孫 燁
(中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院科技發(fā)展處,北京,100048)
智能制造系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)路徑前瞻
——一個(gè)自組織視角
孫燁
(中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院科技發(fā)展處,北京,100048)
我國(guó)已經(jīng)出臺(tái)的“智能制造科技發(fā)展‘十二五’專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃”中明確表示要大力發(fā)展智能制造技術(shù)。但是我國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)中還有丞待解決的問(wèn)題存在。本文立足自組織方法論,試著對(duì)智能制造系統(tǒng)加以定性的分析,旨在厘清智能制造未來(lái)發(fā)展的路徑,指出解決當(dāng)下困境的方法,并在此基礎(chǔ)上為政府提供相關(guān)的政策建議。
智能制造;自組織;復(fù)雜性
工業(yè)經(jīng)濟(jì)論壇 URL: http//www.iereview.com.cn DOI: 10.11970/j.issn.2095-7866.2016.05.014
制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體,是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。十八世紀(jì)中葉開(kāi)啟文明以來(lái)世界強(qiáng)國(guó)的興衰和中華民族的奮斗史都證明沒(méi)有強(qiáng)大的制造業(yè)就沒(méi)有國(guó)家和民族的強(qiáng)盛[1]。在全球制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的今天,業(yè)界一直在思考制造的未來(lái)是什么?面對(duì)原材料價(jià)格和人力成本的上漲、同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇、貿(mào)易壁壘和關(guān)稅的增加、人民幣不斷升值等挑戰(zhàn),從制造向“智能”轉(zhuǎn)型成為中國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)扭虧轉(zhuǎn)盈、實(shí)現(xiàn)脫胎換骨的關(guān)鍵[2]。
根據(jù)系統(tǒng)論觀點(diǎn),智能制造系統(tǒng)是物質(zhì)、能量、信息充分開(kāi)放的信息處理系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)有著復(fù)雜性、開(kāi)放性、非線性等特征。與此同時(shí),智能制造技術(shù)也是多個(gè)學(xué)科互相交匯而形成的一門(mén)綜合技術(shù),其子要素眾多且十分龐雜。這就對(duì)傳統(tǒng)的研究方法提出了很高的挑戰(zhàn),以系統(tǒng)科學(xué)的方法論對(duì)智能制造系統(tǒng)加以分析,能夠動(dòng)態(tài)的還原要素之間的相互關(guān)系和系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)力機(jī)制,這將為解決我國(guó)從傳統(tǒng)制造走向智能制造的過(guò)程中可能面臨的問(wèn)題提供解決的新路徑。
(一)傳統(tǒng)制造業(yè)的痛點(diǎn)
2012年我國(guó)制造業(yè)主營(yíng)業(yè)務(wù)收入占全國(guó)工業(yè)主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的86.7%,工業(yè)制成品出口占全國(guó)貨物出口總量的95.09%,我國(guó)制造業(yè)得出值得思索的結(jié)論:那就是中國(guó)制造業(yè)大而不強(qiáng)(見(jiàn)表1-1、1-2)。在下圖中可以看出在與第一、第二方陣國(guó)家的差距主要是全員勞動(dòng)生產(chǎn)力低、增加值率低、創(chuàng)新能力薄弱、知名品牌缺乏。歸結(jié)起來(lái),傳統(tǒng)制造業(yè)所面臨的問(wèn)題需要在三個(gè)方面有所突破:首先,如何能夠?qū)崿F(xiàn)信息化和工業(yè)化兩化融合程度進(jìn)一步提高;其次,如何更有效的提高系統(tǒng)內(nèi)外要素之間的協(xié)同創(chuàng)新效果;第三,如何能夠在制造業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)提高該系統(tǒng)與環(huán)境的友好性[4]。增加值為20792.62億美元,在全球制造業(yè)中占比20%,與美國(guó)相當(dāng),已經(jīng)成為名副其實(shí)的制造大國(guó)[3](見(jiàn)圖1)。
圖1 四國(guó)制造業(yè)增加值對(duì)比
(二)傳統(tǒng)研究方法的缺陷
圍繞如何能夠解決好中國(guó)制造當(dāng)前面臨的難題并順利帶領(lǐng)中國(guó)制造步入既大又強(qiáng)成為學(xué)界主要關(guān)注的熱點(diǎn)。學(xué)者立足于不同的方法論紛紛對(duì)智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行分析,但是到目前為止,這些方法論對(duì)解決中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型所面臨的一系列問(wèn)題并沒(méi)有切實(shí)可行的方案。究其原因,在于傳統(tǒng)方法論大多立足于某一個(gè)方面對(duì)產(chǎn)業(yè)加以分析。但智能制造本身又是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)(它由智能機(jī)器和人類(lèi)專(zhuān)家共同組成,這個(gè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行包括分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策在內(nèi)的一系列智能活動(dòng)。)而它的復(fù)雜度和開(kāi)放度又對(duì)分析、研究、指導(dǎo)該系統(tǒng)發(fā)展的方法論都提出了挑戰(zhàn)。以往分析方法對(duì)以下問(wèn)題的解釋力比較弱:首先,從傳統(tǒng)制造走向智能制造的必然性問(wèn)題,為什么制造業(yè)走向智能化的轉(zhuǎn)型是不可避免的,它的必然性在哪里;其次,智能制造系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的開(kāi)放巨系統(tǒng),在這個(gè)子要素眾多的系統(tǒng)中,各參量之間的相互作用關(guān)系是怎樣的;再次,推動(dòng)智能制造替代傳統(tǒng)制造的動(dòng)力是什么,機(jī)制機(jī)理又是怎樣的;最后,在這個(gè)復(fù)巨系統(tǒng)中,政府的角色又是怎樣的。以上問(wèn)題的邏輯關(guān)系是一脈相承的,任何一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有被解釋清楚都可能導(dǎo)致整個(gè)邏輯鏈條的斷裂,因此以上問(wèn)題是研究智能制造不得不首先厘清的關(guān)鍵和核心,只有將這些問(wèn)題解釋清楚,才能夠在實(shí)踐層面真正對(duì)智能制造進(jìn)行有效的指導(dǎo),并進(jìn)而在政府和產(chǎn)業(yè)層面形成有效分工的良性循環(huán)。
表1 制造強(qiáng)國(guó)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
表2 制造強(qiáng)國(guó)評(píng)價(jià)體系各級(jí)指標(biāo)權(quán)重
接表2
(一)自組織和他組織
根據(jù)哈肯,“如果一個(gè)體系在獲得空間的、時(shí)間的或功能的結(jié)構(gòu)過(guò)程中,沒(méi)有外界的特定性干涉,我們便說(shuō)該體系是自組織的。”在哈肯的語(yǔ)境中,“特定性”一詞是指,那種結(jié)構(gòu)或功能并非外界強(qiáng)加給體系的,而且外界是以非特定的方式作用于該體系的[5]。 這里的組織“一詞”當(dāng)作動(dòng)詞,既指事物朝向空間、時(shí)間或功能上的有序結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程。也就是說(shuō),自組織過(guò)程是一個(gè)朝向結(jié)構(gòu)和有序程度增強(qiáng)的方向演化的過(guò)程。自組織的過(guò)程包含三類(lèi):首先,由非組織到組織的過(guò)程演化;其次,由組織程度低到組織程度高的過(guò)程演化;最后,在相同組織層次上有簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程演化。自組織的過(guò)程是自然界和社會(huì)長(zhǎng)期演化選擇和形成的非常優(yōu)化的進(jìn)化方式[6](見(jiàn)表3)。
(二)傳統(tǒng)制造系統(tǒng):“他組織”
就傳統(tǒng)制造系統(tǒng)而言,它的目標(biāo)是最大限度的實(shí)現(xiàn)人對(duì)機(jī)器的操控——既通過(guò)人對(duì)機(jī)器系統(tǒng)的特定性干預(yù),使其在一種線性的模式下實(shí)現(xiàn)操作的可控性和精準(zhǔn)性。因此,傳統(tǒng)制造系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和判評(píng)標(biāo)準(zhǔn)則是圍繞機(jī)器的可操作性展開(kāi)。根據(jù)自組織理論,系統(tǒng)的演化源于非線性作用和系統(tǒng)內(nèi)部的非對(duì)稱(chēng)性破缺引起的分叉、漲落,而線性干預(yù),則排除了演化過(guò)程中所必須的漲落和分叉,換言之,漲落和分叉是刺激系統(tǒng)進(jìn)化至關(guān)重要的過(guò)程,它們?yōu)橄到y(tǒng)的發(fā)展演化提供了多種可能性。(見(jiàn)下面混沌理論方程)
表3 系統(tǒng)組織方式及關(guān)系列表
這個(gè)方程描述的是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中,一段時(shí)間后某個(gè)量的變化結(jié)果(Xt+1),與其現(xiàn)在的狀態(tài)(Xt)有關(guān)。其中,k是特定的常數(shù),對(duì)于K已確定的情況下,初始值X不同,事件的發(fā)展也大為不同。相信蝴蝶效應(yīng)大家都很了解,這就是混沌理論的一種表現(xiàn)。而自組織系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿χ痪褪窍到y(tǒng)內(nèi)部的漲落和分叉所引起的突變。在傳統(tǒng)的以人為特定干預(yù)為運(yùn)行機(jī)理的傳統(tǒng)裝備制造系統(tǒng),系統(tǒng)會(huì)因?yàn)闈q落和分叉的缺失不斷走向封閉,無(wú)法實(shí)現(xiàn)進(jìn)化。這樣,這個(gè)封閉的、在外界特定干預(yù)下運(yùn)行的系統(tǒng)則迫切的面臨走向一種更為優(yōu)化的組織方式。
(三)從“他組織”走向“自組織”
智能制造是通過(guò)集成知識(shí)工程、制造軟件系統(tǒng)、機(jī)器人視覺(jué)與機(jī)器人控制等來(lái)對(duì)制造技術(shù)的技能與專(zhuān)家知識(shí)進(jìn)行模擬,使智能機(jī)器在沒(méi)有人工干預(yù)情況下進(jìn)行生產(chǎn)。智能制造系統(tǒng)就是要把人的智力活動(dòng)變?yōu)橹圃鞕C(jī)器的智能活動(dòng)過(guò)程中有關(guān)的全部要素的集成。智能制造系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)是智能機(jī)器,它包括各種程序的智能加工機(jī)床,工具等。與此同時(shí),將這些機(jī)器進(jìn)行有機(jī)鏈接的軟件部分也是智能制造系統(tǒng)不可獲取的子集[7]。人的特定性干預(yù)作用在智能制造系統(tǒng)被無(wú)限弱化,在逐漸擺脫這種人為干預(yù)的同時(shí)(是否有特定性干預(yù)作用是自組織與他組織的分水嶺),這個(gè)系統(tǒng)得以從他組織逐漸向自組織過(guò)渡。在這個(gè)過(guò)程中,作用機(jī)理逐漸從線性走向非線性,導(dǎo)致系統(tǒng)逐漸演化的漲落和分叉得以出現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)從封閉逐漸走向開(kāi)放。在這個(gè)過(guò)程中,從小處著眼,系統(tǒng)開(kāi)始嘗試著實(shí)現(xiàn)自我糾錯(cuò),根據(jù)外界物質(zhì)、能量和信息的反饋逐步自適應(yīng);從長(zhǎng)遠(yuǎn)著眼,系統(tǒng)會(huì)在近似擺脫外界特定干預(yù)的情況下像其他自組織系統(tǒng)那樣走向自有序、自演化、自創(chuàng)生。
與此同時(shí),最新科學(xué)進(jìn)展也顯示,智能制造系統(tǒng)將以部分取代制造中人的腦力為研究目標(biāo),它而不再僅起“輔助和支持”的作用,在一定范圍它還需要能獨(dú)立地適應(yīng)周?chē)h(huán)境,開(kāi)展工作[9]。科學(xué)家表示這種獨(dú)立的適應(yīng)周?chē)沫h(huán)境還僅僅是智能制造系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)的第一步,而最終目標(biāo)則是為了能夠通過(guò)對(duì)外部信息的感知和采集從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變化的自主決策(見(jiàn)圖3)。這就和我們文中提出的自組織、自演化的能力是完全一致的。
圖2 智能制造系統(tǒng)層級(jí)模型[8]
智能汽車(chē)近年來(lái)發(fā)展迅速,已經(jīng)與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)民生最為密切的產(chǎn)業(yè)之一,也是制造業(yè)未來(lái)走向智能化的關(guān)鍵領(lǐng)域。我們以智能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)為案例,嘗試應(yīng)用自組織方法對(duì)該產(chǎn)業(yè)進(jìn)行特定的案例分析。
圖3 IMS自組織單元的基本結(jié)構(gòu)圖[4]
(一)傳統(tǒng)汽車(chē)時(shí)代的自組織
根據(jù)傳統(tǒng)汽車(chē)的功能和構(gòu)造,通常將其技術(shù)分為四大系統(tǒng):傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。近年來(lái),為使人對(duì)汽車(chē)的操控性達(dá)到極致,四大系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)均取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,有關(guān)這四個(gè)系統(tǒng)的核心技術(shù)可以被近似的看作是圍繞人對(duì)汽車(chē)的操控性能展開(kāi)??梢哉f(shuō)傳統(tǒng)汽車(chē)始終被定義成人類(lèi)生理功能的延伸。雖然傳統(tǒng)汽車(chē)也配置一些輔助駕駛功能,但配置有良好用戶體驗(yàn)的車(chē)載系統(tǒng)由于成本因素主要安裝于高端車(chē)型[11]。
在傳統(tǒng)汽車(chē)系統(tǒng),其技術(shù)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是圍繞人對(duì)汽車(chē)的駕駛展開(kāi),很多新的技術(shù)也是圍繞如何能夠讓一輛汽馳在硬件功能的提升下為人類(lèi)提供更快的速度和更多的舒適感。在這一時(shí)期內(nèi),幾乎全部的技術(shù)研發(fā)都在以人為主實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的操控。例如,在有關(guān)事故安全問(wèn)題的技術(shù)考量過(guò)程中,更多的設(shè)計(jì)還是圍繞人在危機(jī)狀態(tài)下對(duì)車(chē)所做的反應(yīng),而這種設(shè)計(jì)雖然對(duì)解決安全問(wèn)題有一定幫助并囿于人類(lèi)自身的生理?xiàng)l件,則無(wú)法從根本解決實(shí)際的問(wèn)題。
(二)智能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的自主進(jìn)化
而當(dāng)代新近興起的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)則被定義為,搭載先進(jìn)的車(chē)載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置,并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實(shí)現(xiàn)車(chē)與人、車(chē)、路、后臺(tái)等智能信息的交換共享,具備復(fù)雜的環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制和執(zhí)行等功能,可實(shí)現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能、高效行駛,并最終可替代人來(lái)操作(無(wú)人駕駛)的新一代汽車(chē)。從專(zhuān)家給出的定義不難總結(jié),智能網(wǎng)連汽車(chē)的核心技術(shù)體系包括智能傳感器系統(tǒng)、智能計(jì)算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò),而這三個(gè)系統(tǒng)的核心技術(shù)也是智能汽車(chē)逐漸向自動(dòng)駕駛過(guò)渡。在這個(gè)過(guò)程中,智能傳感系統(tǒng)是汽車(chē)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入裝置系統(tǒng),它能把汽車(chē)運(yùn)行中各種工況信息轉(zhuǎn)化為電訊號(hào)傳給計(jì)算機(jī);車(chē)載智能計(jì)算系統(tǒng)可以把智能傳感系統(tǒng)發(fā)來(lái)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理,幫助自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)異常路況作出快速反應(yīng);車(chē)載網(wǎng)絡(luò)通常指車(chē)載GPS系統(tǒng),主要是通過(guò)硬件和軟件做成GPS定位系統(tǒng)終端用于車(chē)輛定位。 立足于智能汽車(chē)的主要技術(shù)系統(tǒng)不難看出,傳感系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集外部豐富的信息,計(jì)算系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的自動(dòng)的有序處理,最后,車(chē)載GPS像一張蛛網(wǎng)一樣將路況、車(chē)輛、行人等一切所需的汽車(chē)外部環(huán)境進(jìn)行有機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與人、其他車(chē)、路況與云端的智能信息交互。這三個(gè)智能汽車(chē)技術(shù)系統(tǒng)中的慢變量詮釋了其技術(shù)路線早已重新定位,它超越了延長(zhǎng)生理機(jī)能的功能汽車(chē),將原有的人與車(chē)之間的交互納入到車(chē)與車(chē)交互的自組織自演化一張更為龐大的網(wǎng)絡(luò)中去[11]。
當(dāng)代智能汽車(chē)各類(lèi)技術(shù)的發(fā)展,顯示了汽車(chē)產(chǎn)業(yè)逐步由人對(duì)汽車(chē)的操控向汽車(chē)在有關(guān)道路和行進(jìn)的自我操控過(guò)渡的過(guò)程,是智能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)自組織、自演化的生動(dòng)場(chǎng)景。這種技術(shù)的演進(jìn)也體現(xiàn)著當(dāng)代智能業(yè)制造化的過(guò)程中的總體趨勢(shì)。
(一)政府的角色分析
智能制造系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的自組織結(jié)構(gòu),它的開(kāi)放性決定了它將持續(xù)不斷的與外部環(huán)境保持物質(zhì)、能量和信息的交換,作為重要外部環(huán)境構(gòu)成要素的政府正是通過(guò)這種物質(zhì)、能量和信息的持續(xù)交換將其影響作用于系統(tǒng)。 根據(jù)自組織理論,外部環(huán)境是一種對(duì)系統(tǒng)的約束,它為系統(tǒng)規(guī)定了其范圍、邊界和自由度。例如在一些物理系統(tǒng)中,如果對(duì)系統(tǒng)持續(xù)加熱,不同形狀的容器將呈現(xiàn)出不同的流體運(yùn)動(dòng)形式。這就是外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作用的重要體現(xiàn)。
智能制造系統(tǒng)是內(nèi)部要素眾多的巨系統(tǒng),要素之間的關(guān)系呈現(xiàn)非常復(fù)雜的非線性關(guān)系,時(shí)常出現(xiàn)漲落和分叉。因此,對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)進(jìn)行特定干預(yù)的效果不會(huì)十分理想。政府作為智能制造系統(tǒng)的重要外部環(huán)境塑造者,則主要通過(guò)對(duì)影響和改變環(huán)境作用于系統(tǒng)內(nèi)部的自組織作用[12]。
(二)政策建議
綜上所述,政府的作用可以通過(guò)對(duì)政策或者法規(guī)的調(diào)整來(lái)體現(xiàn)。在政府制定政策的過(guò)程要以自組織作用的既定方向和內(nèi)部動(dòng)力機(jī)理作為主要依據(jù)。如果對(duì)政策的制定與自組織發(fā)展的規(guī)律相背離,那么無(wú)論政府投入多么巨大的人力、物理都不會(huì)取得顯著的效果。新政策的出臺(tái)可以起到加速或減緩自組織系統(tǒng)演化的速度,與此同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)自組織過(guò)程的調(diào)節(jié)和改善。
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孫燁,女,黑龍江哈爾濱人,清華大學(xué)社會(huì)科學(xué)學(xué)院博士,研究方向,科學(xué)技術(shù)哲學(xué)。
Intelligent Manufacturing Industry Technology Evolution Path Forward - A self-organizing Perspective
Ye Sun
(China Center of Information Industry Development, Beijing, 100048, China)
China has promulgated the "Intelligent Manufacturing Technology Development 'second five' Plan" made it clear that we should vigorously develop intelligent manufacturing technology. But also of intelligent manufacturing industry pain points exist. In this paper, based on the methodology of selforganization, and try to analyze qualitative intelligent manufacturing systems, intelligent manufacturing aims to clarify the future development path, and on this basis to provide relevant policy advice to governments.
Intelligent Manufacturing; Self-organization; Complexity
C94
A
2095-7866 (2016) 05-577-08