張相木/工業(yè)和信息化部原裝備工業(yè)司司長、國家智能制造專家委副主任

智能制造的內涵和本質

1.智能制造的概念

智能制造概念是一個動態(tài)發(fā)展的過程，內涵不斷在豐富和升華。早在1988年，美國人賴特和伯恩首先提出了智能制造概念，并對智能制造做了定義，即智能制造是指通過集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)、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。早期的智能制造是基于數(shù)字技術和智能裝備的智能制造，亦稱數(shù)字化制造。

隨著物聯(lián)網的迅猛發(fā)展，智能制造進入“互聯(lián)網+制造”階段。比較有代表性的就是2013年德國提出的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，本質是通過建立具有適應性、資源效率和基因工程學的智能工廠，實現(xiàn)智能生產，其物質技術基礎是物聯(lián)網+賽博物理系統(tǒng)（IoT&CPS）。互聯(lián)網+制造是基于網絡和數(shù)據的智能制造，亦稱數(shù)字化網絡化制造。

近年來，以人工智能為代表的新興科技快速發(fā)展，大大拓展了時間、空間和人們的認知范圍，人類正在進入一個人機物三元融合的萬物智能互聯(lián)時代。人機物三元世界是指人類社會、賽博空間和物理世界，賽博空間是利用數(shù)字孿生、人工智能技術構建的一個虛擬空間，是物理世界的數(shù)字孿生模型，它跟物理世界精準映射，融合共生。人工智能已經不只是一種發(fā)展趨勢，而是已經開始與制造業(yè)深度融合，開啟了工業(yè)人工智能時代。智能制造開始進入新的發(fā)展階段。

工業(yè)人工智能時代，智能制造被賦予了新的內涵：智能制造是基于數(shù)字技術與工業(yè)知識和智能裝備深度“融合”，以賽博物理系統(tǒng)為物質技術基礎，貫穿產品全生命周期各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產方式?！叭诤稀钡南葲Q條件是利用人工智能等技術構建賽博空間（數(shù)字孿生模型）?，F(xiàn)代智能制造是基于現(xiàn)代人工智能的智能制造，亦稱數(shù)字化網絡化智能化制造。

綜上，智能制造包括數(shù)字化制造、網絡化制造和智能化制造三個發(fā)展階段。智能制造的發(fā)展都有階段性，這三個發(fā)展階段不是截然分離的，后一個階段對前一個階段有繼承性，前一個階段在后一個階段會繼續(xù)演進，智能制造的發(fā)展又有相容性。

目前，智能制造正在全球范圍內全面推進，總體上已處于數(shù)字化制造普及、網絡化制造推廣、智能化制造示范階段，也就是說這三個發(fā)展階段又是并行推進的，從應用層面講，我國已經趕上了全球發(fā)展的步伐。

2.智能制造的靈魂：制造知識

大家都說數(shù)字技術是智能制造的使能技術，但它只是一種工具，就像當年的蒸汽機，本身不是生產力，它的價值在于人將其融入到制造業(yè)場景，融入過程中必然會遭遇諸多的問題，比如，數(shù)學模型如何建立？數(shù)據從哪里來？數(shù)據又該怎樣分析？解決這些問題需要靠制造知識，不掌握核心技術，不懂得制造機理，不了解工藝特點，就無法構建智能制造系統(tǒng)，而且制造知識在不斷地生成和積累，新制造知識的應用不斷推動生產方式創(chuàng)新與變革。

3.智能制造的基石：精益生產

智能制造的基石是精益生產。精益生產是一種能夠快速響應客戶需求變化，生產過程中一切無用和多余的東西都被精簡的生產體系和管理方式。對于智能制造而言，精益生產是推行智能制造必須經歷的變革過程。

4.智能制造的精髓：智能工廠

狹義上講，智能制造的本質是通過建立智能工廠實現(xiàn)智能生產。智能工廠是智能制造系統(tǒng)的基本載體，是智能制造的精髓，智能生產是智能制造的核心環(huán)節(jié)。

智能工廠由物理實體工廠、虛擬制造平臺和智能決策系統(tǒng)組成。物理實體工廠為制造過程提供智能化的硬件基礎設施和制造資源；虛擬制造平臺是基于這些制造資源和制造過程的數(shù)字孿生模型；智能決策系統(tǒng)既可以在虛擬制造中對制造過程進行迭代優(yōu)化，也可以在實際制造中實時監(jiān)控和調整制造過程。

5.智能制造系統(tǒng)的物質技術基礎：賽博物理系統(tǒng)

智能制造系統(tǒng)的物質技術基礎是賽博物理系統(tǒng)，賽博物理系統(tǒng)源于數(shù)字技術與制造場景的深度融合。簡單說，通過物聯(lián)網將物理設備連接到網絡上，利用數(shù)字孿生、人工智能等技術，在虛擬空間對物理實體進行數(shù)字重構和全息重建，形成具有感知、分析、決策、執(zhí)行能力的數(shù)字孿生模型（數(shù)字虛體），數(shù)字虛體與物理實體精準映射、融合共生，即構成賽博物理系統(tǒng)。

6.智能制造的基本特征：“四個化”

智能制造的基本特征有“四個化”：一是裝備智能化，采用的是智能制造裝備；二是技術軟件化，數(shù)字技術作用于制造場景，基本方式最終體現(xiàn)就是工業(yè)軟件，沒有深厚的工業(yè)技術積累就沒有優(yōu)秀的工業(yè)軟件；三是流程數(shù)據化，業(yè)務流程由數(shù)據驅動，今后的智能制造系統(tǒng)是虛實合一的系統(tǒng)，實的系統(tǒng)是由虛的系統(tǒng)操控的，虛的系統(tǒng)是由數(shù)據驅動的；四是生產自動化，全部工序都是智能化生產，不是一個一個獨立的自動化生產。通過“四個化”可以實現(xiàn)個體制造單元的自主性和整個制造系統(tǒng)的自組織。

7.智能制造的本質：先進制造

智能制造的本質是先進制造，制造就是人按照某種工藝，利用工具把原材料加工成產品的過程，從這個意義上來講，智能制造的本質是先進制造，基礎是網絡和數(shù)據，靈魂是工藝，表現(xiàn)形式是智能裝備和工業(yè)軟件，關鍵和難點是融合，所以智能制造中制造是主角。

而數(shù)字化轉型和智能制造的概念不是一回事，數(shù)字化轉型是利用數(shù)字技術優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務，是一場技術革命和管理思維轉型。在制造業(yè)，數(shù)字化轉型不觸及制造技術和工藝，IT和OT彼此獨立行事、相互分割。智能制造是制造業(yè)數(shù)字化、網絡化和智能化的集中體現(xiàn)，是IT與OT深度融合的生產方式變革。簡單說，實現(xiàn)智能制造的關鍵在于制造系統(tǒng)的軟硬共生、虛實合一。在制造業(yè)，數(shù)字化轉型就是數(shù)字化制造，數(shù)字化制造是智能制造的起點和基礎。

智能裝備的發(fā)展方向和路徑

人類正在進入一個人機物三元融合的萬物智能互聯(lián)時代。萬物智能互聯(lián)是指物與物之間、物與人之間實現(xiàn)互聯(lián)，就是將智能融入萬物，使“機器變人”，讓各種各樣的產品都具備特定智慧功能，從而實現(xiàn)無縫對接。

人工智能、腦科學的發(fā)展，使獨立于自然人而自主存在的機器智慧漸成可能。近年來，基于人工智能等技術，越來越多的產品被冠上智能的名頭，開始實現(xiàn)智能化，給人類生產生活帶來深刻影響。智能產品正在成為未來發(fā)展的主流趨勢。

智能產品的概念比較廣泛，涵蓋了許許多多的不同產品。根據不同的應用領域和特征，智能產品可以分為消費電子產品、家居智能產品、工業(yè)智能產品、醫(yī)療智能產品、交通智能產品等。智能裝備是“智能產品們”最杰出的代表。

1.智能裝備的內涵和特征

智能裝備是數(shù)字技術與產品技術在裝備上的集成和融合。簡單說，智能裝備是指將傳感器、處理器、存儲器、通信模組等智能模塊嵌入到裝備，使裝備具備感知、分析、決策、控制和執(zhí)行功能。籠統(tǒng)講，任何一種具有計算處理能力，具備靈敏的感知功能、正確的思維與判斷功能、高效的執(zhí)行功能的裝備都是智能裝備。

智能裝備是物聯(lián)網的“移民”。機床、工業(yè)機器人、工程機械、發(fā)電設備、汽車、飛機等原本都不是智能裝備，但在萬物智能互聯(lián)時代，它們都要數(shù)字化、智能化，都要接入到網絡世界，從而蛻變?yōu)橹悄苎b備，并成為物聯(lián)網的“移民”。

智能裝備分為智能制造裝備和其他智能裝備，分別用于不同行業(yè)和場景。智能制造裝備用于制造業(yè)，是智能制造系統(tǒng)的基本構成要素；其他智能裝備用于其他行業(yè)，是千行萬業(yè)轉型升級的物質技術基礎。

2.智能制造裝備是智能制造的核心要素

智能制造有很多的構成要素，最核心的要素就是智能裝備。制造裝備具有機器智慧，是智能制造系統(tǒng)的突出特征，是實現(xiàn)智能制造的先決條件，也就是說，智能制造裝備是工業(yè)之母。沒有智能制造裝備，智能制造就是無源之水、無本之木，就是 “空中樓閣”，扼住智能制造裝備就從源頭上卡住了現(xiàn)代制造業(yè)的命脈。要自主可控發(fā)展智能制造，具備智能制造裝備供給能力是前提。

3.智能裝備助力各行各業(yè)轉型升級

智能裝備還可以助力各行各業(yè)轉型升級，人類社會的發(fā)展由生產工具演變所主導，生產工具的每一次變革都帶來劃時代的生產方式變革，并隨之帶動社會形態(tài)的更替，新的生產工具的發(fā)明，新的勞動資料的形成，也就是新的生產力的出現(xiàn)。

作為物質資料最主要因素，裝備發(fā)展和演進對各行各業(yè)的發(fā)展和進步都具有決定性的影響。智能裝備能夠充分釋放數(shù)字技術的放大、疊加、倍增效應，極大提高裝備的性能和效能，重塑和再造裝備價值體系，所以智能裝備的發(fā)展和應用不僅給制造業(yè)帶來顛覆性的變化，而且還將引發(fā)國民經濟其他部門和領域的深刻變革。

4.智能裝備源自裝備的數(shù)字化

裝備數(shù)字化是指將實體裝備接入到網絡世界，并利用大數(shù)據、數(shù)字孿生、人工智能等技術，在虛擬空間對實體裝備進行數(shù)字重構和全息重建，從而為實體裝備創(chuàng)建一個動態(tài)同步的數(shù)字虛體，并通過虛實融合，使裝備的形式和內容發(fā)生蛻變，成為具有狀態(tài)感知、決策優(yōu)化、自主控制和執(zhí)行能力的智能裝備。

通俗地說，智能裝備就是將數(shù)字技術以模塊形式嵌入到實體裝備，兩者合而為一，融合共生，當裝備感應到觸發(fā)條件時，它們將成為有理解力的工具，具備了類似于人的眼睛、神經和大腦的功能。智能裝備是一個單元級的賽博物理系統(tǒng)，從這個角度講，智能裝備等于實體裝備+數(shù)字孿生裝備。

5.智能裝備重點發(fā)展領域和方向

6.智能裝備發(fā)展路徑

（1）構建智能裝備創(chuàng)新生態(tài)

突破數(shù)字孿生、人工智能、多源數(shù)據融合等在產品全生命周期的融合應用技術；研制智能傳感器、智能控制器、智能網關等關鍵零部件；開發(fā)工業(yè)APP、裝備模型庫等核心軟件。

（2）挖掘智能裝備應用場景

面向智能制造、智能交通、智能醫(yī)療等領域，挖掘一批具有代表性的應用場景，以場景應用帶動智能裝備發(fā)展；完善網絡基礎設施和安全防護措施，保障智能裝備更好發(fā)揮性能和效能。

（3）推動現(xiàn)有裝備智能升級

在具備改造基礎的裝備上嵌入智能傳感器、控制器、通信模組等智能模塊，形成具備感知、控制等功能的裝備；升級一批在役裝備，通過模塊升級和云化部署等，提高裝備數(shù)字化智能化水平。

（4）研究發(fā)展新型智能裝備

推進正向設計開發(fā)，通過集成智能部件、核心軟件，并融合新機理、新材料、新工藝，突破一批新型智能裝備；結合仿生技術、類腦智能等技術，探索孵化一批原創(chuàng)性前沿智能裝備。

（5）激活智能裝備數(shù)據價值

暢通數(shù)據資源供給與匯聚渠道，推動智能裝備全生命周期數(shù)據的多向流動，形成可控制、可信任、可追溯的高質量裝備數(shù)據資源；建立數(shù)據交易平臺，推動裝備數(shù)據安全共享、可信流通。

審核編輯：黃飛

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