躬耕機電三十載，引領(lǐng)智造新時代。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，展示新時代行業(yè)發(fā)展的新面貌，表彰先進，中國機電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會于12月13日至14日在京舉辦成立30周年慶祝大會。

以下為北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院教授、博導(dǎo)劉強在中國機電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會成立30周年慶祝大會上的精彩演講實錄。

  剛才屈賢明院長用活生生幾個案例，從機電一體化到智能制造做了一個生動解讀。泉州制鞋廠我前不久剛?cè)チ耍恼麄€生產(chǎn)線現(xiàn)在都改造了。一個完整的數(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。

    今天給大家匯報一下，我們在智能制造理論體系架構(gòu)方面的一些認(rèn)識，這個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?，F(xiàn)在各個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程與制造密不可分。制造活動及其制造產(chǎn)物伴隨我們從工具時代、農(nóng)業(yè)時代、工業(yè)時代到知識時代，是我們生產(chǎn)生活里的永恒主題。農(nóng)業(yè)時代之后工業(yè)時代，機械化、電氣化、信息化、智能化，不同時代制造技術(shù)的發(fā)展變遷，從制造技術(shù)特點是以不同時代，以機械化、標(biāo)準(zhǔn)化、柔性自動化、人機物互聯(lián)，這個變遷過程里的技術(shù)上變遷在哪里？工業(yè)1.0到2.0，從原來作坊式機械化生產(chǎn)走向標(biāo)準(zhǔn)化、自動化，這個時候標(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，檢驗控制標(biāo)準(zhǔn)化為代表，實現(xiàn)初級剛性自動化，通過自動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、批量波動生產(chǎn)，就是我們說的變批量柔性化制造。這時候自動化高級復(fù)雜的自動化，具有柔性，以數(shù)字化設(shè)計制造和網(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。這里面四點我們也有一些解讀。未來制造面臨挑戰(zhàn)，有兩個輪子驅(qū)動，市場需求和技術(shù)推動，市場需求從我們的機械制造這一塊來講，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)在個性化規(guī)?；⒍ㄖ埔蠼桓稌r間，個性化定制等等。技術(shù)推動帶來技術(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，兩個輪子有驅(qū)動的發(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，面向機器控制這種學(xué)習(xí)，和基于經(jīng)驗知識決策，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。機器人、人、機床混合，我們工藝方法增材減財混合等等，是未來面對混合復(fù)雜制造場景。原來面向控制，機床閉環(huán)反饋，是面向控制機器學(xué)習(xí)，向深度決策的分析決策深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)大閉環(huán)的控制。

    以前決策是比較多基于人的經(jīng)驗，現(xiàn)在基于數(shù)據(jù)證據(jù)，要求我們大數(shù)據(jù)分析，處理來進行決策。未來不可見的預(yù)見性維護，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)等等實現(xiàn)大閉環(huán)，而不是單臺機床或者局部閉環(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，其實是一個過程。記得80年代我們上研究生的時候，這個時候已經(jīng)有智能制造，這個時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，在那時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)施及勞動力的實踐活動，通過整合運營技術(shù)和信息技術(shù)OT和IT的工程系統(tǒng)，來實現(xiàn)制造的持續(xù)優(yōu)化。這里提出基礎(chǔ)設(shè)施還有人他們四個維度，以及OT和IT系統(tǒng)工程，最終實現(xiàn)制造工程持續(xù)優(yōu)化。

    我們中國制造2025強國戰(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)，與先進制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、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時代智能制造內(nèi)涵做出一個自己的新的認(rèn)識。智能制造是先進制造技術(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。進行具有動態(tài)感知，實時分析，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。

    智能制造分成幾個部分，從理論基礎(chǔ)、支撐基礎(chǔ)、核心主題、總體目標(biāo)、實施途徑、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)計工業(yè)的四基。核心基礎(chǔ)零部件、元件、先進基礎(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)、云計算、邊緣計算、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、人工智能、數(shù)字孿生等等。這些隨著發(fā)展還會有新的出現(xiàn)。

    還有一個方面，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，動態(tài)感知，實時分析，自主決策。

    兩個核心主題，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，進一步把智能服務(wù)和智能物流加進來，四大主題是CPS和CPPS實現(xiàn)形式和載體。

    發(fā)展模式方面，闡述智能制造發(fā)展演進階段的劃分，特點和范式，包括6個發(fā)展階段以及三個演進范式。實施途徑方面，我們希望能夠闡述實施智能制造原則和給出推進智能制造實施落地的步驟建議。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理論框架，架構(gòu)，我們的一個設(shè)想，這個設(shè)想是我們基于自己研究、思考、認(rèn)識得出一個結(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簡要介紹。這里列舉幾個實實在在的例子，智能制造數(shù)字化制造落地都有實例。

    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?，化學(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)計最后實現(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，也是保證工藝實現(xiàn)的手段。總結(jié)會上專家提出，不要在落后的工藝基礎(chǔ)上搞自動化。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。這樣實現(xiàn)一個他們也在走向智能化的過程里面。

    先進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，搞不好我們的自動化、數(shù)字化和智能化。先進管理模式也是得到先進制造模式和技術(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)實現(xiàn)資源共享，集成重組，動態(tài)聯(lián)盟的前提。不要在不具備數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化時候來搞智能化。

    作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范先行方面也有很多案例，李克強總理提出先進標(biāo)準(zhǔn)倒閉中國制造升級。我們在智能制造強國戰(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)我們智能制造推進過程里面標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范先行的理念。

    希望在后面推進過程里面，對CPS進一步理解，CPS應(yīng)用是一個過程，是一個長遠的過程，不要一蹴而就。

    我們也提出智能制造實施很多步驟，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)動動態(tài)優(yōu)化，虛實融合智能生產(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)給出一個計算機化、連接、可視、透明、預(yù)測、自適應(yīng)6個階段。

    基于前面這些認(rèn)識和分析，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。