（本文作者：工信部賽迪研究院 魏強(qiáng)）

我國(guó)在建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的總體戰(zhàn)略中明確提出：要以新一代信息系技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越。發(fā)展智能制造不僅是我國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主要抓手，同時(shí)也是我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要路徑。近年來(lái)，新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，形成了新一代智能制造——數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造，并將成為新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力。在2018年9月由新興產(chǎn)業(yè)百人會(huì)主辦的“2018 全球未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大會(huì)——智能制造專題論壇”上，多位智能制造領(lǐng)域?qū)＜覈@“智能制造的技術(shù)、案例及解決方案”主題作了演講，深度解析了智能制造發(fā)展的新趨勢(shì)與新動(dòng)向。本文將以部分參會(huì)專家的觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，介紹新一代人工智能對(duì)智能制造的影響以及在智能制造中的應(yīng)用案例。

一、智能制造的三種范式

廣義而論，智能制造（IM，Intelligent Manufacturing）是一個(gè)大概念，一個(gè)不斷演進(jìn)的大系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，智能制造是基于新一代信息通信技術(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、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。據(jù)國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)委員、中國(guó)工程院制造業(yè)研究室主任屈賢明介紹，智能制造概念從20世紀(jì)七八十年代出現(xiàn)以來(lái)，在實(shí)踐演化中形成了多種范式，包括精益生產(chǎn)、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、計(jì)算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造、智能化制造等，這些范式在不同程度、不同視角上反映出制造業(yè)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化，在指導(dǎo)制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型中發(fā)揮了積極作用。但是，眾多的智能制造范式不利于形成統(tǒng)一的智能制造技術(shù)路線，給企業(yè)在推進(jìn)智能升級(jí)的實(shí)踐中造成了許多困擾。

中國(guó)工程院于2017年發(fā)布《中國(guó)智能制造發(fā)展戰(zhàn)略研究》報(bào)告，綜合智能制造相關(guān)范式，總結(jié)、歸納和提升出三種智能化制造的基本范式，即：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造。

（1）數(shù)字化制造（Digital Manufacturing）

數(shù)字化制造是智能制造的第一種范式，也可稱為第一代智能制造。20世紀(jì)下半葉以來(lái)，以數(shù)字化為主要內(nèi)容的信息技術(shù)廣泛應(yīng)用制造業(yè)，形成了“數(shù)字一代”創(chuàng)新產(chǎn)品、數(shù)字化制造系統(tǒng)和數(shù)字化企業(yè)。需要指出，數(shù)字化制造是智能制造的基礎(chǔ)，其內(nèi)涵不斷發(fā)展，貫穿于智能制造的三種基本范式和全部發(fā)展歷程。

（2）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造——“互聯(lián)網(wǎng)+制造”（Smart Manufacturing）

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造是智能制造的第二種范式，也可稱為“互聯(lián)網(wǎng)+制造”或第二代智能制造。20世紀(jì)末互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，“互聯(lián)網(wǎng)+”不斷推進(jìn)制造業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)將人、流程、數(shù)據(jù)和事物連接起來(lái)，通過(guò)企業(yè)內(nèi)、企業(yè)間的協(xié)同和各種社會(huì)資源的共享與集成，重塑制造業(yè)的價(jià)值鏈，推動(dòng)制造業(yè)從數(shù)字化制造向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造轉(zhuǎn)變。過(guò)去這幾年，我國(guó)工業(yè)界大力推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，一方面，一批數(shù)字化制造基礎(chǔ)較好的企業(yè)成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)；另一方面，大量原來(lái)還沒(méi)有完成數(shù)字化改造的企業(yè)，采用并行推進(jìn)數(shù)字化制造和“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的技術(shù)路線，完成了數(shù)字化制造的“補(bǔ)課”，同時(shí)跨越到“互聯(lián)網(wǎng)+制造”階段。

（3）數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造——新一代智能制造（Intelligent Manufacturing）

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造是智能制造的第三種范式，也可稱為新一代智能制造。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)、超級(jí)計(jì)算、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速發(fā)展，并推動(dòng)新一代人工智能技術(shù)取得重大突破。新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，形成了新一代智能制造。新一代智能制造系統(tǒng)中增加了基于人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)認(rèn)知部分，使系統(tǒng)不僅具有強(qiáng)大的感知、計(jì)算分析與控制能力，還具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力。新一代智能制造未來(lái)將給制造業(yè)帶來(lái)革命性變化，是真正意義上的“智能制造”，將從根本上引領(lǐng)和推進(jìn)第四次工業(yè)革命。

圖1 智能制造的三種范式演進(jìn)

二、新一代人工智能賦能“人-信息-物理”系統(tǒng)

傳統(tǒng)制造系統(tǒng)包含人和物理系統(tǒng)兩大部分，該系統(tǒng)是完全通過(guò)人完成信息感知、分析決策、操作控制以及認(rèn)知學(xué)習(xí)去完成各種工作任務(wù)，可抽象描述為“人-物理系統(tǒng)”（human-physical system,HPS）。

與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，第一代（數(shù)字化）和第二代（數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化）智能制造系統(tǒng)發(fā)生的本質(zhì)變化是在人和物理系統(tǒng)之間增加了信息系統(tǒng)（cyber system）。一方面，信息系統(tǒng)可以代替人類完成部分腦力勞動(dòng)；另一方面，人的一部分感知、分析、決策功能向信息系統(tǒng)復(fù)制遷移，進(jìn)而可以通過(guò)信息系統(tǒng)來(lái)控制物理系統(tǒng)，從而代替人類完成更多的體力勞動(dòng)。信息系統(tǒng)的引入使得制造系統(tǒng)同時(shí)增加了“人-信息系統(tǒng)”（human-cyber systems,HCS）和“信息-物理系統(tǒng)”（cyber-physical systems,CPS）,并使得制造系統(tǒng)完成了從傳統(tǒng)的“人-物理系統(tǒng)”向“人-信息-物理系統(tǒng)”（human-cyber-physical systems,HCPS）的演變。

圖2 傳統(tǒng)制造系統(tǒng)與智能制造系統(tǒng)比較

隨著深度學(xué)習(xí)算法與大數(shù)據(jù)的興起，人工智能在經(jīng)歷六十多年的曲折發(fā)展過(guò)程后迎來(lái)蓬勃發(fā)展期。新一代人工智能技術(shù)使“人-信息-物理系統(tǒng)”發(fā)生質(zhì)的變化，信息系統(tǒng)中增加了基于人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)認(rèn)知部分，使系統(tǒng)不僅具有強(qiáng)大的感知、計(jì)算分析與控制能力，還具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力，進(jìn)而形成新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”。中國(guó)工程院院士周濟(jì)等人認(rèn)為，新一代人工智能技術(shù)對(duì)“人-信息-物理系統(tǒng)”產(chǎn)生的主要變化在于：一方面，人將部分認(rèn)知與學(xué)習(xí)型的腦力勞動(dòng)轉(zhuǎn)移給信息系統(tǒng)，因而信息系統(tǒng)具有了“認(rèn)知和學(xué)習(xí)”的能力，人和信息系統(tǒng)的關(guān)系發(fā)生了根本性的變化，即從“授之以魚”發(fā)展到“授之以漁”；另一方面，通過(guò)“人在回路”的混合增強(qiáng)智能，人機(jī)深度融合將從本質(zhì)上提高制造系統(tǒng)處理復(fù)雜性、不確定性問(wèn)題的能力，極大地優(yōu)化制造系統(tǒng)的性能。

圖3 新一代智能制造系統(tǒng)的技術(shù)機(jī)理

三、新一代人工智能在智能制造中的應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員、博士生導(dǎo)師譚杰研究員認(rèn)為人工智能對(duì)于制造業(yè)的價(jià)值主要體現(xiàn)在兩方面。一方面，人工智能可以提高工業(yè)設(shè)計(jì)水平并促進(jìn)新型生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)；另一方面，將進(jìn)一步提升數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的水平，從根本上提高工業(yè)知識(shí)產(chǎn)生和利用的效率，從而推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展步入新階段，并成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。

圖4 人工智能在智能制造中的案例應(yīng)用

當(dāng)前，新一代人工智能在智能制造中的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，譚杰研究員對(duì)此做了相關(guān)總結(jié)，如下：

（一）機(jī)器感知應(yīng)用

機(jī)器感知應(yīng)用包括產(chǎn)品外觀檢測(cè)、手機(jī)玻璃蓋板檢測(cè)、動(dòng)力鋰電池的極片毛刺檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別等。

（二）機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用

機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用包括工藝與產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)、異常動(dòng)作識(shí)別、微裝配機(jī)器人技能學(xué)習(xí)系統(tǒng)、軸承健康狀態(tài)感知、刀具的智能管理與壽命預(yù)測(cè)等。

（三）機(jī)器思維應(yīng)用

機(jī)器思維應(yīng)用包括虛擬調(diào)度機(jī)器人、數(shù)字印刷噴頭陣列智能調(diào)度、知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)、人工智能物流調(diào)度與決策、高速動(dòng)車組生產(chǎn)車間的生產(chǎn)因素識(shí)別、智能分析與決策系統(tǒng)、故障診斷與智能維護(hù)等。

（四）智能行為應(yīng)用

智能行為應(yīng)用包括智能無(wú)人倉(cāng)庫(kù)管理、自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線、智能上甑機(jī)器人等。