作为一个“制造大国”，中国有着庞大的制造业市场基础，而智能化将推动整个市场进一步升华。因此，智能制造成为了《中国制造2025》中的一大关键词，《中国制造2025》中指出，我国将大体分“三步走”、用3个10年左右时间，最终跻身世界制造强国前列。在这个过程中，必须依靠创新驱动，推广“智能制造”，做大“互联网+”模式，实现从“制造”向“智造”的新突破。那么，“智能制造”的内涵和特征究竟是什么？产业如何实现落地？在日前青岛举办的2015“创新IT驱动产业升级”城市CIO论坛上，华中科技大学机械学院教授通过学术与实践两个维度与大家分享了智能制造与智能化工厂的建设。
华中科技大学机械学院教授 朱海平
以下为演讲实录：
很高兴，有这么一个机会能够在青岛跟大家交流，我是来自华中科技大学的朱海平，我今天和大家分享的也是针对“互联网+”，现在一个很热的方向——智能制造和智能工厂。
首先是个人的简单介绍，我来自华中科技大学机械学院，在全国的机械学校华中科技大学应该是全国排第一的。我目前在工业工程这个专业，主攻生产和运作管理方向。如今，国家启动了智能制造的项目，我在里面参与了几个项目，后面我也会就目前科研项目的情况跟大家做一些交流。
今天我这个报告分为两部分，第一部分是比较学术化的，关注智能制造的内涵与特征。第二部分是落地的一个方向，就是产业建设的实力。
智能制造的内涵与特征
讲到智能制造首先离不开两个词，一个是制造，一个是智能。关于“制造”我们大家都知道，它有广义与狭义之分，我们有时候说它是一个加工环节，有时候说它是不仅包括了具体的工艺过程，还包括市场分析、产品设计、质量监控、生产过程、管理营销、售后服务直至产品报废处理等在内的整个产品寿命周期的全过程，这是制造的定义。而“智能”大家可能都会联想到“人工智能”。那么“智能制造”这样的一个结合，我们通常认为它是泛指智能制造的技术和智能制造的系统。我们为什么去搞智能制造呢？它有这么几个好处：其一，智能机器的计算能力很强，适于大规模优化运算，比方说工程分析、云计算等等，它需要大量的计算，而人肯定是比不过机器的。其二，智能机器的感知能力很强，易于实现生产过程的实时自适应控制。其三，就是很热的一个词“大数据”，基于大数据有各种各样的智能方案，能够创新企业的研发服务。所以，智能制造应该说不是一个新的概念，早在上个世纪80年代，在国际上就已经有智能制造的专著。在中国，我们学校也是国内最早引入智能制造的高校，1988年，我们研究所的吴院士就已经把智能制造这个概念引入到国内了。
但是我们看到从90年代初到2011年左右，将近15年的时间，很少有人去谈智能制造，到了2011年以后就是爆发出来了，这是一个很奇怪的现象。从2012年的工业互联网到2013年的工业4.0，再到现在我们说的中国制造2025，实际上它的主题都是“智能制造”。但是我们思考一个问题，为什么会出现这样的现象呢？实际上我们早期谈智能制造，一般都倾向于人工智能基础用于制造过程，偏向于系统。但是近20年以来，随着新技术的快速发展，我们现在讲的智能制造，在德国的工业4.0中叫Smart Manufacturing，它更强调的是信息化的制造，它的特点是CPS还有大数据，在这个过程中智能制造的内涵实际上也发生了一些细微的变化。此外，智能制造实际上是目前各国政府，重振制造业的一个抓手。我认为以上就是智能制造概念为什么在这两年突然爆发的原因。
那么，什么叫智能制造呢？首先就是面向产品全生命周期，而不只是狭义的一部分。其次，是以新一代的信息技术为基础，去发展信息化制造。第三，是以智能制造系统为载体，在其关键环节或过程，具有一定自主性的感知、学习、分析、决策、通讯与协调控制能力，能动态地适应制造环境的变化，从而实现某些优化目标。制造系统是一个先进的概念，小概念设备是一个制造系统，大到一个企业，企业联盟都可以叫制造系统。但是我觉得没必要所有的环节都智能化，有一些关键环节具有一定的自主性的感知、学习、分析、决策、通信和控制能力，这有别于“数字化制造”与“自动化制造”的基本特征。
同时，对于一个航空企业和一个服装企业，它们讲智能制造目标肯定是不同的，要因行业、企业、和系统的层次而定。总体来说，我觉得有四个方面，第一个在某些行业比如说家电、3C、服装等，非常强调满足客户个性化定制的需求。此外，例如当前的航空、航天、船舶、汽车等它们本来就是个性化制造，强调的就是实现复杂零件的高品质制造。大家都知道现在国内的航空发动机还造不好，原因是什么？就是航空发动机的工业、材料我们解决不了，这就要用到智能制造的技术。第三个，就是保证高效率的同时，实现可持续制造，这在石油化工、钢铁、电力行业很关键。最后一个就是提升产品价值，拓展价值链，包括工程机械、重点装备等行业，它的服务价值可能比我们卖产品的价值更高，那就是提升产品价值的事。
智能制造的技术体系
大家都关心智能制造的技术体系，这里我也做了一个梳理，把它分为两部分，包括智能产品和智能制造过程。在智能制造的过程中，有一些基础的关键技术，包括通信技术，新一代信息技术，人工智能，智能优化等等。下面我就逐一地做一个简单的介绍。
首先，是智能产品，指深度嵌入信息技术，在其制造、物流、使用和服务过程中，能够体现出自感知、自诊断、自适应、自决策等智能特征的产品。这个定义可能大家都看到过，把它做一个梳理，就是智能产品所谓的智能体现出三个环节，第一个是产品使用过程的智能化，典型的例子是无人机，无人机在工作的时候受到研发人的控制，能够自觉的根据环境做一些反应，这个就是使用过程的智能化，包括无人驾驶技术。第二个，是制造过程的产品智能化，大家可能都看过西门子的一个宣传片，它的PRC产品能够自动的寻找分类、加工，我觉得这很简单，自己列一个标签，体现了在制造过程中产品能够跟机器，或者机器跟机器之间能够相互规划，这就是制造过程的智能化。第三个，是服务过程的智能化，有个例子，三一重工的客户在几千公里以外工作，而它的信息可以传到ETC控制中心，从而实现功能机的远程监控，这就是服务过程的产品智能化。
第二部分是智能设计，关于智能设计目前谈的比较少。我们现在讲智能制造，智能设计肯定是智能制造的一个重要的环节，但它是很难实现的。凡是我们现在谈的少的，其实都是很难的，因为它是几十年都解决不了的问题。但是智能设计它又尤其关键，未来智能设计主要分为几个环节，第一是面向工业海量数据的需求，通过大数据分析客户的需求，能够更好的描述设计需求。第二是设计概念智能创新的解决方案，比如我们现在讲的ICME、集成制造材料工程等等。最后是性能优先的智能设计，现在谈3D打印的很多，事实上3D打印应该不是智能制造的范畴，但是它可以为我们的智能设计提供帮助。以前我们印一个名片，设计的时候首先要考虑的是能不能把它造出来，否则设计的再好也没有用。但是现在有了3D打印，不管是什么复杂的文件，都可以用3D打印打出来，这个时候就可以产生从实现优先到性能优先的巨大改变。
第三部分是智能装备与工艺，这个制造企业非常熟悉，我把它做了个分类。第一个是高品质复杂能力的智能加工，我刚才举了一个例子比如航空发动机，或者其他行业各个复杂的软件它能够加工，几个关键词就是工业的自学习、装备的智力执行、感知等等，实现智能工艺的智能性。第二个是高度的人机协同，大家可能都看过一个攻克未来工厂的视频，通过操作机器人进行互动，这就是一个高度的人机协同。此外，是虚拟与物理融合制造，例如在工厂中某个工人拉着焊钳进行比划，后面的虚拟产品就可以进行焊接并做焊工的检测，这个就是虚拟物理融合的制造，而这些都体现了装备和工业的智能成分。
第四部分是智能工厂，现在大国的制造企业都上了这个系统，可能还有很多厂家在宣传自己的产品多么智能，但是实际上我们离构建智能化的工厂还很远。那么什么叫智能工厂？我做了一个总结，第一你的工厂要具有适应性，不管你生产多少批量、多少品种的产品，系统都能很好地实现自适应的支持。第二是基于实时反馈信息的智能动态调度，这也是工业4.0里面一个很重要的概念，就是计划管控从集中型向分散型转变，智能制造单元可以通过自主协商来决定加工任务和顺序，从而快速响应制造环境的变化。以前我们经常说把计划做好了，生产按照计划来走就不调整了，这在以前大批量生产的情况下可以成为现实，但是现在存在多批小批量的情况，这是实现不了的。所以需要把计划分散控制，在执行过程中，根动态地去调整。第三是预测性制造，就是所谓的自省性特征，未来设备的状态能够预测产品质量的变化和生产技能，从而提前采取主动的策略。如果这三个方面能够实现，那么我们的工厂就够智能了，但是显然我们现在的系统还难以支持以上三个特点。
第五部分是智能管理与服务。管理包括了物流、供应链、能源管理以及智能服务等等。
最后一部分是智能生态系统。这个现在也谈得很多，例如科技化定制等，我觉得这是关于智能制造的新模式，但是这是否属于智能制造，还值得商榷。当然，要支持这种新模式，就需要智能制造生态系统的支持，包括产品、制造环节、产业链还有一些特定行业的生态系统，一个典型的例子就是苹果，它可以说是一个很健康的智能生态系统。
智能制造的特征
接下来大家可能还关注智能制造到底有什么样的特征，我总结了六个特征：
第一，智能制造是一个大系统，这是一个趋势，任何企业或者个人都可能参与到产品设计中，现在我们谈的众包设计、物流、电网与制造工厂的联系，显然这是个非常复杂的大系统即云计算，目前已经成为一个必备的基础设施。
第二，就是我们说的智能活动的基本特征，即信息驱动下的感知、分析、决策、执行与反馈几个大类。你现在检测一下，如果没有这几个基本特征就不能称之为智能。
第三，是系统的净化和自觉性，即系统能够自主、自觉性地调整它自己的结构，实现资源的优化组合。
第四，就是集中智能与群体智能相结合。我刚才举了一个例子就是CPS，即信息物理系统，代表的个体具有智能特征，可以自主协作，从而实现分散控制，这是群体智能的体现，但因为囚徒困境等原因，集中智能仍不可少。我们以前讲智能是一种集成智能，这个就类似于现在讲的经济，以前是计划经济现在是市场经济，未来也是要由集中控制到分项控制转移，但是分项控制确实会带来问题，比如效率可能比较低等等。所以未来我们认为集中控制与分项控制要相结合，就如我们说市场经济也要宏观调控一样。
第五，是人与机器的互动，就是人机协同。现在越来越多的机器人，还有一些可穿戴设备逐渐出现和普及，而未来人与机器的融合将是一个趋势。
最后，是虚拟与物理的融合。我们说智能系统蕴含着两个世界，一个是由机器实体和人构成的物理世界，另一个是由数字模型、状态信息和控制信息构成的虚拟世界，未来两个世界将深度融合，难分彼此。当虚拟世界里发生了变化，物理世界马上就会跟着改变，反过来物理世界的状态也能够在虚拟世界里面得到反映，后面我可以通过一个例子给大家说一下。
关于智能制造的一些思考
首先，我们现在所说的“智能”有低级和高级之分，“自学习、自决策、自适应、高度人机协同”是未来方向，但目前难以实现，现在很多情况下我们还处于低级的智能。
另外，智能制造业不是一个大杂烩，现在很多人习惯于所有新东西都叫智能制造，事实上有些东西不太合适归于智能制造。
其三，在不同的行业和企业智能制造的实施目标是有差异的，因此一定要谨慎处理，做汽车的企业和做CT的企业，它的智能制造肯定是有区别的。
其四，智能制造的基础是不是完全基于智能化制造，我觉得还有待商榷。全面自动化至少现在可能还没有必要，我认为并不是一定要全面自动化才做智能制造。
最后，是我个人的观点，可能不一定大家普遍认同。我自己觉得智能制造只是锦上添花，不能雪中送炭。如果一个企业原先管理比较完善，通过智能制造是可以更进一步的。然而，如果一个企业管理不好，想通过智能制造提升到很高的高度是不可能的。中国和美国、德国最大的差距，不是在信息化，我们的阿里巴巴可能比美国的那些互联网企业还要强，这是我们的优势。但是我们在设计、材料、工艺和管理方面与德国、美国有巨大的差距，因此中国制造2025中有个工作叫强基工程，这是非常重要的。
智能化工厂建设案例
第二部分我们来探讨一下关于落地的一些内容。今年工信部先后启动了两个项目，一个是智能制造专项，另一个是智能制造试点示范项目。其中智能制造专项在十大领域支持智能制造新模式建设，同时也支持智能制造标准建设，全国一共94个项目入围。而智能制造试点示范项目，主要是从六个方面，工厂、车间、装备与产品、模式、管理还有服务支持试点示范建设，最终46家企业入围。我也参加了其中几个项目，下面就把我们做的规划工作给大家做一个分享，由于项目才刚启动，目前看不到一个完整的应用效果，我只能把我们的规划给大家做一个展示。
案例1：3C产品智能加工工厂建设
这是我们在东莞的一个3C产品的案例，3C就是我们推行的3个C（Computer、Communication、Consumer Electronic）的简称，中国是3C产品的制造大国，东莞手机每年2.3亿台，产值超过1800亿，现在手机金属外壳是一个趋势，金属外壳要到机床去加工，因此机床去年猛增，现在珠三角现役高速钻攻中心数量超过十万台。而富士康一共有几万台，几千个机器人，规模是非常非常大的，而且它是全自动物流，据估计每天数据量超过1TB，所以这是一个很典型的大数据应用案例。但是在大陆应该说还达不到这个水平，所以国家支持这个项目，就是希望企业能够向富士康学习，东莞现在推行的机器化，就是希望用一些机器，包括机器人去替代人工操作，这个机器最好是国产的，数字系统也最好是国产的。第二就是产线自动化，物流自动化，检测自动化，比如说采集、分析、决策都在你自己，目标就是实现国产机器，包括大数据管理还有决策支持。
我们把这个智能工厂分为五个层次，最底下是智能设备，包括各种各样的加工设备、物流设备，以及产线的控制系统等等，构成了一个智能设备。中间是物联网层面，就是实现数据采集与指令下达。再往上就是业务系统，右边是MES，左边是三维的虚拟生产建模，中间是三维工艺设计。再往上就是数据中心层，包括云数据中心、决策分析平台等等，是数据集中管理的一个地方。最上面是智能展现层，我们把它分为集中的生产管控中心，以及移动终端应用等等。这个项目工作目前正在开展，它主要的难点在于我们引入国产的数字中心，带的是国产的数字系统，以及一百台国产机器人构成柔性加工，应该说这个在国内目前还是第一家。其中装备中心还有机器人跟国外相比还是有差距。这是工信部里面投入最大的项目，900台国产的机床，数据系统还有100台机器人，另外就是我们的智能工艺，将会实现全三维加工工艺。此外，智能MES我们用的也是国产的。在智能决策方面，工厂和数据中心实现智能的生产决策，包括设备状态诊断、过程质量控制等。我们想做一个什么项目呢？就是虚拟车间和物理车间的同步，车间可以支持漫游，当你进到里面之后，想看具体的生产状况，只需要在虚拟机上点一下，它马上就会出现相应的变化，我们希望最后能够实现虚拟车间和物理车间的百分之百同步。但是这里面有一定的技术难度，我们希望朝这个方向努力。
案例2：输配电装备企业智能化工厂
第二个案例是我们跟国内最大的电力装备企业西电集团去年做的一个项目，是建一个变压器的智能化生产。变压器是一个完全零散的制造，不像其它技术有流水线，它完全就是零散加工的，我们当时是怎样设计的？这样一个工厂要做智能制造，也就是设计过程的数字化、智能化，这实际上就是一个变压器的专项系统，变压器在设备过程中需要做大量的科技计算等等，因此，我们必须设计一个专项库去实现设计过程的数字化、智能化，主要是数字化车间、虚拟车间还有经营管理、能源管理，以及设备的整装。在产品使用过程中的数字化和智能化，我们主要是通过远程监控服务来实现。
在这个项目里面，有这么几项关键技术，第一就是面向多型号产品混流生产的智能柔性生产线。其中产品的生产智能柔性生产线，是目前一个比较大的问题，在这个项目中，他们希望建十几条生产线，而在这个过程中还要能体现智能化设备，并且支持多频的混流生产。第二是构建设备监测与控制系统，实现多条柔性生产线、物流单元、检测单元的集成管控和协同工作。第三是制造大数据采集、分析及利用，主要包括智能能源管理，以及质量大数据分析。最后，是虚拟与物理融合的制造过程控制，即生产过程仿真分析与优化，和三维透明工厂。
案例3：船舶配套企业智能工厂规划
案例3是武汉本地的一个项目，我们做的智能工厂的规划，当时我们也在思考一个问题，怎么样去描述智能工厂。我们说一个智能工厂，首先得是工厂，那么怎么去描述工厂呢？实际上可以从三个维度去描述：第一工厂是产品全生命周期的，从设计制造到销售服务。第二是生产制造流动，从下到上，设备、产线、车间、工厂、企业到供应链。第三个维度就是供应链维度，从上游到下游，还有企业自身。描述一个工厂从三个维度可以把它描述清楚，而智能工厂我们也是从三个维度去描述，但是要体现它的智能化特点。我们画了一个图，左边是数字化设计与工艺还有产品的全生命周期，中间是数字化智能车间，右边是数字化服务。从下到上，中间有五个程式，智能设备、智能控制、智能生产管控，还有智能生产等等。供应链单独画一个框框，这个和现在工业4.0里面讲的三个集成是完全吻合的。这个项目主要的内容是产品的制造和升级，以及产品的全生命周期的数字化和智能化改造，包括设施的升级以及管控中心智能决策的升级等。
案例4：输配电行业智能化工厂标准建设
最后一个案例跟前面几个不太一样，这是一个做标准的案例。刚才说了，国家智能制造项目里面，也支持智能制造的标准建设，而智能化工厂的标准建设里面要做四个标准，其中一个标准就是智能工厂的体系架构。大家可能看到过国家智能制造标准体系建设指南，我们也参与了这个工作。聚焦输配电行业，我们帮它设计了一个智能化工厂的标准，还有一个子系统。这里面我们要回答几个问题，这几个问题其实现在在国内都没有回答好。
第一就是智能化工厂的定义是什么，第二是智能化工厂的边界范围是什么，第三是智能化工厂的标准与构成是什么，第四是智能化特征怎么体现，第五是如何评价智能化工厂。
这几个问题，我们现在都没有回答好，因此希望通过这个标准的建设，把这几个问题回答清楚。这是我们当时梳理的一个智能化工厂系统的模型，11个子系统，有各种各样复杂的信息交互。另外就是为了能够说服工信部的领导做的这个标准是可行的，我们也做了一个标准的验证平台，即在我们的科普企业建立一个平台。这是一条流水线，这个流水线要做准确，体现智能化特征，把我们前面所提的这些功能基本上在这里都能够体现。
我们以前不敢做标准，也不知道做的标准到底是不是可行，而现在我们就既要做标准，而且要验证这个标准是可行的、先进的。
关于智能化工程建设的建议
一是规划先行，有必要邀请相对中立的专业咨询机构来制定智能工厂总体规划；二是问题牵引，要明确智能工厂要解决什么问题，且确信能解决这些问题；三是夯实基础：是否具备实施智能化工厂的基础条件？比如，是否满足工信部智能制造试点示范项目定义的六要素；四是循序渐进，目前的一些智能制造项目面铺的太广了，实际上不利于形成亮点。
(审核编辑: Doris)
