躬耕機(jī)電三十載，引領(lǐng)智造新時(shí)代。為全面回顧和總結(jié)過去30年的發(fā)展成就和寶貴經(jīng)驗(yàn)，展示新時(shí)代行業(yè)發(fā)展的新面貌，表彰先進(jìn)，中國機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)于12月13日至14日在京舉辦成立30周年慶祝大會(huì)。

以下為北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院教授、博導(dǎo)劉強(qiáng)在中國機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)成立30周年慶祝大會(huì)上的精彩演講實(shí)錄。

  剛才屈賢明院長用活生生幾個(gè)案例，從機(jī)電一體化到智能制造做了一個(gè)生動(dòng)解讀。泉州制鞋廠我前不久剛?cè)チ?，它的整個(gè)生產(chǎn)線現(xiàn)在都改造了。一個(gè)完整的數(shù)字化生產(chǎn)線，已經(jīng)具有智能化的雛形。將來是我們傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向數(shù)字化、智能化升級轉(zhuǎn)型這樣一個(gè)非常好案例，以及能夠給我們帶來技術(shù)的路線途徑。

    今天給大家匯報(bào)一下，我們在智能制造理論體系架構(gòu)方面的一些認(rèn)識(shí)，這個(gè)話題是來源于去年器械工業(yè)出版社跟我約了智能制造教材，今年給北航工程化本科生開了智能制造課程。現(xiàn)在各個(gè)教育部在我們高等院校本科專業(yè)里面設(shè)置智能制造工程這個(gè)專業(yè)，這些都使得我們對智能制造從教學(xué)、培養(yǎng)、研究這些方面，提出更多新的要求。因此迫使我們來思考智能制造從它的理論涉及到關(guān)鍵技術(shù)等等有關(guān)內(nèi)容，怎么構(gòu)建起來。

    首先是智能制造技術(shù)發(fā)展的變遷與新的挑戰(zhàn)，我們知道人類文明進(jìn)程與制造密不可分。制造活動(dòng)及其制造產(chǎn)物伴隨我們從工具時(shí)代、農(nóng)業(yè)時(shí)代、工業(yè)時(shí)代到知識(shí)時(shí)代，是我們生產(chǎn)生活里的永恒主題。農(nóng)業(yè)時(shí)代之后工業(yè)時(shí)代，機(jī)械化、電氣化、信息化、智能化，不同時(shí)代制造技術(shù)的發(fā)展變遷，從制造技術(shù)特點(diǎn)是以不同時(shí)代，以機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化、柔性自動(dòng)化、人機(jī)物互聯(lián)，這個(gè)變遷過程里的技術(shù)上變遷在哪里？工業(yè)1.0到2.0，從原來作坊式機(jī)械化生產(chǎn)走向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化，這個(gè)時(shí)候標(biāo)準(zhǔn)化以零件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，檢驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)化為代表，實(shí)現(xiàn)初級剛性自動(dòng)化，通過自動(dòng)化改變制造過程的速度，以及可重復(fù)性，這是從1.0到2.0的技術(shù)變遷。

    從2.0到3.0，是高級自動(dòng)化，主要是以追求效益、質(zhì)量、柔性，以合理的響應(yīng)能力和精度質(zhì)量，適應(yīng)產(chǎn)品的多樣性、批量波動(dòng)生產(chǎn)，就是我們說的變批量柔性化制造。這時(shí)候自動(dòng)化高級復(fù)雜的自動(dòng)化，具有柔性，以數(shù)字化設(shè)計(jì)制造和網(wǎng)絡(luò)支持來支撐我們的制造過程，它的各種應(yīng)用、監(jiān)測、控制、管理、通信、交互、共享等等。

    不管在什么時(shí)期，制造業(yè)追求的目標(biāo)是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色。這里面四點(diǎn)我們也有一些解讀。未來制造面臨挑戰(zhàn)，有兩個(gè)輪子驅(qū)動(dòng)，市場需求和技術(shù)推動(dòng)，市場需求從我們的機(jī)械制造這一塊來講，我們越來越多的新難教工材料，越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，越來越高的質(zhì)量要求、環(huán)境要求，以及現(xiàn)在個(gè)性化規(guī)?；⒍ㄖ埔蠼桓稌r(shí)間，個(gè)性化定制等等。技術(shù)推動(dòng)帶來技術(shù)這一塊融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、IOT、大數(shù)據(jù)、云、人工智能等等，包括制造工藝上面混合制造等等，新的技術(shù)它的知識(shí)，兩個(gè)輪子有驅(qū)動(dòng)的發(fā)展。

    發(fā)展過程里，從原來制造到具有相對單一的制造場景，面向機(jī)器控制這種學(xué)習(xí)，和基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)決策，以及解決可見的發(fā)生現(xiàn)有問題，現(xiàn)在轉(zhuǎn)向復(fù)雜、混合的制造場景。機(jī)器人、人、機(jī)床混合，我們工藝方法增材減財(cái)混合等等，是未來面對混合復(fù)雜制造場景。原來面向控制，機(jī)床閉環(huán)反饋，是面向控制機(jī)器學(xué)習(xí)，向深度決策的分析決策深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)大閉環(huán)的控制。

    以前決策是比較多基于人的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在基于數(shù)據(jù)證據(jù)，要求我們大數(shù)據(jù)分析，處理來進(jìn)行決策。未來不可見的預(yù)見性維護(hù)，不管從底層設(shè)備到單元到生產(chǎn)線，預(yù)見不可見未發(fā)生問題成為我們保證需求的一個(gè)重要方面。智能制造成為未來制造發(fā)展趨勢，新的挑戰(zhàn)需要我們的制造系統(tǒng)具有預(yù)測和適應(yīng)未知場景智能優(yōu)化能力，能夠自感知、自感應(yīng)等等實(shí)現(xiàn)大閉環(huán)，而不是單臺(tái)機(jī)床或者局部閉環(huán)。我們處理越來越多除了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)我們也要處理，支持我們決策，支持我們預(yù)測。

    不同層級的CPS，DT將虛擬仿真和物理生產(chǎn)過程深度融合，支撐后面系統(tǒng)。未來場景正是有這些變遷，智能制造成為我們是必然趨勢，也是方向。這里面對智能制造發(fā)展，它的內(nèi)涵和特征，其實(shí)是一個(gè)過程。記得80年代我們上研究生的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候已經(jīng)有智能制造，這個(gè)時(shí)候提出智能制造在百度里面百度出來。從科學(xué)特征、技術(shù)特征都做了相應(yīng)概述，我要提的一點(diǎn)，在那時(shí)候提出來的智能制造概念，它的基本思想在現(xiàn)在也仍然還是適用。

    最近美國智能制造創(chuàng)新研究院發(fā)布roadmap2017到2018的智能制造，提出智能制造的內(nèi)涵解讀。智能制造是一系列的涉及業(yè)務(wù)、技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施及勞動(dòng)力的實(shí)踐活動(dòng)，通過整合運(yùn)營技術(shù)和信息技術(shù)OT和IT的工程系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)制造的持續(xù)優(yōu)化。這里提出基礎(chǔ)設(shè)施還有人他們四個(gè)維度，以及OT和IT系統(tǒng)工程，最終實(shí)現(xiàn)制造工程持續(xù)優(yōu)化。

    我們中國制造2025強(qiáng)國戰(zhàn)略研究，智能制造內(nèi)涵是是制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的融合，是面向產(chǎn)品全生命周期的具有信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制能力等等。工信部智能制造發(fā)展規(guī)劃2016到2020報(bào)告里面，指出了智能制造基于新一代信息通信技術(shù)，ICT技術(shù)，與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理等等。

    基于前面的相關(guān)工作，結(jié)合新的技術(shù)發(fā)展變遷，應(yīng)對未來得挑戰(zhàn)，我們對工業(yè)4.0時(shí)代智能制造內(nèi)涵做出一個(gè)自己的新的認(rèn)識(shí)。智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)，新一代人工智能等新技術(shù)深度融合形成的新型生產(chǎn)方式和制造技術(shù)，他以產(chǎn)品全生命周期價(jià)值鏈的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為集成，以企業(yè)內(nèi)部縱向管理集成，企業(yè)外部化網(wǎng)絡(luò)為支撐。進(jìn)行具有動(dòng)態(tài)感知，實(shí)時(shí)分析，自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行的功能的智能制造。智能制造歸結(jié)起來一個(gè)核心CPS，兩大主題，智能工廠、智能生產(chǎn)，三相集成，橫向集成，垂直集成，端到端集成一個(gè)核心，賽博物理系統(tǒng)，十字目標(biāo)，優(yōu)質(zhì)高效、低耗、綠色安全。對于智能制造認(rèn)識(shí)和發(fā)展，我們提出智能制造理論體系架構(gòu)，我們研究給出來。

    智能制造分成幾個(gè)部分，從理論基礎(chǔ)、支撐基礎(chǔ)、核心主題、總體目標(biāo)、實(shí)施途徑、使能技術(shù)。首先是理論基礎(chǔ)，闡明智能制造過程，基本概念，范疇、基本原理。設(shè)計(jì)智能制造的基礎(chǔ)概念術(shù)語定義，內(nèi)涵、外延、特征、構(gòu)成要素、參考架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等等。第二部分是技術(shù)基礎(chǔ)，發(fā)展智能制造工程技術(shù)基礎(chǔ)和基礎(chǔ)性設(shè)施條件等，設(shè)計(jì)工業(yè)的四基。核心基礎(chǔ)零部件、元件、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝，關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。

    支撐技術(shù)，屬于智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，涉及支撐智能制造發(fā)展的新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，主要包括傳感器、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能、數(shù)字孿生等等。這些隨著發(fā)展還會(huì)有新的出現(xiàn)。

    還有一個(gè)方面，面向應(yīng)用的使能技術(shù)，屬于智能制造專業(yè)技術(shù)，涉及智能制造系統(tǒng)集成和應(yīng)用使能的關(guān)鍵技術(shù)，歸結(jié)為三大集成技術(shù)和應(yīng)用使能技術(shù)，主要包括如下技術(shù)：端到端集成，縱向集成，橫向集成，動(dòng)態(tài)感知，實(shí)時(shí)分析，自主決策。

    兩個(gè)核心主題，要闡述構(gòu)成智能制造的核心內(nèi)容，和主要任務(wù)，概括為一個(gè)核心，CPS，以及基于CPS構(gòu)成的賽博物理系統(tǒng)；智能工廠和智能生產(chǎn)兩大主題，進(jìn)一步把智能服務(wù)和智能物流加進(jìn)來，四大主題是CPS和CPPS實(shí)現(xiàn)形式和載體。

    發(fā)展模式方面，闡述智能制造發(fā)展演進(jìn)階段的劃分，特點(diǎn)和范式，包括6個(gè)發(fā)展階段以及三個(gè)演進(jìn)范式。實(shí)施途徑方面，我們希望能夠闡述實(shí)施智能制造原則和給出推進(jìn)智能制造實(shí)施落地的步驟建議。包括智能制造的三要三不要原則，以及規(guī)范實(shí)施五步建議。最終是我們總體目標(biāo)，圍繞闡述清楚優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色、安全的具體內(nèi)容。這是我們對智能制造剛才一個(gè)理論框架，架構(gòu)，我們的一個(gè)設(shè)想，這個(gè)設(shè)想是我們基于自己研究、思考、認(rèn)識(shí)得出一個(gè)結(jié)果。

    最后把智能制造發(fā)展模式和路徑這方面研究做一個(gè)簡要介紹。這里列舉幾個(gè)實(shí)實(shí)在在的例子，智能制造數(shù)字化制造落地都有實(shí)例。

    我們航天制造企業(yè)在航天基于需求工藝分析的制造裝備創(chuàng)新過程，首先從工藝不要在落后工藝基礎(chǔ)上搞好自動(dòng)化，我們工業(yè)2.0都要首先解決。4.0更要解決，能把航天火箭制造的傳統(tǒng)制造工藝?yán)锩嫒笾饕に嚕瘜W(xué)銑削，鏡像銑削；還有手工熔焊，到FSW，把手工化銑改成數(shù)控多種多頭。從制造工藝分析改進(jìn)變革入手，提出裝備需求，裝備需要解決的問題和技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)最后實(shí)現(xiàn)裝備創(chuàng)新。工藝突破牽引高端裝備創(chuàng)新研發(fā)，裝備是工藝的載體，也是保證工藝實(shí)現(xiàn)的手段?？偨Y(jié)會(huì)上專家提出，不要在落后的工藝基礎(chǔ)上搞自動(dòng)化。從設(shè)備層的數(shù)字化，工藝改了，數(shù)字化都是數(shù)控，把智能化運(yùn)輸物流，車間里面的數(shù)字化建模，制造過程管理結(jié)合起來，構(gòu)建起航天制造，新一代航天制造智能制造系統(tǒng)，IMS。這樣實(shí)現(xiàn)一個(gè)他們也在走向智能化的過程里面。

    先進(jìn)制造工藝及裝備技術(shù)我們要關(guān)注，一定要首先解決工藝問題，傳統(tǒng)落后工藝肯定在這基礎(chǔ)上搞不成，搞不好我們的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化。先進(jìn)管理模式也是得到先進(jìn)制造模式和技術(shù)，現(xiàn)代管理模式和技術(shù)，如果還是在落后管理基礎(chǔ)上，是搞不成我們數(shù)字化和智能化。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵，網(wǎng)絡(luò)化是企業(yè)實(shí)現(xiàn)資源共享，集成重組，動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的前提。不要在不具備數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化時(shí)候來搞智能化。

    作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范先行方面也有很多案例，李克強(qiáng)總理提出先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)倒閉中國制造升級。我們在智能制造強(qiáng)國戰(zhàn)略里面提出中國智能制造標(biāo)準(zhǔn)化和參考模型，從生命周期維度、系統(tǒng)層級維度，智能特征維度，以及架構(gòu)，已經(jīng)體現(xiàn)我們智能制造推進(jìn)過程里面標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范先行的理念。

    希望在后面推進(jìn)過程里面，對CPS進(jìn)一步理解，CPS應(yīng)用是一個(gè)過程，是一個(gè)長遠(yuǎn)的過程，不要一蹴而就。

    我們也提出智能制造實(shí)施很多步驟，需求分析、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、互聯(lián)可視數(shù)字化，現(xiàn)場數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，虛實(shí)融合智能生產(chǎn)。希望給智能制造企業(yè)往這方面的落地提供參考和指導(dǎo)。智能制造發(fā)展模式，從發(fā)展階段來講，德勤曾經(jīng)給出一個(gè)計(jì)算機(jī)化、連接、可視、透明、預(yù)測、自適應(yīng)6個(gè)階段。

    基于前面這些認(rèn)識(shí)和分析，我今天講智能制造理論體系架構(gòu)的初探，更多是從學(xué)術(shù)和教學(xué)研究范疇來提。CPS賽博物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)，CPPS是基于在工業(yè)4.0里面提出來的，CPS是更廣義的，可以在設(shè)備系統(tǒng)，在我們智能制造里具體化，從學(xué)術(shù)角度我們還是希望看中他原本的面目。