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《一、前言》 一、前言 中國工程院院刊《Engineering》推出最新觀點 性文章《走向新一代智能制造》，文章提出了智能 制造的三個基本范式：數字化制造、數字化網絡 化制造、數字化網絡化智能化制造 —— 新一代智能制造。指出智能制造是一個從傳統(tǒng)的“人 – 物理 系統(tǒng)（HPS）”向“人 – 信息 – 物理系統(tǒng)（HCPS）” 不斷演進發(fā)展的大概念，其核心是在傳統(tǒng)的人和物 理系統(tǒng)之間增加信息系統(tǒng)，并不斷提升信息系統(tǒng)的 感知、計算分析與控制能力，最終使其具有學習提 升、產生知識的能力 [1]。 軟件作為信息系統(tǒng)物化的表現，則是強化信息 技術與工業(yè)技術融合發(fā)展的基礎支撐。國務院印發(fā) 的《關于深化制造業(yè)與互聯網融合發(fā)展的指導意見》 中也強調了加快計算機輔助設計仿真、制造執(zhí)行系 統(tǒng)、產品全生命周期管理等工業(yè)軟件產業(yè)化，強化 軟件支撐和定義制造業(yè)的基礎性作用 [2]。新一代 智能制造作為一個由智能產品、智能生產和智能服 務三大信息系統(tǒng)以及工業(yè)智聯網和智能制造云兩大 支撐信息系統(tǒng)組成的、并與工業(yè)技術集成的巨系統(tǒng)， 在方法層面，推進研發(fā)虛擬化，產生了基于物理技 術的各類專業(yè)工具；在過程層面，推進管理信息化， 產生了以流程管理為核心的各類業(yè)務系統(tǒng)；在裝置 層面，推進生產裝備的自動化和產品智能化，產生 了各類嵌入式軟件。因此，在智能制造發(fā)展的過程 中，能否推動軟件定義來創(chuàng)新工業(yè)范式（包括定義 產品、定義企業(yè)流程、定義生產方式、定義企業(yè)新 型能力、定義產業(yè)生態(tài)等）實現以軟件定義為核心 的生產方式變革，是新一輪工業(yè)革命的本質所在。 《二、基于紙張的符號定義》 二、基于紙張的符號定義 我們把傳統(tǒng)制造業(yè)的定義看作是基于紙張的符 號定義。所謂傳統(tǒng)當然是與現代相區(qū)分的。具體區(qū) 分標準主要以技術為參照，現代制造業(yè)的特點是： 高精尖，比如新型飛機、微納米、激光、半導體、 數控車床等一系列以現代高端技術為支撐的行業(yè)， 與此相反，依然使用舊有的制造技術的就屬于傳統(tǒng) 制造業(yè)。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)包含人和物理系統(tǒng)兩大部分， 是完全通過人對機器的操作控制去完成各種工作任 務。從工業(yè)革命發(fā)展過程來說，包含了第一次工業(yè) 革命和第二次工業(yè)革命。無論是蒸汽機、內燃機或 者電機（包含發(fā)電機和電動機）的應用，都是“人 – 物理系統(tǒng)”。按照《三體智能革命》一書中的論述， 一個完善的智能系統(tǒng)一定具備“狀態(tài)感知，實時 分析，自主決策，精準執(zhí)行，學習提升”并循環(huán)往 復 [3]。在“人 – 物理系統(tǒng)”中，由人完成狀態(tài)感知， 實時分析，自主決策以及學習提升；機器僅僅在人 的操作下完成精準執(zhí)行。 基于紙張的符號定義決定了傳統(tǒng)制造業(yè)的工業(yè) 范式就是設計 – 制造 – 試驗模式的串行模式，即過 去所說愛迪生的“試錯法”，首先基于紙張的符號 定義是人工設計的藍圖（零件圖和裝配圖）、工藝 卡片、各類表單、生產計劃、紙質文檔等，基于人 工定義的各類設計圖文檔，才能開展工藝設計等后 續(xù)工作，然后在機器上試制各種零件，裝配形成試 驗品，用試驗來檢驗產品的設計功能和性能，達到 設計指標就可以批生產了；達不到設計指標，就需 要修改設計和工藝再試，直到達到設計指標為止。 在這個工業(yè)范式下，200 年來的手工制圖以及早期 的計算機輔助設計（CAD）軟件，應用范圍和深度 都具有局限性，主要關注于工程意圖表達的一致性、 標準性，這類軟件就是 20 世紀八九十年代大規(guī)模 使用的 CAD 軟件。工業(yè)效率的提升還是主要依靠 加工用的機器（物料、設備、工裝、工具、試驗設 備），表現在蒸汽機、內燃機和電動機的出現極大 提高了物理系統(tǒng)（機器）的生產效率和質量，物理 系統(tǒng)（機器）代替了人類大量體力勞動。在傳統(tǒng)制 造系統(tǒng)中，要求人完成狀態(tài)感知，實時分析，自主 決策，操作執(zhí)行，學習提升等多方面任務，不僅對 人的要求高，勞動強度仍然很大，而且工作效率、 質量和完成復雜工作任務的能力也有限。 《三、基于模型的數字定義》 三、基于模型的數字定義 與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，第一代和第二代智能制 造的工業(yè)范式發(fā)生了本質變化，以波音 777 飛機的 數字化產品定義（DPD）、數字化產品預裝配（DPA）、 集成產品研發(fā)團隊（IPT）到波音 787 飛機的基于 模型的定義（MBD）突破為例。它通過在人和物理 系統(tǒng)之間增加信息系統(tǒng)，將人的相當部分的感知、 分析、決策功能向信息系統(tǒng)復制遷移，局部信息系 統(tǒng)可以代替人類完成部分腦力勞動，進而通過信息 系統(tǒng)來控制物理系統(tǒng)，以代替人類完成更多的體力 勞動。 波音 777 飛機是世界上第一個完全采用軟件定 義飛機研制生產過程的產品。采用了三項技術就是 100% 的 DPD、100% 的 DPA、327 個并行的 IPT。 研制過程采用的計算機軟硬件為：8 臺 IBM 大型計算機，用于 3D 設計的 3 200 臺 UNIX 工作站均連 接了網絡，約 20 000 臺 PC 機，800 種互不相關的軟 件。而在波音787飛機的設計中全面推廣MBD技術， 它改變傳統(tǒng)由二維圖文檔來描述幾何形狀信息，用 一個集成化的三維數字化實體模型表達了完整的產 品定義信息，成為制造過程中的唯一依據 [4]。 由于以上數字化的技術進步和采用并行工程的 管理變革，波音 777 飛機和與其相當的 767 飛機相 比，研制周期由 12 年減少為 4.5 年；而造出的第一 架飛機就比已經造了 24 年的第 400 架波音 747 飛 機質量還好。更為重要的是基于模型的數字定義顛 覆了傳統(tǒng)設計 – 制造 – 試驗的工業(yè)范式，實現了工 業(yè)范式向設計 – 虛擬綜合 – 數字制造 – 物理制造的 轉變。 如圖 1 所示，為便于理解，把飛機研制分為四 個階段，分階段加以描述：第一個階段就是方案設 計階段（包含需求工程，概念設計以及方案設計）， 核心是飛機的氣動布局和總體布置。以前的試錯法 就是根據戰(zhàn)術技術指標，算出飛行剖面，依據剖面 畫出外形草圖，加工出縮比模型，然后在風洞中吹 風，來確定氣動外形。這個過程反復迭代，一直到 滿意為止。因為加工一個飛機縮比模型需要好幾個 月，吹一次風花費幾百萬元，因此要得到一個滿意 的方案需要多年做多個方案反復對比才可以完成 （如圖 1 左上方的風洞照片）?，F在的方法是首先根 據氣動力數學方法計算結果，用軟件在計算機上構 建一個虛擬的飛機氣動外形（如圖 1 左下方飛機外 形），然后做計算流體力學（CFD）計算，反復優(yōu) 選拿出最好的幾種方案，加工成縮比模型再吹風。 這些技術已經在航空航天領域開始了大規(guī)模應用。 《圖 1》
圖 1 產品研制流程、傳統(tǒng)物理生產線和數字化主線 以波音 787 飛機為例：波音 787 項目高級副總 裁邁克 · 拜爾指出：“在 767 項目中，我們曾對 50 多種不同的機翼配置進行過風洞測試。而在 787 項 目中，只測試了 10 多種。”風洞試驗少了，飛機質 量提高了，這就是在方案階段軟件定義飛機的氣動 布局。 第二個階段就是工程研制，飛機氣動布局和總 體布置已確定，就可以開始結構設計了，現在幾乎 所有的 CAD 軟件都可以完成結構設計，在 1991 年 波音 777 項目中，當時的三維 CAD 軟件只能定義 幾何外形，到了 2004 年波音 787 研制時，CAD 軟 件不僅僅可以定義幾何外形，與機械結構相關的材 料數據、工藝數據、標準數據、生產定義數據、檢 測數據等和制造過程相關的所有數據都可以在三維 模型上表達出來，這就是實現了軟件定義零件，進 而定義產品，也就是 MBD。換句話說，在三維模 型上可以表達所有的數據，也意味著傳統(tǒng)的藍圖、 工藝卡片等基于紙質的符號定義可以不要了，這就 是數字化革命。有了完整的數字化樣機（DMU）， 虛擬現實就可以逼真地展示各類應用，制造過程就 是和設計的符合性問題了，也就是數字化樣機的物 理實現。這就是圖 1 中間中下方的全數字樣機，中 上方的物理樣機。需要強調的是，在基于模型的數 字定義中主線仍然是基于幾何模型的多學科仿真分 析和優(yōu)化。 第三個階段就是批產交付，制造依據仍然是飛機全機數字化樣機，在數字化樣機指導下的生產， 關鍵是生產能力的提升，滿足客戶需求，當然，現 在生產線的建設一定要切合實際，數字的歸數字， 物理的歸物理，混合的要混合。一切以提高質量， 增加效益為主線。 第四個階段是服務保障，有了全機數字化樣機， 可以一直延續(xù)到這個階段，以前的飛機培訓手冊、 空勤手冊、地勤手冊、維護維修手冊，都是紙質的， 數量巨大?，F在可以全部模型化了，依據全機數字 化樣機可以生成交互式電子技術手冊（IETM），加 上混合現實（MR）技術，服務保障人員就可以如 虎添翼了。 《四、基于信息 - 物理系統(tǒng)的數字定義》 四、基于信息 - 物理系統(tǒng)的數字定義 “獵鷹 -9”重型火箭的發(fā)射成功，宣告世界航 天歷史進入了一個全新的時代。“獵鷹 -9”以及背 后的美國 SpaceX 公司的成功，展示了很多技術路 線、研發(fā)思路、流程管理體系上的可行性和巨大成 功。它通過需求 / 功能架構、邏輯架構到物理架構 的關聯與轉換，完整地回答從抽象的問題域（需求 / 功能）開始，對功能分解的行為（做什么）描述， 并將行為（運行）分配到具體解決域的產品（結構） 的過程。從而避免直接從功能映射到結構，導致在 需求中提出要解決的問題后，就跨越邏輯設計和功 能 / 行為分析而直奔物理實現的“飛躍式開發(fā)怪 圈”。比如助推器的分離措施，傳統(tǒng)上各國火箭主 要采用火工品 —— 比如爆炸螺栓進行分離。而“獵 鷹 -9”采用了機械分離方式，這種嘗試此前不是沒 有人做過，中國臺灣地區(qū)的雄風三導彈在早期曾經 采用過，結果分離屢屢失敗，最后還是采用了火工 品分離。而 SpaceX 公司不僅采用了機械分離方式， 而且沒有做實物驗證試驗就正式采用了這一設計； 其合理性和可靠性完全依靠仿真計算來實現。因 此，SpaceX 公司的測試驗證成本壓縮要遠低于傳 統(tǒng)火箭。避免使用火工品、取消大量實物試驗的 結果，使 SpaceX 公司節(jié)省了大量的時間和資金。 必須要強調的是，仿真計算雖然在今天取得了長 足的進步，但遠遠談不上萬無一失；它的結果可 靠性，直接取決于基礎研究的積累要求和操作、 分析人員的水平。筆者認為這就是基于信息物理 系統(tǒng)的數字定義。 在這個階段中的虛擬環(huán)境下，實現自頂向下的 設計、自底向上的綜合設計思想，分階段、分層次 實現設計 – 虛擬綜合（基于功能、性能和幾何模型 的系統(tǒng)仿真）再到數字制造 – 物理制造驗證、最后 到產品的轉變。這就是新一代智能制造創(chuàng)新的工業(yè) 范式，也是基于虛擬綜合（基于功能、性能和幾何 模型的系統(tǒng)仿真）的最終追求的結果。 “獵鷹 -9”重型火箭的機械分離方式的助推器， 沒有做實物驗證試驗，其合理性和可靠性完全依靠 仿真計算實現，避免了使用火工品、取消大量實物 試驗的原因就是大量計算和仿真，大量工業(yè)軟件的 應用就是把人的知識和智能賦予軟件，這已經是具 備了新一代“人 – 信息 – 物理系統(tǒng)”的基礎了。我 們再從理論上分析一下，第一代和第二代智能制造 系統(tǒng)通過集成人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的各自優(yōu)勢， 系統(tǒng)的能力尤其是計算分析、精確控制以及感知能 力都得以很大提高。一方面，系統(tǒng)的工作效率、質 量與穩(wěn)定性均得以顯著提升；另一方面，人的相關 制造經驗和知識轉移到信息系統(tǒng)，能夠有效提高人 的知識的傳承和利用效率。制造系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“人 – 物理系統(tǒng)”向“人 – 信息 – 物理系統(tǒng)”的演變可進 一步進行抽象描述：“信息系統(tǒng)”的引入使得制造系 統(tǒng)同時增加了“人 – 信息系統(tǒng)（HCS）”和“信息 – 物理系統(tǒng)（CPS）”。其中，“信息 – 物理系統(tǒng)”是非 常重要的組成部分。美國在 2006 年提出了“信息 – 物理系統(tǒng)”的完整理論，德國將其作為工業(yè) 4.0 的 核心技術?！靶畔?– 物理系統(tǒng)”在工程上的應用是 實現信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的完美映射和深度融合， 而人是實現“信息”的核心要素，在人的全程參 與下，形成的新一代“人–信息–物理系統(tǒng)”中，“人– 信息系統(tǒng)”“人 – 物理系統(tǒng)”和“信息 – 物理系統(tǒng)” 三者都將實現質的飛躍 [1]。 《五、新一代智能制造創(chuàng)新的工業(yè)范式》 五、新一代智能制造創(chuàng)新的工業(yè)范式 2002 年，國防科學技術工業(yè)委員會啟動了“飛 機制造業(yè)數字化工程”項目的論證工作，參加的國 內飛機研制單位多達 18 家，制定了明確的發(fā)展目 標：打通飛機制造業(yè)數字化生產線，形成飛機數字 化研發(fā)體系，實現管理方式、生產模式、組織流程、 技術標準等方面的變革。換句話說，就是在飛機制 造業(yè)的全部流程上，從方案設計階段的數字化模型不斷完善演進，一直沿用到工程研制、批生產、維 護維修、報廢回收的全壽命周期環(huán)節(jié)。今天回頭來 看，這個是什么？不就是數字主線（digital thread） 嗎？到了今天，中國的工業(yè)體系已經發(fā)展并形成了 世界最完整的工業(yè)體系，我們必須建立自己的理論 自信。 飛機制造業(yè)數字化工程的目標中已經包含了數 字主線的概念，而且一脈相承。讓我們再研究圖 1 最上面的一條線物理線，就是傳統(tǒng)制造業(yè)的定義： 基于紙張的符號定義。圖 1 中間的一條線就是飛機 研制流程，下面的一條線就是基于軟件定義的數字 化線；整個圖就構成了 CPS 中的系統(tǒng)之系統(tǒng)（SoS）， 而圖中的每個研制階段的垂直對應的物理系統(tǒng)和數 字化系統(tǒng)，構成了多對數字孿生（digital twin）；當 然，數字孿生不僅僅是垂直相關，前后也是關聯的。 毋容置疑，智能制造的前身是數字化制造，而 數字化制造的成功是基于幾百年來傳統(tǒng)制造業(yè)打下 的物理制造的基礎。工業(yè)范式的創(chuàng)新是應用軟件定 義的數字化模型來實現的，因此軟件定義數字模型， 乃至定義一切，都必須具備強大的物理實體的基礎。 中國古話說：“皮之不存，毛將焉附。”物理實體是 皮，數字模型就是毛，兩者的相互融合，構成了智 能制造的基礎。在智能制造體系中，工業(yè)軟件不僅 僅是核心，更是人類的新思維方式，因此，我國工 業(yè)軟件的發(fā)展，急需提升到國家戰(zhàn)略層面，并借鑒 國外發(fā)達國家經驗，軟件人才培養(yǎng)從娃娃抓起，認 識工業(yè)，認識軟件，重視人才，保護產權，必須成 為全民共識。 隨著以大數據、云計算、物聯網為代表的數字 技術的崛起，我們已身處數字經濟時代。發(fā)展軟件 定義技術和 CPS 技術，并在新一代信息技術（云計 算、物聯網、移動通信、大數據、智能制造）的支 持下，實現與人、設備和物料相融合的未來新一代 智能制造創(chuàng)新的工業(yè)范式，其典型特點就是數字主 線使能的數字孿生。 我國是世界第一制造大國，在工業(yè)化尚未全 面完成的情況下，迎來了數字化浪潮，面臨著追趕 工業(yè)化進程、同步數字化機遇的雙重歷史任務和嚴 峻挑戰(zhàn)。黨的“十九大”報告提出，“推動互聯網、 大數據、人工智能和實體經濟深度融合”，培育新 增長點、形成新動能。新一代智能制造為助推我國 傳統(tǒng)產業(yè)數字轉型，催生新業(yè)態(tài)、重塑創(chuàng)新鏈、重 構產業(yè)鏈、拓展經濟發(fā)展新空間提供了重要的方針 和路徑。我們必須充分發(fā)揮人工智能技術創(chuàng)新的引 領作用，加快建設制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)， 推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融 合，促進我國產業(yè)向全球價值鏈中高端邁進。 |
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