導讀

INTRODUCTION

探尋智能制造的真諦——《智能制造概論》讀書筆記與思考。

文章信息

本文由國家智能制造專家委員會委員、e-works數字化企業總編、CEO黃培博士原創。

《二十大報告》強調，我國要堅持把發展經濟的著力點放在實體經濟上，推進新型工業化，加快建設制造強國、質量強國的建設，推動制造業高端化、智能化、綠色化發展。《十四五規劃》指出，我國將深入實施智能制造和綠色制造工程，發展服務型制造新模式，建設智能制造示范工廠，完善智能制造標準體系。《十四五智能制造發展規劃》則指出，智能制造是基于新一代信息技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有自感知、自決策、自執行、自適應、自學習等特征，旨在提高制造業質量、效益和核心競爭力的先進生產方式。作為制造強國建設的主攻方向，智能制造發展水平關乎我國未來制造業的全球地位，對于加快發展現代產業體系，鞏固壯大實體經濟根基，構建新發展格局，建設數字中國具有重要作用。

這三個重要文件為我國制造業轉型和智能制造推進指明了方向。那么，

? 智能制造的定義是什么？內涵是什么？

?智能制造與其他現代制造理念之間的關系如何？

?制造企業實現智能化的途徑有哪些？

只有正確理解這幾個根本性的問題，才能正確把握推進智能制造的方向，明確智能制造的推進策略。

最近，我仔細研讀了李培根院士和高亮教授撰寫的《智能制造概論》一書。這本書高屋建瓴，對于智能制造的上述根本性問題有非常精彩的論述，充分體現了兩位專家在智能制造領域的學術思想和前瞻性思維，讓我茅塞頓開，做了很多讀書筆記。本文將摘錄該書的精辟內容，以及我對這些問題的理解與思考，敬請讀者指正。文章中的黑體字大部分引自書中的重要論述。

關于智能制造的定義推進智能制造的前提是準確理解智能制造的內涵。《智能制造概論》在介紹了國內外專家和研究機構給出的智能制造定義基礎上，給出了對智能制造的定義。 書中介紹，美國的Wright和Bourne在其《制造智能》（智能制造研究領域的首本專著）中，將智能制造定義為“通過集成知識工程、制造軟件系統、機器人視覺和機器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進行建模，以使智能機器能夠在沒有人工干預的情況下進行小批量生產”。《智能制造概論》評價，雖然智能制造并不限于小批量制造，但這個定義是富有遠見和開創性的。 中國科學院老院長路甬祥院士對智能制造給出的定義是：“一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，它在制造過程中能夠進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造活動中的腦力勞動。它把制造自動化的概念更新、擴展到柔性化、智能化和高度集成化”。《智能制造概論》認為，這個定義強調人機一體化，乃深刻洞見。 在綜述相關定義的基礎上，《智能制造概論》給出了對智能制造的定義：將機器智能融合于制造的各種活動中，以滿足企業相應的目標。 這個定義可謂言簡意賅。其中的關鍵詞包括：機器智能、融合、制造活動、目標。機器智能包括計算、感知、識別、存儲記憶、呈現、仿真、學習、推理……，既包括傳統智能技術（例如傳感和基于知識的系統KBS），也包括新一代人工智能技術（例如基于大數據的深度學習）。機器智能是人類智慧的凝結、延伸和擴展，總體上并未超越人類的智慧，但某些單元智能的強度遠超人的能力。企業的制造活動包括研發、設計、加工、裝配、設備運維、采購、銷售、財務等；融合意味著并非完全顛覆以前的制造方式，而是通過融入機器智能，進一步提高制造的效能。智能制造的目的是滿足企業相應的目標，提高效率、降低成本、綠色均屬于企業的目標。 《智能制造概論》給出了智能制造系統的定義：把機器智能融入包括人和資源形成的系統中，使制造活動能動態地適應需求和制造環境的變化，從而滿足系統的優化目標。資源包括原材料、能源、設備、工具和數據等，需求可以是企業外部的（客戶需求或社會需求），也可以是來自企業內部的；環境包括設備工作環境、車間環境、市場環境等；系統可以是一個加工單元或生產線、一個車間、一個企業，或者一個企業及其供應商和客戶組成的企業生態系統；動態適應意味著對環境變化（例如溫度變化、刀具磨損、市場波動等）能夠實時響應；優化目標則涉及企業運營的目標，如效率、成本、節能降耗等。書中提出的智能制造系統的層次十分重要，即不能狹義地理解理解智能制造只是生產制造環節的智能化，而是要延伸到企業的運營過程、供應鏈協同，乃至整個企業的生態系統。 《智能制造概論》強調，智能制造系統并非要求機器智能完全取代人，即使未來高度智能化的制造系統也需要人機共生。同時，智能制造不能僅僅著眼于降本增效的經濟性指標，還應該能夠持久地對社會創造新的價值。

圖2. 智能制造系統的層次

關于智能制造的內涵《智能制造概論》指出，經典的自動化技術面對的基本是結構化的問題，尤其固定的模式，但企業里存在大量的不確定性問題，例如質量的波動問題，有很多顯性和隱性的不確定因素；企業中有大量的問題是非結構化的，企業中存在大量非結構化的數據；企業中很多問題是非固定模式的，例如不同類型的企業實施個性化定制的方式肯定不一樣。企業是一個大系統，必須通過更清晰地認識整體聯系，以提高企業的整體效能。 基于上述的分析，《智能制造概論》提出：智能制造的本質和真諦是利用物聯網、大數據、人工智能等先進技術認識制造系統的整體聯系，并控制和駕馭系統中的不確定性、非結構化和非固定模式問題，以達到更高的目標。

關于智能制造與其它制造模式的異同最近幾十年出現了精益生產、柔性制造、敏捷制造、集成制造、綠色制造、并行工程、大批量定制、虛擬直走、網絡化制造等30多種制造模式。因此，要真正理解智能制造的內涵，必須說清楚智能制造與這些制造模式之間的關系。 《智能制造概論》指出，智能制造既然融合了人類智慧與機器智能，其技術當然能夠適用于各種制造模式。智能制造也應當融合各種制造模式的理念。可持續發展理念是近年來李培根院士非常強調的觀點。書中指出，對于與人民生活和社會發展緊密相關的制造業，在可持續發展中的作用自然舉足輕重，而制造業實現可持續發展的途徑就是綠色制造。其中，綠色設計、綠色產品是基礎，產品在生產和運行中如何降低能耗？如何實現報廢回收過程中可拆解？如何使可能產生污染的物質不泄露？某些貴重的物質易于回收？這些都是產品設計人員需要考慮的重要因素。企業也需要考慮面向制造的設計（DFM）等理念，有助于企業在滿足產品功能和質量要求的前提下，降低加工成本和能耗。如何在產品的加工生產過程中更好地檢測和控制污染的排放，這是企業實施綠色制造的基本問題，企業應當依托智能工廠對環保大數據進行監測。加工制造過程中的節能與企業直接相關，工廠的節能，不僅間接地影響排放，而且直接影響成本。通過對九江石化、三菱電機福山制作所和華為的案例分析，書中強調，綠色制造的實施離不開智能制造技術支撐，智能制造的理念應該覆蓋綠色制造的思想。例如，施耐德電氣提出并踐行綠色智能制造理念，取得了良好的成效。 李培根院士非常強調以客戶為中心，實現顧客主義和商業長期主義。這些觀點在書中也進行了介紹。書中指出，在今天的數字化環境下，行業的藩籬被打破，資源和能力在不同企業之間的流動越來越頻繁，企業曾經的核心競爭力可能會成為路徑依賴，反而阻礙企業的創新和發展。因此，只有真正抓住客戶，才能使企業在動態多變的環境中生存與發展。數字技術，尤其是互聯網賦予了企業更先進的理解和服務客戶的手段。企業和客戶之間的觸點越來越豐富，可以幫助企業更好地把握客戶的需求，提高產品的定制化水平。顧客主義的邏輯不僅在于了解和滿足客戶已有的需求，還有可能創造和引領客戶的潛在需求。商業長期主義指的是以企業的長期發展作為終極目標，不要為短期利益而犧牲長期發展機會。長期主義與以客戶為中心聯系在一起。正如亞馬遜創始人貝索斯所說：“以顧客為中心并不能保證你不受競爭影響，但如果從客戶需求出發進行創新，你將能保持領先”。書中指出：無論是顧客主義還是商業長期主義，數字化、網絡化、智能化技術是奉行其理念的最好手段。智能制造的首要任務是把數字化、智能化技術用于產品，使其具有超乎客戶想象力的功能。 以客戶為中心，需要強調設計-制造-使用的一體化，推進大規模個性化定制，并實現服務型制造。 精益生產是現代制造的核心理念之一。精益生產的終極目標為零浪費，具體包括：

PP(Products，多品種混流生產）——“零”轉產工時浪費，即將加工工序的品種切換與裝配線的轉產時間浪費降為“零”或接近為“零”；

II(Inventory，消減庫存）——“零”庫存，即消除中間庫存，盡可能將產品庫存降為零；

CC(Cost，全面成本控制）—“零”浪費，即消除多余制造、搬運、等待的浪費，實現零浪費；

QQ(Quality，高品質)——“零”不良，即不能只在檢查位檢出，而應該在產生的源頭消除它；

MM(Maintenance，提高運轉率)——“零”故障，即消除機械設備的故障停機，實現零故障；

DD(Delivery，快速反應、短交期)——“零”停滯，即最大限度地壓縮提前期(lead time)，消除中間停滯；

SS(Safety，安全第一)——“零”災害。

書中指出，就技術角度而言，自動化、柔性化、智能機器人、數字化、網絡化等技術有助于精益生產的實現。精益生產強調持續改進，《智能制造概論》提出，利用智能制造的手段，改進一點點。這句話的內涵，就是強調智能制造可以幫助企業更好地踐行精益理念，例如，Honeywell等企業就采用了精益數字化這一術語。

企業進化與智能制造《智能制造概論》指出，智能制造覆蓋的范圍廣，涉及的技術很多。僅僅局限于概念和技術層面理解智能制造是不夠的。 企業發展是一個不斷進化的過程。市場環境在不斷進化，技術在不斷進步。任何一個企業為了應對激烈的市場競爭，為了實現自身的使命和持續發展，都需要不斷進化。正如自然界是物競天擇、適者生存一樣，在激烈的市場競爭中，只有那些產品不斷進化、流程不斷優化，能夠打造具有競爭優勢的企業生態系統的企業才能立于不敗之地。這是《智能制造概論》一書獨特的視角，也是李培根院士一直十分強調的觀察和研究智能制造的視角，本書用了較大篇幅進行論述。其實質是探討智能制造技術應用對于制造企業的進化能夠帶來怎樣的價值？企業的進化首先在于產品的不斷進化。對于制造企業而言，有一個符合市場需求的好產品是生存與發展的基本前提。本書分析了柯達、諾基亞和摩托羅拉市場沉浮的經典案例，并指出，數字化、網絡化和智能化技術大大加速了產品進化的速度。書中給出了智能產品的定義：智能產品是通過數字和智能技術的應用而呈現某種智能屬性（計算、感知、識別、存儲、記憶、互聯、呈現、仿真、學習、推理……）的產品。一個智能產品應當具備對外部世界的感知能力、記憶和計算能力、學習和自適應能力、行為決策能力、執行控制能力等。智能產品的計算智能高于人類，智能機器對制造工況的主動感知和自動控制能力高于人類。智能產品（非指純軟件）往往包括物理部件、智能部件、互聯部件和軟件。我認為，智能產品就是一個CPS，具備Computing（計算）、Communication(通訊)和Control（控制）能力。 書中指出，智能產品研發應當考慮以下原則，即：產品是提供服務的載體；要重視用戶體驗；要建立產品的生態，包括產品集群生態、產品的伙伴生態、開放性、實現數字世界與物理世界的融合，云應用，并分析某些智能化功能的必要性和實用性。 目前，70%的汽車創新來自汽車電子，而60%的汽車電子創新屬于軟件創新。

圖3. 智能汽車創新的趨勢（來源：廣汽唐湘民） 《智能制造概論》書中指出，沒有過程的進化，就沒有企業的進化。不同領域、不同業務活動的過程（Process，也稱為流程）千差萬別，過程進化最重要和共性的方式是互聯和重組。互聯主要表現在過程內部的互聯和不同過程之間的互聯。在推進智能制造的實踐中，設備的數據采集和車間聯網是建設智能工廠的基礎。在企業中，常常出現兩道工序本身是自動化的，但工序與工序之間還需要人工搬運。企業還存在諸多信息孤島、自動化孤島、IT和OT的斷層，乃至云孤島。這些問題亟待解決。 技術進步導致過程重組。例如材料和制造工藝的變化都會導致過程重組和效率與質量的大幅度提升。書中列舉了采用增材制造和無模鑄造的案例。而特斯拉大量采用壓鑄技術來替代車身零件的焊接，也是技術進步導致過程重組的典型案例。管理進化需要過程重組。企業流程的改變會引發組織變革，而這顯然需要數字技術的支撐。 實現產品設計開發過程進化應當引入并行工程的思想，PLM系統、虛擬仿真、數字孿生、創成設計（Generative Design，書中譯為衍生設計）、多領域物理統一建模，以及基于云的協同設計。 對于工藝過程進化，數字化工藝規劃軟件，尤其是基于三維的結構化工藝規劃軟件，以及利用數字技術進行工藝控制，應用工藝仿真軟件和ICME（集成計算材料工程）都是有效途徑。 對于車間生產過程進化，部署MES/MOM系統，以及流程工業的一體化全流程優化平臺和環保實時監控及應急指揮平臺，則是提升工廠運營效率和安全運行的重要途徑，同時，實現AGV、無人叉車等物流裝備與自動化立體倉庫和生產線的信息交互和無縫集成應用也十分必要。推進智能工廠建設需要與通過精益生產實現持續改善相結合。 而實現服務過程進化，則應當建立基于傳感器和物聯網數據建立智能維護平臺，對設備進行運行進行監控和故障診斷，實現故障預警，乃至預測性維護；同時，將故障問題反饋給產品研發部門，從而改進產品。企業還可以對設備進行建模，通過數字孿生技術，對設備數字孿生模型進行分析和優化，從而優化實際設備的運行。此外，通過數字技術來提升設備作業的效率也十分重要，例如全球工程機械巨頭小松公司通過無人機對施工場地進行測繪，從而計算出需要開挖的土石方，進而計算出所需要的施工設備和施工計劃，而設計變更也可以通過數字技術及時反饋給施工現場，顯著提升了施工作業的效率，實現了智能施工。

圖4. 小松公司的智能施工平臺 《智能制造概論》對企業生態系統給出了定義：企業生態系統是在一定的范圍內，為特定的目標而形成的企業群體及其社會和技術環境構成的統一整體。企業的競爭實質上是企業生態系統之間的競爭，企業的進化離不開企業生態系統的進化。企業首先需要實現供應鏈生態的進化，推進數字化供應鏈的應用，在供應鏈管理中要重視客戶生態。企業要注重生態系統協同創新，跨界合作。 企業的生態戰略至關重要。企業的生態繁衍是實現可持續發展的重要保證；開放合作應該成為基本方略；生態進化與商業模式進化常常相輔相成。數字生態系統是企業生態進化的技術關鍵。

關于智能制造的技術精要及前沿趨勢《智能制造概論》指出，數據驅動、軟件定義、虛實融合和整體聯系，這16個字，四個方面是智能制造的技術精要。 企業在運營過程中，需要對物流、資金流和信息流進行有效管控，智能制造系統能夠應對和處理各種異常情況和動態變化，通過對各類與企業運營相關的數據進行采集、存儲、展現、分析和預測，驅動相關軟件進行調度和決策。《智能制造概論》指出，智能制造的關鍵之一就是要重視數據的驅動作用。傳統模式中，工業系統的數據是普通的原材料；而智能制造模式下，工業系統的數據就是原材料+石油。數據驅動首先體現在數據驅動產品創新。具體包括：數字技術在產品上的直接應用：讓產品產生數據（添加傳感器和通訊模塊），以及將產品本身數字化（例如采用電子票、利用云端存儲數據等）；數字孿生驅動創新：例如特斯拉通過收集正在服役的車輛數據，并建立車輛和駕駛者的數據孿生模型，辨識需要改進的問題，不斷改善駕駛體驗。此外，客戶需求數據是產品創新的源頭，與客戶協同創新是必然趨勢。 其次，數據驅動體現在數據驅動過程進化。具體包括：數據驅動協同設計過程，數據驅動大規模定制，數據驅動工藝改進，以及數據驅動智能服務等。

圖5. 數據驅動智能服務 本書還介紹了數據驅動工作流和新的業務活動，數據驅動企業戰略等。書中提出，能否成為一個數據驅動的企業，取決于所有員工的支持，讓每個人都根據數據調整自己的思維方式和工作方式，因此，企業必須培養數字文化。通過數據洞察，幫助企業各個層級的管理者做出正確的決策，既見樹木，又見森林。通過數據驅動企業運營模式的變革，創新業務模式和制造模式。 書中指出，要真正實現數據驅動，企業需要對業務盡可能數據化。與此同時，數據工作也應該業務化。企業應該建立專注于數據管理工作的新型部門。企業需要高度關注數據質量和數據治理，避免數據失真，需要定期進行數據清洗。 關于軟件定義，本書專門用一章進行了闡述。 軟件已經融合到產品之中，業界已形成了軟件定義產品的共識。產品的差異化越來越多體現在軟件上，產品的功能和性能都可以由軟件定義。而智能裝備的智能也更多地體現在融合了強大的軟件功能。例如，華中科技大學李德群院士團隊開展智能技術用于塑料注射成形工藝及機床的研究，基于數據驅動，通過學習認知，將模具、裝備和工藝有機結合，實現高效、高精與節能成形。

圖6. 塑料注射成型智能化

圖7. 軟件支撐智能制造 關于“軟件定義制造”的提法，本書指出，能定義制造的軟件主要是工業軟件。而真正定義制造的是軟件中所沉淀的人的經驗、知識、才智，以及由數據驅動的人工智能等。事實上，在制造過程中，軟件的作用越來越大。可以說，車間生產的管控是由軟件定義的。工廠/車間的運行需要很多軟件系統支撐，如智能MES系統、智能物流系統、智能生產監控中心、設備在線監測與控制系統、智能運營管理平臺和大數據分析平臺等。制造企業對于市場變化和市場需求的把控能力需要充分應用軟件和數據能力，而制造企業本身的競爭力，也更大程度上取決于企業的軟件能力。工業軟件是形成軟能力的關鍵。軟能力助長硬能力，最終也表現在企業的硬能力上。 本書對于CPS、虛擬仿真、數字孿生和XR（VR虛擬現實、AR增強現實和MR混合現實）等虛實融合和技術進行了系統介紹。其中，虛擬仿真技術涵蓋了工程仿真、工藝仿真和工廠仿真，仿真驅動設計已成業界共識；數字孿生技術在企業的產品研發、產品運維（主要是裝備制造企業的產品）、產線設計與虛擬調試等應用場景已廣泛應用，尤其是流程工業建立數字孿生工廠，實現從數字化交付到數字化運營，具有非常大的實用價值；而XR技術在產品研發、設備運維、員工和客戶培訓、產品市場推廣等方面都有廣闊的應用場景。 推進智能制造是一個復雜的系統工程，不能孤立地理解和實施某項智能制造技術，必須考慮各個軟硬件系統之間的整體聯系。對于一個企業而言，不管是在一個機器系統，還是車間、工廠乃至更大的企業生態系統，都需要從整體聯系的角度考慮分析問題，采用系統思維。企業數字化轉型的過程中，需要從整體上考慮數字化、智能化策略。人才的整體考慮也是數字化、智能化戰略能否成功的重要因素。 《智能制造概論》書中強調，數據驅動、軟件定義、虛實融合和整體聯系這四個方面互相糅合。其中，數據驅動是其它三個方面的基礎。數據驅動、虛實融合及整體聯系都要靠軟件去實現。企業智能制造目標的實現當然要體現在產品、設備等實體上，從分析、決策到執行的大多數工作都是在數字空間進行，需要數據去驅動，需要軟件實現，需要集成系統/整體的信息。沒有數據、軟件及其物理對象的融合，整體聯系就無從談起。因此，關于智能制造，數據驅動、軟件定義、虛實融合和整體聯系這16字真言，若能融會貫通，概能得其要領，悟其真諦。

后記《智能制造概論》一書準確地回答了智能制造是什么，為什么，怎么做等關鍵問題，內容新穎，視角獨特，案例豐富，對于正確理解和推進智能制造具有十分重要的指導意義。這本書還詳細介紹了智能制造的核心技術，例如數字孿生、工業機器人、智能控制、智能調度；對智能制造未來的發展趨勢進行了展望，介紹了人機共融、云機器人、數字工程師和商業智能等前沿技術。這本書值得讀者深閱讀，從中學習和探尋智能制造的真諦。希望借本文與廣大讀者共勉，共同探討如何通過推進智能制造支撐中國制造業轉型升級！

審核編輯 ：李倩