智能制造與印刷工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)

謝博

2013年，德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部提出了“工業(yè)4.0”概念，并將其描述為通過(guò)充分利用“信息物理融合系統(tǒng)”，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型的第四次工業(yè)革命。同時(shí)，美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)等制造強(qiáng)國(guó)也紛紛發(fā)布了自己相應(yīng)的先進(jìn)制造發(fā)展計(jì)劃（戰(zhàn)略），都將發(fā)展智能制造作為本國(guó)構(gòu)建新形勢(shì)下制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵舉措。

面對(duì)新一輪工業(yè)革命，我國(guó)提出的“中國(guó)制造2025”明確指出，要以新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向。由智能產(chǎn)品、智能設(shè)備、宜人的工作環(huán)境、高素質(zhì)的勞動(dòng)者和智能能源供應(yīng)等構(gòu)建智能工廠是智能制造的核心構(gòu)想。智能制造借助計(jì)算機(jī)建模仿真和信息通信技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，從而大幅減少物質(zhì)資源和能源的消耗，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的制造模式。顯然，“智能制造”對(duì)我國(guó)“中國(guó)制造2025”的制造強(qiáng)國(guó)的實(shí)現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)與長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

隨著客戶需求日益增多的多樣化和個(gè)性化，印刷生產(chǎn)制造逐步進(jìn)入了“大規(guī)模個(gè)性化定制”的新生產(chǎn)模式。因此，印刷工業(yè)也需要在“智能制造”理論的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)以適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)。

智能制造發(fā)展的技術(shù)機(jī)理

1.智能制造系統(tǒng)概述

討論“智能制造”，西門(mén)子作為“工業(yè)4.0”重要的推動(dòng)者和實(shí)踐者，它是一個(gè)重要的參考對(duì)象。西門(mén)子認(rèn)為，“工業(yè)4.0”是一次由現(xiàn)代信息和軟件技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)相互作用的革命性轉(zhuǎn)變。這場(chǎng)轉(zhuǎn)變對(duì)生產(chǎn)過(guò)程將產(chǎn)生革命性的改變：數(shù)字化技術(shù)將貫穿產(chǎn)品全生命周期，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)規(guī)劃，生產(chǎn)工程以及生產(chǎn)執(zhí)行到服務(wù)；生產(chǎn)制造被分為了物理（現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)）和數(shù)字（虛擬生產(chǎn)）兩個(gè)世界，并實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)合二為一。

在物理世界里，主要包括了物理的對(duì)象如機(jī)傳感器、執(zhí)行器、機(jī)器、控制器等實(shí)體對(duì)象，數(shù)字世界則主要負(fù)責(zé)由數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析以及智能計(jì)算等工作。物理世界里基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器（節(jié)點(diǎn)）通過(guò)信息的采集將一切物理的東西獲得一個(gè)數(shù)字映射，所有的“物”、資源都有“數(shù)字雙胞胎”（Digital Twin）。“數(shù)字雙胞胎”不僅能對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)映射（數(shù)字化仿真），還能對(duì)物理世界中的系統(tǒng)或生產(chǎn)進(jìn)行虛擬仿真與調(diào)試，并可根據(jù)虛擬仿真與調(diào)試的結(jié)果對(duì)物理世界進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界（信息系統(tǒng)）和物理系統(tǒng)的深度融合，獲得“信息物理融合系統(tǒng)”。

由于“信息物理融合系統(tǒng)”的深度應(yīng)用，在“智能制造系統(tǒng)”可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)。從客戶預(yù)定“定制化”產(chǎn)品開(kāi)始，到個(gè)性化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以及靈活高效的生產(chǎn)線流程和無(wú)縫的供應(yīng)商信息交換，“智能制造系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了智能的自主生產(chǎn)，而這一切可以讓消費(fèi)者以更快的速度、更合理的價(jià)格得到自己個(gè)性化的產(chǎn)品。

2.智能制造發(fā)展的技術(shù)機(jī)理

早期還沒(méi)有信息系統(tǒng)介入的傳統(tǒng)制造系統(tǒng)，包含人和物理系統(tǒng)兩大部分。操作者通過(guò)直接對(duì)機(jī)器進(jìn)行操作控制去完成各種工作任務(wù)。生產(chǎn)過(guò)程中，相關(guān)的感知、分析決策以及學(xué)習(xí)認(rèn)知等活動(dòng)也全由人來(lái)完成。到了20世紀(jì)中葉，以數(shù)字化為主要形式的信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，在制造系統(tǒng)中加入了信息系統(tǒng)。信息系統(tǒng)將原有的“人-物理”二元系統(tǒng)變?yōu)榱恕叭?信息-物理”三元系統(tǒng)。信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者通過(guò)將人類(lèi)已獲知的知識(shí)通過(guò)算法代碼形式進(jìn)行復(fù)制遷移到人工智能系統(tǒng)內(nèi)，如專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)。這樣，制造系統(tǒng)就呈現(xiàn)出了相當(dāng)程度的智能，操作者的部分感知、分析及決策功能向信息系統(tǒng)復(fù)制遷移。操作者通過(guò)信息系統(tǒng)來(lái)控制物理系統(tǒng)，這樣不僅人類(lèi)更多的體力勞動(dòng)得到代替，同時(shí)人類(lèi)部分的腦力勞動(dòng)也得到了代替。

近年來(lái)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等技術(shù)的應(yīng)用，人工智能加速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)略性突破。人工智能技術(shù)呈現(xiàn)出了前所未有的“認(rèn)知”和“學(xué)習(xí)”能力，發(fā)展成為“新一代人工智能技術(shù)”。隨著先進(jìn)制造技術(shù)與新一代人工智能技術(shù)的深度融合，形成了“新一代智能制造”，也就是我們當(dāng)前討論的“工業(yè)4.0”背景下的“智能制造”。新一代智能制造系統(tǒng)同樣還是“人-信息-物理”三元系統(tǒng)，但與原有的系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。首先，信息系統(tǒng)增加了認(rèn)知和學(xué)習(xí)的功能，信息系統(tǒng)不僅具有強(qiáng)大的感知、計(jì)算分析與控制能力，更具有了學(xué)習(xí)提升、產(chǎn)生知識(shí)的能力；其次，“信息”和“物理”兩個(gè)子系統(tǒng)在“數(shù)字雙胞胎”的支撐下深度融合為“信息物理融合系統(tǒng)”，從更宏觀的角度上觀察，新一代智能制造系統(tǒng)可視為“人-信息物理”二元系統(tǒng)。由于制造系統(tǒng)具備了“認(rèn)知”和“學(xué)習(xí)”能力，因此操作者大量的體力勞動(dòng)和包含部分創(chuàng)造性的腦力勞動(dòng)得到代替，人類(lèi)得以有更多的精力去完成更有創(chuàng)造性的工作。顯然，在“工業(yè)4.0”時(shí)代，制造領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)生、獲取、應(yīng)用和傳承效率將發(fā)生革命性變化，顯著提高創(chuàng)新與服務(wù)能力。

智能制造與印刷工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)

1.智能制造在印刷工業(yè)中的應(yīng)用

伴隨著“工業(yè)4.0”的發(fā)展，印刷工業(yè)也朝著“印刷工業(yè)4.0”方向發(fā)展。“印刷工業(yè)4.0”就是“工業(yè)4.0”在印刷工業(yè)中進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的結(jié)果。在“印刷工業(yè)4.0”背景下的印刷系統(tǒng)將以“智能印廠”形式呈現(xiàn)。

在智能印廠中，生產(chǎn)設(shè)備之間、設(shè)備和產(chǎn)品之間、虛擬和現(xiàn)實(shí)之間通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)著印刷系統(tǒng)中的一切過(guò)程、一切目標(biāo)和一切事物。新一代智能技術(shù)通過(guò)生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)提取知識(shí)，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自主化。因此，未來(lái)的智能印廠將呈現(xiàn)出三大技術(shù)特征：數(shù)據(jù)、互聯(lián)和智能。

伴隨著制造系統(tǒng)的智能化發(fā)展，印刷工業(yè)的產(chǎn)業(yè)模式也將實(shí)現(xiàn)從以產(chǎn)品為中心向以用戶為中心的根本性轉(zhuǎn)變：第一，從大規(guī)模流水線生產(chǎn)轉(zhuǎn)向大規(guī)模定制化生產(chǎn)；第二，產(chǎn)業(yè)形態(tài)從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。我們可以看到，在社會(huì)的個(gè)性化小批量的印制需求的拉動(dòng)下，當(dāng)前各種新的印制模式在不斷涌現(xiàn)，如按需印刷、網(wǎng)絡(luò)印刷、精益印刷、相冊(cè)定制等，印刷工業(yè)正在發(fā)生深刻的變革。

面對(duì)著行業(yè)的深刻變革，并在《中國(guó)制造2025》的制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的影響下，中國(guó)的印刷工業(yè)對(duì)于智能升級(jí)有著極為強(qiáng)烈的需求。“智能印廠”不是單一的某種設(shè)備、某種技術(shù)的升級(jí)，而是整體、系統(tǒng)的全面升級(jí)，是信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合、集成創(chuàng)新的根本性變革，最終建立起一個(gè)高度靈活、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的個(gè)性化、數(shù)字化、規(guī)模化的印刷產(chǎn)品和服務(wù)的制造和提供者。但是總體而言，由于中國(guó)智能制造的基礎(chǔ)非常薄弱，大多數(shù)企業(yè)，特別是廣大中小企業(yè)，還沒(méi)有完成數(shù)字化制造轉(zhuǎn)型。這就需要我們思考出一個(gè)適合中國(guó)國(guó)情的轉(zhuǎn)型升級(jí)策略，為中國(guó)從印刷大國(guó)向印刷強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變提供行動(dòng)指南。