摘要

智能制造是一個不斷演進發展的大概念，可歸納為三個基本范式：數字化制造、數字化網絡化制造、數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造。新一代智能制造是新一代人工智能技術與先進制造技術的深度融合，貫穿于產品設計、制造、服務全生命周期的各個環節及相應系統的優化集成，不斷提升企業的產品質量、效益、服務水平，減少資源能耗，是新一輪工業革命的核心驅動力，是今后數十年制造業轉型升級的主要路徑。“人-信息-物理系統”（HCPS）揭示了新一代智能制造的技術機理，能夠有效指導新一代智能制造的理論研究和工程實踐。基于智能制造三個基本范式次第展開、相互交織、迭代升級的特征，推進制造業智能轉型應采取“并行推進、融合發展”的技術路線。

關鍵詞： 先進制造，新一代智能制造，人-信息-物理系統，新一代人工智能，基本范式，并行推進，融合發展

1、引言

面對新一輪工業革命，《中國制造2025》明確提出，要以新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向[1]。世界各國都在積極采取行動，美國提出“先進制造業伙伴計劃”[2, 3]、德國提出“工業4.0戰略計劃”[4]、英國提出“工業2050”[5]、法國 提出“新工業法國計劃”[6]、日本提出“社會5.0戰略”[7]、韓國提出“制造業創新3.0計劃”[8]，都將發展智能制造作為本國構建制造業競爭優勢的關鍵舉措。

新世紀以來，新一代信息技術呈現爆發式增長，數字化網絡化智能化技術在制造業廣泛應用，制造系統集成式創新不斷發展，形成了新一輪工業革命的主要驅動力。特別是，新一代智能制造作為新一輪工業革命的核心技術，正在引發制造業在發展理念、制造模式等方面重大而深刻的變革，正在重塑制造業的發展路徑、技術體系以及產業業態，從而推動全球制造業發展步入新階段[9-13]。

2. 智能制造的三個基本范式

廣義而論，智能制造是一個大概念[10, 14]，是先進信息技術與先進制造技術的深度融合，貫穿于產品設計、制造、服務等全生命周期的各個環節及相應系統的優化集成，旨在不斷提升企業的產品質量、效益、服務水平，減少資源消耗，推動制造業創新、綠色、協調、開放、共享發展。

數十年來，智能制造在實踐演化中形成了許多不同的相關范式，包括精益生產、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數字化制造、計算機集成制造、網絡化制造、云制造、智能化制造等[15-23]，在指導制造業技術升級中發揮了積極作用。但同時，眾多的范式不利于形成統一的智能制造技術路線，給企業在推進智能升級的實踐中造成了許多困擾。面對智能制造不斷涌現的新技術、新理念、新模式，有必要歸納總結提煉出基本范式。

智能制造的發展伴隨著信息化的進步。全球信息化發展可分為三個階段：從上世紀中葉到90年代中期，信息化表現為以計算、通訊和控制應用為主要特征的數字化階段；從上世紀九十年代中期開始，互聯網大規模普及應用，信息化進入了以萬物互聯為主要特征的網絡化階段；當前，在大數據、云計算、移動互聯網、工業互聯網集群突破、融合應用的基礎上，人工智能實現戰略性突破，信息化進入了以新一代人工智能技術為主要特征的智能化階段[24]。

綜合智能制造相關范式，結合信息化與制造業在不同階段的融合特征，可以總結、歸納和提升出三個智能制造的基本范式，也就是：數字化制造、數字化網絡化制造、數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造。

圖 1 智能制造三個基本范式演進

2.1 數字化制造

數字化制造是智能制造的第一個基本范式，也可稱為第一代智能制造。

智能制造的概念最早出現于上世紀80年代[25]，但是由于當時應用的第一代人工智能技術還難以解決工程實踐問題，因而那一代智能制造主體上是數字化制造。

上世紀下半葉以來，隨著制造業對于技術進步的強烈需求，以數字化為主要形式的信息技術廣泛應用于制造業，推動制造業發生革命性變化。數字化制造是在數字化技術和制造技術融合的背景下，通過對產品信息、工藝信息和資源信息進行數字化描述、分析、決策和控制，快速生產出滿足用戶要求的產品[15, 16, 26, 27]。

數字化制造的主要特征表現為：第一，數字技術在產品中得到普遍應用，形成“數字一代”創新產品；第二，廣泛應用數字化設計、建模仿真、數字化裝備、信息化管理；第三，實現生產過程的集成優化。

需要說明的是，數字化制造是智能制造的基礎，其內涵不斷發展，貫穿于智能制造的三個基本范式和全部發展歷程。這里定義的數字化制造是作為第一種基本范式的數字化制造，是一種相對狹義的定位。國際上也有若干關于數字化制造的比較廣義的定義和理論[28]。

2.2 數字化網絡化制造

數字化網絡化制造是智能制造的第二種基本范式,也可稱為“互聯網+制造”，或第二代智能制造[29]。

上世紀末互聯網技術開始廣泛應用，“互聯網+”不斷推進互聯網和制造業融合發展，網絡將人、流程、數據和事物連接起來，通過企業內、企業間的協同和各種社會資源的共享與集成，重塑制造業的價值鏈，推動制造業從數字化制造向數字化網絡化制造轉變[17, 30-33]。

數字化網絡化制造主要特征表現為：第一，在產品方面，數字技術、網絡技術得到普遍應用，產品實現網絡連接，設計、研發實現協同與共享。第二，在制造方面，實現橫向集成、縱向集成和端到端集成，打通整個制造系統的數據流、信息流。第三，在服務方面，企業與用戶通過網絡平臺實現聯接和交互，企業生產開始從以產品為中心向以用戶為中心轉型[34]。

德國“工業4.0”報告和美國GE“工業互聯網”報告完整地闡述了數字化網絡化制造范式，精辟地提出了實現數字化網絡化制造的技術路線[4, 9, 31, 35-39]。

2.3 新一代智能制造——數字化網絡化智能化制造

數字化網絡化智能化制造是智能制造的第三種基本范式，也可稱為新一代智能制造。

近年來，在經濟社會發展強烈需求以及互聯網的普及、云計算和大數據的涌現、物聯網的發展等信息環境急速變化的共同驅動下，大數據智能、人機混合增強智能、群體智能、跨媒體智能等新一代人工智能技術加速發展，實現了戰略性突破[24, 40, 41]。新一代人工智能技術與先進制造技術深度融合，形成新一代智能制造——數字化網絡化智能化制造。新一代智能制造將重塑設計、制造、服務等產品全生命周期的各環節及其集成，催生新技術、新產品、新業態、新模式，深刻影響和改變人類的生產結構、生產方式乃至生活方式和思維模式，實現社會生產力的整體躍升。新一代智能制造將給制造業帶來革命性的變化，將成為制造業未來發展的核心驅動力。

智能制造的三個基本范式體現了智能制造發展的內在規律：一方面，三個基本范式次第展開，各有自身階段的特點和要重點解決的問題，體現著先進信息技術與先進制造技術融合發展的階段性特征；另一方面，三個基本范式在技術上并不是絕然分離的，而是相互交織、迭代升級，體現著智能制造發展的融合性特征。對中國等新興工業國家而言，應發揮后發優勢，采取三個基本范式“并行推進、融合發展”的技術路線。

3. 新一代智能制造引領和推動新一輪工業革命

3.1 發展背景

當今世界，各國制造企業普遍面臨著提高質量、增加效率、降低成本、快速響應的強烈需求，還要不斷適應廣大用戶不斷增長的個性化消費需求，應對資源能源環境約束進一步加大的挑戰。然而，現有制造體系和制造水平已經難以滿足高端化、個性化、智能化產品和服務增值升級的需求，制造業的進一步發展面臨巨大瓶頸和困難。解決問題，迎接挑戰，迫切需要制造業的技術創新、智能升級[14, 41]。

新一輪工業革命方興未艾，其根本動力在于新一輪科技革命。新世紀以來，移動互聯、超級計算、大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術日新月異、飛速發展[11, 12, 42-48]，并極其迅速地普及應用，形成了群體性跨越。這些歷史性的技術進步，集中匯聚在新一代人工智能技術的戰略性突破，實現了質的飛躍[24]。新一代人工智能呈現出深度學習、跨界協同、人機融合、群體智能等新特征，為人類提供認識復雜系統的新思維、改造自然和社會的新技術。當然，新一代人工智能技術還在極速發展的進程中，將繼續從“弱人工智能”邁向“強人工智能”，不斷拓展人類“腦力”，應用范圍將無所不在。新一代人工智能已經成為新一輪科技革命的核心技術，為制造業革命性的產業升級提供了歷史性機遇，正在形成推動經濟社會發展的巨大引擎。世界各國都把新一代人工智能的發展擺在了最重要的位置[49, 50]。

新一代人工智能技術與先進制造技術的深度融合，形成了新一代智能制造技術，成為了新一輪工業革命的核心驅動力。

3.2 新一代智能制造是新一輪工業革命的核心技術

科學技術是第一生產力，科技創新是經濟社會發展的根本動力。第一次工業革命和第二次工業革命分別以蒸汽機和電力的發明和應用為根本動力，極大地提高了生產力，人類社會進入了現代工業社會。第三次工業革命，以計算、通訊、控制等信息技術的創新與應用為標志，持續將工業發展推向新高度[51]。

新世紀以來，數字化和網絡化使得信息的獲取、使用、控制以及共享變得極其快速和普及，進而，新一代人工智能突破和應用進一步提升了制造業數字化網絡化智能化的水平，其最本質的特征是具備認知和學習的能力，具備生成知識和更好地運用知識的能力，這樣就從根本上提高工業知識產生和利用的效率，極大地解放人的體力和腦力，使創新的速度大大加快，應用的范圍更加泛在，從而推動制造業發展步入新階段，即數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造。如果說數字化網絡化制造是新一輪工業革命的開始，那么新一代智能制造的突破和廣泛應用將推動形成新工業革命的高潮，將重塑制造業的技術體系、生產模式、產業形態，并將引領真正意義上的“工業4.0”，實現新一輪工業革命。

3.3 愿景

制造系統將具備越來越強大的智能，特別是越來越強大的認知和學習能力，人的智慧與機器智能相互啟發性地增長，使制造業的知識型工作向自主智能化的方向發生轉變，進而突破當今制造業發展所面臨的瓶頸和困難。

新一代智能制造中，產品呈現高度智能化、宜人化，生產制造過程呈現高質、柔性、高效、綠色等特征，產業模式發生革命性的變化，服務型制造業與生產型服務業大發展，進而共同優化集成新型制造大系統，全面重塑制造業價值鏈，極大提高制造業的創新力和競爭力。

新一代智能制造將給人類社會帶來革命性變化。人與機器的分工將產生革命性變化，智能機器將替代人類大量體力勞動和相當部分的腦力勞動，人類可更多地從事創造性工作；人類工作生活環境和方式將朝著以人為本的方向邁進。同時，新一代智能制造將有效減少資源與能源的消耗和浪費，持續引領制造業綠色發展、和諧發展。

4. 新一代智能制造的技術機理：“人-信息-物理系統”（HCPS）

智能制造涉及智能產品、智能生產以及智能服務等多個方面及其優化集成。從技術機理角度看，這些不同方面盡管存在差異，但本質上是一致的，下面以生產過程為例進行分析。

4.1 傳統制造與“人-物理系統”

傳統制造系統包含人和物理系統兩大部分，是完全通過人對機器的操作控制去完成各種工作任務（如圖2(a)所示）。動力革命極大提高了物理系統（機器）的生產效率和質量，物理系統（機器）代替了人類大量體力勞動。傳統制造系統中，要求人完成信息感知、分析決策、操作控制以及認知學習等多方面任務，不僅對人的要求高，勞動強度仍然大，而且系統工作效率、質量和完成復雜工作任務的能力還很有限。傳統制造系統可抽象描述為圖2(b)所示的“人-物理系統”（HPS—Human-Physical Systems）。

4.2 數字化制造、數字化網絡化制造與“人-信息-物理系統”

與傳統制造系統相比，第一代和第二代智能制造系統發生的本質變化是，在人和物理系統之間增加了信息系統，信息系統可以代替人類完成部分腦力勞動，人的相當部分的感知、分析、決策功能向信息系統復制遷移，進而可以通過信息系統來控制物理系統，以代替人類完成更多的體力勞動，如圖3所示。

圖3 第一代和第二代智能制造系統

第一代和第二代智能制造系統通過集成人、信息系統和物理系統的各自優勢，系統的能力尤其是計算分析、精確控制以及感知能力都得以很大提高。一方面，系統的工作效率、質量與穩定性均得以顯著提升；另一方面，人的相關制造經驗和知識轉移到信息系統，能夠有效提高人的知識的傳承和利用效率。制造系統從傳統的“人-物理系統”向 “人-信息-物理系統”（HCPS—Human-Cyber-Physical Systems）的演變可進一步用圖4進行抽象描述[11, 52, 53]。

信息系統（Cyber system）的引入使得制造系統同時增加了“人-信息系統”（HCS—Human-Cyber Systems）和“信息-物理系統”（CPS—Cyber-Physical Systems）。其中，“信息-物理系統”（CPS）是非常重要的組成部分。美國在本世紀初提出了CPS的理論[54]，德國將其作為工業4.0的核心技術。“信息-物理系統”（CPS）在工程上的應用是實現信息系統和物理系統的完美映射和深度融合， “數字孿生體”（Digital Twin）即是

最為基本而關鍵的技術，由此，制造系統的性能與效率可大大提高[13, 30, 37, 55, 56]。

圖4 從“人-物理系統”到“人-信息-物理系統”

4.3 新一代智能制造與新一代“人-信息-物理系統”

新一代智能制造系統最本質的特征是其信息系統增加了認知和學習的功能，信息系統不僅具有強大的感知、計算分析與控制能力，更具有了學習提升、產生知識的能力，如圖5所示。

圖5 新一代智能制造系統的基本機理

在這一階段，新一代人工智能技術將使“人-信息-物理系統”發生質的變化，形成新一代“人-信息-物理系統”（如圖6所示）。主要變化在于：第一，人將部分認知與學習型的腦力勞動轉移給信息系統，因而信息系統具有了“認知和學習”的能力，人和信息系統的關系發生了根本性的變化，即從“授之以魚”發展到“授之以漁”；第二，通過“人在回路”的混合增強智能，人機深度融合將從本質上提高制造系統處理復雜性、不確定性問題的能力，極大優化制造系統的性能[52, 57]。

圖6 新一代“人-信息-物理系統”

新一代“人-信息-物理系統”中，HCS、HPS和CPS都將實現質的飛躍。