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806智能制造新一代智能制造将从根本上引领新一轮工业革命

【智能制造】新一代智能制造将从根本上引领新一轮工业革命

中国电子报

微信号ai-cps

功能引见OT技术（工艺+精益+自动化+机器人）和IT技术（云计算+大数据+物联网+人工智能）深度融合，在场景中构建：

外形感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升的机器智能认知系统，实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新制造的产业互联生态链。

2018-10-06原文

收录于话题

近日 ，由青岛市人民政府主办的2018世界互联网工业大会在青岛盛大进行。

中国工程院原院长、国家制造强国建设战略询问委员会副主任、中国工程院院士周济作了题为《以创新为第一动力以智能制造为主攻方向扎实推动制造强国战略》的主题演讲。

周济表示，新世纪以来，移动互联、超级计算、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术日新月异、飞速进展，并快速普及使用，构成群体性跨越，这些历史性的技术进步集中汇聚在新一代人工智能技术的战略性突破，新一代人工智能最本质的特征是具备认知和学习的力气，具备生成学问和更好地运用学问的力气，实现了质的飞越。

当然，新一代人工智能技术还在极速进展的进程中，将连续从“弱人工智能”迈向“强人工智能”，使用范围将愈加泛在。

新一代人工智能已经成为新一轮科技革命的核心技术，正在构成推动经济社会进展的巨大引擎。

周济认为，新一代人工智能技术和先进制造技术的深度融合，构成了新一代智能制造技术，成为了新一轮工业革命的核心驱动力，新一代智能制造的突破和广泛使用将推动构成这次工业革命的高潮，引领真正意义上的工业4.0，实现第四此工业革命。

智能制造有三个基本范式

周济强调，智能制造是我国制造业创新进展的次要抓手、主攻方向。

当前，工业互联网、大数据以及人工智能实现群体突破和融合使用，以新一代人工智能技术为特征的信息化开创了制造业数字化、网络化、智能化制造的新阶段。

因此对于信息化技术进展的新阶段，智能制造可以归纳出三种基本范式，一是数字化制造，是智能制造的第一种基本范式，也可以称之为第一代智能制造，上世纪下半夜以来，以数字化为次要内容的信息技术，广泛使用于制造业，构成数字一代创新产品，数字化制造制造系统和数字化企业。

20世纪80年月我国企业渐渐推动使用数字化制造，取得巨大的技术进步，但是必需糊涂的生疏到，我国大多数企业没有完成数字化制造的转型，我们必需踏踏实实的完成数字化补课，进一步夯实基础。

二是互联网+制造，实际上是互联网+数字化制造，是智能制造的其次种基本范式，也可以称之为其次代智能制造。

上世纪末，互联网技术开头广泛使用，网络将人、流程、数据和事物联系起来，重塑了制造的价值链。

德国工业4.0和美国工业互联网深刻阐述了数字化网络化制造范式，完善的提出了技术路线，过去这几年我们工业界大力推动互联网+制造，一批数字化制造基础较好的企业实现了转变。

三是新一代智能制造，这是智能制造的第三种基本范式，新一代人工智能技术和先进制造技术的深度融合，构成了新一代智能制造，数字化网络化智能化制造，这是真正意义上的智能制造，将从根本上引领和推动新一轮工业革命。

“智能制造在西方发达国家是一个串联式的进展过程，数字化、网络化、智能化是西方挨次进展智能制造的三个阶段，中国该当发挥后发优势，实行三个基本范式，走一条数字化、网络化、智能化并行推动的创新之路。

”周济表示。

系统集成是新一代智能制造最基本的特征和优势

对于新一代智能制造，周济认为，新一代智能制造是一个大系统，次要由智能产品、智能生产、智能服务三大功能系统以及智能制造云和工业智联网集合而成。

其中，第一，智能产品和配备是新一代智能制造系统的主体。

其次，智能生产是新一代智能制造系统的主线，流程工业在国民经济中占有基础性的战略地位，最有可能领先突破新一代智能制造。

而离散型智能工厂将使用新一代人工智能技术将实现加工质量的升级、加工工艺的优化、生产的智能调度和管理，建成真正意义上的智能工厂。

机器换人，企业生产力气的技术改造、智能升级，不只仅可以处理生产一线劳动力短缺和人力成本高升的问题，从根本上体高制造业质量、效率和企业竞争力，因此在今后相当长时间内，企业的生产力气升级，生产线、车间、工厂的智能升级将成为推动智能制造的次要战场。

第三，以智能服务为核心的产业模式变革是新一代智能制造系统的主题。

新一代人工智能技术的使用催生了产业模式的革命型转变，产业模式将实现从以产品为中心向以用户为中心转变，一方面产业模式将从大规模流水线生产转向规模定制化生产，另一方面，整个制造业的产业外形将从生产型制造向生产服务型制造转变。

第四，智能制造云和工业智联网是支撑新一代智能制造系统的基础，随着新一代通讯技术、网络技术、云技术、人工智能的技术进展和使用，智能制造云和工业智联网将实现质的飞越，为新一代智能制造生产力和生产方式的变革，供应进展的空间和牢靠的保障。

第五，系统集成将智能制造各功能系统和支撑系统集成为新一代智能制造系统，这是新一代智能制造最基本的特征和优势。

新一代智能制造内部和外部均呈现系统“大集成”，具有集中与分布、统筹与精准、包涵与共享的特性。

“将来二十年是中国制造业实现由大到强的关键时期，是制造业进展质量变革、效率变革、动力变革的关键时期，同时，将来20年，是智能制造这个新一轮工业革命核心技术进展的关键时期。

”周济强调。

中国工程院提出新一代智能制造

近日，中国工程院院刊《Engineering》推出最新观点性文章“走向新一代智能制造”，作者周济、李培根、周艳红等，文章指出智能制造是一个不断演进进展的或许念，可归纳为三个基本范式：

数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造——新一代智能制造。

新一代智能制造是新一代人工智能技术与先进制造技术的深度融合，是新一轮工业革命的核心驱动力。

“人-信息-物理系统”（HCPS）揭示了新一代智能制造的技术机理，能够无效教导新一代智能制造的理论争辩和工程实践。

推动制造业智能转型应实行“并行推动、融合进展”的技术路线。

走向新一代智能制造

摘要

智能制造是一个不断演进进展的或许念，可归纳为三个基本范式：

数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造——新一代智能制造。

新一代智能制造是新一代人工智能技术与先进制造技术的深度融合，贯穿于产品设计、制造、服务全生命周期的各个环节及相应系统的优化集成，不断提升企业的产质量量、效益、服务水平，削减资源能耗，是新一轮工业革命的核心驱动力，是今后数十年制造业转型升级的次要路径。

“人-信息-物理系统”（HCPS）揭示了新一代智能制造的技术机理，能够无效教导新一代智能制造的理论争辩和工程实践。

基于智能制造三个基本范式次第开放、相互交叉、迭代升级的特征，推动制造业智能转型应实行“并行推动、融合进展”的技术路线。

关键词：

 先进制造，新一代智能制造，人-信息-物理系统，新一代人工智能，基本范式，并行推动，融合进展

1、引言

面对新一轮工业革命，《中国制造2025》明确提出，要以新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推动智能制造为主攻方向[1]。

世界各国都在乐观实行举动，美国提出“先进制造业伙伴方案”[2,3]、德国提出“工业4.0战略方案”[4]、英国提出“工业2050”[5]、法国提出“新工业法国方案”[6]、日本提出“社会5.0战略”[7]、韩国提出“制造业创新3.0方案”[8]，都将进展智能制造作为本国构建制造业竞争优势的关键举措。

新世纪以来，新一代信息技术呈现迸发式增长，数字化网络化智能化技术在制造业广泛使用，制造系统集成式创新不断进展，构成了新一轮工业革命的次要驱动力。

特殊是，新一代智能制造作为新一轮工业革命的核心技术，正在引发制造业在进展理念、制造模式等方面严峻而深刻的变革，正在重塑制造业的进展路径、技术体系以及产业业态，从而推动全球制造业进展步入新阶段[9-13]。

2.智能制造的三个基本范式

广义而论，智能制造是一个或许念[10,14]，是先进信息技术与先进制造技术的深度融合，贯穿于产品设计、制造、服务等全生命周期的各个环节及相应系统的优化集成，旨在不断提升企业的产质量量、效益、服务水平，削减资源消耗，推动制造业创新、绿色、协调、开放、共享进展。

数十年来，智能制造在实践演化中构成了很多不同的相关范式，包括精益生产、柔性制造、并行工程、灵敏制造、数字化制造、计算机集成制造、网络化制造、云制造、智能化制造等[15-23]，在教导制造业技术升级中发挥了乐观作用。

但同时，众多的范式不利于构成统一的智能制造技术路线，给企业在推动智能升级的实践中构成了很多困扰。

面对智能制造不断涌现的新技术、新理念、新模式，有必要归纳总结提炼出基本范式。

智能制造的进展伴随着信息化的进步。

全球信息化进展可分为三个阶段：

从上世纪中叶到90年月中期，信息化表现为以计算、通讯和把握使用为次要特征的数字化阶段；从上世纪九十年月中期开头，互联网大规模普及使用，信息化进入了以万物互联为次要特征的网络化阶段；当前，在大数据、云计算、移动互联网、工业互联网集群突破、融合使用的基础上，人工智能实现战略性突破，信息化进入了以新一代人工智能技术为次要特征的智能化阶段[24]。

综合智能制造相关范式，结合信息化与制造业在不同阶段的融合特征，可以总结、归纳和提升出三个智能制造的基本范式，也就是：

数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造——新一代智能制造。

图1智能制造三个基本范式演进

2.1数字化制造

数字化制造是智能制造的第一个基本范式，也可称为第一代智能制造。

智能制造的概念最早毁灭于上世纪80年月[25]，但是由于当时使用的第一代人工智能技术还难以处理工程实践问题，因此那一代智能制造主体上是数字化制造。

上世纪下半叶以来，随着制造业对于技术进步的猛烈需求，以数字化为次要形式的信息技术广泛使用于制造业，推动制造业发生革命性变化。

数字化制造是在数字化技术和制造技术融合的背景下，通过对产品信息、工艺信息和资源信息进行数字化描述、分析、决策和把握，快速生产出满足用户要求的产品[15,16,26,27]。

数字化制造的次要特征表现为：

第一，数字技术在产品中得到普遍使用，构成“数字一代”创新产品；其次，广泛使用数字化设计、建仿照真、数字扮配备、信息化管理；第三，实现生产过程的集成优化。

需要说明的是，数字化制造是智能制造的基础，其内涵不断进展，贯穿于智能制造的三个基本范式和全部进展历程。

这里定义的数字化制造是作为第一种基本范式的数字化制造，是一种相对狭义的定位。

国际上也有若干关于数字化制造的比较广义的定义和理论[28]。

2.2数字化网络化制造

数字化网络化制造是智能制造的其次种基本范式,也可称为“互联网+制造”，或其次代智能制造[29]。

上世纪末互联网技术开头广泛使用，“互联网+”不断推动互联网和制造业融合进展，网络将人、流程、数据和事物连接起来，通过企业内、企业间的协同和各种社会资源的共享与集成，重塑制造业的价值链，推动制造业从数字化制造向数字化网络化制造转变[17,30-33]。

数字化网络化制造次要特征表现为：

第一，在产品方面，数字技术、网络技术得到普遍使用，产品实现网络连接，设计、研发实现协同与共享。

其次，在制造方面，实现横向集成、纵向集成和端到端集成，打通整个制造系统的数据流、信息流。

第三，在服务方面，企业与用户通过网络平台实现联接和交互，企业生产开头从以产品为中心向以用户为中心转型[34]。

德国“工业4.0”报告和美国GE“工业互联网”报告完整地阐述了数字化网络化制造范式，精辟地提出了实现数字化网络化制造的技术路线[4,9,31,35-39]。

2.3新一代智能制造——数字化网络化智能化制造

数字化网络化智能化制造是智能制造的第三种基本范式，也可称为新一代智能制造。

近年来，在经济社会进展猛烈需求以及互联网的普及、云计算和大数据的涌现、物联网的进展等信息环境急速变化的共同驱动下，大数据智能、人机混合添加智能、群体智能、跨媒体智能等新一代人工智能技术加速进展，实现了战略性突破[24,40,41]。

新一代人工智能技术与先进制造技术深度融合，构成新一代智能制造——数字化网络化智能化制造。

新一代智能制造将重塑设计、制造、服务等产品全生命周期的各环节及其集成，催生新技术、新产品、新业态、新模式，深刻影响和转变人类的生产结构、生产方式乃至生活方式和思维模式，实现社会生产力的全体跃升。

新一代智能制造将给制造业带来革命性的变化，将成为制造业将来进展的核心驱动力。

智能制造的三个基本范式体现了智能制造进展的内在规律：

一方面，三个基本范式次第开放，各有本身阶段的特点和要重点处理的问题，体现着先进信息技术与先进制造技术融合进展的阶段性特征；另一方面，三个基本范式在技术上并不是绝然分别的，而是相互交叉、迭代升级，体现着智能制造进展的融合性特征。

对中国等新兴工业国家而言，应发挥后发优势，实行三个基本范式“并行推动、融合进展”的技术路线。

3.新一代智能制造引领和推动新一轮工业革命

3.1进展背景

当今世界，各国制造企业普遍面临着提高质量、添加效率、降低成本、快速响应的猛烈需求，还要不断顺应宽敞用户不断增长的共性化消费需求，应对资源能源环境约束进一步加大的挑战。

然而，现有制造体系和制造水平已经难以满足高端化、共性化、智能化产品和服务增值升级的需求，制造业的进一步进展面临巨大瓶颈和困难。

处理问题，迎接挑战，迫切需要制造业的技术创新、智能升级[14,41]。

新一轮工业革命方兴未艾，其根本动力在于新一轮科技革命。

新世纪以来，移动互联、超级计算、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术日新月异、飞速进展[11,12,42-48]，并极其快速地普及使用，构成了群体性跨越。

这些历史性的技术进步，集中汇聚在新一代人工智能技术的战略性突破，实现了质的飞跃[24]。

新一代人工智能呈现出深度学习、跨界协同、人机融合、群体智能等新特征，为人类供应生疏简约系统的新思维、改造自然和社会的新技术。

当然，新一代人工智能技术还在极速进展的进程中，将连续从“弱人工智能”迈向“强人工智能”，不断拓展人类“脑力”，使用范围将无所不在。

新一代人工智能已经成为新一轮科技革命的核心技术，为制造业革命性的产业升级供应了历史性机遇，正在构成推动经济社会进展的巨大引擎。

世界各国都把新一代人工智能的进展摆在了最重要的位置[49,50]。

新一代人工智能技术与先进制造技术的深度融合，构成了新一代智能制造技术，成为了新一轮工业革命的核心驱动力。

3.2新一代智能制造是新一轮工业革命的核心技术

科学技术是第一生产力，科技创新是经济社会进展的根本动力。

第一次工业革命和其次次工业革命分别以蒸汽机和电力的制造和使用为根本动力，极大地提高了生产力，人类社会进入了现代工业社会。

第三次工业革命，以计算、通讯、把握等信息技术的创新与使用为标志，持续将工业进展推向新高度[51]。

新世纪以来，数字化和网络化使得信息的猎取、使用、把握以及共享变得极其快速和普及，进而，新一代人工智能突破和使用进一步提升了制造业数字化网络化智能化的水平，其最本质的特征是具备认知和学习的力气，具备生成学问和更好地运用学问的力气，这样就从根本上提高工业学问产生和利用的效率，极大地解放人的体力和脑力，使创新的速度大大加快，使用的范围愈加泛在，从而推动制造业进展步入新阶段，即数字化网络化智能化制造——新一代智能制造。

假如说数字化网络化制造是新一轮工业革命的开头，那么新一代智能制造的突破和广泛使用将推动构成新工业革命的高潮，将重塑制造业的技术体系、生产模式、产业外形，并将引领真正意义上的“工业4.0”，实现新一轮工业革命。

3.3愿景

制造系统将具备越来越强大的智能，特殊是越来越强大的认知和学习力气，人的才智与机器智能相互启发性地增长，使制造业的学问型工作向自主智能化的方向发生转变，进而突破当今制造业进展所面临的瓶颈和困难。

新一代智能制造中，产品呈现高度智能化、恼人化，生产制造过程呈现高质、柔性、高效、绿色等特征，产业模式发生革命性的变化，服务型制造业与生产型服务业大进展，进而共同优化集成新型制造大系统，全面重塑制造业价值链，极大提高制造业的创新力和竞争力。

新一代智能制造将给人类社会带来革命性变化。

人与机器的分工将产生革命性变化，智能机器将替代人类大量体力劳动和相当部分的脑力劳动，人类可更多地从事制造性工作；人类工作生活环境和方式将朝着以人为本的方向迈进。

同时，新一代智能制造将无效削减资源与能源的消耗和铺张，持续引领制造业绿色进展、和谐进展。

4.新一代智能制造的技术机理：

“人-信息-物理系统”（HCPS）

智能制造涉及智能产品、智能生产以及智能服务等多个方面及其优化集成。

从技术机理角度看，这些不同方面虽然存在差异，但本质上是全都的，下面以生产过程为例进行分析。

4.1传统制造与“人-物理系统”

传统制造系统包含人和物理系统两大部分，是完全通过人对机器的操作把握去完成各种工作任务（如图2（a）所示）。

动力革命极大提高了物理系统（机器）的生产效率和质量，物理系统（机器）代替了人类大量体力劳动。

传统制造系统中，要求人完成信息感知、分析决策、操作把握以及认知学习等多方面任务，不只对人的要求高，劳动强度照旧大，而且系统工作效率、质量和完成简约工作任务的力气还很无限。

传统制造系统可笼统描述为图2（b）所示的“人-物理系统”（HPS—Human-PhysicalSystems）。

4.2数字化制造、数字化网络化制造与“人-信息-物理系统”

与传统制造系统相比，第一代和其次代智能制造系统发生的本量变化是，在人和物理系统之间添加了信息系统，信息系统可以代替人类完成部分脑力劳动，人的相当部分的感知、分析、决策功能向信息系统复制迁移，进而可以通过信息系统来把握物理系统，以代替人类完成更多的体力劳动，如图3所示。

图3第一代和其次代智能制造系统

第一代和其次代智能制造系统通过集成人、信息系统和物理系统的各自优势，系统的力气尤其是计算分析、精确把握以及感知力气都得以很大提高。

一方面，系统的工作效率、质量与稳定性均得以显著提升；另一方面，人的相关制造阅历和学问转移到信息系统，能够无效提高人的学问的传承和利用效率。

制造系统从传统的“人-物理系统”向“人-信息-物理系统”（HCPS—Human-Cyber-PhysicalSystems）的演化可进一步用图4进行笼统描述[11,52,53]。

信息系统（Cybersystem）的引入使得制造系统同时添加了“人-信息系统”（HCS—Human-CyberSystems）和“信息-物理系统”（CPS—Cyber-PhysicalSystems）。

其中，“信息-物理系统”（CPS）是格外重要的组成部分。

美国在本世纪初提出了CPS的理论[54]，德国将其作为工业4.0的核心技术。

“信息-物理系统”（CPS）在工程上的使用是实现信息系统和物理系统的完善映射和深度融合，“数字孪生体”（DigitalTwin）即是

最为基本而关键的技术，由此，制造系统的功能与效率可大大提高[13,30,37,55,56]。

图4从“人-物理系统”到“人-信息-物理系统”

4.3新一代智能制造与新一代“人-信息-物理系统”

新一代智能制造系统最本质的特征是其信息系统添加了认知和学习的功能，信息系统不只具有强大的感知、计算分析与把握力气，更具有了学习提升、产生学问的力气，如图5所示。

图5新一代智能制造系统的基本机理

在这一阶段，新一代人工智能技术将使“人-信息-物理系统”发生质的变化，构成新一代“人-信息-物理系统”（如图6所示）。

次要变化在于：

第一，人将部分认知与学习型的脑力劳动转移给信息系统，因此信息系统具有了“认知和学习”的力气，人和信息系统的关系发生了根本性的变化，即从“授之以鱼”进展到“授之以渔”；其次，通过“人在回路”的混合添加智能，人机深度融合将从本质上提高制造系统处理简约性、不确定性问题的力气，极大优化制造系统的功能[52,57]。

图6新一代“人-信息-物理系统”

新一代“人-信息-物理系统”中，HCS、HPS和CPS都将实现质的飞跃。

新一代智能制造，进一步突出了人的中心地位，是统筹协调“人”、“信息系统”和“物理系统”的综合集成大系统；将使制造业的质量和效率跃升到新的水平，为人民的奇怪生活奠定更好的物质基础；将使人类从更多体力劳动和大量脑力劳动中解放出来，使得人类可以从事更有意义的制造性工作，人类社会开头真正进入“智能时代”[10-12,51]。

图7从“人-物理系统”到新一代“人-信息-物理系统”

总之，制造业从传统制造向新一代智能制造进展的过程是从原来的“人-物理”二元系统向新一代“人-信息-物理”三元系统进化的过程（图7所示）。

新一代“人-信息-物理系统”揭示了新一代智能制造的技术机理，能够无效教导新一代智能制造的理论争辩和工程实践。

5.新一代智能制造的系统组成与系统集成

新一代智能制造是一个大系统，次要由智能产品、智能生产及智能服务三大功能系统以及工业智联网和智能制造云两大支撑系统集合而成（如图8所示）。

图8新一代智能制造的系统集成

新一代智能制造技术是一种核心使能技术，可广泛使用于离散型制造和流程型制造的产品创新、生产创新、服务创新等制造价值链全过程创新与优化。

5.1智能产品与制造配备

产品和制造配备是智能制造的主体，其中，产品是智能制造的价值载体，制造配备是实施智能制造的前提和基础[58]。

新一代人工智能和新一代智能制造将给产品与制造配备创新带来无限空间，使产品与制造配备产生革命性变化，从"数字一代"全体跃升至"智能一代"。

从技术机理看，"智能一代"产品和制造配备也就是具有新一代HCPS特征的、高度智能化、恼人化、高质量、高性价比的产品与制造配备。

设计是产品创新的最重要环节，智能优化设计、智能协同设计、与用户交互的智能定制、基于群体智能的“众创”等都是智能设计的重要内容。

研发具有新一代HCPS特征的智能设计系统也是进展新一代智能制造的核心内容之一。

5.2智能生产

智能生产是新一代智能制造的主线[40,59,60]。

智能产线、智能车间、智能工厂是智能生产的次要载体[61-63]。

新一代智能制造将处理简约系统的精确建模、实时优化决策等关键问题，构成自学习、自感知、自顺应、自把握的智能产线、智能车间和智能工厂，实现产品制造的高质、柔性、高效、平安与绿色。

5.3智能服务

以智能服务为核心的产业模式变革是新一代智能制造的主题[64,65]。

在智能时代，市场、销售、供应、运营维护等产品全生命周期服务，均因物联网、大数据、人工智能等新技术而赐予其全新的内容。

新一代人工智能技术的使用将催生制造业新模式、新业态：

一是，从大规模流水线生产转向规模化定制生产；二是，从生产型制造向服务型制造转变，推动服务型制造业与生产型服务业大进展，共同构成大制造新业态。

制造业产业模式将实现从以产品为中心向以用户为中心的根本性转变，完成深刻的供应侧结构性改革。

5.4智能制造云与工业智联网

智能制造云和工业智联网是支撑新一代智能制造的基础[9,20,31,44,66,67]。

随着新一代通讯技术、网络技术、云技术和人工智能技术的进展和使用，智能制造云和工业智联网将实现质的飞跃。

智能制造云和工业智联网将由智能网络体系、智能平台体系和智能平安体系组成，为新一代智能制造生产力和生产方式变革供应进展的空间和牢靠的保障[68]。

5.5系统集成

新一代