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中国工程院院长周济:对智能制造基本原理与中国发展战略的思考

2017-12-09 03:19 作者:cssoadmin [ ]
2017年12月7日,由工信部、中国工程院、中国科协和江苏省政府共同主办的2017世界智能制造大会上,中国工程院院长周济发表题为《中国智能制造发展战略研究》的主题报告,指出基于制造系统从传统的“人-物理”二元系统向新一代“人-信息-物理”三元系统不断演化的智能制造基本原理,阐释了智能制造的最新趋势、发展范式、战略路径和主要目标。根据速记整理,未经本人审阅。
 
 
女士们,先生们,朋友们,我今天报告主体是关于智能制造战略思考。
 
习主席在十九大报告中提出要以新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向,实现制造业由大变强历史跨越,发展智能制造是中国制造业转型升级主要路径,中国制造业必须抓住这一历史机遇,集中全国优势力量打一场战略决战,实现中国智能制造转型升级,跨越发展。
广义而论,智能制造是一个大概念,是先进制造技术与新一代信息技术的深度融合,贯穿于产品、制造、服务全生命周期各个环节,以及制造系统集成,实现制造业数字化、网络化,智能化不断提升企业产品质量,效益服务水平。推动制造业创新绿色协调开放共享发展。
 
数十年来,智能制造在演化中形成许多不同范式,包括精益生产、柔性制造、并行工程、敏捷制造、数字化制造、计算机集成制造、网络制造、云制造、智能化制造等,在指导制造业智能转型中发挥了积极作用。众多范式不利于形成统一的智能制造技术路线,给企业在推进智能升级的实践中造成了许多困扰。面对着智能制造不断涌现的新技术,新理念,新模式,迫切需要归纳总结出基本范式。
 
综合智能制造相关方式可以总结归纳和提升出三种智能制造的基本范式,也就是数字化制造、数字化网络化制造,数字化网络化智能化制造(即新一代智能制造),智能制造三个基本范式次第展开、迭代升级,一方面,三个基本范式体现着国际上智能制造发展历程中三个阶段,另一方面对中国而言,必须发挥后发优势,采取三个基本范式“并行推进、融合发展”的技术路线。
 
数字化制造是智能制造第一种基本范式,可以称之为第一代智能制造,是智能制造的基础。以计算机数字控制为代表的数字化技术广泛运用于制造业,形成“数字一代”创新产品和以计算机集成系统(CIMS)为标志的集成解决方案。二十世纪八十年代以来,我国企业推动数字化制造取得了巨大的进步,我们认识到我国大多数企业和广大中小企业没有完成数字化转型,面对这样的现实,我国在推进智能制造过程当中必须实事求是,踏踏实实完成数字化补课,进一步夯实智能制造发展基础。需要说明的是,数字化制造是智能制造基础,它的内涵不断发展,贯穿于智能制造的三个基本范式和全部发展历程。我们这里定义的数字化制造是作为第一种基本范式的数字化制造,是一种相对狭义的定位,国际上有比较广义的定位和理论,在他们的理论看来,数字化制造就等于智能制造。
 
数字化网络化制造,是智能制造第二种基本范式,也可称之为“互联网+制造”或第二代智能制造。上世纪末互联网技术开始广泛运用,“互联网+”不断推进制造业和互联网融合发展,网络将人、数据和事物连接起来,通过企业内、企业间的协同,以及各种社会资源的共享和集成,重塑制造业价值链,推动制造业从数字化制造向数字化网络化制造转变。德国工业4.0和美国工业互联网完善地阐述了数字化网络化制造范式,提出了实现数字化网络化制造的技术路线。我国工业界大力推进“互联网+制造”,一方面一批数字化制造基础较好的企业成功转型,实现了数字化网络化制造。
 
另一方面,大量原来还未完成数字化制造的企业,则采用并行推进数字化制造和数字化网络化制造的技术路线,完成了数字化制造的“补课”,同时跨越到数字化网络化制造阶段。
 
今后一个阶段,三年到五年之内,我国推进智能制造的重点是大规模地推广和全面应用数字化网络化制造,即第二代智能制造。
 
 
数字化网络化智能化制造,是智能制造的第三种基本范式,可以称之为新一代智能制造。近年来人工智能加速发展,实现了战略性突破,先进制造技术和新一代人工智能技术深度融合,形成了新一代智能制造,我们也可以称之为数字化网络化智能化制造。新一代智能制造的主要特征表现在制造系统具备了学习能力,通过深度学习、增强学习等技术应用于制造领域,知识产生、获取、运用和传承效率发生革命性变化,显著提高创新与服务能力,新一代智能制造是真正意义上的智能制造。
 
并行推进、融合发展的技术路线。智能制造在西方发达国家是一个串联式的发展过程,数字化、网络化、智能化是西方顺序发展智能制造三个阶段,我们不能够走西方顺序发展老路,他们是用几十年时间,充分发展了数字化制造之后,再发展数字化网络化制造,进而也已经开始发展新一代智能制造。我们不能走这条路,如果是这样,我们就无法完成中国制造业转型升级的历史性任务。我们必须充分发挥后发优势,采取“并联式”发展方式,要数字化、网络化、智能化并行推进,融合发展。
 
一方面我们必须坚持创新引领,直接利用互联网、大数据、人工智能等最先进的技术,瞄准高端方向,加快研究、开发、推广、应用新一代智能制造技术,走出一条推进智能制造的新路,实现我国制造业的换道超车。
 
另一方面,我们必须实事求是,循序渐进,分阶段地推进企业的技术改造、智能升级。针对我国大多数企业尚没有完成数字化转型这样一个基本国情,各个企业都必须补上“数字化转型”这一课,补好智能制造基础。我们是走了一条新路,我们不能先实现数字化,再搞网络化。
 
    当然,在“并行推进”不同的基本范式的过程中,各个企业可以充分运用成熟的先进技术,根据自身发展的实际需要,‘以高打低、融合发展’,在高质量完成“数字化补课”的同时,实现向更高的智能制造水平的迈进。
 
新一代智能制造引领和推进新一代工业革命
 
新一代智能制造的发展背景,一方面是制造业转型升级的强烈需求。当今世界,全球范围内的制造业竞争愈演愈烈,我国正处于由制造大国向制造强国跨越发展的关键时期,制造业亟需一场革命性的产业升级。
 
另一方面,是新一轮科技革命和产业变革的历史性机遇,新一轮工业革命方兴未艾,其根本动力在于新一轮科技革命。新世纪以来,移动互联、超级计算、大数据,云计算,物联网等新一代信息技术日新月异,飞速发展,并极其迅速的普及应用,形成了群体性跨越。
 
这些历史性的技术进步,集中汇聚在新一代人工智能技术的战略性突破。当然新一代人工智能技术还在快速发展的进程当中,将继续从现在的弱人工智能迈向将来的强人工智能,应用范围更加放在无所不在,新一代人工智能已经成为新一轮科技革命的核心技术,真正形成推动经济社会发展的巨大引擎。
 
今年7月我国发布了《新一代人工智能发展规划》,以抓住机遇,抢占先机。世界主要发达国家也都把人工智能的发展摆在了最重要的位置。
 
新一代人工智能技术与先进制造技术的深度融合,形成了新一代智能制造技术,成为新一轮工业革命的核心驱动力。如果说数字化网络化制造是新一轮工业革命的开始,那么新一代智能制造的突破和广泛应用将推动形成这次工业革命的高潮,引领真正意义上的工业4.0,实现第四次工业革命。
 
新一代智能制造技术原理:人-信息-物理系统(HCPS),首先我们可以看到,传统智能系统是包含人和物理系统两大部分,是通过人对于物理系统或者说对于机器的直接操作控制去完成各种工作任务。同时,人还要完成相关的感知、分析决策以及学习认知等活动,这些工作都是由人完成的。
 
在这个阶段,物理系统可以代替人类从事大量的体力劳动,制造的质量和效率不断提高,我们可以用一张图表示,就是“人-物理系统”(HPS—Human-Physics Systems)这样一张原理简图。
 
大家注意,我们传统制造系统就是一个HPS,那么从第一代和第二代智能制造系统发生的最本质的变化是什么?或者说数字化制造、数字化网络化制造发生的最本质的变化是什么?这就是在人和物理系统之间,增加了一个新的系统——信息系统。
 
人把自己的部分感知分析决策的功能,向信息系统复制前移,人就可以通过信息系统来控制物理系统,以代替人类完成更多、更好的体力劳动。在这样一个阶段,制造系统就从“人-物理系统”演变成为“人-信息-物理系统”HCPS。这个图就表达了这个进化的过程。那么“人-信息-物理系统”HCPS对于“人-物理系统”最本质进步就是增加一个信息系统,从二元系统进化为三元系统。
 
大家都谈得比较多的CPS,在“人-信息-物理系统”中,“信息-物理系统”CPS是其中的一个非常重要的组成部分。美国在本世纪初提出“信息-物理系统”CPS理论,德国将CPS作为工业4.0的核心技术,实现了所谓“数字双胞胎”,成为实现第一代和第二代智能制造,也就是数字化制造和数字化网络化制造的技术基础。
 
那么我们看一看新一代智能制造系统它比第一代和第二代有什么进步?最本质的特征就是它的信息系统发生重大变化。增加了认知和学习的功能,原来我们在上一代的信息系统当中,主要只有感知、分析和决策和控制的功能,现在增加了一个新的功能,就是认知和学习功能,这个功能是从人给信息系统,因此信息系统不仅具有强大的感知计算分析和控制能力,更加具备了学习提升和产生知识的能力。
 
在这样一个阶段,新一代人工智能技术使“人-信息-物理系统”HCPS发生质的变化,形成新一代HCPS。
 
人将部分学习型的脑力劳动转移给信息系统,因而信息系统具有了“认知能力”,人和信息系统的关系发生了根本性的变化。大家可以看到,在老一代HCPS当中,人和信息系统的关系是“授之以鱼”,而在新一代HCPS当中,已经把它变成了“授之以渔”。
 
通过人在回路的混合增强智能,提高了智能制造的性能。新一代智能制造进一步突出了人的中心地位,所以我们认为HCHS是一个更科学,更能揭示事物本质的系统,比CPS更先进一些。为什么?它进一步说明了整个制造发展过程,突出了人的中心地位。
新一代智能制造是统筹协调人、信息系统和物理系统的综合集成大系统,一方面将使得制造业质量和效率跃升到新的水平,为国家强大和人民的美好生活奠定更好的物质基础。
 
另一方面将使人类从更多的体力劳动和大量的脑力劳动当中解放出来,使得人类可以从事更有意义的创造性工作,人类的思维进一步向“互联网思维”,“大数据思维”和“人工智能思维”转变,人类社会开始进入“智能时代”。
 
总之,制造业从传统制造向新一代智能制造发展的过程是从原来的“人-物理”二元系统向新一代“人-信息-物理”三元系统进化的过程。新一代“人-信息-物理系统”揭示了智能制造发展的基本原理,能够有效指导新一代智能制造的理论研究和工程实践。
 
新一代智能制造的系统集成。新一代智能制造是一个大系统,主要有智能产品,智能生产,以及智能服务,三大功能系统以及智能制造云和工业智联网两大支撑系统集合而成。
 
其中,智能产品是主体,智能生产是主线,以智能服务为中心的产业模式变革是主题。智能制造云和工业互联网是支撑智能制造的基础。
 
智能产品和装备是新一代智能制造系统的主体。新一代人工智能技术的融入使得产品和装备发生革命性变化,我们大家可以从智能手机、智能汽车和智能机器人的飞速发展,可以想象一下智能产品和智能装备未来发展的前景。我们现在大家使用的智能手机复杂程度是当年登月飞行器的几百倍,最新上市的苹果8X和华为Mate10手机都搭载了人工智能芯片,具备了以往不可想象的强大智能,这还只是开始,刚开始使用。不久的将来,新一代人工智能全面运用到手机上面,智能手机将发生什么变化?我们大家充满了热切期待。最近智能汽车的快速发展远远超出了人们的预想,现在正在朝着智能化无人驾驶汽车方向急速前进。谷歌和百度无人驾驶汽车已经上路,未来汽车将会进入无人驾驶阶段,成为人们生活更加美好的移动空间。
 
未来二十年,各种产品和装备都将从数字一代发展成为智能一代,升级成为智能产品和装备。一方面将要涌现出一大批先进的智能产品,比如说智能终端、智能家电、智能医疗设备、智能玩具等等,为人民更加美好的生活服务。另一方面推进重点领域重大装备的智能升级,我们国家提出十大重点领域,如信息制造装备、航天航空装备、船舶和海洋装备、汽车、轨道交通装备、农业装备、能源装备等等,特别是要大力发展智能制造装备,如智能机器人、智能机床等等,我们的“大国重器”将装备“工业大脑”,更加先进、更加强大。
 
智能生产是主线,智能工厂是智能生产的主要载体。智能工厂根据行业不同可以分为离散型智能工厂,追求目标是生产过程的优化,大幅度提升生产系统的性能、功能和效益,重点发展方向是智能产业、智能车间和智能工厂。
近年来,各地大力推进“机器换人”、“数字化改造”、“企业上云”,数字化网络化水平大大提高,发展势头迅猛。目前,世界上最先进的数字化工厂也在中国落户,如宝马公司沈阳工厂和西门子公司成都工厂等等,我们自己也已经发展了许多世界上最先进的数字化工厂。
 
但是,我们必须保持清醒的认识,上述提到的智能化工厂只是数字化网络化阶段智能工厂,也就是第二代智能制造工厂,更先进的技术升级还在后头。随着新一代人工智能的运用,今后20年,中国企业将要向自学习、自适应、自控制的新一代智能工厂进军。比如现在有的企业,如我们江苏的企业,正在探索运用新一代人工智能技术酿酒等,来优化酿造流程,效益大幅度提高。有的电子产品生产企业,运用大数据智能使得机械加工优化,加工质量升级,加工装备智能保障,都可以得到根本性提高,最优控制目标将能得到实现。
这两个例子对于整个离散型制造业和流程性制造业有着深刻的意义,可以想像新一代人工智能技术和先进制造技术的融合,将使得生产线、车间工厂发生革命性大变革,提升到历史性的新高度,将从根本上提高制造业质量,效率和企业竞争力。我要特别强调的是,在今后相当一段时间里面,生产线、车间,工厂的智能升级将成为推进智能制造的一个主要战场。
 
以智能服务为核心的产业模式革命,是新一代智能制造系统的主题,新一代人工智能技术的应用催生了产业模式的变革性转变,产业模式将实现从以产品为中心向以用户为中心的根本性转变,完成深刻的供给侧结构性改革。
 
要体现在两个方面,第一从大规模流水线生产转向规模定制化生产,海尔COSMO定制平台实现了家电产品的研发过程、制造流程和营销方式的颠覆性创新。用户可以直接参与产品交付和设计,用户主动成为了产品成长的一份子。
 
今后三到五年,我们将重点在服装、家电、家居等行业推广应用规模定制化制造新模式,形成传统优势产业竞争新优势。可以想像,未来大数据智能、群体智能、人机融合智能的深度应用将进一步提高产品的个性化、柔性化和定制化,推进中国制造业真正实现以用户为中心的新模式、新业态。
 
产业形态将从生产型制造向服务型制造转变。GE公司将大量传感器安装到了飞机发动机上,根据发动机大数据,运用最新的人工智能技术,实现了实时智能分析和智能控制,提供可靠的维护,形成了航空发动机的智能型“优化运营和健康保障系统”。
 
GE开展了按小时支付的租赁服务模式,对发动机提供终身服务,从服务得到的盈利比例大幅提高,成为了服务型制造企业。
 
今后三到五年,中国将重点推进采用新一代人工智能技术的远程运维服务,首先在风力发电、直升飞机、工程机械、通用机械、电梯、水表电表监控管理等领域重点推进,然后在整个制造业全面推广,形成新一代智能服务方面重点突破。
 
在这个基础上我们将在整个制造业全面推进以智能服务为中心的产业模式变革,智能技术引领产融深度集合,使更多企业从生产型制造向服务型制造转变,实现更深层次的供给侧结构性改革。
 
随着新一代通信技术、网络技术、云技术和人工智能技术的发展和运用,智能制造云和工业智联网将实现质的飞跃,为新一代智能制造生产力和生产方式变革提供发展的空间和可靠的保障。
 
最后我想谈一点中国智能制造发展战略建议、战略目标。
 
一、战略目标。
未来20年我国智能制造发展总体可以分成两个阶段实现,第一个阶段从现在到2025年,这其中分成两步走:第一步到2020年,数字化网络化制造在全国得到大规模推广,在发达地区和重点领域实现全面应用,同时新一代智能制造在部分领域获得探索性成功。
第二步到2025年,数字化网络化制造在全国普及并得到深度应用,同时,新一代智能制造在重点领域试点示范取得显著成果,并开始在部分企业推广应用。
 
第二段阶段从2025年到2035年,新一代智能制造在制造业实现大规模推广、应用,实现中国制造业的智能升级。
 
二、战略方针.
1、创新引领,我们必须要抓住新一代智能制造历史性机遇,把发展智能制造作为中国制造业转型升级的主要路径,换道超车,跨越发展。
2、融合发展,中国制造业要充分发挥后发优势,并行推进数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造,融合发展。
3,因企制宜,企业是经济活动的主体,是推进智能制造主体,推进智能制造要充分激发企业内生动力,特别是广大中小企业,要实事求是地探索适合自己转型升级的技术路径。各级政府科技界学界金融界都要共同营造良好的生态环境,帮助和支持企业特别是广大中小企业智能升级。
4、产业升级。推动智能制造目的在于产业升级,不能够仅仅停留在典型、示范,停留在部分制造环节或者领域,应着眼于各个行业和整个制造业产业的转型升级。
 
中国制造业同志们,大家努力奋斗,全面推进新一代智能制造,到2035年实现中国制造业全方位的智能升级,谢谢大家。
 
(来源:走向智能论坛)