年來，隨著新一代信息技術與制造業的融合不斷深入，智能制造成為世界各國搶占新一輪科技革命和產業變革的戰略制高點。為贏得智能制造戰略競爭的主動權，主要國家的工業界和學術界先后提出一系列智能制造體系架構，旨在為國家規劃未來智能制造戰略提供借鑒，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，是推動我國智能制造發展的一項重要而迫切的工作。

一、智能制造總體架構的基本含義

智能制造涵蓋了產品、制造、服務全生命周期，是一個大概念[1]。

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

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

二、智能制造總體架構維度解析

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

（一）技術維——以兩化融合為主線的技術進化維度

智能制造從技術進化的維度可以分為三個范式：數字化制造、數字化網絡化制造、數字化網絡化智能化制造（見圖2）。這三個范式之間的演進是互相關聯，迭代升級的。

圖1 智能制造總體架構

數字化制造是智能制造的基礎，貫穿于三個基本范式，并不斷演進發展；數字化網絡化制造將數字化制造提高到一個新的水平，通過工業“互聯網+制造”；實現全價值鏈的優化；新一代智能制造是在前兩種范式的基礎上，通過先進制造技術與新一代人工智能技術集成，使得制造具有了真正意義上的智能。

1.數字化制造

數字化制造如圖2（a）所示，是數字技術和制造技術的融合，是隨著數字技術的廣泛應用而出現的。數字化制造實現了制造的數字化設計、仿真、計算機集成制造，實現了企業生產和管理的集成和協同，在整個工廠內部實現了計算機系統和生產系統的融合，提高了產品設計、制造質量、勞動生產率，縮短了產品的研發周期，降低成本，提高能效。

數字化制造的特點如下：

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

（2）數據的互聯互通。包括網絡通信系統構建，不同來源的異構數據格式的統一以及數據語義的統一。

（3）信息集成。生產運行數據與信息化管理系統實現集成，其目的是要利用這些數據實現整個制造過程各環節的協同和可視化管理。

2.數字化網絡化制造

數字化網絡化制造如圖2（b）所示，是在數字化制造的基礎上，隨著網絡技術的廣泛應用，企業間實現了互聯互通，包括生產方和需求方，也就是企業和用戶的需求信息的交融，企業的供應鏈上下游之間整體的協同，改變了企業的經營模式，實現全產業鏈優化，快速、高質量、低成本地為市場提供所需的產品和服務。

圖2 智能制造總體架構價值維分解示意圖

數字化網絡化制造的特點如下：

（1）實現與用戶的充分溝通，更好了解用戶的需求，企業從以產品為中心向以用戶為中心轉型。

（2）實現全產業鏈上企業與企業之間的協同，包括企業間數據協同、資源協同、流程協同，從而使社會資源得到優化配置。

（3）實現企業產品鏈從產品向服務延伸。通過對產品的遠程運維，為用戶提供更多的增值服務，使企業從生產型企業向生產服務型企業轉型。

3.數字化網絡化智能化制造

數字化網絡化智能化制造如圖2（c）所示，是近年來高速發展的新一代人工智能技術與制造業技術融合的結果，是新一代智能制造。新一代人工智能技術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、大數據智能以及自主智能系統，將給制造業帶來新的發展方向[4]。

數字化網絡化智能化制造將實現制造知識的自動化制造/服務，通過深度學習、遷移學習、增強學習等技術的應用，制造數據和信息“自動地”被加工成為知識，即制造業具有了“學習”的能力。從而使制造知識的生成、積累、應用和傳承的效率發生革命性的變化，極大地釋放人類智慧的潛能，顯著提高創新和服務能力。隨著制造知識生產方式的變革，數字化網絡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，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維度

智能制造主要由智能產品、智能生產及智能服務構成。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模式變革是主題。智能制造的價值實現主要體現在產品、生產、服務三個方面，如圖3所示。

1.智能產品

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

2.智能生產

智能生產包括基于產品的設計、生產和管理等制造流程的各個環節，制造技術和信息技術融合，全面提升產品設計、生產和管理水平，顯著提升勞動生產率。

3.智能服務

智能服務包括以用戶為中心的產品全生命周期的各種服務，服務智能化將大大促進個性化定制等生產方式的發展，延伸發展服務型制造業和生產性服務業，深刻地改革制造業的生產模式和產業形態。

此外，系統集成是智能制造價值實現的關鍵。集成的核心就在于解決系統之間的互連和互操作性問題，從局部的優化升級到整體的優化，實現產品、裝備、生產、服務、市場、管理等整個制造生態效能的提升。

（三）組織維——以人為本的組織系統維度

智能制造是一個大系統，內部和外部均呈現出前所未有的系統“大集成”特征，從組織維度來看，智能制造主要體現在智能單元、智能系統、系統之系統三個層面（見圖4）。

1.智能單元

智能單元是實現智能制造功能的最小單元，可以是一個部件或產品。智能單元可通過硬件和軟件實現感知-分析-決策-執行的數據閉環。

2.智能系統

智能系統是指多個智能單元的集成，實現更大范圍、更廣領域的數據自動流動，提高制造資源配置的廣度、精度和深度，包括制造裝備、生產單元、生產線、車間、企業等多種形式。

3.系統之系統

系統之系統是多個智能系統的有機整合，通過工業互聯網和智能云平臺，實現跨系統、跨平臺的橫向、縱向和端到端集成，構建開放、協同與共享的產業生態。一方面是制造系統內部的“大集成”。企業設備層、現場層、控制層、管理層、企業層之間的設備和系統集成，即縱向集成；另一方面是企業與企業之間基于工業智聯網與智能云平臺，實現集成、共享、協作和優化，即橫向集成，是制造系統外部的“大集成”。另外，還包括制造業與金融業、上下游產業的深度融合形成服務型制造業和生產性服務業共同發展的新業態。

圖3 智能制造總體架構價值維分解示意圖

三、智能制造總體架構比較分析

近年來，在推進智能制造發展過程中，世界各國研究機構先后提出了相關的技術體系架構[5]，如美國工業互聯網聯盟發布“工業互聯網參考架構（IIRA）”，德國電工電子與信息技術標準化委員會發布“工業4.0參考架構模型（RAMI4.0）”，日本工業價值鏈促進會發布“工業價值鏈參考架構（IVRA）”，中國國家智能制造標準化總體組發布的“智能制造系統架構”，與這些系統參考架構相比較，可以更清晰地認識智能制造總體架構的基本特征。

（一）技術維度比較

智能制造總體架構技術維度反映了以兩化融合為主線的智能制造技術變遷，體現了技術可擴展性，與工業互聯網參考架構具有相似性。工業互聯網參考架構是建立在具體應用領域和相關利益群體上描述慣例、原理和時間、活動的系統框架[6]，為其他領域架構提供了一個基礎的架構框架，可以擴展并相互參照。智能制造總體架構同樣是在宏觀視角構建的制造總體發展架構，具備跨產業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形式。智能制造總體架構與工業4.0參考架構模型[7]都描述了制造產品全生命周期及其相關價值鏈。工業4.0參考架構模型的核心是智能生產技術和智能生產模式，旨在把產品、設備、資源和人有機地聯系在一起，推動各個環節數據共享，實現全生命周期和全制造流程的數字化。智能制造總體架構聚焦制造業價值鏈全生命周期的數字化，并且在戰略規劃和對新技術應用的敏感性方面，更加全面地包括了網絡和智能化發展的范式，具有更強的先進性和廣泛適應性。

（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。智能制造總體架構組織維借鑒了日本工業價值鏈[8]以及中國智能制造系統架構[9]。智能制造總體架構組織維提出智能單元、智能系統和系統之系統三個層次，旨在幫助企業通過構建最基本的制造單元，從而一步一步實現智能車間、智能工廠、智能企業，最終構建智能企業集群、區域集群，進而擴展到全國惠及大中型企業和中小微企業協同發展，并行推進數字化、網絡化、智能化，最終實現制造業企業的整體轉型升級。

圖4 智能制造總體架構組織維分解示意圖

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模型主要聚焦于制造業的高端產業和高端環節，那么本研究提出的智能制造總體架構的著眼點在于中國整個制造業轉型升級的整體規劃，尤其是結合中國制造業發展不平衡不充分的實際現狀，提出數字化制造、數字化網絡化制造、數字化網絡化智能化制造三種基本范式迭代進化，強調當前中國智能制造發展必須堅持并行推進、融合發展，不但針對傳統制造業改造升級有指導意義，而且對制造業未來的發展和技術的引領有著更遠的規劃[10]。未來的制造業發展不僅僅是實現產品全生命周期和制造全流程的數字化，端到端鏈接萬物互聯的網絡化，而且要實現整個制造業在新一代人工智能引領下的智能化發展。

四、結語

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

面對智能制造不斷涌現出的新技術、新理念、新模式，有必要歸納總結出相應的總體架構，進而指導政府、企業發掘和探索新技術，應用新的理念和模式，從而在產業革命與技術革命的歷史交匯點，抓住機遇，更好、更快地實現中國制造業的智能轉型和優化升級。智能制造總體架構的提出，有望為國家的未來規劃、企業的發展指出明確的技術路線，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。