人机一体化智能系统与装备发展路径

  20世纪80年代，工业发达国家已开始对人机一体化智能系统进行研究，并逐步提出智能制造系统和相关智能技术。进入21世纪，AI和网络信息技术的迅速发展，使实现人机一体化智能系统的条件逐渐成熟。在国际金融危机之后，虚拟经济出现泡沫，制造业强国开始将重心转回实体制造，世界各国纷纷颁布了一系列发展人机一体化智能系统的国家战略，期望以发展制造业刺激国内经济稳步的增长，巩固大国地位。（表1）

  2014年国务院印发《中国制造 2025》，围绕实现制造强国的战略目标，《中国制造 2025 》明确了 9 项战略任务和重点，并制定了通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到 2025 年迈入制造强国行列；第二步，到 2035 年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立100年时，我制造业大国地位更加巩固，总实力进入世界制造强国前列[8]。2011年以来，国家发布了一系列智能制造业政策。（表2）

  美国“再工业化”计划框架从重振制造业到全力发展先进制造业，积极抢占世界高端制造业的战略出发，积极推动智能制造产业高质量发展。为了重塑美国制造业的全球竞争优势，奥巴马政府将高端制造业作为再工业化战略产业政策的突破口。作为先进制造业的重要组成，以先进传感器、工业机器人、先进制造测试设备等为代表的人机一体化智能系统，得到了美国政府、企业各层面的格外的重视，创新机制得以逐渐完备，有关技术产业展现出了良好发展势头。美国瞄准清洁能源、生物制药、生命科学、先进原材料等高新技术和战略新兴起的产业，加大研发投入，鼓励科学技术创新，培训高技能员工，力推 3D 打印技术、工业机器人等应用。

  德国著名的“工业 4.0 ”计划则是一项全新的制造业提升计划，其模式是由分布式、组合式的工业制造单元模块，通过工业网络宽带、多功能感知器件，组建多组合、智能化的工业制造系统。“工业 4.0 ”以智能化工厂建设来带动复杂制造系统的应用，通过开放虚拟工作平台与普遍的使用人机交互系统，使得企业的工作内容、工作流程、工作环境等发生深刻改变，再造人机一体化智能系统流程，颠覆封闭性的传统工厂车间管理模式，将智能化设备、智能化器件、智能化管理、智能化监测等技术集成全新的制造流程。工业 4.0 从根本上重构了包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理在内的整个工业流程。

  日本是全球工业机器人装机数量最多的国家，其机器人产业也极具竞争力。为适应产业变革的需求和维持其“机器人大国”的地位，2015 年 1 月，日本政府发布了《机器人新战略》，计划在制造、服务、医疗护理、基础设施、自然灾害应对、工程建设、农业等领域普遍的使用机器人，在战略产业推进机器人开发与应用的同时，打造应用机器人所需的环境，使机器人随处可见。

  人机一体化智能系统是一个大概念，是一个不断演进的大系统。智能制造是新一代信息技术与先进制造技术的深层次地融合，贯穿于产品、制造、服务全生命周期的所有的环节及相应系统的优化集成，旨在实现制造的数字化、网络化、智能化，不断的提高企业的产品质量、效益、服务水平，推动制造业实现创新、绿色、协调、开放、共享式发展。

  近年来，国家“新一代人工智能引领下的人机一体化智能系统研究”课题组，在人机一体化智能系统的演进发展中，总结、归纳和提升出人机一体化智能系统的三种基本范式，即 ：数字化制造——第一代人机一体化智能系统，数字化网络化制造——“互联网 + 制造”或第二代人机一体化智能系统，数字化网络化智能化制造——新一代人机一体化智能系统[20]。（图1）

  数字化制造是人机一体化智能系统的第一个基本范式，也可称为第一代智能制造。数字化制造是在数字化技术和制造技术融合的背景下，通过对产品信息、工艺信息和资源信息进行数字化描述、分析、决策和控制，快速生产出使用户得到满足要求的产品。数字化制造的主要特征表现为：第一，在产品方面，数字技术在产品中得到普遍应用，形成以数字控制机床等为代表的“数字一代”产品 ；第二，在制造方面，大量应用数字化装备、数字化设计、数字化建模与仿真，采用信息化管理 ；第三，集成和优化运行成为生产的全部过程的突出特点。

  20 世纪 80 年代以来，中国企业逐步推广应用数字化制造，推进设计、制造、管理过程的数字化，推广数字化控制管理系统和制造装备，推动企业信息化，取得了巨大的技术进步，特别是近年来，各地大力推进“机器换人”、“数字化改造”，建立了一大批数字化生产线、数字化车间、数字化工厂，众多企业完成了数字化制造升级，中国数字化制造迈入了新的发展阶段。同时，必须清醒地认识到，中国大多数企业，特别是广大中小企业，还没有完成数字化制造转型。面对这样的现实，中国在推进智能制作的完整过程中必须实事求是，踏踏实实地完成数字化“补课”，进一步夯实人机一体化智能系统发展的基础。

  数字化网络化制造是人机一体化智能系统的第二种基本范式，也可称为“互联网 + 制造”，或第二代人机一体化智能系统，可对应于国际上推行的Smart Manufacturing。20 世纪 90 年代末以来，网络技术逐步成熟，中国“互联网 +”推动互联网和制造业深层次地融合，人、流程、数据和事物等过去相互孤立的节点被网络连接起来，通过企业内、企业间的协同，通过种种社会资源的集成与优化，“互联网 + 制造”重塑制造业的价值链，推动制造业从数字化制造发展到数字化网络化制造阶段。“互联网 + 制造”主要特征为 : 第一，在产品方面，在数字技术应用的基础上，网络技术获得普遍应用，成为网络连接的产品，设计、研发等环节实现协同与共享。第二，在制造方面，在实现厂内集成基础上，进一步实现制造的供应链、价值链集成和端到端集成，制造系统的数据流、信息流实现连通。第三，在服务方面，设计、制造、物流、销售与维护等产品全生命周期以及用户、企业等主体利用互联网平台实现联接和交互，制造模式从以产品为中心走向以用户为中心。

  中国工业界紧紧抓住互联网发展的战略机遇，大力推进“互联网 + 制造”，制造业、互联网有突出贡献的公司纷纷布局，将工业互联网、云计算等新技术应用于制造领域。一方面，一批数字化制造基础较好的企业成功实现数字化网络化升级，成为了数字化网络化制造示范；另一方面，大量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“互联网 + 制造”的技术路线，通过“以高打低、融合发展”，完成了数字化制造的“补课”，同时跨越到“互联网 + 制造”阶段，实现了企业的优化升级。

  德国“工业 4.0”和美国工业互联网完整阐述了数字化网络化的制造范式，提出了实现数字化网络化制造的技术路线。但由于这两个理论提出较早，当时新一代人工智能还没有实现战略突破，因此他们的理论总体上还只适用于数字化网络化制造范式，并没有进入新一代人机一体化智能系统范式，还不是真正意义上的第四次工业革命。

  数字化网络化智能化制造是人机一体化智能系统的第三种基本范式，也可称为新一代人机一体化智能系统， 可对应于国际上推行的 Intelligent Manufacturing。近年来，在互联网、云计算、大数据和物联网等新一代信息技术加快速度进行发展形成群体性突破的推动下，以大数据智能、跨媒体智能、人机混合增强智能、群体智能等为代表的新一代人工智能技术加速发展，实现了战略性突破。新一代人工智能技术与先进制造技术深层次地融合，形成新一代人机一体化智能系统——数字化网络化智能化制造。新一代人工智能的本质特征是具备了学习的能力，具备了生成知识和更好地运用知识的能力，实现了质的飞跃。

  新一代人机一体化智能系统为制造业的设计、制造、服务等各环节及其集成带来根本性变革，新技术、新产品、新业态、新模式将层出不穷，深刻影响和改变社会的产品形态、生产方式、服务模式，乃至人类的生活方式和思维模式，极大地推动社会生产力的发展。新一代人机一体化智能系统将给制造业带来革命性的变化，将成为制造业未来发展的核心驱动力。

  人机一体化智能系统的三个基本范式体现了智能制造发展的阶段性和融合性特点，三个基本范式沿时间脉络逐一展开，既是有关技术发展到一定阶段和产业结合，各有其所在阶段的特点，也都面临着当时阶段所要重点解决的问题，体现着先进信息技术与制造技术融合发展的阶段性特征。在发展过程中，三个基本范式在技术上并不是割裂的，而是相互交织、迭代升级，通过技术融合相互促进发展，体现着人机一体化智能系统发展的融合性特征。

  新一代智能制造系统主要由智能产品、智能生产及智能服务三大功能系统和工业智联网和人机一体化智能系统云两大支撑系统集成而成。（图2）

  智能产品和装备是新一代人机一体化智能系统系统的主体。智能产品是人机一体化智能系统和服务的价值载体，智能制造装备是智能制造的技术前提和物质基础。新一代智能制造将给产品与制造装备带来无限的创新空间，使产品与制造装备产生革命性变化。

  智能手机和智能汽车是两个典型的例证。有些产品，例如 iPhone X 和华为 mate10 已经搭载了人工智能芯片，开始具有了学习功能。不久的将来，新一代人工智能全面应用到手机上，将为智能手机带来新的革命性变化。汽车正在经历燃油汽车—电动汽车(数字化)—网联汽车(网络化) 的发展历史，将朝着无人驾驶汽车(智能化) 的方向前进。新一代智能制造技术将为产品和装备的创新插上腾飞的翅膀、开辟更广阔的天地。预计到2035年，中国各种产品与制造装备将从“数字一代”整体跃升成“智能一代”，升级为智能产品和装备，重点研制：智能工业机器人、智能加工中心、无人机、智能舰船、智能汽车、智能列车、智能挖掘机、智能医疗器械、智能手机、智能家电等十大重点智能产品。

  智能生产是新一代智能制造系统的主线。智能工厂是智能生产的主要载体。智能工厂根据行业的不同可分为离散型智能工厂和流程型智能工厂，追求的目标都是生产的全部过程的优化，大幅度提升生产系统的性能、功能、质量和效益，重点发展趋势都是智能生产线、智能车间、智能工厂。

  新一代人工智能技术与先进制造技术的融合将使生产线、车间、工厂发生大变革，企业将会向自学习、自适应、自控制的新一代智能工厂进军。“机器换人”有助于企业生产能力的技术改造、智能升级，不仅能解决一线劳动力短缺和人力成本升高的问题，更能从根本上提高制造业的质量、效率和企业竞争力。在今后相当长一段时间内，企业的生产能力升级——生产线、车间、工厂的智能升级将成为推进人机一体化智能系统发展的一个主要战场。

  流程工业在中国国民经济中占有基础性的战略地位，产能高度集中，且数字化网络化基础较好，最大有可能在新一代人机一体化智能系统领域率先实现突破。如石化行业智能工厂建立数字化、网络化、智能化的生产运营管理新模式，可极大地优化生产，提高安全环保水平。

  离散型智能工厂将应用新一代人工智能技术实现加工质量的升级、加工工艺的优化、加工装备的健康保障、生产的智能调度和管理，建成真正意义上的智能工厂。重点突破: 3C加工、薄膜晶体管 (TFT) 制造、汽车覆盖件冲压、基于 3D 打印的铸造、家电制造互联工厂等产业。

  以智能服务为核心的产业模式和业态变革是新一代人机一体化智能系统系统的主题。新一代人工智能技术的应用，将催生制造业实现从以产品为中心向以用户为中心的根本性转变，产业模式从大规模流水线生产转向规模定制化生产，产业形态从生产型制造向生产服务型制造转变，完成深刻的供给侧结构性改革。近期突破重点是在十个行业推行两种人机一体化智能系统新模式 ：规模化定制在家电、家具、服装行业推广应用；远程运维服务在航空发动机、高铁装备、通用旋转机械、发电装备、工程机械、电梯、水/电/气表监控管理行业的推广应用。

  人机一体化智能系统云和工业智联网是新一代人机一体化智能系统系统的重要支撑。“网”和“云”带动制造业从数字化向网络化、智能化发展，重点是“智联网”、“云平台”和“网络安全”三个方面。系统集成将智能制造各功能系统和支撑系统集成为新一代智能制造系统。系统集成是新一代智能制造最基本的特征和优势，新一代智能制造内部和外部均呈现系统“大集成”，具有集中与分布、统筹与精准、包容与共享的特性。

  [1]高亮，邱浩波，肖蜜，等.优化驱动的设计方法[M].北京：清华大学出版社，2020.

  [2]高亮，张春江，李新宇. 类电磁机制算法的研究与应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2017.

  [3]高亮，张国辉，王晓娟. 柔性作业车间调度智能算法及其应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2012.

  [4]张洁，秦威，高亮. 大数据驱动的智能车间运行分析与决策方法[M].武汉：华中科技大学出版社，2020.

  [6]林忠钦.中国制造2025与提升制造业质量品牌战略[J]. 国家行政学院学报，2016(04).

  [7][美] HardiMeybaum. 全球制造大变局：互联网+时代的造物革命[M].李一舟，译.北京：电子工业出版社，2018.

  [10]周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015(17).

  [11]高亮，张国辉，王晓娟，李培根. 柔性作业车间调度智能算法及其应用[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2012.

  [12]林忠钦，来新民，金隼，等.复杂产品制造精度控制的数字化方法及其发展的新趋势[J]. 机械工程学报，2013(06).

  [13]高翔，王华，陈关龙. 面向复杂形面匹配的边界特征提取方法[J]. 哈尔滨工业大学学报，2016(07).

  [14]李淑慧，沈洪庆，倪啸枫，等.车身覆盖件冲压成形面畸变缺陷形成机理研究[J].机械工程学报，2013，49(06)：153-159.

  [15]郭东明.硅片的超精密磨削理论与技术[M]. 北京:电子工业出版社，2019

  [17]赵凯，王皓，陈关龙，等.自由锻造操作机顺应过程分析[J].机械工程学报，2010，46(04)：27-34.

  [20]新一代人工智能引领下的人机一体化智能系统研究课题组，周济.中国智能制造的发展路径[J].中国经济报告，2019(02)：36-43.

  [21]任杉，张映锋，黄彬彬.生命周期大数据驱动的复杂产品智能制造服务新模式研究[J].机械工程学报，2018，54(22)：194-203.

  [22]柴天佑，丁进良.流程工业智能优化制造[J].中国工程科学，2018，20(04)：51-58.

  当前，智能工厂已成为制造业数字化转型的策源地和主战场。“先进制造业”联合智能制造标杆企业、新技术解决方案服务商、高校及科研院所等单位，通过产业研究、企业走访、人物专访、宣传报道、供需对接等形式，共同发起数字化转型、智能工厂建设专题策划，推动制造业转变发展方式与经济转型、提质增效、高水平质量的发展。欢迎报上自己的姓名去参加！