智能制造的内涵和核心环节

张相木/工业和信息化部原装备工业司司长、国家智能制造专家委副主任

智能制造的内涵和本质

1.智能制造的概念

智能制造概念是一个动态发展的过程，内涵不断在丰富和升华。早在1988年，美国人赖特和伯恩首先提出了智能制造概念，并对智能制造做了定义，即智能制造是指通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造技工们的技能与专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产。早期的智能制造是基于数字技术和智能装备的智能制造，亦称数字化制造。

随着物联网的迅猛发展，智能制造进入“互联网+制造”阶段。比较有代表性的就是2013年德国提出的“工业4.0”战略，本质是通过建立具有适应性、资源效率和基因工程学的智能工厂，实现智能生产，其物质技术基础是物联网+赛博物理系统（IoT&CPS）。互联网+制造是基于网络和数据的智能制造，亦称数字化网络化制造。

近年来，以人工智能为代表的新兴科技快速发展，大大拓展了时间、空间和人们的认知范围，人类正在进入一个人机物三元融合的万物智能互联时代。人机物三元世界是指人类社会、赛博空间和物理世界，赛博空间是利用数字孪生、人工智能技术构建的一个虚拟空间，是物理世界的数字孪生模型，它跟物理世界精准映射，融合共生。人工智能已经不只是一种发展趋势，而是已经开始与制造业深度融合，开启了工业人工智能时代。智能制造开始进入新的发展阶段。

工业人工智能时代，智能制造被赋予了新的内涵：智能制造是基于数字技术与工业知识和智能装备深度“融合”，以赛博物理系统为物质技术基础，贯穿产品全生命周期各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。“融合”的先决条件是利用人工智能等技术构建赛博空间（数字孪生模型）。现代智能制造是基于现代人工智能的智能制造，亦称数字化网络化智能化制造。

综上，智能制造包括数字化制造、网络化制造和智能化制造三个发展阶段。智能制造的发展都有阶段性，这三个发展阶段不是截然分离的，后一个阶段对前一个阶段有继承性，前一个阶段在后一个阶段会继续演进，智能制造的发展又有相容性。

目前，智能制造正在全球范围内全面推进，总体上已处于数字化制造普及、网络化制造推广、智能化制造示范阶段，也就是说这三个发展阶段又是并行推进的，从应用层面讲，我国已经赶上了全球发展的步伐。

2.智能制造的灵魂：制造知识

大家都说数字技术是智能制造的使能技术，但它只是一种工具，就像当年的蒸汽机，本身不是生产力，它的价值在于人将其融入到制造业场景，融入过程中必然会遭遇诸多的问题，比如，数学模型如何建立？数据从哪里来？数据又该怎样分析？解决这些问题需要靠制造知识，不掌握核心技术，不懂得制造机理，不了解工艺特点，就无法构建智能制造系统，而且制造知识在不断地生成和积累，新制造知识的应用不断推动生产方式创新与变革。

3.智能制造的基石：精益生产

智能制造的基石是精益生产。精益生产是一种能够快速响应客户需求变化，生产过程中一切无用和多余的东西都被精简的生产体系和管理方式。对于智能制造而言，精益生产是推行智能制造必须经历的变革过程。

4.智能制造的精髓：智能工厂

狭义上讲，智能制造的本质是通过建立智能工厂实现智能生产。智能工厂是智能制造系统的基本载体，是智能制造的精髓，智能生产是智能制造的核心环节。

智能工厂由物理实体工厂、虚拟制造平台和智能决策系统组成。物理实体工厂为制造过程提供智能化的硬件基础设施和制造资源；虚拟制造平台是基于这些制造资源和制造过程的数字孪生模型；智能决策系统既可以在虚拟制造中对制造过程进行迭代优化，也可以在实际制造中实时监控和调整制造过程。

5.智能制造系统的物质技术基础：赛博物理系统

智能制造系统的物质技术基础是赛博物理系统，赛博物理系统源于数字技术与制造场景的深度融合。简单说，通过物联网将物理设备连接到网络上，利用数字孪生、人工智能等技术，在虚拟空间对物理实体进行数字重构和全息重建，形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生模型（数字虚体），数字虚体与物理实体精准映射、融合共生，即构成赛博物理系统。

6.智能制造的基本特征：“四个化”

智能制造的基本特征有“四个化”：一是装备智能化，采用的是智能制造装备；二是技术软件化，数字技术作用于制造场景，基本方式最终体现就是工业软件，没有深厚的工业技术积累就没有优秀的工业软件；三是流程数据化，业务流程由数据驱动，今后的智能制造系统是虚实合一的系统，实的系统是由虚的系统操控的，虚的系统是由数据驱动的；四是生产自动化，全部工序都是智能化生产，不是一个一个独立的自动化生产。通过“四个化”可以实现个体制造单元的自主性和整个制造系统的自组织。

7.智能制造的本质：先进制造

智能制造的本质是先进制造，制造就是人按照某种工艺，利用工具把原材料加工成产品的过程，从这个意义上来讲，智能制造的本质是先进制造，基础是网络和数据，灵魂是工艺，表现形式是智能装备和工业软件，关键和难点是融合，所以智能制造中制造是主角。

而数字化转型和智能制造的概念不是一回事，数字化转型是利用数字技术优化现有业务，是一场技术革命和管理思维转型。在制造业，数字化转型不触及制造技术和工艺，IT和OT彼此独立行事、相互分割。智能制造是制造业数字化、网络化和智能化的集中体现，是IT与OT深度融合的生产方式变革。简单说，实现智能制造的关键在于制造系统的软硬共生、虚实合一。在制造业，数字化转型就是数字化制造，数字化制造是智能制造的起点和基础。

智能装备的发展方向和路径

人类正在进入一个人机物三元融合的万物智能互联时代。万物智能互联是指物与物之间、物与人之间实现互联，就是将智能融入万物，使“机器变人”，让各种各样的产品都具备特定智慧功能，从而实现无缝对接。

人工智能、脑科学的发展，使独立于自然人而自主存在的机器智慧渐成可能。近年来，基于人工智能等技术，越来越多的产品被冠上智能的名头，开始实现智能化，给人类生产生活带来深刻影响。智能产品正在成为未来发展的主流趋势。

智能产品的概念比较广泛，涵盖了许许多多的不同产品。根据不同的应用领域和特征，智能产品可以分为消费电子产品、家居智能产品、工业智能产品、医疗智能产品、交通智能产品等。智能装备是“智能产品们”最杰出的代表。

1.智能装备的内涵和特征

智能装备是数字技术与产品技术在装备上的集成和融合。简单说，智能装备是指将传感器、处理器、存储器、通信模组等智能模块嵌入到装备，使装备具备感知、分析、决策、控制和执行功能。笼统讲，任何一种具有计算处理能力，具备灵敏的感知功能、正确的思维与判断功能、高效的执行功能的装备都是智能装备。

智能装备是物联网的“移民”。机床、工业机器人、工程机械、发电设备、汽车、飞机等原本都不是智能装备，但在万物智能互联时代，它们都要数字化、智能化，都要接入到网络世界，从而蜕变为智能装备，并成为物联网的“移民”。

智能装备分为智能制造装备和其他智能装备，分别用于不同行业和场景。智能制造装备用于制造业，是智能制造系统的基本构成要素；其他智能装备用于其他行业，是千行万业转型升级的物质技术基础。

2.智能制造装备是智能制造的核心要素

智能制造有很多的构成要素，最核心的要素就是智能装备。制造装备具有机器智慧，是智能制造系统的突出特征，是实现智能制造的先决条件，也就是说，智能制造装备是工业之母。没有智能制造装备，智能制造就是无源之水、无本之木，就是 “空中楼阁”，扼住智能制造装备就从源头上卡住了现代制造业的命脉。要自主可控发展智能制造，具备智能制造装备供给能力是前提。

3.智能装备助力各行各业转型升级

智能装备还可以助力各行各业转型升级，人类社会的发展由生产工具演变所主导，生产工具的每一次变革都带来划时代的生产方式变革，并随之带动社会形态的更替，新的生产工具的发明，新的劳动资料的形成，也就是新的生产力的出现。

作为物质资料最主要因素，装备发展和演进对各行各业的发展和进步都具有决定性的影响。智能装备能够充分释放数字技术的放大、叠加、倍增效应，极大提高装备的性能和效能，重塑和再造装备价值体系，所以智能装备的发展和应用不仅给制造业带来颠覆性的变化，而且还将引发国民经济其他部门和领域的深刻变革。

4.智能装备源自装备的数字化

装备数字化是指将实体装备接入到网络世界，并利用大数据、数字孪生、人工智能等技术，在虚拟空间对实体装备进行数字重构和全息重建，从而为实体装备创建一个动态同步的数字虚体，并通过虚实融合，使装备的形式和内容发生蜕变，成为具有状态感知、决策优化、自主控制和执行能力的智能装备。

通俗地说，智能装备就是将数字技术以模块形式嵌入到实体装备，两者合而为一，融合共生，当装备感应到触发条件时，它们将成为有理解力的工具，具备了类似于人的眼睛、神经和大脑的功能。智能装备是一个单元级的赛博物理系统，从这个角度讲，智能装备等于实体装备+数字孪生装备。

5.智能装备重点发展领域和方向

6.智能装备发展路径

（1）构建智能装备创新生态

突破数字孪生、人工智能、多源数据融合等在产品全生命周期的融合应用技术；研制智能传感器、智能控制器、智能网关等关键零部件；开发工业APP、装备模型库等核心软件。

（2）挖掘智能装备应用场景

面向智能制造、智能交通、智能医疗等领域，挖掘一批具有代表性的应用场景，以场景应用带动智能装备发展；完善网络基础设施和安全防护措施，保障智能装备更好发挥性能和效能。

（3）推动现有装备智能升级

在具备改造基础的装备上嵌入智能传感器、控制器、通信模组等智能模块，形成具备感知、控制等功能的装备；升级一批在役装备，通过模块升级和云化部署等，提高装备数字化智能化水平。

（4）研究发展新型智能装备

推进正向设计开发，通过集成智能部件、核心软件，并融合新机理、新材料、新工艺，突破一批新型智能装备；结合仿生技术、类脑智能等技术，探索孵化一批原创性前沿智能装备。

（5）激活智能装备数据价值

畅通数据资源供给与汇聚渠道，推动智能装备全生命周期数据的多向流动，形成可控制、可信任、可追溯的高质量装备数据资源；建立数据交易平台，推动装备数据安全共享、可信流通。

审核编辑：黄飞