姚錫凡,景 軒,張劍銘,劉 敏,周佳軍,2+

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等新一代信息通信技術(shù)(Information and Communication Technology, ICT)/人工智能(Artificial Intelligence, AI)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動(dòng)著新一輪產(chǎn)業(yè)革命來臨。制造業(yè)是工業(yè)的基石，是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。毫無疑問，新工業(yè)革命必將對(duì)生產(chǎn)模式產(chǎn)生顛覆性影響，必然導(dǎo)致新型制造模式的誕生。德國提出以信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical Systems, CPS)為主要特征的工業(yè)4.0[1]，美國則提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[2]。其實(shí)，不管是CPS還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都致力于物理世界與信息世界的融合，因而工業(yè)4.0與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是異曲同工的，同時(shí)由于兩者均誕生于制造業(yè)強(qiáng)國，在全球引起了極大的反響和認(rèn)同。同時(shí)，還有從其他不同視角提出的新工業(yè)革命稱謂[3]。我國先后發(fā)布了以智能制造為主攻方向的《中國制造2025》和以“兩化”深度融合為主線的《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》以及《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等一系列戰(zhàn)略國策，以促進(jìn)我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和人工智能發(fā)展。

目前，“互聯(lián)網(wǎng)+”和“人工智能+”已成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主攻方向，實(shí)際上，前者與制造的深度融合就形成所謂的網(wǎng)絡(luò)化制造，而后者與制造的深度融合則形成智能制造[4]。但是，不管此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)化制造還是智能制造，都與各自的前身有根本性的不同。比如，誕生于上世紀(jì)80年代的智能制造，當(dāng)時(shí)英文用Intelligent Manufacturing(IM)描述，進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著物聯(lián)網(wǎng)、CPS、大數(shù)據(jù)等“smart”技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，誕生了名為智能制造或智慧制造(Smart Manufacturing，SM)的新一代智能制造[5]。

因此，本文將對(duì)新工業(yè)革命與智能制造之間的關(guān)系，現(xiàn)有的制造模式如何走向新工業(yè)革命下的智能制造，我們所熟知的計(jì)算機(jī)集成制造如何與網(wǎng)絡(luò)化制造和智能制造關(guān)聯(lián)等問題展開探討研究。

1 工業(yè)革命與制造模式的演化

盡管新工業(yè)革命已成為各國討論和關(guān)注的熱點(diǎn)，但由于學(xué)者的背景和視角不同，對(duì)歷史上出現(xiàn)多少次工業(yè)革命眾說紛紜[3,6]。雖然如此，人們普遍認(rèn)可(第一次)工業(yè)革命起源于18世紀(jì)的蒸汽機(jī)技術(shù)，也普遍認(rèn)可正在或即將發(fā)生新一輪的工業(yè)革命，同時(shí)對(duì)未來工業(yè)生產(chǎn)走向個(gè)性化制造也有比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)歷史上工業(yè)革命次數(shù)以及將要發(fā)生什么樣內(nèi)涵的工業(yè)革命卻有不同看法，工業(yè)革命與制造模式的演化如圖1所示。

圖1a歸納了幾種典型的新工業(yè)革命提法，從發(fā)生頻次來看，由最高的5次到最低的2次，甚至有人認(rèn)為3D打印(增材制造)就將引起新一輪的工業(yè)革命[7]，取代以往工業(yè)革命所依賴的減材制造方式。Brynjolfsson等[8]認(rèn)為目前所進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)革命是第二次機(jī)器革命——以增強(qiáng)人類思維能力為特征(暫且稱智力革命)，強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)的智能化，與以往致力于克服肌肉力量限制的工業(yè)革命(體力革命)形成了鮮明對(duì)照。而認(rèn)為新一輪工業(yè)革命屬于第三次的學(xué)者最多，其中通用公司(GE)[2]認(rèn)為新一輪工業(yè)革命是第三次，即“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(第三次工業(yè)浪潮)=工業(yè)革命(第一次工業(yè)浪潮)+互聯(lián)網(wǎng)革命(第二次工業(yè)浪潮)”，強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)化和虛實(shí)結(jié)合的大數(shù)據(jù)智能制造；美國的Anderson[9]認(rèn)為新材料和3D打印技術(shù)等數(shù)字化制造、創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)和個(gè)性化定制等技術(shù)融合引起了新一輪工業(yè)革命，此前發(fā)生了以蒸汽機(jī)發(fā)明為代表的機(jī)械化生產(chǎn)的第一次革命和以“福特制”為代表的流水線生產(chǎn)的第二次工業(yè)革命；英國的Rifkin[10]從能源動(dòng)力的視角出發(fā)，認(rèn)為新工業(yè)革命是由互聯(lián)網(wǎng)和可再生能源結(jié)合引起的，強(qiáng)調(diào)的是能源網(wǎng)絡(luò)化和生產(chǎn)綠色化，此前已發(fā)生的兩次工業(yè)革命分別是由印刷術(shù)和煤炭蒸汽機(jī)結(jié)合、電訊與燃油內(nèi)燃機(jī)的結(jié)合而引起的。

德國將新工業(yè)革命稱為工業(yè)4.0[11]，即基于CPS的第四次工業(yè)革命，強(qiáng)調(diào)工業(yè)的智能化，而前三次分別是工業(yè)1.0的蒸汽機(jī)械化、工業(yè)2.0的電氣化和工業(yè)3.0的自動(dòng)化。而英國的Marsh[12]認(rèn)為歷史上發(fā)生了5次工業(yè)革命，分別是少量定制、少量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和大規(guī)模定制，目前正處在個(gè)性化定制階段。而3D打印則是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制的新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了制造方式從減材到增材的顛覆性轉(zhuǎn)變，大幅縮減了產(chǎn)品開發(fā)周期與成本，也將推動(dòng)材料革命，具有重大的應(yīng)用潛能。在某種程度上，3D打印可以看作是以CPS的方式復(fù)興和拓展了手工作坊生產(chǎn)[6]，但又不同以往個(gè)人單打獨(dú)斗的手工作坊，它是一種實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)的新型制造模式，并與互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)化技術(shù)融合形成所謂的社會(huì)制造，強(qiáng)調(diào)用戶參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中來。

Koren[13]以美國汽車制造業(yè)為例,認(rèn)為制造(生產(chǎn))模式經(jīng)歷了三次重大轉(zhuǎn)變:①大規(guī)模生產(chǎn)替代手工生產(chǎn);②大規(guī)模定制生產(chǎn)替代大規(guī)模生產(chǎn);③個(gè)性化生產(chǎn)替代大規(guī)模定制,如圖1b所示。這與Marsh提出的5種生產(chǎn)方式中的后3種一致。

這些研究從不同視角揭示了新一輪工業(yè)革命即將來臨，也描繪了制造業(yè)的未來走向。總結(jié)起來，這些不同稱謂的新工業(yè)革命主要特征包括數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、定制化、個(gè)性化、綠色化和社會(huì)化，而不同新工業(yè)革命稱謂，只是強(qiáng)調(diào)某個(gè)或某些特征罷了。實(shí)際上，新一輪工業(yè)革命是新能源、新材料、先進(jìn)制造、工業(yè)機(jī)器人、新一代ICT/AI等眾多技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新和突破性發(fā)展的結(jié)果，任何一項(xiàng)單一的技術(shù)都不足以引發(fā)新一輪的工業(yè)革命，判斷工業(yè)革命誕生依據(jù)主要看是否有新科技群效應(yīng)及是否帶來人類生產(chǎn)方式和生活方式的重大變革[3]。

在新工業(yè)革命愿景下，智能機(jī)器(系統(tǒng))將替代人類絕大多數(shù)體力勞動(dòng)和相當(dāng)部分的腦力勞動(dòng)，使人類得以更多時(shí)間從事創(chuàng)造性工作，同時(shí)也減少資源與能源的消耗和浪費(fèi)，使制造業(yè)朝可持續(xù)的方向發(fā)展。由于工業(yè)4.0理念是由德國政府倡導(dǎo)提出的，并獲得了世界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可，特別是其基礎(chǔ)技術(shù)CPS融合了眾多信息技術(shù)，而其他稱謂的新工業(yè)革命所依托的基礎(chǔ)技術(shù)，或多或少都與CPS相關(guān)，甚至可歸納到CPS之下，且CPS本身是一種智能系統(tǒng)[14]，它與制造技術(shù)的深度融合就形成所謂智能制造(SM)[15]，因此工業(yè)4.0被認(rèn)為是以智能制造為主導(dǎo)生產(chǎn)方式的革命。

從歷史上看，在(第一次)工業(yè)革命之前，我國GDP曾占世界的三分之一，但在18世紀(jì)后期，英國誕生了由蒸汽機(jī)引起的第一次工業(yè)革命后，人類從農(nóng)業(yè)社會(huì)進(jìn)入工業(yè)社會(huì)，制造業(yè)從手工作坊生產(chǎn)逐步走向大規(guī)模生產(chǎn)，使歐洲GDP曾占世界的40%。20世紀(jì)初，誕生于美國的第二次工業(yè)革命，特別是福特發(fā)明的流水線，使汽車大規(guī)模生產(chǎn)水平達(dá)到了高峰，其GDP約占世界35%。盡管以計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)為代表的第三次工業(yè)革命仍誕生于美國，但此時(shí)美國GDP占世界比重有所下降，特別是受到日本豐田發(fā)明的精益生產(chǎn)的挑戰(zhàn)(此時(shí)日本GDP占世界的20%多)，引發(fā)了美國對(duì)傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)方式的思考，并由此引起其對(duì)制造業(yè)的再度重視，美國大力發(fā)展敏捷制造、3D打印等新先進(jìn)制造業(yè)，重新奪回了制造業(yè)的世界領(lǐng)先地位。然而，隨著經(jīng)濟(jì)全球化和制造業(yè)向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移，2010年后中國制造業(yè)GDP超過了美國，但在整體GDP上與美國相比仍有很大差距，在制造業(yè)的國際分工中，我國處于“微笑曲線”的底部，是“世界工廠”，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與科技創(chuàng)新中心仍在美國，如圖2a所示。

從圖2b可以看出，大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)是未來制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此新一輪工業(yè)革命(特別是工業(yè)4.0)將更加關(guān)注個(gè)性化產(chǎn)品的智能化生產(chǎn)，像3D打印這樣的新型制造技術(shù)由于在單件小批量生產(chǎn)中具有優(yōu)勢(shì)而獲得了廣泛應(yīng)用。但制造業(yè)不是如圖1b那樣簡(jiǎn)單地從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向大規(guī)模定制，再轉(zhuǎn)向大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)，因?yàn)榧词箓€(gè)性化產(chǎn)品也包含通用的模塊、定制的模塊以及個(gè)性化的模塊[16]，由于各國或地區(qū)生產(chǎn)力發(fā)展水平不均衡，人們對(duì)產(chǎn)品需求的層次也有所不同[17]。產(chǎn)品究竟采用何種生產(chǎn)方式生產(chǎn)，由各國企業(yè)技術(shù)水平和市場(chǎng)需要決定，如在1955年美國汽車生產(chǎn)達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)的高峰[13]，而當(dāng)時(shí)我國汽車生產(chǎn)正處于起步階段；再如螺絲螺母和軸承等社會(huì)需求量非常大的標(biāo)準(zhǔn)件，無疑最適合采用大規(guī)模生產(chǎn)方式來制造。

新一輪工業(yè)革命是以往工業(yè)革命的延續(xù)和發(fā)展，其產(chǎn)品生產(chǎn)模式也是如此。因此，在未來可預(yù)見的時(shí)間里，大規(guī)模生產(chǎn)、大規(guī)模定制和大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)將并存，三者組成如圖3所示的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的長尾制造[6]，其中大規(guī)模生產(chǎn)主要關(guān)注“頭部”的大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)；而大規(guī)模定制和個(gè)性化生產(chǎn)組成所謂“長尾”，卻關(guān)注“尾部”的小批量或單件產(chǎn)品生產(chǎn)，并隨著新工業(yè)革命的縱橫深入，在客戶的需求多樣化背景下,所占市場(chǎng)份額將越來越大。大規(guī)模定制是連接大規(guī)模生產(chǎn)和個(gè)性化生產(chǎn)的橋梁，本質(zhì)上是由推式的大規(guī)模生產(chǎn)和拉式的定制化生產(chǎn)相結(jié)合形成的一種推拉式生產(chǎn)模式[17]。

目前以工業(yè)4.0為代表的新一輪工業(yè)革命為我國制造業(yè)發(fā)展帶來了新機(jī)遇。此前，我國錯(cuò)失了前三次工業(yè)革命，能否抓住工業(yè)4.0的機(jī)遇，對(duì)我國未來制造業(yè)的發(fā)展具有決定性作用。但是，與從3.0直接邁向4.0的工業(yè)化發(fā)達(dá)國家不同，對(duì)尚處于工業(yè)發(fā)展中的我國而言，既要追趕工業(yè)4.0，又要補(bǔ)工業(yè)2.0/3.0的課，即需要兼顧大規(guī)模生產(chǎn)、大規(guī)模定制和大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)，以滿足社會(huì)對(duì)產(chǎn)品的多樣化需求，因此，長尾生產(chǎn)的智能化研究對(duì)我國制造業(yè)發(fā)展具有特別重要的意義。

2 新工業(yè)革命下的智能制造

2.1 智能制造演進(jìn)

人工智能發(fā)展可分為以符號(hào)智能(邏輯推理/符號(hào)主義)為主的第一代人工智能(AI1.0)和以計(jì)算智能(機(jī)器學(xué)習(xí)/連接主義)為主的新一代人工智能(AI2.0)，當(dāng)然，這僅僅是從技術(shù)突破角度上作的粗略分類。

智能制造(IM)是在上世紀(jì)80年代末隨著AI研究及應(yīng)用深入而提出來的，誕生于工業(yè)3.0時(shí)期，此時(shí)制造業(yè)已開始進(jìn)入大規(guī)模定制生產(chǎn)(對(duì)標(biāo)工業(yè)化發(fā)達(dá)國家，世界上不同國家進(jìn)入大規(guī)模定制生產(chǎn)時(shí)代是不同的)。對(duì)于大規(guī)模定制這樣高度抽象的生產(chǎn)模式，其具體實(shí)現(xiàn)有多種技術(shù)或方法，當(dāng)時(shí)主要使能技術(shù)為計(jì)算機(jī)及PLC(programmable logic controller)技術(shù)，但當(dāng)時(shí)主流制造模式并不是智能制造，而是在20世紀(jì)70年代隨計(jì)算機(jī)(局域)網(wǎng)絡(luò)而出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)集成制造(Computer Integrated Manufacturing, CIM)和精益生產(chǎn),以及90年代基于IP/TCP的互聯(lián)網(wǎng)興起而誕生的以敏捷制造和虛擬企業(yè)等為代表的網(wǎng)絡(luò)化制造模式。

智能制造隨著AI發(fā)展而不斷演化(如圖4)，特別是最初由日本于1989年提出、后來多個(gè)國家加入的智能制造系統(tǒng)(IMS)國際合作研究項(xiàng)目[18]，使IM得到快速發(fā)展。此外，模糊邏輯(Fuzzy Logic, FL)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network, NN)、遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)等計(jì)算智能在80年代興起，以及以多智能體為代表的分布式人工智能在90年代的興起，都在某種程度上促進(jìn)了IM發(fā)展[5]。但當(dāng)時(shí)智能制造(IM1.0)主要借助符號(hào)推理或?qū)＜蚁到y(tǒng)等第一代AI(AI1.0)技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，而專家系統(tǒng)(符號(hào)推理)存在對(duì)領(lǐng)域?qū)＜业囊蕾囆浴⒅R(shí)獲取的困難以及解決問題的靈活性等問題。因此，當(dāng)時(shí)IM應(yīng)用于制造中的某些局部環(huán)節(jié)，以“智能孤島”形式存在，對(duì)彼時(shí)處于支配地位的CIM/網(wǎng)絡(luò)化制造僅起到了輔助作用[4]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，得益于計(jì)算能力的提高、大數(shù)據(jù)的興起以及深度學(xué)習(xí)算法突破，AI進(jìn)入了以計(jì)算智能為主的新階段(AI2.0)。伴隨著以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等為代表的新一代ICT的出現(xiàn)和發(fā)展，先后出現(xiàn)了制造物聯(lián)、云制造等新一代網(wǎng)絡(luò)化制造模式[19]，而隨著以大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)為代表的新一代ICT/AI技術(shù)的應(yīng)用，形成了大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新一代智能制造模式(SM或IM2.0)，也孕育著以智能制造為特征的新一輪工業(yè)革命(工業(yè)4.0)。實(shí)際上，新一代網(wǎng)絡(luò)化制造與新一代智能制造相伴而生，彼此交互融合，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)化制造也變?yōu)橹悄芑圃?，制造物?lián)(網(wǎng))就是如此演化的例子[20]。因此，新一代智能制造，將以(工業(yè))互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施(如圖4右下角)，不僅實(shí)現(xiàn)了廣泛的互聯(lián)互通——貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，而且還由工業(yè)3.0下的配角躍升為工業(yè)4.0生產(chǎn)的主角。

新一代智能制造，通過物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)容知識(shí)網(wǎng)、人際網(wǎng)與先進(jìn)制造技術(shù)深度結(jié)合，形成信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)乃至社會(huì)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)[21]，與傳統(tǒng)符號(hào)系統(tǒng)的推理與知識(shí)表示不同，機(jī)器學(xué)習(xí)(計(jì)算智能)是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，通過學(xué)習(xí)建模，再進(jìn)行預(yù)測(cè)和動(dòng)作；而基于知識(shí)的系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)具有大量專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)置有知識(shí)庫和推理機(jī)，其中知識(shí)庫中存放了求解問題所需要的知識(shí)，推理機(jī)負(fù)責(zé)使用知識(shí)庫中的知識(shí)去解決實(shí)際問題，例如產(chǎn)生式專家系統(tǒng)采用If…then…else…規(guī)則實(shí)現(xiàn)，這種基于有限的預(yù)定規(guī)則范式無法處理未曾預(yù)先定義的問題，只是機(jī)械地執(zhí)行程序指令完成既定設(shè)計(jì)，因此其應(yīng)用極其有限。

制造系統(tǒng)集成演化，從集成方式來看，從工業(yè)3.0下的計(jì)算機(jī)集成演化為工業(yè)4.0下人機(jī)物的協(xié)同集成，以及從企業(yè)局部集成演化為企業(yè)的縱向集成、橫向集成和端到端的集成；從智能集成來看，從符號(hào)智能演化為感知智能和認(rèn)知智能的融合；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，從以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主的集中式控制演化為以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主的分布式控制。

2.2 新工業(yè)革命與新一代智能制造

工業(yè)4.0是德國于2013年正式提出的以智能工廠(智能制造)為主要特征的新一輪工業(yè)革命，但此前，歐盟、美國和中國就已經(jīng)開展了智能工廠相關(guān)研究[22]。德國于2005年6月基于物聯(lián)網(wǎng)啟動(dòng)了SmartFactoryKL項(xiàng)目[23]；美國作為物聯(lián)網(wǎng)和CPS起源國，先后開展了相關(guān)研究，如2008年IBM提出了“智慧地球”的概念、2011年成立了智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟[24]、2012年通用公司提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念[2]；我國早期著重于射頻識(shí)別(Radio Frequency IDentification, RFID)技術(shù)在制造中的應(yīng)用，后來則著重于物聯(lián)網(wǎng)與制造融合而成的制造物聯(lián)(Internet of Manufacturing Things, IoMT)研究[20,24]。由此可見，工業(yè)4.0最初是由物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)在制造業(yè)中的應(yīng)用而引起的，隨后務(wù)聯(lián)網(wǎng)(Internet of Services, IoS)、智能工廠(Smart Factory, SF)和CPS也成為其組成部分[25]。如圖5所示，SF是工業(yè)4.0的重要組成部分，也是外延更廣的智能制造(SM)的組成部分；CPS可看作是一種由物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)(IoS)融合而成的系統(tǒng)[21]。因此，SM是一種基于CPS的制造模式，而工業(yè)4.0的主導(dǎo)生產(chǎn)方式是智能制造(智能工廠)。

波士頓咨詢公司則認(rèn)為工業(yè)4.0包含大數(shù)據(jù)與分析、自主機(jī)器人、模擬仿真、水平與垂直的系統(tǒng)集成、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)信息安全、云計(jì)算、增材制造、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)9大支撐技術(shù)[26]。然而，這些技術(shù)絕大部分可以歸類到圖5所示的工業(yè)4.0四大要素之中。

事實(shí)上，新一輪產(chǎn)業(yè)(工業(yè))革命的蓬勃發(fā)展立足于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突破：計(jì)算機(jī)硬件水平的提升，促進(jìn)了機(jī)器智能的發(fā)展，開啟了機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的新篇章；計(jì)算機(jī)軟件水平的提升，使計(jì)算資源在時(shí)空分布上得以優(yōu)化，使其配置更加靈活、可控，推動(dòng)了云計(jì)算、霧計(jì)算、邊緣計(jì)算的發(fā)展；5G網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等ICT技術(shù)的發(fā)展，使信息的傳播具備大吞吐量、廣泛性和實(shí)時(shí)性，大數(shù)據(jù)智能也得以飛躍式發(fā)展；增材制造和智能裝備等工業(yè)技術(shù)的突破革新也是工業(yè)4.0至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。大數(shù)據(jù)與人工智能相結(jié)合賦予機(jī)器強(qiáng)大的計(jì)算能力、推理能力、學(xué)習(xí)能力乃至創(chuàng)新能力；優(yōu)化的計(jì)算資源配置有助于制造系統(tǒng)的分布式融合發(fā)展；ICT與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合促進(jìn)了信息物理的融合，為智能制造的落地提供了更多可能。

智能制造作為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的主導(dǎo)生產(chǎn)模式，是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要用標(biāo)準(zhǔn)化手段來統(tǒng)一認(rèn)識(shí)和引領(lǐng)發(fā)展。德國率先提出工業(yè)4.0的概念，并將其作為智能制造來研究，在2014年4月發(fā)布了德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化的路線圖1.0版，規(guī)劃了工業(yè)4.0所需要的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和IT技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并于2015年從層次結(jié)構(gòu)、類別(功能)和生命周期&價(jià)值鏈3個(gè)維度構(gòu)建了工業(yè)4.0參考體系架構(gòu)模型(Reference Architecture Model Industrie 4.0，RAMI4.0)[27]，其中層次結(jié)構(gòu)維度是在IEC 62264企業(yè)系統(tǒng)層級(jí)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，補(bǔ)充了產(chǎn)品/工件的內(nèi)容，并由個(gè)體工廠拓展至“連接世界”；功能維度包括信息物理系統(tǒng)的核心功能，分為資產(chǎn)、集成、通信、信息、功能、業(yè)務(wù)6個(gè)層次；第3個(gè)維度從以產(chǎn)品全生命周期視角出發(fā)，描述了以零部件、機(jī)器和工廠為典型代表的工業(yè)要素從虛擬原型到實(shí)物的全過程。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)從產(chǎn)品、生產(chǎn)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)3個(gè)維度以及制造金字塔構(gòu)建智能制造的生態(tài)系統(tǒng)[28]，獲得了意義更加明確的參考體系架構(gòu)[29]；而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(Industrial Internet Consortium, IIC)基于ISO/IEC/IEEE42010:2011標(biāo)準(zhǔn)，于2015年發(fā)布了跨行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)(Industrial Internet Reference Architecture, IIRA)[30]。在我國，工信部和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2015年12月聯(lián)合發(fā)布了《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2015年版)》，從系統(tǒng)層級(jí)、智能特征和生命周期3個(gè)維度構(gòu)建智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，2018年再次更新這個(gè)架構(gòu)[31]；而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟先后發(fā)布了2個(gè)版本的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系》，構(gòu)建包括網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全3大功能的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[32]。日本價(jià)值鏈促進(jìn)會(huì)于2016年12月參照德國RAMI 4.0發(fā)布了工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)(Industrial Value Chain Reference Architecture, IVRA)，然后于2018年4月將IVRA更新為“IVRA-Next”[33]，從資產(chǎn)、活動(dòng)、管理的角度對(duì)智能制造單元(Smart Manufacturing Unit, SMU)進(jìn)行詳細(xì)的定義。

盡管上述4個(gè)國家的智能制造/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的出發(fā)點(diǎn)、思考問題的角度和所關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域各有差異(如圖6)，但它們都包含制造智能化的核心理念和技術(shù)基礎(chǔ)，并指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作。實(shí)際上，德中美三國在各自提出的智能制造參考架構(gòu)中，分別羅列出已有標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)指出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的不足和新需求。德國將RAMI4.0發(fā)布為本國的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN SPEC91345，并于2017年春季發(fā)布為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC PAS 63088，確認(rèn)了該框架下現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)多達(dá)700項(xiàng)，并指出標(biāo)準(zhǔn)的新需求和未來的行動(dòng)計(jì)劃[27]。上述研究表明，現(xiàn)有的制造標(biāo)準(zhǔn)不足以支撐智能制造的實(shí)現(xiàn)，特別是缺少網(wǎng)絡(luò)信息安全、基于云的制造服務(wù)、供應(yīng)鏈集成和數(shù)據(jù)分析方面的標(biāo)準(zhǔn)[28]，也缺乏成體系的標(biāo)準(zhǔn)化框架[34]，而面向服務(wù)仍是需要解決的主題[35]。對(duì)此，NIST提出了面向服務(wù)的智能制造架構(gòu)，利用制造服務(wù)總線連接制造系統(tǒng)內(nèi)外的各種服務(wù)領(lǐng)域，包括操作技術(shù)(Operational Technology, OT)、信息技術(shù)(Information Technology, IT)、虛擬化和管理等[36]，而IBM提出了包括邊緣層、工廠層和企業(yè)層的工業(yè)4.0參考架構(gòu)[37]。

隨著新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的不斷深入發(fā)展，制造業(yè)正在經(jīng)歷巨大變革，社會(huì)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)[38]和包容性制造[39]應(yīng)運(yùn)而生；而日本則在更寬泛的意義上提出了一種虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間高度融合的社會(huì)形態(tài)——社會(huì)5.0，它將狩獵社會(huì)視為起點(diǎn)，認(rèn)為經(jīng)歷農(nóng)耕社會(huì)、工業(yè)社會(huì)、信息社會(huì)的進(jìn)化之后，將進(jìn)入如圖7所示的第5階段的超智能社會(huì)[40]。

不管是工業(yè)4.0/智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是社會(huì)5.0，它們共同特征在于實(shí)現(xiàn)虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間高度融合，它們之間的關(guān)系如圖8所示。從外延來看，社會(huì)5.0>工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIRA>工業(yè)4.0=智能制造(SM)。德國工業(yè)4.0深度聚焦于制造過程和價(jià)值鏈的生命周期。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)注重跨行業(yè)的通用性和互操作性，應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域比工業(yè)4.0寬、但比社會(huì)5.0窄。日本社會(huì)5.0著眼于社會(huì)構(gòu)成和人類服務(wù)，涉及社會(huì)的各行各業(yè)，不僅將制造、能源、交通、服務(wù)等原先各自獨(dú)立的系統(tǒng)組織起來，還將諸如人事、會(huì)計(jì)、法務(wù)的組織管理功能以及提供創(chuàng)意等人類工作價(jià)值組織起來，進(jìn)而達(dá)到細(xì)分社會(huì)的各種需求，將必要的物品和服務(wù)在必要時(shí)以必要的程度提供給需要的人，使所有人都能享受優(yōu)質(zhì)服務(wù)，建立超越年齡、性別、地區(qū)、語言差異，快樂舒適生活的社會(huì)。

圖8只是籠統(tǒng)地顯示這些概念之間的關(guān)系，實(shí)際上它們之間存在更詳細(xì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。美國IIC與德國工業(yè)4.0平臺(tái)工作組共同發(fā)布了一份關(guān)于IIRA與RAMI4.0對(duì)接分析的白皮書，指出IIRA與RAMI4.0在概念、方法和模型等方面有不少相互對(duì)應(yīng)和相似之處，而差異之處則具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。此外，我國智能制造體系架構(gòu)和日本IVRA與RAMI4.0也有對(duì)應(yīng)關(guān)系，彼此之間也開展合作研究。如果說以往互聯(lián)網(wǎng)解決的是人類社會(huì)社交與消費(fèi)的問題(也即消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)問題)，那么互聯(lián)網(wǎng)向?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)應(yīng)用演進(jìn)升級(jí)而成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(又稱為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng))，則是在全面互聯(lián)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)流動(dòng)和分析，形成智能化產(chǎn)業(yè)變革。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)又稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things, IIoT)[41]，這從IIC報(bào)告得到印證[30]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與國內(nèi)提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”理念相吻合，在工業(yè)領(lǐng)域就有“互聯(lián)網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng))+工業(yè)”，而具體到制造業(yè)就有“物聯(lián)網(wǎng)+制造”(制造物聯(lián)網(wǎng))[20]。從這個(gè)意義來說，則有“工業(yè)4.0=智能制造=制造物聯(lián)網(wǎng)”。此外，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提出“互聯(lián)工業(yè)(Connected Industries)”[42]相類似的概念。

物聯(lián)網(wǎng)在新一輪工業(yè)革命中扮演著重要角色，被當(dāng)作CPS的同義詞使用[43]，甚至被認(rèn)為引起新一輪經(jīng)濟(jì)革命[44]。從實(shí)現(xiàn)視角來看，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)有3種主要模式[30]：①由邊緣層、平臺(tái)層和企業(yè)層構(gòu)成的3層架構(gòu)模式；②網(wǎng)關(guān)介導(dǎo)的邊緣連接和管理架構(gòu)模式；③分層的數(shù)據(jù)總線模式。

3 新一代智能制造發(fā)展趨勢(shì)

如前所述，新工業(yè)革命下的智能制造是眾多技術(shù)融合發(fā)展的結(jié)果，并且還處于不斷發(fā)展演化之中。歸結(jié)起來，新一代智能制造(SM)最明顯的兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是：①從百花齊放的各種新興智能制造模式演化為融合統(tǒng)一的智慧制造或社會(huì)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)；②從集中演化為分布、從被動(dòng)演化為主動(dòng)。

3.1 從百花齊放走向統(tǒng)一融合

當(dāng)初，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)與制造技術(shù)融合形成了所謂智能工廠(SF)[23]或制造物聯(lián)[24]，而將云計(jì)算(廣義上的務(wù)聯(lián)網(wǎng)(IoS))與制造技術(shù)融合稱為云制造[45]。由于CPS的內(nèi)涵和外延比IoT和IoS廣泛得多，特別是隨著基于CPS的工業(yè)4.0理念被世界各國普遍接受，人們往往將新興的智能制造模式都?xì)w結(jié)到工業(yè)4.0下基于CPS的智能制造(SM)[1,21,46]旗下。而基于CPS的智能制造又稱為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(Cyber-Physical Production System，CPPS)[47]，或稱為工業(yè)信息物理系統(tǒng)(Industrial Cyber-Physical System，ICPS)[48]。

隨著IoT/IoS/CPS的發(fā)展，誕生了工業(yè)大數(shù)據(jù)或制造業(yè)大數(shù)據(jù)的概念，同時(shí)催生了諸如預(yù)測(cè)制造[49]和主動(dòng)制造[50]那樣的大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能制造。實(shí)際上，大數(shù)據(jù)誕生于Web2.0的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，最初主要由人與人交互(人聯(lián)網(wǎng)/人際網(wǎng)/移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng))引起，同時(shí)人際網(wǎng)(人聯(lián)網(wǎng)/社交網(wǎng)絡(luò))與3D打印等技術(shù)的融合，誕生了社會(huì)制造[51]。無疑，隨著新一代ICT/AI的進(jìn)一步發(fā)展，以及其與制造技術(shù)的深度融合，還會(huì)涌現(xiàn)出其他超出CPPS范疇的新一代智能制造模式，因此需要研究包括社會(huì)系統(tǒng)(社會(huì)制造)在內(nèi)的更廣泛的制造模式[5,21]。

研究表明，雖然這些從不同視角提出來的新興制造模式具有不同的產(chǎn)生背景和側(cè)重點(diǎn)，但它們向融合發(fā)展已成為一種趨勢(shì)[19]。智慧制造(Wisdom Manufacturing/Wise Manufacturing, WM)正是將互聯(lián)網(wǎng)的4大支持技術(shù)——人際網(wǎng)或人聯(lián)網(wǎng)(Internet of People, IoP)、內(nèi)容知識(shí)網(wǎng)(Internet of Content/Knowledge, IoCK)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)(IoS)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)與制造技術(shù)深度融合而提出的一種人機(jī)物協(xié)同制造模式[52](如圖9)。若用M表示制造(Manufacturing)，用I表示(未來)互聯(lián)網(wǎng)(Internet)，則I={IoP,IoCK,IoS,IoT}、WM=I∩M={IoP∩M,IoCK∩M,IoS∩M,IoT∩M}。

綜上所述，新一代智能制造已從最初著重于物理系統(tǒng)的感知與集成(如制造物聯(lián))，進(jìn)一步與信息系統(tǒng)融合，形成CPPS；再進(jìn)一步與社會(huì)系統(tǒng)融合，形成社會(huì)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(Social CPPS, SCPPS)[38]——智慧制造(WM)[53]，延伸和拓展了工業(yè)4.0下的CPPS理念。由此可見，現(xiàn)有新興智能制造模式可以統(tǒng)一于智慧制造/SCPPS架構(gòu)之下[5]，如圖10所示。

物聯(lián)網(wǎng)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)4.0中支撐CPS(如圖5)，類似地在智慧制造中支撐CPPS(CPS+制造)，進(jìn)一步與人際網(wǎng)(IoP)結(jié)合，進(jìn)而支撐SCPPS；而內(nèi)容知識(shí)網(wǎng)(IoCK)，包括數(shù)據(jù)—信息—知識(shí)—智慧(Data-Information-Knowledge-Wisdom，DIKW)，起到橋接其他三大支柱技術(shù)的作用。在AI以“數(shù)據(jù)為王”的今天，從某種意義上來說，IoCK就是大數(shù)據(jù)，但又不限于此，還包括語義Web和知識(shí)圖譜等。IoCK與制造技術(shù)的融合，就形成包括IM、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能制造、基于語義Web的智能制造等制造模式[54]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)要嚴(yán)格按照產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程才能制造出所需產(chǎn)品。具體而言，前述的“四網(wǎng)”要與智能工廠相互協(xié)調(diào)才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的理念，因此根據(jù)制造系統(tǒng)的輸入輸出以及各個(gè)要素之間關(guān)系，得到融合于一體的社會(huì)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(如圖11)[21]：

(Input,Relation,SCPS,IoP,IoS,

IoT,IoCK,Factory,Output)。

式中：Input表示輸入元素集,包括客戶要求、數(shù)據(jù)、材料、能源、資本和勞動(dòng)力等；IoS表示務(wù)聯(lián)網(wǎng)，包括云計(jì)算和面向服務(wù)架構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA)等；IoT表示物聯(lián)網(wǎng)；SCPS表示橋接制造中的社會(huì)世界、信息世界與物理世界；Relation表示系統(tǒng)組件之間的相互作用以及IoT、IoS、IoCK、IoP和SCPS之間的聯(lián)接和協(xié)作；Factory(工廠)根據(jù)生產(chǎn)過程中的Relation(關(guān)系),在IoT、IoS、IoCK、IoP和SCPS的支持下將原材料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品來滿足客戶的需求；Output表示系統(tǒng)的輸出元素集,包括產(chǎn)品和/或服務(wù)以及解決方案等。

從層次構(gòu)架來看，WM從下至上包括了組織符號(hào)學(xué)的物理層、經(jīng)驗(yàn)層、語法層、語義層、語用層和社會(huì)層[55]，分別對(duì)應(yīng)于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)制造的資源層、感知層、數(shù)據(jù)層、預(yù)測(cè)層、決策層和應(yīng)用層[50]；從系統(tǒng)構(gòu)成來看，WM又包括社會(huì)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)[53]，相應(yīng)地誕生了社會(huì)制造[51]、賽博制造(Cyber manufacturing)[56]和物聯(lián)制造(又稱為制造物聯(lián))[24]，并可通過大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈將3個(gè)子系統(tǒng)鏈接起來，如圖12所示。從DIKW金字塔模型來看，WM達(dá)到DIKW模型的最高層次——智慧層次，并隨著大數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)為代表的新一代AI的興起，更加強(qiáng)調(diào)大數(shù)據(jù)智能所起的作用[5]。由于新一代智能制造具備學(xué)習(xí)和認(rèn)知的能力，具備了生成知識(shí)和更好地運(yùn)用知識(shí)的能力，因此制造系統(tǒng)變得越來越智能化，人的智慧與機(jī)器智能相互啟發(fā)性地增長，也使制造業(yè)的知識(shí)型工作向自主智能化的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變[57]。

從交互的角度來看，若人機(jī)交互越自然、機(jī)器與環(huán)境的交互越自主，則系統(tǒng)智能化程度越高。隨著聯(lián)接與感知能力的突飛猛進(jìn)，人機(jī)物將在數(shù)據(jù)構(gòu)筑的虛擬信息空間中進(jìn)行交互，隨著手機(jī)和穿戴設(shè)備等的普及，特別是AR為人類感知添加了新維度，突破了物理世界的局限，同時(shí)人—人、機(jī)—機(jī)、物—物、人—機(jī)—物能夠相互進(jìn)行通信，感知設(shè)備和環(huán)境的變化，具有自適應(yīng)性和自主智能的機(jī)器與人合作，協(xié)同完成復(fù)雜制造任務(wù)，進(jìn)而通過IoT、IoS、IoCK、IoP連接成龐大的社會(huì)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)。

3.2 從集中走向分布、從被動(dòng)走向主動(dòng)

SM早期研究將物理節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)傳送到云中心進(jìn)行處理，雖然云計(jì)算中心較好地實(shí)現(xiàn)了大批量(歷史)數(shù)據(jù)處理以及資源共享與優(yōu)化配置，但將導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)負(fù)載大、傳輸帶寬負(fù)載量重、網(wǎng)絡(luò)延遲明顯、生產(chǎn)實(shí)時(shí)性難以保證以及安全和隱私等問題[58-59]，同時(shí)也使網(wǎng)絡(luò)邊緣物理設(shè)備(節(jié)點(diǎn))缺少自主能力。在新一輪工業(yè)革命背景下，隨著制造物聯(lián)終端與連接規(guī)模的快速擴(kuò)展，傳統(tǒng)集中式信息處理與管理的模式難以適用，將逐步演進(jìn)為集中式管理與分布式自治相結(jié)合的模式[60]，而應(yīng)運(yùn)而生的霧計(jì)算[61]或邊緣計(jì)算[62](由于邊緣計(jì)算和霧計(jì)算概念具有很大的相似性，這里不對(duì)兩者加以區(qū)別使用)，使邊緣設(shè)備成為數(shù)據(jù)消費(fèi)者和生產(chǎn)者[63]。

據(jù)國際數(shù)據(jù)公司預(yù)測(cè)，到2020年企業(yè)在邊緣基礎(chǔ)設(shè)施上的投入將占物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施總費(fèi)用的18%，近50%新建的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將在具有綜合分析能力的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)施[64]。邊緣(霧)計(jì)算與云計(jì)算的有機(jī)結(jié)合，為新工業(yè)革命時(shí)代的智能制造提供更完美的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)[60]。云計(jì)算負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)、長周期數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，能夠在預(yù)測(cè)性維護(hù)、業(yè)務(wù)決策等領(lǐng)域發(fā)揮特長；邊緣計(jì)算聚焦實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)的分析，能更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行，以分布式信息處理的方式實(shí)現(xiàn)物端的智能和自治，并為云端提供必要的邊緣設(shè)備數(shù)據(jù)，而云計(jì)算通過大數(shù)據(jù)分析輸出業(yè)務(wù)規(guī)則或優(yōu)化結(jié)果，將其下發(fā)到邊緣處，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的智能化。如，在圖12所示的底部物聯(lián)制造中，位于虛擬空間的“集中式”任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，完成自動(dòng)導(dǎo)引車(Automatic Guided Vehicle, AGV)與機(jī)器的作業(yè)調(diào)度和協(xié)調(diào)，而分散位于物理空間的AGV，通過霧(邊緣)計(jì)算以分布式信息處理的方式實(shí)現(xiàn)霧端(物端)的智能和自治。

這種云霧結(jié)合的SCPPS，與傳統(tǒng)CIM采用事后或反應(yīng)性調(diào)度策略不同，它采用事前的主動(dòng)性調(diào)度策略，如在質(zhì)量問題/故障問題/交貨期延誤發(fā)生之前，就采取行動(dòng)以防這些問題發(fā)生。這種主動(dòng)性實(shí)質(zhì)上是利用無所不在的感知收集各種相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過對(duì)所收集的大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，挖掘出有價(jià)值的信息、知識(shí)或事件，自動(dòng)反饋給業(yè)務(wù)決策者，并根據(jù)系統(tǒng)健康狀態(tài)、當(dāng)前和過去信息，對(duì)外部環(huán)境及情形作出判斷或預(yù)測(cè)，主動(dòng)配置和優(yōu)化制造資源[50]。

云霧協(xié)同雖然可有效應(yīng)對(duì)智能制造中海量的大數(shù)據(jù)，但如何保障生產(chǎn)設(shè)備與數(shù)據(jù)的安全仍然是必須面對(duì)和急需解決的問題，而強(qiáng)調(diào)去中心化的區(qū)塊鏈[65]所特有的數(shù)據(jù)加密保護(hù)和驗(yàn)證機(jī)制為解決該問題提供了一種手段，同時(shí)也有利于知識(shí)產(chǎn)權(quán)(如3D模型)保護(hù)[66]。邊緣(霧)計(jì)算與區(qū)塊鏈融合，將為業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)聚合與互操作、安全與隱私保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)問題提供支持[60]。因此，區(qū)塊鏈被產(chǎn)業(yè)界視為引發(fā)第四次產(chǎn)業(yè)革命的核心要素之一[67]。

在虛擬化/服務(wù)化和數(shù)字孿生[68]支持下，最終可建立物理世界和社會(huì)世界的數(shù)字鏡像映射，并將感知、分析判斷、預(yù)測(cè)、決策能力納入其中，完成整個(gè)生產(chǎn)過程智能化。此時(shí)，人類生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)可以在虛擬空間突破時(shí)空限制，快速遍歷各種模擬與仿真，無需再在物理世界進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即使不得已要進(jìn)行，也能做到一次成功。

4 走向現(xiàn)實(shí)的長尾智能制造

如上所述，新工業(yè)革命時(shí)代仍會(huì)存在大規(guī)模生產(chǎn)、大規(guī)模定制和個(gè)性化生產(chǎn)3種基本生產(chǎn)方式(長尾制造)，因此隨著以“人工智能+”為主要特征的新工業(yè)革命到來，長尾制造必然走向智能化。新工業(yè)革命的目的不是消滅大規(guī)模生產(chǎn)，而是比以往任何時(shí)候都能更好地滿足社會(huì)對(duì)多層次多樣化產(chǎn)品的需求。比如，對(duì)于女裝生產(chǎn)，成衣批量生產(chǎn)企業(yè)主要制作位于圖13的bc段人群集中的衣服(實(shí)際分為150/XXS、155/XS、160/S、165/M、170/L、175/XL、180/XXL尺碼系列生產(chǎn))，而位于兩側(cè)的“長尾”(ab和cd)部分，以往主要采用手工制作(價(jià)格通常較高)，目前已可在互聯(lián)網(wǎng)上定購制作(比直接購成衣價(jià)格稍高，等候時(shí)間也更長)。展望未來，隨著人類生產(chǎn)水平的提高，以及對(duì)個(gè)性化成衣的追求，部分人即使能買到合身的大眾化成衣，也會(huì)轉(zhuǎn)向網(wǎng)上訂購加工所需衣服，使得成衣需求曲線扁平化(如圖13中的虛線所示)，但仍然存在成衣大批量生產(chǎn)方式，更不用說布料的大批量生產(chǎn)了。又如，當(dāng)今主流的智能手機(jī)仍采用大批量生產(chǎn)為主(有限的若干個(gè)產(chǎn)品類型供選擇)，其個(gè)性化定制主要體現(xiàn)于服務(wù)方面，用戶可設(shè)定自己喜歡的界面和下載所需的APP軟件等。由此可見，究竟采用哪種生產(chǎn)方式來制造產(chǎn)品，是由市場(chǎng)決定的?！爸悄芑辈皇悄康?，業(yè)務(wù)發(fā)展、提質(zhì)增效、節(jié)能降耗才是促使更多企業(yè)最終選擇智能制造之路的根本原因。

因此，在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，任意數(shù)量(低至1件)產(chǎn)品都可以以合理的價(jià)格生產(chǎn)出來，大規(guī)模生產(chǎn)可為大眾提供低成本的產(chǎn)品和服務(wù)，大規(guī)模定制為少數(shù)人或某群體提供定制化的產(chǎn)品和服務(wù)，而個(gè)性化生產(chǎn)為單個(gè)客戶提供個(gè)性化需求的產(chǎn)品和服務(wù)。對(duì)于一個(gè)具體的產(chǎn)品生產(chǎn)，首先通過市場(chǎng)調(diào)研和需求，根據(jù)產(chǎn)品類型、產(chǎn)量大小、質(zhì)量要求、投資收益等進(jìn)行多方面權(quán)衡，通過綜合評(píng)估來確定最合適的生產(chǎn)方式。但不管是大規(guī)模生產(chǎn)、還是大規(guī)模定制和個(gè)性化生產(chǎn)，在新一代ICT/AI融合作用下都變得智能化。

AI可幫助企業(yè)優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)客戶體驗(yàn)個(gè)性化，增強(qiáng)預(yù)測(cè)和決策能力，進(jìn)而改變企業(yè)的運(yùn)營模式。未來無所不在的AI將貫穿整個(gè)產(chǎn)品價(jià)值鏈(如圖14)，在產(chǎn)品的研發(fā)階段，AI可輔助企業(yè)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)需求、優(yōu)化研發(fā)，并塑造面向未來的成功產(chǎn)品；在生產(chǎn)與裝配階段，AI可使企業(yè)以較低的成本和更高的質(zhì)量生產(chǎn)商品和服務(wù)，同時(shí)減少維護(hù)和維修；在銷售與服務(wù)階段，AI幫助企業(yè)以合適的價(jià)格、正確的信息和準(zhǔn)確的目標(biāo)客戶來促銷產(chǎn)品，同時(shí)可提供豐富、個(gè)性化和方便的用戶體驗(yàn)[69]。因此，AI對(duì)“尾部生產(chǎn)”(大規(guī)模定制和個(gè)性化生產(chǎn))影響巨大，特別是對(duì)個(gè)性化生產(chǎn)的整個(gè)價(jià)值鏈產(chǎn)生變革性影響，雖然對(duì)“頭部”的大規(guī)模生產(chǎn)影響更小，但在萬物互聯(lián)時(shí)代，仍可通過大數(shù)據(jù)智能技術(shù)持續(xù)減少和消除各種等待和浪費(fèi)，通過識(shí)別質(zhì)量問題的根源，進(jìn)而幫助消除缺陷[70]，同時(shí)通過智能電網(wǎng)使能源利用效率得到極大提升，形成以精益智能制造為代表的工業(yè)4.0下的大批量生產(chǎn)。精益工業(yè)4.0概念的誕生便是工業(yè)4.0下大批量生產(chǎn)智能化的最好例證，它通過精益管理和工業(yè)4.0融合而成[70]。

不管哪種生產(chǎn)方式都是按客戶和市場(chǎng)需求來生產(chǎn),通常是在客戶訂單分離點(diǎn)(Customer Order Decoupling Point, CODP)上游采用大批量生產(chǎn)通用、模塊化的零部件,在CODP下游根據(jù)客戶訂單形成定制化的最終產(chǎn)品。從圖14來看，大規(guī)模生產(chǎn)只有從銷售活動(dòng)開始才是由客戶訂單驅(qū)動(dòng)的,即使如此，在信息化高度發(fā)展的今天，也可利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和AI來洞悉用戶需求的變化，為客戶提供更好的售后服務(wù)，大規(guī)模生產(chǎn)的智能手機(jī)便是最好的例證。當(dāng)然，個(gè)性化定制必能更好地滿足個(gè)性化需求，且用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就參與到其中。現(xiàn)有大規(guī)模定制主要是在產(chǎn)品裝配時(shí)，根據(jù)用戶選定的模塊進(jìn)行組裝，如用客戶定制一臺(tái)計(jì)算機(jī)，商家根據(jù)其選定的屏幕尺寸、內(nèi)存、CPU等進(jìn)行組裝后交付給客戶。

新一代AI呈現(xiàn)出大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)、跨界協(xié)同、人機(jī)物融合、群體智能等新特征，并擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集能力、智能視覺能力、自然語言處理能力，將大幅提升企業(yè)效率和決策水平，不僅能為工廠內(nèi)部的生產(chǎn)以及維護(hù)、質(zhì)量與物流等提供支持，還能為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和供應(yīng)鏈管理等提供支持，在企業(yè)運(yùn)營中具體應(yīng)用包括[71]：

(1)機(jī)器視覺 通過視覺、X射線或激光信號(hào)感知生產(chǎn)環(huán)境，比如用攝像頭對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行分類。

(2)語音識(shí)別 處理語音聽覺信號(hào)，比方用虛擬語音助手處理操作員有關(guān)質(zhì)量問題的評(píng)論。

(3)自然語言處理 分析文本和解釋語義，比如從報(bào)告生成摘要。

(4)信息處理 從非結(jié)構(gòu)化文本中析取知識(shí)并獲取查詢答案，如通過搜索產(chǎn)品相關(guān)的文字報(bào)告。

(5)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí) 預(yù)測(cè)或者分類，如利用機(jī)器和流程產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)事件。

(6)規(guī)劃與探索 軌跡規(guī)劃，選擇一系列的行動(dòng)讓特定目標(biāo)最大化，如讓AGV識(shí)別最佳的下一步。

(7)語音生成 通過文字或聲音語言與人類交流溝通，如朗讀指令。

(8)處理與控制 操縱物體，如讓不需要特殊培訓(xùn)的機(jī)器人從儲(chǔ)存箱中撿起未分類的零件。

(9)導(dǎo)航與運(yùn)動(dòng) 在受限的物理空間移動(dòng)，如讓AGV在工廠內(nèi)自主移動(dòng)并優(yōu)化路線。

5 智能制造展望

縱觀歷史，現(xiàn)代集成制造就是在ICT/AI技術(shù)推動(dòng)下不斷向前發(fā)展的。如果說個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer, PC)的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)3.0的開始，那么物聯(lián)網(wǎng)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)(云計(jì)算)的融合就代表著工業(yè)4.0的開始。在PC時(shí)代，“計(jì)算機(jī)+制造”誕生了各種各樣的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)CAX(CAD/CAM/CAE/CAPP)，隨著計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了將各種“數(shù)字化/信息化孤島”集成的CIM。在20世紀(jì)90年代，隨互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)誕生了以敏捷制造和虛擬制造等為代表的網(wǎng)絡(luò)化制造，即誕生了“互聯(lián)網(wǎng)+制造”[72]；隨著制造業(yè)信息化從“互聯(lián)網(wǎng)+”轉(zhuǎn)向“人工智能+”，制造業(yè)也開始擁抱“人工智能+”[4]。圖15顯示了如何從工業(yè)3.0演進(jìn)到工業(yè)4.0，以及制造業(yè)如何從“計(jì)算機(jī)+”演進(jìn)到“互聯(lián)網(wǎng)+”，再到“人工智能+”。

像其他技術(shù)的成長軌跡一樣，“人工智能+制造”雖然還處于早期階段，但將伴隨新工業(yè)革命的發(fā)展而繼續(xù)向前演進(jìn)。在新一代智能制造中，大數(shù)據(jù)是其基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)制造智能化是必經(jīng)之路[4,73-74]。對(duì)于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造數(shù)字化/信息化/自動(dòng)化/智能化，可追溯到上世紀(jì)先后出現(xiàn)的數(shù)字控制(Numerical Control, NC)/計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(Computer Numerical Control, CNC)/直接數(shù)字控制(Direct Numerical Control, DNC)/計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, CAD)/計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)/計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(Computer Aided Proeess Planning, CAPP)等，雖然以企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning, ERP)為代表的管理信息系統(tǒng)和以數(shù)控加工和柔性制造為代表的自動(dòng)化技術(shù),分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)經(jīng)營管理和車間自動(dòng)化的集成，然而為解決“信息化孤島”而生的計(jì)算機(jī)集成制造，由于其數(shù)據(jù)處理能力所限，也缺乏實(shí)時(shí)通信能力，從而導(dǎo)致企業(yè)上層ERP缺乏有效的實(shí)時(shí)信息支持，以及下層控制環(huán)節(jié)缺乏優(yōu)化的調(diào)度與協(xié)調(diào)。雖然后來出現(xiàn)了為解決生產(chǎn)計(jì)劃與底層控制脫節(jié)而生的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)，但由于采用緊耦合的集成方式，仍存在諸如可集成性差、缺乏可擴(kuò)展性和敏捷性等問題。20世紀(jì)90年代進(jìn)入了基于互聯(lián)網(wǎng)(Web1.0)的網(wǎng)絡(luò)化制造，但由于Web1.0信息單向流動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)操控能力掌握在少數(shù)專業(yè)人士手中，用戶僅作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的消費(fèi)者，因此呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)集中化的網(wǎng)絡(luò)化制造模式，其信息透明度低、信息交互能力弱，制造業(yè)的用戶參與程度低。隨著互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入Web2.0，實(shí)現(xiàn)了信息的雙向流動(dòng)，用戶既是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的消費(fèi)者也是生產(chǎn)者，信息透明度增高，數(shù)據(jù)逐漸呈現(xiàn)出去中心化的發(fā)展趨勢(shì)，智能移動(dòng)終端的發(fā)展形成了信息交互頻繁的人際關(guān)系網(wǎng)絡(luò)(人聯(lián)網(wǎng))，消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)快速興起，并起到了至關(guān)重要的市場(chǎng)導(dǎo)向作用，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，面向服務(wù)的集成制造理念日漸深入人心，因此在SOA和云計(jì)算理念之上誕生了云制造[75]，它能通過諸如企業(yè)服務(wù)總線(Enterprise Service Bus, ESB)來集中數(shù)據(jù)資源和各種制造資源，通過服務(wù)松耦合連接實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的應(yīng)用，敏捷地應(yīng)對(duì)不斷變化的業(yè)務(wù)需求[76]。2010年后，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入Web3.0，融合了語義網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、信息物理融合、AR、AI等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人與人、物與物、人與物的大規(guī)模深層次交互，加上機(jī)器學(xué)習(xí)算法的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)運(yùn)理能力的提升，出現(xiàn)了以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主的大數(shù)據(jù)科學(xué)，伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的興起，誕生了大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新興智能制造[50]，而邊緣計(jì)算與區(qū)塊鏈進(jìn)一步促進(jìn)了制造智能走向分布與自主。

從物聯(lián)網(wǎng)、到務(wù)聯(lián)網(wǎng)/云計(jì)算、到大數(shù)據(jù)、到深度學(xué)習(xí)/AI、到AR、到邊緣計(jì)算、再到區(qū)塊鏈，可以看到一條清晰的“兩化”融合演進(jìn)路線：物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了物物互聯(lián)，并提供了從現(xiàn)實(shí)世界中獲取數(shù)據(jù)的方法；務(wù)聯(lián)網(wǎng)/云計(jì)算實(shí)現(xiàn)了資源虛擬化和服務(wù)化，以及海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘和按需提供服務(wù)；工業(yè)大數(shù)據(jù)推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)由以服務(wù)個(gè)人用戶消費(fèi)為主轉(zhuǎn)向服務(wù)生產(chǎn)性應(yīng)用為主，深度學(xué)習(xí)/AI為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、決策與服務(wù)提供支持；AR為人機(jī)交互提供了更好的感知方式；邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)時(shí)響應(yīng)以及物端的智能和自治；區(qū)塊鏈能夠?yàn)閿?shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)、安全與隱私提供保障。這也是制造業(yè)從數(shù)字化走向智慧化過程[77]。智慧制造[52-53,55,78]實(shí)質(zhì)上是集前述多種技術(shù)于一體的復(fù)雜社會(huì)技術(shù)系統(tǒng)，使社會(huì)世界、信息世界與物理世界深度融合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制造系統(tǒng)安全、可靠、高效、實(shí)時(shí)、協(xié)同的感知和控制。

“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)現(xiàn)了空間移動(dòng)信息的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)互聯(lián)，“人工智能+”實(shí)現(xiàn)了從信息富集到知識(shí)富集的信息結(jié)構(gòu)升級(jí)，“互聯(lián)網(wǎng)+”與“人工智能+”在新工業(yè)革命時(shí)期的融合促進(jìn)了智能制造向大數(shù)據(jù)智能、分布化自治、社會(huì)化融合方向發(fā)展。

新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的深入發(fā)展中既有技術(shù)創(chuàng)新所帶來的生產(chǎn)力提升和商業(yè)模式的改變，又有生產(chǎn)關(guān)系或管理變革的發(fā)生。在生產(chǎn)關(guān)系方面，隨著制造水平、信息發(fā)展程度、人民生活質(zhì)量的不斷提高，制造業(yè)從由生產(chǎn)者主導(dǎo)轉(zhuǎn)為向生產(chǎn)者與消費(fèi)者協(xié)同融合的生產(chǎn)關(guān)系方向發(fā)展，特別是在“面向服務(wù)”的制造理念和“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”、“工匠精神”等指導(dǎo)思想引領(lǐng)下，制造業(yè)逐步形成技術(shù)共享、智慧共享、協(xié)同創(chuàng)新的社會(huì)環(huán)境，同時(shí)在歸核化戰(zhàn)略思想和社會(huì)分工專業(yè)化理念的引導(dǎo)下，工業(yè)4.0理念下的水平和垂直集成、端到端集成等制造產(chǎn)業(yè)模式得到廣泛應(yīng)用，促使制造產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)由大型企業(yè)靜態(tài)一體化鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)逐漸升級(jí)為大、中、小、微制造單元的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同結(jié)構(gòu)，企業(yè)管理趨于扁平化，企業(yè)分工更具專業(yè)化，以實(shí)現(xiàn)敏捷高效的市場(chǎng)響應(yīng)。產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)都可通過多元化、多粒度的社會(huì)制造單元協(xié)同完成，不但滿足了社會(huì)各個(gè)階層對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化的需求，而且增強(qiáng)了對(duì)社會(huì)各個(gè)階層的參與度[39]。

由此可見，新一輪工業(yè)革命無疑對(duì)智能制造提出了更高的新要求。展望我國未來智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建議加強(qiáng)以下幾方面工作：

(1)加強(qiáng)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，構(gòu)建智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系

標(biāo)準(zhǔn)化工作對(duì)智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有基礎(chǔ)性、支撐性、引領(lǐng)性的作用，也是產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)圍繞核心技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展布署，以搶占智能制造的主導(dǎo)權(quán)，而最終爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)在于智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)。我國智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，與德美日發(fā)達(dá)國家相比仍存在較大差距[29]，與此同時(shí)，新一代信息通信技術(shù)(特別是人工智能技術(shù))正被源源不斷地加入到推動(dòng)智能制造進(jìn)步的技術(shù)行列之中。因此，需要從支撐智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展的角度出發(fā)，分析智能制造的技術(shù)熱點(diǎn)、行業(yè)動(dòng)態(tài)和未來趨勢(shì)，研究制定適合我國所處發(fā)展階段和基本國情的智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)體系，最終形成有利于制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型的生態(tài)體系。

(2)結(jié)合我國國情加強(qiáng)制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)核心技術(shù)研究

隨著新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命在全球的興起，主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家根據(jù)自己國情，紛紛提出全新發(fā)展思路。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)著重發(fā)揚(yáng)其互聯(lián)網(wǎng)和軟件領(lǐng)域長期積累的優(yōu)勢(shì)，不局限于制造業(yè)，將互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于整個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。德國工業(yè)4.0立足于其全球領(lǐng)先的制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的質(zhì)量基礎(chǔ)及教育水準(zhǔn)，通過“工業(yè)4.0組件”核心技術(shù)為各種物理資產(chǎn)增加一個(gè)機(jī)器可讀、語義相通、適用于生產(chǎn)系統(tǒng)所有生命周期階段的唯一標(biāo)識(shí)的“數(shù)字化馬甲”——管理殼(administration shell)[79]，進(jìn)而以高度模塊化的方式來構(gòu)建和擴(kuò)展已有系統(tǒng)。日本提出的IVRA顯著特性在于提出一種可互聯(lián)的SMU作為描述制造活動(dòng)的基本組件[33]，進(jìn)而可以通過多SMU的組合，全方位地展現(xiàn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈和工程鏈情況。我國提出的智能制造體系構(gòu)架還缺少諸如此類的核心關(guān)鍵技術(shù)，也面臨工業(yè)化與信息化同時(shí)推進(jìn)問題，因此需要在吸收國外相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成中國獨(dú)特的制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)路徑。

(3)發(fā)揮人在智能制造中的關(guān)鍵作用

盡管工業(yè)4.0/智能制造向自主適應(yīng)方向發(fā)展[80]，重復(fù)性的體力和腦力工作不斷被智能機(jī)器替代，直接從事制造行業(yè)的員工人數(shù)必然減少，而人機(jī)交互以及機(jī)器之間的對(duì)話卻會(huì)越來越普遍，越來越多的員工從操作者/服務(wù)者轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)評(píng)估者/協(xié)調(diào)者/規(guī)劃者/決策者，使人類有更多時(shí)間專注于自己擅長的事情——諸如從事產(chǎn)品/軟件設(shè)計(jì)等創(chuàng)新性工作，同時(shí)也凸現(xiàn)出智能制造中人機(jī)物協(xié)作的重要性。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的智能制造實(shí)施建議中都強(qiáng)調(diào)人才的重要性。德國工業(yè)4.0報(bào)告認(rèn)為[27]，無論是作為生產(chǎn)過程中的參與者、機(jī)器操作員，還是作為維護(hù)人員、生產(chǎn)計(jì)劃員或程序員，人類將繼續(xù)在生產(chǎn)過程中扮演關(guān)鍵角色。而在日本提出的IVRA[33]中，尤其突出現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行力和現(xiàn)場(chǎng)人員作用，將人視為信息和物理世界映射過程中的重要元素，充分考慮了人在制造活動(dòng)中的地位和作用。

(4)高度重視系統(tǒng)安全和隱私問題

未來智能制造將與廣泛社會(huì)維度中的各個(gè)產(chǎn)業(yè)深度交聯(lián)、融合發(fā)展。而作為社會(huì)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的智能(智慧)制造，需要從各種設(shè)備、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)中收集到的各類數(shù)據(jù)和信息，包括個(gè)人隱私以及企業(yè)商業(yè)秘密和知識(shí)產(chǎn)權(quán)等；另外與消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)不同，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施的智能制造具有諸如安全性、實(shí)時(shí)性等特定要求，必須防范網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)遭到篡改或破壞，確保對(duì)人類生命和生產(chǎn)安全有直接影響的物理生產(chǎn)系統(tǒng)可信運(yùn)行，因此工業(yè)裝備與信息的安全問題是企業(yè)實(shí)施智能制造/工業(yè)4.0的最大挑戰(zhàn)之一。

(5)發(fā)展以人為本的包容性智能制造

工業(yè)4.0最終會(huì)引起全社會(huì)的變革，對(duì)利益相關(guān)者產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，包容性增長成為其重要內(nèi)涵[81]，包容性制造也因此應(yīng)運(yùn)而生[39]，特別是日本政府為應(yīng)對(duì)第4次產(chǎn)業(yè)革命以及科技創(chuàng)新的迅猛發(fā)展所帶來的國際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的態(tài)勢(shì)以及老齡化、勞動(dòng)人口減少、資源能源和環(huán)境、交通等經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展難題而提出的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新模式——社會(huì)5.0理念[82]。這場(chǎng)社會(huì)變革，不僅需要企業(yè)層面的密切合作，還需要所有利益相關(guān)者參與共同決策：始于企業(yè)的社會(huì)合作伙伴之間的對(duì)話，到跨公司、跨部門的合作，再到日常生活中使用數(shù)字技術(shù)和人工智能所涉及的整個(gè)社會(huì)問題[80]。

在互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)化發(fā)展過程中，以消費(fèi)者為主體的、由人聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和Web 2.0等技術(shù)支撐的消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)首先發(fā)展起來，而以生產(chǎn)者為主體的、由物聯(lián)網(wǎng)和內(nèi)容知識(shí)網(wǎng)等技術(shù)支撐的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在興起，如圖16所示。

需要指出的是，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有狹義和廣義之分。狹義的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)側(cè)重于工業(yè)(產(chǎn)業(yè))下的物—物互聯(lián)互通，如我國智能制造系統(tǒng)架構(gòu)下的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)就是起到如此作用[31]；而廣義的工業(yè)(產(chǎn)業(yè))互聯(lián)網(wǎng)(如美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng))，不僅涉及到包括制造業(yè)在內(nèi)的諸多行業(yè)，還強(qiáng)調(diào)物—物互聯(lián)之后的大數(shù)據(jù)智能應(yīng)用。

社會(huì)5.0需求是多層次和個(gè)性化的，因此未來的智能制造必將深度融合消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)與產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，不但能預(yù)測(cè)用戶需求，而且能基于人機(jī)物深度融合的高度柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，自主優(yōu)化配置制造資源，實(shí)現(xiàn)集感知、分析、定向、決策、調(diào)整、控制于一體的主動(dòng)生產(chǎn)。

6 結(jié)束語

本文從工業(yè)革命和市場(chǎng)需求對(duì)制造模式演化的影響入手，論述了新工業(yè)革命與新一代智能制造關(guān)系以及智能制造的發(fā)展歷程、行業(yè)動(dòng)態(tài)和未來趨勢(shì)，重點(diǎn)分析了人工智能對(duì)于長尾生產(chǎn)方式的影響，揭示了制造業(yè)從“計(jì)算機(jī)+”向“互聯(lián)網(wǎng)+”和“人工智能+”發(fā)展的必然趨勢(shì)，這為我國制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了技術(shù)支持和有益啟示。

從“人工智能+”視角來看，人工智能已從基于專家系統(tǒng)、知識(shí)庫的符號(hào)智能(AI1.0)，發(fā)展到基于大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、CPS、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的計(jì)算智能(AI2.0)，智能制造相應(yīng)地從基于局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)集成制造為主、以專家系統(tǒng)在離散環(huán)節(jié)應(yīng)用為輔的第一代智能制造，發(fā)展到基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、CPS和大數(shù)據(jù)智能的新一代智能制造。從“兩化”融合來看，隨著從工業(yè)3.0發(fā)展到工業(yè)4.0，制造業(yè)最初從數(shù)字化制造孤島轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)集成制造(“計(jì)算機(jī)+”)，隨后互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和發(fā)展進(jìn)入了“互聯(lián)網(wǎng)+”，近來隨著大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)/人工智能發(fā)展，制造業(yè)更是進(jìn)入了“人工智能+”。

不管從哪個(gè)視角出發(fā)，都可以看到“人工智能+”是制造業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，但這種發(fā)展又必須以“計(jì)算機(jī)+”和“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)。因此，要實(shí)現(xiàn)我國制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，一方面要利用“計(jì)算機(jī)+”實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的縱向集成、橫向集成以及端到端集成；另一方面更要推動(dòng)大數(shù)據(jù)智能、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等新一代人工智能與制造業(yè)的深度融合。

雖然工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)，但未來生產(chǎn)實(shí)際上是由大規(guī)模生產(chǎn)、大規(guī)模定制和大規(guī)模個(gè)性化所組成的長尾智能制造，對(duì)尚處于由工業(yè)2.0向工業(yè)3.0過渡的我國制造業(yè)而言，更應(yīng)實(shí)施智能長尾生產(chǎn)——能提供從單件到任意數(shù)量的多層次多樣化產(chǎn)品與服務(wù)，從而更好地滿足未來包容性社會(huì)的需求。

綜上所述，本文創(chuàng)新性體現(xiàn)為：

(1)深度分析了新一輪工業(yè)革命下的智能制造特點(diǎn)，關(guān)聯(lián)分析了智能制造與新工業(yè)革命(乃至社會(huì)5.0)的關(guān)系，從概念外延得出：“智能制造=德國工業(yè)4.0=制造物聯(lián)網(wǎng)<美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)<日本社會(huì)5.0”。

(2)承前啟后地探討制造業(yè)智能化發(fā)展，特別著重分析新一代人工智能對(duì)制造業(yè)的變革性影響，得出新一代智能制造未來發(fā)展趨勢(shì)——向大數(shù)據(jù)智能、分布化自治、社會(huì)化的融合發(fā)展。

(3)給出我國智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的幾點(diǎn)建議，指出需要加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、核心技術(shù)研究、發(fā)揮人的關(guān)鍵作用、高度重視安全和隱私問題，特別是需要融合消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)與產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展以人為本的包容性制造，以滿足未來社會(huì)的多層次多樣化產(chǎn)品與服務(wù)需求。

需要指出，伴隨新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命而興起的新一代智能制造還處于不斷演化發(fā)展中，尤其是向社會(huì)化和物聯(lián)化方向縱深發(fā)展，同時(shí)還面臨設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全與應(yīng)用安全等諸多挑戰(zhàn)性問題，這是智能制造未來需要重點(diǎn)解決的問題。

致謝

感謝參與論文提綱討論的廉江市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究會(huì)(智庫)專家。