智能制造的內涵和核心環節

張相木/工業和信息化部原裝備工業司司長、國家智能制造專家委副主任

智能制造的內涵和本質

1.智能制造的概念

智能制造概念是一個動態發展的過程，內涵不斷在豐富和升華。早在1988年，美國人賴特和伯恩首先提出了智能制造概念，并對智能制造做了定義，即智能制造是指通過集成知識工程、制造軟件系統、機器人視覺和機器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進行建模，以使智能機器能夠在沒有人工干預的情況下進行小批量生產。早期的智能制造是基于數字技術和智能裝備的智能制造，亦稱數字化制造。

隨著物聯網的迅猛發展，智能制造進入“互聯網+制造”階段。比較有代表性的就是2013年德國提出的“工業4.0”戰略，本質是通過建立具有適應性、資源效率和基因工程學的智能工廠，實現智能生產，其物質技術基礎是物聯網+賽博物理系統（IoT&CPS）?；ヂ摼W+制造是基于網絡和數據的智能制造，亦稱數字化網絡化制造。

近年來，以人工智能為代表的新興科技快速發展，大大拓展了時間、空間和人們的認知范圍，人類正在進入一個人機物三元融合的萬物智能互聯時代。人機物三元世界是指人類社會、賽博空間和物理世界，賽博空間是利用數字孿生、人工智能技術構建的一個虛擬空間，是物理世界的數字孿生模型，它跟物理世界精準映射，融合共生。人工智能已經不只是一種發展趨勢，而是已經開始與制造業深度融合，開啟了工業人工智能時代。智能制造開始進入新的發展階段。

工業人工智能時代，智能制造被賦予了新的內涵：智能制造是基于數字技術與工業知識和智能裝備深度“融合”，以賽博物理系統為物質技術基礎，貫穿產品全生命周期各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式?！叭诤稀钡南葲Q條件是利用人工智能等技術構建賽博空間（數字孿生模型）?，F代智能制造是基于現代人工智能的智能制造，亦稱數字化網絡化智能化制造。

綜上，智能制造包括數字化制造、網絡化制造和智能化制造三個發展階段。智能制造的發展都有階段性，這三個發展階段不是截然分離的，后一個階段對前一個階段有繼承性，前一個階段在后一個階段會繼續演進，智能制造的發展又有相容性。

目前，智能制造正在全球范圍內全面推進，總體上已處于數字化制造普及、網絡化制造推廣、智能化制造示范階段，也就是說這三個發展階段又是并行推進的，從應用層面講，我國已經趕上了全球發展的步伐。

2.智能制造的靈魂：制造知識

大家都說數字技術是智能制造的使能技術，但它只是一種工具，就像當年的蒸汽機，本身不是生產力，它的價值在于人將其融入到制造業場景，融入過程中必然會遭遇諸多的問題，比如，數學模型如何建立？數據從哪里來？數據又該怎樣分析？解決這些問題需要靠制造知識，不掌握核心技術，不懂得制造機理，不了解工藝特點，就無法構建智能制造系統，而且制造知識在不斷地生成和積累，新制造知識的應用不斷推動生產方式創新與變革。

3.智能制造的基石：精益生產

智能制造的基石是精益生產。精益生產是一種能夠快速響應客戶需求變化，生產過程中一切無用和多余的東西都被精簡的生產體系和管理方式。對于智能制造而言，精益生產是推行智能制造必須經歷的變革過程。

4.智能制造的精髓：智能工廠

狹義上講，智能制造的本質是通過建立智能工廠實現智能生產。智能工廠是智能制造系統的基本載體，是智能制造的精髓，智能生產是智能制造的核心環節。

智能工廠由物理實體工廠、虛擬制造平臺和智能決策系統組成。物理實體工廠為制造過程提供智能化的硬件基礎設施和制造資源；虛擬制造平臺是基于這些制造資源和制造過程的數字孿生模型；智能決策系統既可以在虛擬制造中對制造過程進行迭代優化，也可以在實際制造中實時監控和調整制造過程。

5.智能制造系統的物質技術基礎：賽博物理系統

智能制造系統的物質技術基礎是賽博物理系統，賽博物理系統源于數字技術與制造場景的深度融合。簡單說，通過物聯網將物理設備連接到網絡上，利用數字孿生、人工智能等技術，在虛擬空間對物理實體進行數字重構和全息重建，形成具有感知、分析、決策、執行能力的數字孿生模型（數字虛體），數字虛體與物理實體精準映射、融合共生，即構成賽博物理系統。

6.智能制造的基本特征：“四個化”

智能制造的基本特征有“四個化”：一是裝備智能化，采用的是智能制造裝備；二是技術軟件化，數字技術作用于制造場景，基本方式最終體現就是工業軟件，沒有深厚的工業技術積累就沒有優秀的工業軟件；三是流程數據化，業務流程由數據驅動，今后的智能制造系統是虛實合一的系統，實的系統是由虛的系統操控的，虛的系統是由數據驅動的；四是生產自動化，全部工序都是智能化生產，不是一個一個獨立的自動化生產。通過“四個化”可以實現個體制造單元的自主性和整個制造系統的自組織。

7.智能制造的本質：先進制造

智能制造的本質是先進制造，制造就是人按照某種工藝，利用工具把原材料加工成產品的過程，從這個意義上來講，智能制造的本質是先進制造，基礎是網絡和數據，靈魂是工藝，表現形式是智能裝備和工業軟件，關鍵和難點是融合，所以智能制造中制造是主角。

而數字化轉型和智能制造的概念不是一回事，數字化轉型是利用數字技術優化現有業務，是一場技術革命和管理思維轉型。在制造業，數字化轉型不觸及制造技術和工藝，IT和OT彼此獨立行事、相互分割。智能制造是制造業數字化、網絡化和智能化的集中體現，是IT與OT深度融合的生產方式變革。簡單說，實現智能制造的關鍵在于制造系統的軟硬共生、虛實合一。在制造業，數字化轉型就是數字化制造，數字化制造是智能制造的起點和基礎。

智能裝備的發展方向和路徑

人類正在進入一個人機物三元融合的萬物智能互聯時代。萬物智能互聯是指物與物之間、物與人之間實現互聯，就是將智能融入萬物，使“機器變人”，讓各種各樣的產品都具備特定智慧功能，從而實現無縫對接。

人工智能、腦科學的發展，使獨立于自然人而自主存在的機器智慧漸成可能。近年來，基于人工智能等技術，越來越多的產品被冠上智能的名頭，開始實現智能化，給人類生產生活帶來深刻影響。智能產品正在成為未來發展的主流趨勢。

智能產品的概念比較廣泛，涵蓋了許許多多的不同產品。根據不同的應用領域和特征，智能產品可以分為消費電子產品、家居智能產品、工業智能產品、醫療智能產品、交通智能產品等。智能裝備是“智能產品們”最杰出的代表。

1.智能裝備的內涵和特征

智能裝備是數字技術與產品技術在裝備上的集成和融合。簡單說，智能裝備是指將傳感器、處理器、存儲器、通信模組等智能模塊嵌入到裝備，使裝備具備感知、分析、決策、控制和執行功能?；\統講，任何一種具有計算處理能力，具備靈敏的感知功能、正確的思維與判斷功能、高效的執行功能的裝備都是智能裝備。

智能裝備是物聯網的“移民”。機床、工業機器人、工程機械、發電設備、汽車、飛機等原本都不是智能裝備，但在萬物智能互聯時代，它們都要數字化、智能化，都要接入到網絡世界，從而蛻變為智能裝備，并成為物聯網的“移民”。

智能裝備分為智能制造裝備和其他智能裝備，分別用于不同行業和場景。智能制造裝備用于制造業，是智能制造系統的基本構成要素；其他智能裝備用于其他行業，是千行萬業轉型升級的物質技術基礎。

2.智能制造裝備是智能制造的核心要素

智能制造有很多的構成要素，最核心的要素就是智能裝備。制造裝備具有機器智慧，是智能制造系統的突出特征，是實現智能制造的先決條件，也就是說，智能制造裝備是工業之母。沒有智能制造裝備，智能制造就是無源之水、無本之木，就是 “空中樓閣”，扼住智能制造裝備就從源頭上卡住了現代制造業的命脈。要自主可控發展智能制造，具備智能制造裝備供給能力是前提。

3.智能裝備助力各行各業轉型升級

智能裝備還可以助力各行各業轉型升級，人類社會的發展由生產工具演變所主導，生產工具的每一次變革都帶來劃時代的生產方式變革，并隨之帶動社會形態的更替，新的生產工具的發明，新的勞動資料的形成，也就是新的生產力的出現。

作為物質資料最主要因素，裝備發展和演進對各行各業的發展和進步都具有決定性的影響。智能裝備能夠充分釋放數字技術的放大、疊加、倍增效應，極大提高裝備的性能和效能，重塑和再造裝備價值體系，所以智能裝備的發展和應用不僅給制造業帶來顛覆性的變化，而且還將引發國民經濟其他部門和領域的深刻變革。

4.智能裝備源自裝備的數字化

裝備數字化是指將實體裝備接入到網絡世界，并利用大數據、數字孿生、人工智能等技術，在虛擬空間對實體裝備進行數字重構和全息重建，從而為實體裝備創建一個動態同步的數字虛體，并通過虛實融合，使裝備的形式和內容發生蛻變，成為具有狀態感知、決策優化、自主控制和執行能力的智能裝備。

通俗地說，智能裝備就是將數字技術以模塊形式嵌入到實體裝備，兩者合而為一，融合共生，當裝備感應到觸發條件時，它們將成為有理解力的工具，具備了類似于人的眼睛、神經和大腦的功能。智能裝備是一個單元級的賽博物理系統，從這個角度講，智能裝備等于實體裝備+數字孿生裝備。

5.智能裝備重點發展領域和方向

6.智能裝備發展路徑

（1）構建智能裝備創新生態

突破數字孿生、人工智能、多源數據融合等在產品全生命周期的融合應用技術；研制智能傳感器、智能控制器、智能網關等關鍵零部件；開發工業APP、裝備模型庫等核心軟件。

（2）挖掘智能裝備應用場景

面向智能制造、智能交通、智能醫療等領域，挖掘一批具有代表性的應用場景，以場景應用帶動智能裝備發展；完善網絡基礎設施和安全防護措施，保障智能裝備更好發揮性能和效能。

（3）推動現有裝備智能升級

在具備改造基礎的裝備上嵌入智能傳感器、控制器、通信模組等智能模塊，形成具備感知、控制等功能的裝備；升級一批在役裝備，通過模塊升級和云化部署等，提高裝備數字化智能化水平。

（4）研究發展新型智能裝備

推進正向設計開發，通過集成智能部件、核心軟件，并融合新機理、新材料、新工藝，突破一批新型智能裝備；結合仿生技術、類腦智能等技術，探索孵化一批原創性前沿智能裝備。

（5）激活智能裝備數據價值

暢通數據資源供給與匯聚渠道，推動智能裝備全生命周期數據的多向流動，形成可控制、可信任、可追溯的高質量裝備數據資源；建立數據交易平臺，推動裝備數據安全共享、可信流通。

審核編輯：黃飛

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