解碼智造，《機·智》當先

朱鐸先 趙 敏

1.北京蘭光創新科技有限公司，北京，1000852.走向智能研究院，北京，100028

1 五大篇幅，理論貫通實踐

筆者深切地感受到，很多企業在進行智能制造規劃或建設時，對智能制造的認識并不清晰，難以理解智能制造的背景、意義及路徑。有些企業的認識還停留在購買高檔機床、工業機器人以及制造執行系統(MES)軟件這些硬軟件上，過于表面化與工具化，盲目性很大。這種做法只能解決企業局部問題，并不能顯著提升企業競爭力，不能有效促進企業的轉型升級，甚至與智能制造戰略初衷相悖。

為了厘清主線，說明機理，《機·智》創新性地以“取勢、明道、優術、利器、實證”五大篇幅為主線，用了12章，既從頂層設計視角討論了智能制造的本源、發展趨勢與應對戰略，匯總對比了德、美、日、中智能制造發展戰略和參考架構模型，又從企業落地實施視角研究了智能制造的戰略戰術與實現路徑，詳細介紹了MES與設備物聯網等數字化車間建設方法及注意事項等。兩個視角，上下呼應，戰略結合戰術，理論結合實踐。

《機·智》第一章到第三章為“取勢篇”，重點介紹企業實施智能制造前需先深刻理解的智能制造產生的大背景及未來發展趨勢，要點在于我們應該如何發揮自身優勢，在這次制造業大轉型升級中少走彎路并取得成功。第一章深入剖析了德、美、日、中這些工業強國和大國為什么不約而同地提出了相近的智能制造戰略，解讀了深層次的原因及發展趨勢。第二章指出德國工業4.0的理念以及“工業4.0參考架構模型(RAMI 4.0)”雖然先進且構思精巧，但同時要了解其恰當的應用場景。第三章對美、德、日、中智能制造戰略進行了分析、比較并提煉要點，特別對“一智各表”的現象進行了解讀，力圖說明“智能”一詞的不同內涵。

《機·智》第四章和第五章為“明道篇”，“明道篇”指出，制造企業在制訂智能制造落地戰略時，不僅要在先進技術和設備上有所突破，更應該充分挖掘人與管理的價值和潛力，才能確保智能制造的成功落地。第四章論述了“人機網三元戰略”、“三體智能模型”和“人-信息-物理系統”的基本思想，以及“以人為本”的東方哲學與西方先進技術如何實現交匯與融合。第五章闡明，在向智能化轉型升級的關鍵階段，企業的經營戰略以及與智能制造相適應的企業文化是比設備、軟件更重要的要素。

《機·智》第六章和第七章為“優術篇”，“優術篇”深度剖析賽博物理系統(CPS，也稱“信息物理系統”)、工業互聯網等先進概念的本質、緣起、發展方向及如何在制造企業中的落地。第六章重點強調，欲做好智能制造和工業4.0，必先了解CPS，“二維九格”定義法為筆者獨創，通過9種CPS落地方案可以輕松幫助企業更好地應用CPS。第七章講述了工業互聯網作為智能制造關鍵基礎設施，催生了新技術、新業態、新模式。

《機·智》第八章到第十一章為“利器篇”，“利器篇”指出車間是智能制造的主戰場，重點闡述了數字化車間建設的原則和主要內容。第八章以離散制造行業為例，基于“六維智能理論”，探討了如何從6個維度建設數字化車間。第九章介紹用數字化手段治理“聾、啞、傻”設備，通過實時采集設備狀態及運轉數據而實現設備的互聯互通、智能化管理和預測性維護，并介紹了實施過程中的相關注意事項。第十章講述了如何用MES系統對生產過程中的計劃、排產、物料、工具、設備、質量等進行全面的精細化管理。第十一章以工業大數據為主線講述了高級排產、虛擬現實/增強現實及新一代人工智能等前沿技術在數字化車間的應用及其前景。

《機·智》第十二章為“實證篇”，“實證篇”強調了一個最淺顯的道理：知易行難。智能制造不能只停留在理論層面，各種理念、理論最終的目的都是為了在企業落地，成功的案例對正在考慮智能制造實施方案的企業有很大的借鑒價值。第十二章收錄了青島海爾模具有限公司、共享集團等4個智能制造的典型案例。

2 東方視角，解讀西方智造

因國情不同，我國智能制造的戰略與路徑注定與德國、美國不同，照抄照搬，難以奏效。我們需要根植于深厚的東方文化，探索出適合中國國情的理論模型與推進路徑。

筆者經過深入研究后發現，德、美制訂的工業4.0等的指導思想是“揚長補短”，其核心均可用廣義上的CPS理念來表示，是一種典型的二元戰略(賽博-物理虛實兩世界)。基于信息化強、制造業弱的現狀，美國采取的戰略是C+P，揚C之長補P之短，其中，C為Cyber，即賽博虛體，包括數字、信息、網絡等虛擬世界；P為Physical，即物理實體，包括機器、設備、設施等實體世界。德國恰恰相反，德國是制造業強、信息化弱，因此德國的戰略是P+C，揚P之長補C之短。

從戰略角度，我們不能簡單地認為“2.0補課、3.0普及”就是補上或普及自動化設備這些硬件，應該清楚地看到，在2.0、3.0兩個階段一百多年的歷史中，德、美等國家完成工業化進程后所沉淀下來的“人”的優勢，包括高素質的勞動者、科學的企業管理、成熟的社會化協作、豐富的工業技術與知識等，這些軟的方面恰恰是我們所不具備的。因此，在制訂智能制造落地戰略時，與人相關的一系列因素是我們必須要考慮、要補課的關鍵。

另外，從技術角度，筆者認為，由金屬和非金屬組成的機器，它自己并不會智能。如今讓機器智能的基本方式和邏輯，是讓人的智能(人腦中的隱性知識、算法等)顯性化，顯性化的知識寫入軟件，軟件嵌入芯片，芯片嵌入機器，由此而讓人的智能(人智)轉變為機器智能(機智)，機器替代大部分原本由人從事的工作，甚至可以比人做得更快、更好，由此而讓人以“知識工作者”的身份，更主動、更快樂、更高效地從事更有創造性、更有價值的知識創新工作。這就是智能制造的基本邏輯，也是本書命名為“機·智”的由來。

基于以上思考，筆者提出了“CPPS人機網三元戰略”。CPPS是Cyber-Person-Physical Systems的縮寫，Person指的是勞動者及其技能、素養、精神以及組織、管理經驗等。CPPS體現了以人為本，人與賽博、物理虛實兩世界的深度融合、迭代發展，構建以賽博智能為目的的人機網三元戰略，見圖1。

圖1 中國特色的CPPS人機網三元戰略

CPPS人機網三元戰略中的“機”是指機床、設備、設施等實體的物理世界，“網”是指以數字、信息、網絡為代表的賽博世界，兩者的融合就是CPS賽博物理系統。

CPPS人機網三元戰略中的“人”包括三層含義：個體的人、組織的人、社會的人。

個體的人包括對員工的招聘、培訓、培養以及敬業合作精神等企業文化的建設，讓員工高技能、高責任心、高主動性地工作。

組織的人指從企業管理角度對生產流程進行優化，對人力資源與工作進行合理組織、科學管理。

社會的人是從社會或國家層面看，可從多維度進行提升。如每年可對數以千萬計考不上大學的人群進行技能培訓，像德國一樣，將這些人中的一部分培養成高素質的藍領勞動者等。

人機網三元戰略反映了中國“以人為本”的東方哲學思想與西方先進技術的交匯和融合，體現了中國人在智能系統研究中的獨特思維方式和學術思想，讓中國這樣一個人口大國在以智能為標識的新工業革命中，明確自己的特色，找到自己的定位，在上述符合國情的智能模型指導下，推出適合本國國情的智能制造發展戰略。

3 三個范式，對應三化融合

《機·智》首開嚴格區分“智能”程度與所對應術語之先河，對Smart、Intelligent兩個術語所描述的兩種不同“智能”現象加以較為嚴格的區分，期待能夠避免乃至消除業內一直存在的“一智各表”的現象。筆者在本書中自我約定并盡量做到：凡是以數字化網絡化(Digital)為核心技術的“智能”，稱作“智數”，以CPS為核心技術(Smart)的“智能”稱作“智巧”；凡是應用了新一代人工智能技術所形成的(Intelligent)的“智能”稱作智能。如此，英文術語與中文術語之間形成一一對應。希望從本書開始，在中文術語上消除對“智能”一詞在理解和應用上的混淆。

2017年12月7日在南京舉辦的“2017世界智能制造大會”上，中國工程院周濟院士作了題為《關于中國智能制造發展戰略的思考》的報告(以下簡稱“工程院報告”)，系統地闡述了對我國發展智能制造的思考，在業界引起了很大的轟動與反響。報告中提出了中國智能制造發展的三個基本范式(簡稱“三范式”)。

工程院報告認為，數字化制造是智能制造第一種基本范式，可以稱之為第一代智能制造，是智能制造的基礎。目前，我國大多數企業和廣大中小企業沒有完成數字化轉型，面對這樣的基本國情，我國在推進智能制造過程當中必須實事求是，踏踏實實完成數字化補課，進一步夯實智能制造發展基礎。數字化制造是智能制造基礎，它的內涵不斷發展，貫穿于智能制造的三個基本范式和全部發展歷程。筆者認為，數字化制造基本上可以認為是基于信息系統集成的“一化融合”。

數字化網絡化制造是智能制造第二種基本范式，或稱為第二代智能制造。工程院報告認為，今后一個階段，三年到五年之內，我國推進智能制造的重點是大規模地推廣和全面應用數字化網絡化制造，即第二代智能制造(第二范式)。如果把第二范式與德國工業4.0中的使能技術CPS加以對比的話，不難看出，該范式對應的就是德國工業4.0中的基于CPS的“Smart Manufacturing”模式的“智巧制造”。“智巧制造”讓比特與原子相遇，賽博與物理交匯，是真正的“兩化融合”。

新一代智能制造范式實際上是在兩化融合的基礎上，加入了更多的“新一代人工智能”算法和技術，讓智能化的要素逐漸增多，系統的智能程度變得越來越高。這種把工業化的物理系統、信息化的軟件系統、智能化的AI算法融為一體的新一代智能制造范式，可以稱之為“三化融合”。

筆者在《機·智》一書中指出，德國人的Smart選詞偏好、美國人的Intelligent用詞情結、中國人的“三范式”遞進研究，構成了國際上研究“智能”的三個基本源頭。筆者把德、美、中三國對“智能”的描述與定義匯聚到一起，并且與兩化融合的內涵進行了詳細的分辨和梳理，彼此之間做了一一對應，給出了表1所示的解讀，既理順不同制造范式之間的遞進關系，又區分了智能的程度和內涵，同時兼顧了兩化融合這個“主線”。

表1 不同范式的智能制造中英文術語與內涵對比

由表1可以看出，工程院報告中的“三范式”表述確實博采眾家所長，對德、美等國的工業發展戰略和智能制造參考架構模型進行了最大程度的融會貫通，同時又提出了“基于新一代人工智能的新一代智能制造”。經過筆者對比研究，認為三個智能制造基本范式與三個融合恰好一一對應。在“建議中文翻譯”條目中，筆者也把最新的研究內容添加進去，形成了術語上自成體系、彼此不會混淆的智能制造范式名稱：智數制造、智巧制造、智能制造。

三個范式的劃分以及與三種融合模式的一一對應，為復雜國情下多元化、多場景、多模式的我國智能制造指明了道路，辨析了使能技術，給出了將來的努力方向。相信筆者提出的新的三范式命名以及與三種融合方式的比對，能夠更好地幫助讀者理解、消化和記憶智能制造三范式。同時，統一了有關術語內涵，避免了詞義混淆，有助于智能制造的良性、健康發展。

4 落地至上，打造數字車間

車間在企業中處于非常重要的位置，是將各種圖紙轉變為產品的主要場所，是決定生產效率與產品質量的重要環節，車間往往也是企業中員工數量最多的組織,因此，在很大程度上，車間強則企業強，車間智則企業智。數字化車間是企業走向智能制造的基礎。

4.1 智能制造先從設備治聾治啞開始

車間設備不只是源源不斷地生產產品，而且也在源源不斷地產生各種數據，而這些數據是企業進行管理改善、產品提質、生產提效、成本降低的重要基礎，相對于物料、設備等有形資產而言，數據是一種無形的生產資源，但我國制造在這方面與國外相比還有較大差距。

據日本經產省2016年的調查顯示，40%的日本工廠在2015年前就已經實施了數據采集，到2016年，這一數字提升為66%，其中大型企業達到了88%。根據工業和信息化部相關報告中的數據，我國規模以上工業企業在2017年的數字化設備聯網率是39%。這里面包含了聯網率比較高的流程行業設備，在離散制造行業實際的聯網率肯定要低于這個數字。根據北京蘭光創新科技有限公司估算，現在全國數控機床保有量200萬臺，真正實現聯網的數控機床不足20%，甚至更低。

梨樹發芽后到套袋前后，即4月初至6月底，是病害由病梢向幼葉、幼果蔓延的關鍵時期，如果遇到春季多雨年份，蔓延速度更快，因此也是噴藥防治的關鍵時期。一般年份在落花后（4月中下旬）噴藥1次，套袋前（5月上中旬）及套袋后（5月下旬至6月上旬）各噴藥1次；在春季多雨年份，4月中下旬和5月中下旬各噴藥1～2次。

由于設備處于孤立的單機生產模式，故設備OEE(設備綜合效率)等指標不高。在2013～2014年，MESA與LNS調查公司對全球的離散與流程等行業的調查結果表明，被調查企業平均OEE為71%，11%的優秀企業高達80%以上。北京蘭光創新科技有限公司已經為軍工和機械制造等六百余家企業、三萬多臺數控設備實施了設備物聯網以及MES等系統。根據統計表明，國內大部分離散企業的OEE不足40%，很多甚至低于30%，與國外優秀企業相差甚遠。很多設備實際上是處于“聾”(與外界沒有交流，程序通信接口形同虛設，加工程序主要是手動輸入)、“啞”(設備或工件出現問題，外界不能及時知道)、“傻”(基于過時的、不準確的、不客觀的人工匯報的形式，不能很好地指導生產)的狀態。

針對這種情況，筆者提出了智能制造先從設備治聾治啞開始的觀點。

通過實施設備物聯網系統，用以太網卡以及Modbus、OPC、ProfiNet總線等不同接口和通信協議，用一臺服務器對車間數字化設備的數控機床、熱處理設備、機器人、AGV、自動化立體倉庫、測量測試等各類數字化設備與設施進行互聯互通，實現程序網絡化傳輸、設備數據自動采集、大數據分析與科學決策，將這些“聾啞”設備融入賽博系統，成為數字化、網絡化、智能化系統的重要組成部分。

通過實施設備物聯網系統，可以準確地獲知設備的狀態、設備利用率、制造參數等信息，再結合MES系統中的協同制造等管理方法，就可以輕松地將OEE由30%多提升到50%左右，效率提升效果相當明顯。

從數字化車間走向智能制造，對企業來說是一條智能智造落地的務實路徑。工業互聯網是智能制造的關鍵基礎設施，數字化車間的設備物聯網又是工業互聯網的有機組成部分，因此，從數字化車間做起，從設備物聯網做起，企業可以較為快捷地由小及大、由內向外、由車間到全企業，建設自己的工業互聯網，進而打造適合企業自身需要的智能制造模式。

4.2 MES理念需要與時俱進

孟子說：“盡信書，則不如無書。”推進智能制造不能過于迷信國外已有定義，拘泥于固有的理論與模型。MES作為智能制造的重要組成部分，很多企業都非常重視，但實施效果往往不理想，其中一個重要原因就是MES現有定義與標準過于陳舊。

4.2.1過時原因

(1)定義時間久遠。MES概念產生于20世紀90年代初期，當時是為了彌補ERP不能對設備層進行直接管控而衍生出的一個概念。1997年MESA(制造執行系統協會)進行了進一步定義，2004年又稍加完善。近些年來，MESA在MES定義及概念、目標等方面并沒有實質性的改變。

(2)定義不嚴謹。MESA規定只要具備十一個之中的某一個或幾個，就屬于MES系列的單一功能產品。這個定義起到了界定哪些模塊屬于MES范疇的作用，但過于寬泛。一個模塊就屬于MES，現在市場上功能強大些的MES系統動輒就十多個模塊甚至更多，都統一叫MES，功能卻相差甚遠。定義不嚴謹，造成了今天MES市場的混亂。

(3)沒有與時俱進。近年來，全球興起了智能制造的浪潮，云計算、大數據、CPS、數字孿生、工業互聯網等理念層出不窮，這些理念必將對制造業產生重大影響，但作為承上啟下、處于智能制造核心的MES系統，其定義沒有體現出來這些理念。如果按照這些傳統理念進行研發與實施，如何能促進企業智能制造的轉型升級？

4.2.2發展趨勢

除了在平臺化、云計算、大數據、移動互聯等計算機開發技術領域進行應用以外，MES系統還應該站在制造業使用者角度，以精益生產為主線，以降本提質增效為中心，參考德國工業4.0等先進理念，結合企業實際情況，建設基于工業3.0、面向工業4.0、體現CPS特點的智能MES系統，構建“設備自動化+管理數字化+生產精益化+人員高效化”的“新四化”數字化車間，為制造企業智能化轉型升級奠定堅實的基礎。

(1)回歸本質。MES之所以叫制造執行系統，非常強調“執行”二字。一方面，MES系統將ERP下發的生產計劃根據車間實際情況，將每一工序分解到每一設備、每一分鐘精細執行；另一方面，在車間內部，形成計劃排產、作業執行、數據采集、設備管理、庫存管理、質量管理等一個全閉環管理，環環緊扣，而非一個簡單的電子化管理系統。精細化、精準化、協同化是MES系統的重要特點，否則生產無法高效、高質地運行。那種通過憑經驗、靠人工進行計劃制訂、現場管理的傳統MES系統，并不能深刻地體現出MES精髓。

(2)貫穿精益。精益生產是MES的基礎與指導思想。從生產過程來看，精益生產中的生產布局、節拍、后工序拉動、標準作業等理念是實施智能制造的基礎。快速切換、減少浪費、可視化生產、均衡化生產、準時化生產、工序流動化等形式是智能制造的過程目標。同樣，智能制造是精益生產落地的重要使能手段，如設備互聯互通、高級排產、過程協同、資源精益化管控、質量過程管控、大數據分析、可視化、預測性維護等都有助于精益生產的落地與提升。從實現的目標來看，智能制造與精益生產殊途同歸，實現敏捷、高效、高質、低成本的生產與服務模式是兩者的共同目標。在MES系統中，一定要充分體現精益生產的理念，促進精益生產在企業中的進一步落地。

(3)體現CPS。無論是德國工業4.0還是中國制造2025，均是以智能制造為主攻方向，以CPS技術為關鍵使能技術。德國人認為：“在制造業領域，CPS包括智能機器、存儲系統和生產設施，能夠相互獨立地自動交換信息、觸發動作和控制。CPS將推動生產對象直接或借助互聯網通過M2M(Machine to Machine，機器對機器)通信自主實現信息交換、運轉和互相操控。”從本段文字我們可以看到，對車間中的機床、機器人等各類數字化設備進行互聯互通，德國人認為是CPS在車間中的具體應用，這也是中國工程院智能制造“三范式”中“智巧制造”的重要組成部分。在MES中體現CPS特點，車間中設備的互聯互通是其重要基礎，不能把MES做成一個與設備底層無關的純信息化系統。

(4)智能是趨勢。本次工業革命的核心是智能制造，應該充分發揮自動化、數字化、網絡化、智能化的優勢，打造出虛實融合、能實現數據自動流動的智能化MES系統。基于這些年的研究與思考，筆者提出了智能制造下的“六維智能”理論，用該理論指導蘭光MES系統研發并取得了很好的應用效果。“六維智能”是分別從計劃源頭、過程協同、設備底層、資源優化、質量控制、決策支持等6個方面的智能著手，實現生產過程的自動化、數字化、網絡化、智能化管理與控制。

5 不忘初心，提質增效創新

在推進智能制造的過程中，既要有一定的先進性、前瞻性，更要本著務實有效的原則，不要過于理想化，不要過多強調自感知、自決策、自執行、自組織、自學習等技術，企業不是研究機構，應該以降本提質增效、提升企業競爭力為根本目的。在實施智能制造的路徑上，強烈建議先做Digital及部分Smart，做好這兩步以后再考慮做Intelligent。

根據“二八原則”，解決80%的問題，通常只會耗費20%的成本，而剩下的20%卻需要高昂的成本。以前的產品更新換代慢，很多產品往往很多年都在重復生產，為了適應日新月異的市場變化和個性化需求，即將建設的系統很可能過幾年就需要更新和調整。系統滿足當前需求并有一定的前瞻性即可，不要過分復雜、不要過于強調技術的先進性，否則，沉重的投資會給企業帶來很大的經濟負擔。

智能制造要以實際需求為牽引，以經濟效益為驅動，以成功落地為導向。在先進設備的基礎上，在管理方面深挖潛力，充分發揮人的作用，構建數字化、網絡化和適度智能的生產模式，由“人智”轉化成“機智”，切實做到明顯的“降本提質增效”。以量化數據為基礎，循序漸進，有效地提升企業的競爭力。比如通過設備聯網，實現治聾治啞，以此作為企業做智能制造的基本“入口”，通過較短時間，能將設備利用率提高一倍，將產品合格率提升一個檔次，這才是比較務實的智能制造建設原則。

總之，不管什么范式的制造，都必須不忘企業最大的初心——降本提質增效與創新發展。智能制造，必須為企業的這個初心打開新的視野，提供新的技術，闖出新的路徑。