1.3　智能制造的發展

1.3.1　數字制造、智能制造（IM）與“智能制造（SM）”

正如計算機技術與人工智能技術密切相關一樣，完全理清數字制造（計算機集成制造）與智能制造的關系也是很困難的。德國工業4.0戰略推崇的“智能制造（Smart Manufacturing，SM）”的提出，又與已有的智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）產生了強烈的碰撞。

數字制造（計算機集成制造）應用計算機、網絡通信、自動化控制等信息技術，與設計方法、制造技術和管理理念相融合，形成數字化設計、制造與管理技術，打通了產品和企業的數據流、信息流、知識流，支持制造企業的數字化轉型和發展。日本等國倡導的智能制造（IM）技術雖然突出人工智能技術與設計、制造、管理技術相結合，實現業務智能化和業務決策智能化，但是最終也是支持制造企業的數字化（當然也可以說是智能化）轉型和發展。實際上，數字制造不乏人工智能技術的應用。例如：計算機輔助產品三維建模的參數化建模設計技術就采用了人工智能領域的約束滿足方法；計算機輔助工藝設計的基于幾何推理和知識的工藝設計技術也融合了人工智能的特征（模式）識別、專家系統等技術；數字化制造、車間生產調度技術，廣泛深入地應用了各種智能算法。

在2013年正式啟動的德國工業4.0戰略中提出的“智能制造（SM）”雖然選擇信息物理系統（Cyber-Physical System，CPS）作為關鍵技術，但在應用形態和解決問題方面卻與數字制造無太大差別。美國發布的國家制造業創新網絡下設數字制造與設計創新研究院DMDII、智能制造創新研究院SMII等十余家創新研究院。也就是說，美國有兩個創新研究院：一個主攻數字制造；另一個主攻“智能制造（SM）”。前者以離散制造企業為對象，開展體現數字主線的基于模型的智能工廠和企業協作等。后者以流程制造企業為對象，開展面向智能制造的工業建模與仿真、工業數據收集與管理、企業聯盟集成和智能制造教育與培訓等工作。其對象行業的不同雖然是兩個創新研究院的最大區別，但是仍然沒有更明確地闡明數字制造與“智能制造（SM）”的關系。美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）于2015年2月舉辦過一次“面向“智能制造（SM）’的先進傳感器、控制、平臺與建模研討會”，其重點議題之一就是討論數字制造與“智能制造（SM）”的關系，如圖1-2所示。由圖1-2可知，對于兩者關系的詮釋仍然是點到為止，沒有將其徹底理清。形成共識的是，先進制造涵蓋數字制造與“智能制造（SM）”。研討會認為，“智能制造（SM）”新的研究領域包括傳感器與監控（Sensors and Monitoring）、控制與自動化（Control and Automation）、供應鏈與調度（Supply Chains and Scheduling）、平臺與標準（Platforms and Standards）、數字制造（Digital Manufacturing）、可視化（Visualization）、信息學與數字制造（Informatics and Digital Manufacturing）、建模（Modeling）。數字制造與設計創新研究院于2014年的戰略投資領域包括智能工廠（Smart Factory）、智能機器（Intelligent Machine）、信息物理制造（Cyber-Physical Manufacturing）。可見，兩者互以對方作為自己的子領域。

圖1-2　數字制造與智能制造（SM）的關系

至于智能制造（IM）和“智能制造（SM）”，雖然中文用詞相同，但是英文用詞有區別。智能制造（IM）受到當時人工智能發展（特別是知識工程）的影響。“智能制造（SM）”受互聯網、大數據、機器學習的綜合影響，將新一代信息與通信技術與制造環境融合，實現先進傳感/儀器/監控/工藝應用的、基于狀態感知/數據處理/決策控制的工廠、企業乃至供應鏈管理。智能制造（IM）通過計算機模擬人類專家的智能活動，實現高度柔性和高度集成的制造。“智能制造（SM）”實現高度互聯的、數據驅動的、所有業務和運行得以優化的制造。從某種程度上：智能制造（IM）是業務頂層的智能化；“智能制造（SM）”是自底向上的業務智能化，最終還是要上升到智能制造（IM）層次。

1.3.2　智能制造范式

中國工程院原院長周濟等人提出的三個智能制造基本范式在一定程度上對與智能制造相關的概念和模式進行了歸納統一和梳理［10］。這種劃分一方面對數字制造、“智能制造（SM）”和智能制造（IM）實現了邏輯統一，另一方面也刻畫了數字制造、“智能制造（SM）”和智能制造（IM）的迭代升級關系。

智能制造的三個基本范式分別是數字化制造、數字化網絡化制造以及數字化網絡化智能化制造。數字化制造也稱作第一代智能制造，涵蓋了20世紀80年代發展迅猛的計算機集成制造及其延伸發展，重點是業務的數字化與數字化集成。數字化制造可以看作終極智能制造的初級階段，一直延續到終極智能制造的實現。第二個范式的數字化網絡化制造融合了互聯網技術，旨在實現人、設備、數據、信息、業務的互聯，使得企業的設備、物料、環境等資源數據能夠上達企業經營決策，橫及研發設計、生產制造、制造服務等業務環節。這也是德國工業4.0目前的發展階段。終極智能制造應該是人工智能技術進一步深入融合發展的數字化網絡化智能化制造階段。傳統人工智能技術和新一代人工智能技術的全面應用，使得制造設備、制造產品、制造系統全面具備感知能力、推理能力、認知能力、學習能力、決策能力、自主控制能力、自適應能力，實現真正意義上的智能制造。在這個階段，“智能制造（SM）”與智能制造（IM）將融為一體。