智能制造系統(tǒng)的特點

　　智能制造系統(tǒng)和傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比具有以下幾個特點。

　　高效自治。自治能力是智能制造系統(tǒng)的一種重要的標(biāo)志性特征，包括自學(xué)習(xí)、自組織、自維護等能力。智能制造系統(tǒng)具有搜集與理解環(huán)境信息及自身的信息并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的自學(xué)習(xí)能力；智能制造系統(tǒng)中的各種組成單元能夠根據(jù)工作任務(wù)的需要自行集結(jié)成一種超柔性最佳結(jié)構(gòu)并按照最優(yōu)的方式運行的自組織能力；以原有的專家知識為基礎(chǔ)在實踐中不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)完善系統(tǒng)的知識庫，對系統(tǒng)故障進(jìn)行自我診斷、排除及修復(fù)的自維護能力。例如，在德國工業(yè)4.0實施方案中，信息物理系統(tǒng)（CPPSs）幫助智慧工廠進(jìn)行自我管理，并實現(xiàn)生產(chǎn)的定制化和個性化。CCPSs不僅可以實現(xiàn)生產(chǎn)的自我管理，還可以實現(xiàn)維護的自我管理。

　　人機一體。智能制造系統(tǒng)不單純是“人工智能”系統(tǒng)而是人機一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能。人機一體化一方面突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位同時在智能機器的配合下更好地發(fā)揮了人的潛能，使人機之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，使兩者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。虛擬制造技術(shù)成為實現(xiàn)高水平人機一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。人機結(jié)合的新一代智能界面使得可用虛擬手段智能地表現(xiàn)現(xiàn)實，它是智能制造的一個顯著特征。

　　網(wǎng)絡(luò)集成。智能制造系統(tǒng)在強調(diào)各個子系統(tǒng)智能化的同時更注重整個制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成。這是智能制造系統(tǒng)與傳統(tǒng)的面向制造過程中特定應(yīng)用的“智能化孤島”的根本區(qū)別。這種網(wǎng)絡(luò)集成包括兩個層面。智能制造的第一個特點體現(xiàn)在企業(yè)智能生產(chǎn)系統(tǒng)的縱向整合以及網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)系統(tǒng)利用信息物理系統(tǒng)（CPPSs）實現(xiàn)工廠對訂單需求、庫存水平變化以及突發(fā)故障的迅速反應(yīng)。生產(chǎn)資源和產(chǎn)品由網(wǎng)絡(luò)連接，原料和部件可以在任何時候被送往任何需要它的地點。生產(chǎn)流程中的每個環(huán)節(jié)都被記錄，每個差錯也會被系統(tǒng)自動記錄，這有利于幫助工廠更快速有效地處理訂單的變化、質(zhì)量的波動、設(shè)備停機等事故。工廠的浪費將大大減少。二是價值鏈橫向整合。與生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化相似，全球或本地的價值鏈網(wǎng)絡(luò)通過CPPSs相連接，囊括物流、倉儲、生產(chǎn)、市場營銷及銷售，甚至下游服務(wù)。任何產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)和軌跡都有據(jù)可查，仿佛產(chǎn)品擁有了“記憶”功能。這便形成一個透明的價值鏈——從采購到生產(chǎn)再到銷售，或從供應(yīng)商到企業(yè)再到客戶?？蛻舳ㄖ撇粌H可以在生產(chǎn)階段實現(xiàn)，還可以在開發(fā)、訂單、計劃、組裝和配送環(huán)節(jié)實現(xiàn)⑥。

　　智能制造面臨四大技術(shù)挑戰(zhàn)

　　異構(gòu)異質(zhì)系統(tǒng)的融合。智能制造系統(tǒng)利用信息物理系統(tǒng)（CPPSs）縱向?qū)崿F(xiàn)智能生產(chǎn)系統(tǒng)整合和網(wǎng)絡(luò)化，橫向?qū)崿F(xiàn)價值鏈的整合與網(wǎng)絡(luò)化。現(xiàn)在面臨的問題是，傳統(tǒng)的工業(yè)自動化系統(tǒng)中不同的技術(shù)發(fā)展相對割裂。盡管一些既定的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在各種技術(shù)學(xué)科、專業(yè)協(xié)會和工作組中使用，但是缺乏對這些標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)。目前，不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間，設(shè)備之間存在嚴(yán)重的異構(gòu)異質(zhì)問題需要解決。異構(gòu)性是指不同類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如Internet，WSN等）高質(zhì)量互聯(lián)互通的問題。異質(zhì)性是指不同公司生產(chǎn)的、不同功能的硬件不兼容的設(shè)備在沒有彼此差異的情況下進(jìn)行互聯(lián)互通的問題⑦。這要求從傳感器、數(shù)據(jù)卡開始，從數(shù)據(jù)采集點，到整個網(wǎng)絡(luò)、云平臺、數(shù)據(jù)中心、全連接，需要統(tǒng)一的架構(gòu)，以及標(biāo)準(zhǔn)化的接口。這需要一套新的國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)大范圍嵌入式設(shè)備之間的互聯(lián)以及向虛擬世界互聯(lián)。通過網(wǎng)絡(luò)間的融合與協(xié)同，對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分離的、局部的優(yōu)勢能力與資源進(jìn)行有序整合，最終實現(xiàn)無處不在、無所不能的一種智能網(wǎng)絡(luò)。在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，每一個通信節(jié)點都具備自路由的功能，形成一個自組織、自管理、自修復(fù)、自我平衡的智能網(wǎng)絡(luò)。各個設(shè)備因為異構(gòu)異質(zhì)的融合可以相互之間進(jìn)行良好的通信交流，在不同的網(wǎng)絡(luò)共存的情況下，還可以整合與優(yōu)化資源配置，利用性能更好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實現(xiàn)更高效的資源利用。

　　解決這個問題，單靠哪家企業(yè)都不現(xiàn)實，需要積極推進(jìn)智能制造的各國政府，跨國界的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新組織、跨國公司以及廣泛的中小企業(yè)共同參與，將現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，如在自動化領(lǐng)域（工業(yè)通信、工程、建模、IT安全、設(shè)備集成、數(shù)字化工廠等）納入一個新的全球參考體系是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。這項工作具有高度的復(fù)雜性，是智能制造發(fā)展面臨的一大挑戰(zhàn)。

　　復(fù)雜大系統(tǒng)管理。在現(xiàn)代管理中，我們一般可通過模型模擬來解決一些非常廣泛的真實的或假想的管理問題，例如產(chǎn)品，制造資源或整個制造系統(tǒng)，如人類與智能系統(tǒng)的互動，又如不同企業(yè)和組織之間業(yè)務(wù)流程等管理方面的問題。

　　在智能制造時代，基于模型模擬使用標(biāo)準(zhǔn)的方式來配置和優(yōu)化制造工藝對于企業(yè)是一個重大挑戰(zhàn)。主要原因在于智能制造系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，由于功能增加、產(chǎn)品用戶特定需求增加、交付要求頻繁變化、不同技術(shù)學(xué)科和組織日益融合，以及不同的公司之間合作形式變化迅速，很難開發(fā)一套穩(wěn)定且具有極強適應(yīng)性的管理模型。另外，開發(fā)新的管理系統(tǒng)模型的成本與收益問題也是一大難題。智能制造系統(tǒng)在建立初期階段就需要建立明確的管理模型，這一階段需要較高的資金支出。在高產(chǎn)量行業(yè)（如汽車行業(yè)）或有嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)（如航空電子行業(yè)），公司更有可能接受較高的初期投入。如果它們只生產(chǎn)小批量或個性化產(chǎn)品，則不太可能這樣做。

　　高質(zhì)量高容量網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。智能制造需要更高容量和更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，以保證智能制造所需的延遲時間、可靠性、服務(wù)質(zhì)量和通用帶寬。工業(yè)企業(yè)的信息化水平越來越高，信息數(shù)據(jù)量也越來越多，各種設(shè)備儀器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對信息處理的要求也提高了。高運行可靠性，數(shù)據(jù)鏈路可用性，保證延遲時間和穩(wěn)定的連接成為智能制造的關(guān)鍵，因為他們直接影響應(yīng)用程序的性能⑧。

　　高質(zhì)量高容量網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是智能制造面臨的又一個挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是工業(yè)領(lǐng)域?qū)拵У幕A(chǔ)架構(gòu)過去并不是面向大數(shù)據(jù)的，大量機器與機器、設(shè)備與設(shè)備等數(shù)據(jù)的收集、傳輸、交互等，對工業(yè)領(lǐng)域?qū)拵ЩA(chǔ)架構(gòu)提出了更大的挑戰(zhàn)。二是要實現(xiàn)端到端的全生命周期基于數(shù)據(jù)來驅(qū)動，需要更大范圍、更大維度的信息交流，異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的信息交流是一大挑戰(zhàn)。三是網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和成本控制的挑戰(zhàn)。智能制造網(wǎng)絡(luò)不僅需要高速、帶寬、簡單、可擴展、安全，還需要便宜，不明顯增加現(xiàn)有制造產(chǎn)品和服務(wù)的成本。這個網(wǎng)絡(luò)需要綁定可靠的SLA（服務(wù)水平協(xié)議）；通信容量的可用性和性能高；持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路調(diào)試/跟蹤，尤其是提供相關(guān)的技術(shù)援助；提供廣泛可用/有保證的通信容量（固定/可靠的帶寬）；廣泛使用的嵌入式SIM卡；所有移動網(wǎng)絡(luò)運營商之間的短信傳遞狀態(tài)通知；標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序編程接口（APIs）的配置，涵蓋所有供應(yīng)商（SIM卡激活/停用）；移動服務(wù)合約的成本控制；負(fù)擔(dān)得起的數(shù)據(jù)全球漫游通訊費用等。

　　系統(tǒng)安全。智能制造系統(tǒng)涉及高度網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將大量的有關(guān)人、IT系統(tǒng)、自動化元件和機器信息納入其中。更多的參與者涉入到整個價值鏈。廣泛的網(wǎng)絡(luò)和潛在的第三方訪問至少意味著一系列全新的安全問題呈現(xiàn)在智能制造系統(tǒng)中。因此，在智能制造中，必須考慮到信息安全措施（加密程序或認(rèn)證程序）對生產(chǎn)安全的影響（時間關(guān)鍵功能、資源可用性）。

　　智能制造安全性的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在兩個方面。首先，現(xiàn)有的工廠將升級網(wǎng)絡(luò)安保技術(shù)和措施，以滿足新的安全要求的挑戰(zhàn)。但是，通常企業(yè)的機械裝備壽命較長，原有的很多設(shè)備并不具備可靠的網(wǎng)絡(luò)連接功能，升級改造非常困難。同時，企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)與外部的和在某些情況下很難聯(lián)網(wǎng)的陳舊基礎(chǔ)設(shè)施等因素影響，安全性的保障也很困難。其次，要為新的工廠和機器制定解決方案的挑戰(zhàn)。企業(yè)界目前缺乏完全標(biāo)準(zhǔn)化的操作平臺，以實施足夠的安保解決方案。滿足信息物理系統(tǒng)（CPPSs）安全的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化平臺開發(fā)本身也充滿挑戰(zhàn)。

　　智能制造面臨兩大法律挑戰(zhàn)

　　數(shù)據(jù)的權(quán)屬問題。智能制造是數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造。在智能制造時代，每一個工廠都應(yīng)有一套智能系統(tǒng)，它首先能夠通過傳感器，對機器運作數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并加以分析，從而實時了解工廠的運作情況；其次，能夠通過執(zhí)行器對機器運作進(jìn)行控制；此外，還能對消費者行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對產(chǎn)品從設(shè)計到銷售的全生命周期，進(jìn)行最優(yōu)化的管理。因此，智能制造很大程度上依賴于數(shù)據(jù)的處理和加工，以數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)，更自動化的生產(chǎn)設(shè)備，更靈活的流程管理，讓工廠能夠基于市場預(yù)測，快速地裝配調(diào)度，智能地生產(chǎn)，從而以最快的速度匹配消費者需求，并在全社會范圍內(nèi)優(yōu)化資源配置。

　　海量數(shù)據(jù)在智能制造時代具有前所未有的商業(yè)價值。自動化時代的工業(yè)數(shù)據(jù)主要是在廠商的自動化生產(chǎn)和配送系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行流轉(zhuǎn)，因此制造商毋容置疑的享有其所有權(quán)。但是在智能制造時代，制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、顧客的需求數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)將在一個更加廣闊的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中流轉(zhuǎn)，而且網(wǎng)絡(luò)的參與者也更加的多元化，能夠利用這些數(shù)據(jù)謀利的主體也更加的多元化。目前法律只對有形資產(chǎn)和專利保護有明確的界定，如果不從法律上解決數(shù)據(jù)的權(quán)屬問題，并建立起適合智能制造發(fā)展需求的法律框架，使企業(yè)投資和開發(fā)數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)能夠獲得滿意的回報，企業(yè)投資智能制造的積極性就會大打折扣，智能制造的發(fā)展可能會被大大的延遲。

　　法律監(jiān)管問題。智能制造系統(tǒng)在制造過程中能進(jìn)行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，這種智能制造系統(tǒng)可能擁有越來越高的“自治”能力，并逐漸演化成“自治系統(tǒng)”。與此同時，自治系統(tǒng)帶來的損害和傷害責(zé)任的法律問題也隨之增長。在智能制造時代，很多相關(guān)的法律責(zé)任都需要重新界定。

　　自動駕駛汽車是一個典型的“自治系統(tǒng)”，它面臨的事故責(zé)任和法律監(jiān)管問題是智能制造時代的典型案例。按照目前大多數(shù)相關(guān)的車輛法規(guī)，自動駕駛汽車這種“自治系統(tǒng)”是不能上路行駛的。1949年版的《日內(nèi)瓦道路交通公約》要求駕駛員“應(yīng)當(dāng)時刻能夠控制其車輛”，因此，歐洲原有的道路交通法規(guī)不允許自動駕駛汽車上路。目前，美國只有4個州允許無人駕駛汽車上路。它們在歐洲也不被法律認(rèn)可，盡管聯(lián)合國《維也納道路交通公約》近期的一項修訂意味著，包括歐洲和美洲在內(nèi)的72個國家允許汽車在特定期間自主駕駛。但是道路交通法律仍然要求司機有能力控制車輛。而其他國家在推行自動駕駛汽車方面也面臨著相同的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)其實是自治系統(tǒng)使用的合法性問題，也是關(guān)系到未來越來越多的具有“自治”能力的智能制造系統(tǒng)是否能夠大規(guī)模使用和推廣的關(guān)鍵。

　　這一挑戰(zhàn)的另外一個方面，是自治系統(tǒng)的法律責(zé)任界定問題。例如，現(xiàn)在的道路交通法規(guī)一般都規(guī)定，駕駛者對所駕駛的車輛造成的事故負(fù)有直接責(zé)任。但如果是自動駕駛的汽車，交通事故發(fā)生的責(zé)任界定將變得復(fù)雜。因為事故的原因可能是自動駕駛系統(tǒng)的問題，也可能是駕駛者違規(guī)操作的問題。這使得責(zé)任的牽扯方將不再只包括駕駛者，還可能包括自動駕駛車的制造方、駕駛系統(tǒng)軟件提供商等。法律并不是僅僅規(guī)定自動駕駛汽車能否上路那么簡單，而是一整套條例和法令，決定了你遭遇具體情境時會發(fā)生什么。對于自動駕駛系統(tǒng)來說，這些規(guī)則中的大部分尚未出現(xiàn)。假如法律規(guī)定駕駛者應(yīng)該承擔(dān)更多的責(zé)任，就有可能極大地影響智能汽車的銷售。如果法律規(guī)定限制自動駕駛汽車的制造商，也會影響廠商開發(fā)自動駕駛汽車和推動器上市的積極性。