新工業革命背景下的智能制造發展研究

李 晟

（東方國信，河南 鄭州 450066）

1 概述

如今，信息通信技術、新能源、新材料、生物技術等重要領域和前沿方向不斷出現革命性突破和交叉融合，人工智能、數字制造、3D 打印等技術不斷成熟，加之2008 年全球金融危機后以美國為首的主要發達國家推出 “重返制造業”的戰略政策，正引發全球工業發展模式發生巨大變革。一種普遍的觀點認為，“第三次工業革命”已經到來。然而當前各國對智能生產的界定存在一定的分歧。因每個國家發展條件不同，所以還是要創造適合自身的技術體系。中國工業和信息化部門對“智能化”概念的界定為：智能化生產是以新一代信息通訊技術和先進制造技術為基礎，貫穿于設計、生產和管理之中；它是具有自感知、自學習和自主決策能力的生產過程。這一概念體現了中國對智能化生產的認識。

“智能制造”是日本工業界于一九八九年推出的第一個智慧生產體系；美國于一九九二年推行新技術方針，目的在于推動傳統工業的更新與發展，包括信息科技、新制造工藝、智能制造技術等。智能制造表現出制造業和服務業相融合的趨勢，這使得傳統的產業結構理論需要加以創新。

就制造業的發展歷程看，智能制造代表目前制造業發展的最高階段。它是建立在以信息化和自動化為代表的工業3.0 成熟發展的基礎之上的。從現有的資料來看，美日是世界上最早開始智能制造進程的國家。美國學者杰里米·里夫金在其 《第三次工業革命》一書中提出，“第三次工業革命”是由互聯網技術與可再生能源革命相結合所產生的 “能源互聯網”為標志的工業革命。

德國2013 舉辦漢諾威工業展覽會，并提出“工業4.0”將提升德國的工業競爭能力。根據德國的工業4.0理論，其戰略的重點是以“物聯網”與“業務聯網”為基礎，把產品、機器和資源整合起來；將人有機地結合起來，建立一個面向對象的信息-物理融合系統（CPS），實現產品生命周期和整個制造過程的數字化，并在 ICT 技術的基礎上實現端對端的一體化，從而形成一種高度靈活、可重構、個性化、數字化、網絡化的產品和服務的生產模式。

從世界范圍來看，目前無論是理論構架還是現實技術條件都還處于較初級階段，要真正進入工業4.0 時代還需要較長的時間。即使在工業自動化發達的德國，要建立真正的全生命周期智能化制造系統，并投入大規模應用也還有很長的路要走。根據工信部關于“智能化”的概念，可以看到，“智能化”是“4.0”的關鍵所在。智能化生產和常規生產有著顯著的不同，這種差異在四個層面上表現出來。一是生產設計更加注重顧客的需要，技術上實現了與現實的融合，實現了對需求和設計的實時互動，縮短了產品的開發時間；二是柔性化、智能化、生產管理模式的個人化、檢驗流程的在線化、實時化、人機互動和多種生產形式的形成；三是生產經營越來越依靠資訊系統，比如越來越多地利用電腦資訊技術、更多的人機互動、控制，涉及上下游乃至全鏈條。四是智能化的產品可以覆蓋所有的生產過程，使其從生產到銷售全閉環，從而使其更好地適應市場，更好地滿足顧客的個性化要求。

2 新工業背景下的工業互聯網分析

工業網絡的首要目的是要使企業運作更加智能化，并產生工業效益，其實質為利用工業互聯網的智能化生產設備，環境檢測設備，生產線；工廠，物流平臺，產品供應商；生產操作員、消費者等各環節要素資源的聯系和整合，突破溝通的障礙，有效地共享和協調各種制造資源、服務資源和人力資源，從而促進制造業和服務業的大整合，并在生產制造鏈的全流程中實現資源的有效分享。[1]

與目前的因特網不同，它強調的是物理設備、感測設備等多個方面的全面聯系（互聯），數據高速傳輸，多類型集成，分析和建模，其實質是工業互聯網。美國的工業互聯網聯合會在2017 年將其替換為“行業物聯網基準體系結構”。

在制造業方面，“生產+物聯網”被稱為以“互聯網+”為基礎的生產（IoT）。

通用電器的“工業網絡”概念與德國“工業4.0”的概念如出一轍，并被譽為“工業4.0”的美國版本。不管是2012 年由通用電器推出的“工業網絡”，或是在2013 年由德國發起的“工業4.0”，或是在2015 年推出“中國制造2025”，都旨在實現流程、設備等數字化；信息化的關鍵在于實現實體與資訊的虛擬與現實的結合，向智能化的生產方向發展，從而使生產力最大化，最大限度地迎合使用者的個性化需要，并為企業帶來更多的利益。

在亞洲，AKARI 是由日本信息與通訊研究所（NI CT）于2006 年發起的一項關于未來因特網的調查，旨在于2015 年以前建立一套嶄新的網絡系統結構，以應付目前網絡所面臨的問題以及將來網絡的發展需求。[2]

互聯網已經發展到了一個將信息采集、傳輸、存儲和計算的時代，它的“四網”即Internet、IbfP、IoCK、業務聯網（IoS）和物聯網（IoT）已經是支撐未來網絡的四大主要技術。因特網的發展歷程，既說明了信息化的時代潮流，又為制造業的數字化、信息化及智能化提供了一個新的思路。

物聯網是一個由計算設備、智能感測設備和全球定位系統組成的系統，其擁有統一的、獨特的標識代碼，能夠在互聯網上傳送信息，并能夠知曉物體與人之間的互聯，并能夠智能地感知、辨別和控制物體和程序。物聯網利用無線技術和無線頻率識別技術，可以讓計算機在不受人為因素影響的情況下觀察、識別和認知這個世界，而不會受到人為因素的影響，它的體系結構一般包括感知層、網絡層、平臺工具層和應用層。SRI Consulting Business Intelligence 的技術被全球各國的政府和科研單位所采用，這四大部分包括供應鏈輔助、垂直市場應用、遍及全球的尋址服務，最終實現了“The Physical Web”（意思是將所有的物聯網裝置都標記成URL）。

利用互聯網所獲得的大量信息，我們需要云計算技術、大數據處理和儲存技術，使之成為有用的信息、知識或智慧。在我們使用WeChat，QQ，Email；MSN、Blog、Tag、SNS 和維基等社交通訊工具和因特網把服務的資源擴展到社交領域時，我們可以通過群體智力（CI）來進行知識交流、知識協同創新、知識儲備沉淀；一個人的決定，一般都比不上多個人的決定，一個人的智慧，就是一個人的力量，多個人的觀點被集合起來，并轉換為決策的一種過程是通過多主體的合作與競爭涌現出來的一種集體共識一致的決策模式。Web3.0 使使用者和因特網的互動變得更為靈活，它的使用者不但可以在網上獲得信息，而且還可以作為信息的發布者和傳播者，根據網絡的規則，可以在網上隨意地發表自己的內容、信息、知識等；通過這種特點，群體智力可以迅速且有效地促進社會的內容和知識共享。在網絡的快速發展和廣泛的應用下，基于社群的論壇、朋友圈、創新興趣小組等在群體智力進化的進程中發揮了越來越大的作用。“眾扶、眾籌、眾創”的“共享服務、跨界融合”，著重發揮“政、產、學；科、研、金”，用六方合一的整體合力實現優質、高效、快速的響應；節能環保，智能制造，為客戶提供優質的服務，增強企業在市場上的競爭力。[3]

物聯網可以利用業務網絡和“生產即服務”的概念，將分散的生產資源轉化為虛擬的服務，并將不同的服務資源整合在一起，形成一個“服務”的集合，以滿足客戶的需求、及時的服務和更佳的使用體驗。SOA 的概念已經被普遍認可并被植入產品的整個生產過程中，包括原材料供應、生產和銷售、服務等。由此，服務的內涵也被擴展，不僅限于產品自身的售后服務，還涵蓋了各類生產相關的資源、能源和知識；在這種情況下，制造網格和云制造就是一種新的服務方式。單個服務通常只能處理一個特定的服務，而不可能同時處理多個復雜的服務，這就要求把一個復雜的服務分成不同的單元，而不能被分割開來，通過服務組合、擇優、遺傳等高效的優化方法來優化服務組合。SOA的服務性系統“是一種松耦合的架構，可以讓各個單獨的服務或子系統在沒有大的改變或者完全改變現有的體系架構的情況下，實現對服務節點的增、刪、查；由于服務系統和服務平臺的穩定性的提高，隨著將來的網絡架構不斷健全，網絡與 AI 的廣泛普及，可以實現大規模的群體化發展與應用，不僅能夠做到“制造即服務”，而且還能實現“數據即服務”“軟件即服務”“基礎設施即服務”“平臺即服務”“安全即服務”“管理即服務”等，并逐步邁向“一切服務”的智能服務社會。[4]

3 新工業革命與新一代智能制造

先進的數控機床、自動化機器人技術和功能完備的工業控制體系正在促使制造業朝著大規模的、靈活的生產轉型。比如物聯網、AI2.0,3D 打印、電動汽車等。隨著云計算、大數據、CPS 等新技術的興起，實現了智能化供應。

在過去的幾百年里，工業模式經歷了幾次大的變革，從1.0 到4.0，都會隨著市場的需求而改變，但整體上，它的規模越來越大。從1.0 的一維到2.0 的工業2.0(Volume+Variety)，到3.0 的工業4.0 (Volume+Variety+DeliveryTime+DeliveryTime)，最終演變成了四維的工業4.0 (Volume+Variety+DeliveryTime+CustomerDemand）。

與之相比，工業4.0 有了新的技術特點。一是它不限于“人在環內”，它可以操縱制造實體體系，而轉向“人在環上”，或者“人在環外”。以泛在感知為基礎，物聯網、云計算為基礎；5G 通信技術包括高可靠性、低延時等，通過推理人類的意圖、心理狀態、情緒、行為，將人類行為包含到系統自身，從而達到物聯網中人-機-物-環境的真正互聯互通，物理與信息世界的虛實交互融合、共享信息、實時智能優化決策；對實際的生產體系進行精確控制；二是伴隨音頻、圖像、視頻等在軟件中的運用；隨著人類社會交際的日益廣泛，數據的處理也從單一的結構化數據轉向了半結構化、非結構化的數據，對海量的、復雜的數據進行即時的分析，并能迅速地抽取出需要的信息、知識和智慧，是智能生產的一個難題；關鍵點：分析所用的資料，除了來自生產的基本資料外，還包括來自人際關系網絡的各種額外資料。[5]

在工業4.0 中，CPS 是其核心，其關鍵在于將實體和虛擬相結合，目前已有的虛擬現實技術有 CPS 技術、數字孿生技術、AR/VR/MR 技術。[6]

4 結語

從“數字制造”到“計算機+”，再到網絡、深度學習、邊緣計算；隨著新一代的資訊科技和 AI 技術的發展，以及工業的“AI+”，無論從哪一個角度都可以看出，“AI+”是未來制造業發展的大方向，而“AI+”則是基于“計算機+”與“互聯網+”的發展。所以，要使制造業的智能化升級，必須通過“計算機+”來推動制造業的數字化，并通過“互聯網+”來完成縱向、橫向、端對點的集成；同時，還要推動新一代的人工智能，如大數據、深度學習、區塊鏈等，深入制造領域。

盡管工業4.0 注重大規模的個人化生產，但未來的生產將是一種大規模生產、大規模定制和大規模個人化生產的“長尾巴”，對目前還處在從2.0 到3.0 的中國制造業來說，實現“智能化”生產，即“長尾巴”生產，可以為企業生產帶來更多的、更廣泛的產品和服務。

國內學術界對于“第三次工業共鳴”的主流觀點還是“制造業的數字化革命”。黃群慧、賀俊指出，“第三次工業革命”是以智能化、數字化、信息化技術的發展為基礎，以現代基礎制造技術對大規模生產流水線和柔性制造系統的改造為主要內容，以基于可重構生產系統的個性化制造和快速市場反應為特點，將從根本上解決傳統制作系統下新產品開發周期、生產利用率、生產成本、產品質量、個性化需求等主要產業競爭要素之間的沖突，實現生產制造的綜合優化和運營效率的大幅提升。