近来，我国工程院院刊《Engineering》推出最新观念性文章“走向新一代智能制作”，作者周济、李培根、周艳红等，文章指出智能制作是一个不断演进开展的大概念，可概括为三个根本 范式：数字化制作、数字化网络化制作、数字化网络化智能化制作——新一代智能制作。新一代智能制作是新一代人工智能技能与先进制作技能的深度交融，是新一轮工业革新的中心驱动 力。“人-信息-物理体系”（HCPS）提醒了新一代智能制作的技能机理，可以有用辅导新一代智能制作的理论研讨和工程实践。推动制作业智能转型应采纳“并行推动、交融开展”的技能路 线。
1、导言 面对新一轮工业革新，《我国制作2025》明确提出，要以新一代信息技能与制作业深度交融为主线，以推动智能制作为主攻方向[1]。世界各国都在积极采纳行动，美国提出“先进制作业伙 伴方案”[2,3]、德国提出“工业4.0战略方案”[4]、英国提出“工业2050”[5]、法国提出“新工业法国方案”[6]、日本提出“社会5.0战略”[7]、韩国提出“制作业立异3.0方案”[8]， 都将开展智能制作作为本国构建制作业竞赛优势的要害举措。 新世纪以来，新一代信息技能出现爆发式增加，数字化网络化智能化技能在制作业广泛使用，制作体系集成式立异不断开展，构成了新一轮工业革新的首要驱动力。特别是，新一代智能制作 作为新一轮工业革新的中心技能，正在引发制作业在开展理念、制作形式等方面严重而深刻的革新，正在重塑制作业的开展途径、技能体系以及工业业态，然后推动全球制作业开展步入新阶 段[9-13]。
2、智能制作的三个根本范式 广义而论，智能制作是一个大概念[10,14]，是先进信息技能与先进制作技能的深度交融，贯穿于产品规划、制作、服务等全生命周期的各个环节及相应体系的优化集成，旨在不断提高企业 的产品质量、效益、服务水平，削减资源耗费，推动制作业立异、绿色、和谐、敞开、同享开展。 数十年来，智能制作在实践演进中构成了许多不同的相关范式，包括精益出产、柔性制作、并行工程、灵敏制作、数字化制作、核算机集成制作、网络化制作、云制作、智能化制作等[15- 23]，在辅导制作业技能晋级中发挥了积极作用。但一起，众多的范式不利于构成一致的智能制作技能道路，给企业在推动智能晋级的实践中造成了许多困扰。面对智能制作不断涌现的新技 术、新理念、新形式，有必要概括总结提炼出根本范式。 智能制作的开展伴跟着信息化的前进。全球信息化开展可分为三个阶段：从上世纪中叶到90年代中期，信息化表现为以核算、通讯和操控使用为首要特征的数字化阶段；从上世纪九十年代中 期开端，互联网大规划遍及使用，信息化进入了以万物互联为首要特征的网络化阶段；当前，在大数据、云核算、移动互联网、工业互联网集群打破、交融使用的根底上，人工智能完结战略 性打破，信息化进入了以新一代人工智能技能为首要特征的智能化阶段[24]。
归纳智能制作相关范式，结合信息化与制作业在不同阶段的交融特征，可以总结、概括和提高出三个智能制作的根本范式，也就是：数字化制作、数字化网络化制作、数字化网络化智能化制 造——新一代智能制作。 图1智能制作三个根本范式演进 2.1 数字化制作 数字化制作是智能制作的第一个根本范式，也可称为第一代智能制作。 智能制作的概念最早出现于上世纪80年代[25]，可是因为当时使用的第一代人工智能技能还难以处理工程实践问题，因此那一代智能制作主体上是数字化制作。 上世纪下半叶以来，跟着制作业关于技能前进的激烈需求，以数字化为首要方法的信息技能广泛使用于制作业，推动制作业发作革新性改动。数字化制作是在数字化技能和制作技能交融的背 景下，经过对产品信息、工艺信息和资源信息进行数字化描绘、剖析、决议计划和操控，快速出产出满意用户要求的产品[15,16,26,27]。
数字化制作的首要特征表现为：第一，数字技能在产品中得到遍及使用，构成“数字一代”立异产品；第二，广泛使用数字化规划、建模仿真、数字化配备、信息化办理；第三，完结出产过 程的集成优化。 需求说明的是，数字化制作是智能制作的根底，其内涵不断开展，贯穿于智能制作的三个根本范式和悉数开展历程。这里定义的数字化制作是作为第一种根本范式的数字化制作，是一种相对 狭义的定位。国际上也有若干关于数字化制作的比较广义的定义和理论[28]。 2.2 数字化网络化制作 数字化网络化制作是智能制作的第二种根本范式,也可称为“互联网+制作”，或第二代智能制作[29]。 上世纪末互联网技能开端广泛使用，“互联网+”不断推动互联网和制作业交融开展，网络将人、流程、数据和事物连接起来，经过企业界、企业间的协同和各种社会资源的同享与集成，重 塑制作业的价值链，推动制作业从数字化制作向数字化网络化制作改动[17,30-33]。 数字化网络化制作首要特征表现为：第一，在产品方面，数字技能、网络技能得到遍及使用，产品完结网络连接，规划、研制完结协同与同享。第二，在制作方面，完结横向集成、纵向集成 和端到端集成，打通整个制作体系的数据流、信息流。第三，在服务方面，企业与用户经过网络渠道完结联接和交互，企业出产开端从以产品为中心向以用户为中心转型[34]。 德国“工业4.0”报告和美国GE“工业互联网”报告完整地论述了数字化网络化制作范式，精辟地提出了完结数字化网络化制作的技能道路[4,9,31,35-39]。 2.3 新一代智能制作——数字化网络化智能化制作 数字化网络化智能化制作是智能制作的第三种根本范式，也可称为新一代智能制作。 近年来，在经济社会开展激烈需求以及互联网的遍及、云核算和大数据的涌现、物联网的开展等信息环境急速改动的共同驱动下，大数据智能、人机混合增强智能、群体智能、跨媒体智能等 新一代人工智能技能加速开展，完结了战略性打破[24,40,41]。新一代人工智能技能与先进制作技能深度交融，构成新一代智能制作——数字化网络化智能化制作。新一代智能制作将重塑设 计、制作、服务等产品全生命周期的各环节及其集成，催生新技能、新产品、新业态、新形式，深刻影响和改动人类的出产结构、出产方法甚至日子方法和思想形式，完结社会出产力的整体 跃升。新一代智能制作将给制作业带来革新性的改动，将成为制作业未来开展的中心驱动力。 智能制作的三个根本范式表现了智能制作开展的内涵规律：一方面，三个根本范式次第展开，各有自身阶段的特色和要重点处理的问题，表现着先进信息技能与先进制作技能交融开展的阶段 性特征；另一方面，三个根本范式在技能上并不是绝然别离的，而是彼此交织、迭代晋级，表现着智能制作开展的交融性特征。对我国等新兴工业国家而言，应发挥后发优势，采纳三个根本 范式“并行推动、交融开展”的技能道路。 3、新一代智能制作引领和推动新一轮工业革新 3.1 开展布景 当今世界，各国制作企业遍及面对着进步质量、增加功率、降低成本、快速呼应的激烈需求，还要不断适应广阔用户不断增加的个性化消费需求，应对资源能源环境约束进一步加大的应战。
然而，现有制作体系和制作水平现已难以满意高端化、个性化、智能化产品和服务增值晋级的需求，制作业的进一步开展面对巨大瓶颈和困难。处理问题，迎接应战，迫切需求制作业的技能 立异、智能晋级[14,41]。 新一轮工业革新方兴未艾，其根本动力在于新一轮科技革新。新世纪以来，移动互联、超级核算、大数据、云核算、物联网等新一代信息技能日新月异、飞速开展[11,12,42-48]，并极端迅 速地遍及使用，构成了群体性跨越。这些历史性的技能前进，会集汇聚在新一代人工智能技能的战略性打破，完结了质的飞跃[24]。新一代人工智能出现出深度学习、跨界协同、人机交融、 群体智能等新特征，为人类供应认识杂乱体系的新思想、改造自然和社会的新技能。当然，新一代人工智能技能还在极速开展的进程中，将继续从“弱人工智能”迈向“强人工智能”，不断 拓宽人类“脑力”，使用规划将无所不在。新一代人工智能现已成为新一轮科技革新的中心技能，为制作业革新性的工业晋级供应了历史性机会，正在构成推动经济社会开展的巨大发动机。 世界各国都把新一代人工智能的开展摆在了最重要的方位[49,50]。 新一代人工智能技能与先进制作技能的深度交融，构成了新一代智能制作技能，成为了新一轮工业革新的中心驱动力。 3.2 新一代智能制作是新一轮工业革新的中心技能 科学技能是第一出产力，科技立异是经济社会开展的根本动力。第一次工业革新和第2次工业革新分别以蒸汽机和电力的创造和使用为根本动力，极大地进步了出产力，人类社会进入了现代 工业社会。第三次工业革新，以核算、通讯、操控等信息技能的立异与使用为标志，继续将工业开展面向新高度[51]。 新世纪以来，数字化和网络化使得信息的获取、使用、操控以及同享变得极端快速和遍及，从而，新一代人工智能打破和使用进一步提高了制作业数字化网络化智能化的水平，其最实质的特 征是具有认知和学习的才能，具有生成常识和更好地运用常识的才能，这样就从根本上进步工业常识发作和利用的功率，极大地解放人的体力和脑力，使立异的速度大大加速，使用的规划更 加泛在，然后推动制作业开展步入新阶段，即数字化网络化智能化制作——新一代智能制作。如果说数字化网络化制作是新一轮工业革新的开端，那么新一代智能制作的打破和广泛使用将推 动构成新工业革新的高潮，将重塑制作业的技能体系、出产形式、工业形状，并将引领真正意义上的“工业4.0”，完结新一轮工业革新。 3.3 愿景 制作体系将具有越来越强壮的智能，特别是越来越强壮的认知和学习才能，人的才智与机器智能彼此启发性地增加，使制作业的常识型作业向自主智能化的方向发作改动，从而打破当今制作 业开展所面对的瓶颈和困难。 新一代智能制作中，产品出现高度智能化、宜人化，出产制作过程出现高质、柔性、高效、绿色等特征，工业形式发作革新性的改动，服务型制作业与出产型服务业大开展，从而共同优化集 成新式制作大体系，全面重塑制作业价值链，极大进步制作业的创索尼和竞赛力。 新一代智能制作将给人类社会带来革新性改动。人与机器的分工将发作革新性改动，智能机器将替代人类很多体力劳动和适当部分的脑力劳动，人类可更多地从事创造性作业；人类作业日子 环境和方法将朝着以人为本的方向迈进。一起，新一代智能制作将有用削减资源与能源的耗费和糟蹋，继续引领制作业绿色开展、和谐开展。 4、新一代智能制作的技能机理：“人-信息-物理体系”（HCPS） 智能制作触及智能产品、智能出产以及智能服务等多个方面及其优化集成。
从技能机理视点看，这些不同方面虽然存在差异，但实质上是一致的，下面以出产过程为例进行剖析。 4.1 传统制作与“人-物理体系” 传统制作体系包括人和物理体系两大部分，是完全经过人对机器的操作操控去完结各种作业任务（如图2(a)所示）。动力革新极大进步了物理体系（机器）的出产功率和质量，物理体系（机 器）替代了人类很多体力劳动。传统制作体系中，要求人完结信息感知、剖析决议计划、操作操控以及认知学习等多方面任务，不只对人的要求高，劳动强度仍然大，而且体系作业功率、质量和 完结杂乱作业任务的才能还很有限。传统制作体系可笼统描绘为图2(b)所示的“人-物理体系”（HPS—Human-Physical Systems）。 4.2 数字化制作、数字化网络化制作与“人-信息-物理体系” 与传统制作体系相比，第一代和第二代智能制作体系发作的实质改动是，在人和物理体系之间增加了信息体系，信息体系可以替代人类完结部分脑力劳动，人的适当部分的感知、剖析、决议计划 功用向信息体系复制迁移，从而可以经过信息体系来操控物理体系，以替代人类完结更多的体力劳动，如图3所示。 图3第一代和第二代智能制作体系 第一代和第二代智能制作体系经过集成人、信息体系和物理体系的各自优势，体系的才能尤其是核算剖析、准确操控以及感知才能都得以很大进步。一方面，体系的作业功率、质量与稳定性 均得以显著提高；另一方面，人的相关制作经验和常识转移到信息体系，可以有用进步人的常识的传承和利用功率。制作体系从传统的“人-物理体系”向“人-信息-物理体系”（HCPS— Human-Cyber-Physical Systems）的演变可进一步用图4进行笼统描绘[11,52,53]。 信息体系（Cyber system）的引进使得制作体系一起增加了“人-信息体系”（HCS—Human-Cyber Systems）和“信息-物理体系”（CPS—Cyber-Physical Systems）。其间，“信息-物理系 统”（CPS）是非常重要的组成部分。美国在本世纪初提出了CPS的理论[54]，德国将其作为工业4.0的中心技能。“信息-物理体系”（CPS）在工程上的使用是完结信息体系和物理体系的完 美映射和深度交融，“数字孪生体”（Digital Twin）便是 最为根本而要害的技能，由此，制作体系的性能与功率可大大进步
[13,30,37,55,56]。 图4从“人-物理体系”到“人-信息-物理体系” 4.3 新一代智能制作与新一代“人-信息-物理体系” 新一代智能制作体系最实质的特征是其信息体系增加了认知和学习的功用，信息体系不只具有强壮的感知、核算剖析与操控才能，更具有了学习提高、发作常识的才能，如图5所示。 图5新一代智能制作体系的根本机理 在这一阶段，新一代人工智能技能将使“人-信息-物理体系”发作质的改动，构成新一代“人-信息-物理体系”（如图6所示）。首要改动在于：第一，人将部分认知与学习型的脑力劳动转 移给信息体系，因此信息体系具有了“认知和学习”的才能，人和信息体系的关系发作了根本性的改动，即从“授之以鱼”开展到“授之以渔”；第二，经过“人在回路”的混合增强智能， 人机深度交融将从实质上进步制作体系处理杂乱性、不确定性问题的才能，极大优化制作体系的性能[52,57]。 图6新一代“人-信息-物理体系” 新一代“人-信息-物理体系”中，HCS、HPS和CPS都将完结质的飞跃。 新一代智能制作，进一步突出了人的中心位置，是统筹和谐“人”、“信息体系”和“物理体系”的归纳集成大体系；将使制作业的质量和功率跃升到新的水平，为人民的美好日子奠定更好 的物质根底；将使人类从更多体力劳动和很多脑力劳动中解放出来，使得人类可以从事更有意义的创造性作业，人类社会开端真正进入“智能年代”[10-12,51]。 图7从“人-物理体系”到新一代“人-信息-物理体系” 总归，制作业从传统制作向新一代智能制作开展的过程是从原来的“人-物理”二元体系向新一代“人-信息-物理”三元体系进化的过程（图7所示）。新一代“人-信息-物理体系”提醒了新 一代智能制作的技能机理，可以有用辅导新一代智能制作的理论研讨和工程实践。 5、新一代智能制作的体系组成与体系集成 新一代智能制作是一个大体系，首要由智能产品、智能出产及智能服务三大功用体系以及工业智联网和智能制作云两大支撑体系集合而成（如图8所示）。 图8新一代智能制作的体系集成 新一代智能制作技能是一种中心使能技能，可广泛使用于离散型制作和流程型制作的产品立异、出产立异、服务立异等制作价值链全过程立异与优化。
5.1 智能产品与制作配备 产品和制作配备是智能制作的主体，其间，产品是智能制作的价值载体，制作配备是实施智能制作的前提和根底[58]。 新一代人工智能和新一代智能制作将给产品与制作配备立异带来无限空间，使产品与制作配备发作革新性改动，从"数字一代"整体跃升至"智能一代"。从技能机理看，"智能一代"产品和制作 配备也就是具有新一代HCPS特征的、高度智能化、宜人化、高质量、高性价比的产品与制作配备。 规划是产品立异的最重要环节，智能优化规划、智能协同规划、与用户交互的智能定制、根据群体智能的“众创”等都是智能规划的重要内容。研制具有新一代HCPS特征的智能规划体系也是 开展新一代智能制作的中心内容之一。 5.2 智能出产 智能出产是新一代智能制作的主线[40,59,60]。 智能产线、智能车间、智能工厂是智能出产的首要载体[61-63]。新一代智能制作将处理杂乱体系的准确建模、实时优化决议计划等要害问题，构成自学习、自感知、自适应、自操控的智能产 线、智能车间和智能工厂，完结产品制作的高质、柔性、高效、安全与绿色。 5.3 智能服务 以智能服务为中心的工业形式革新是新一代智能制作的主题[64,65]。 在智能年代，商场、销售、供应、运营维护等产品全生命周期服务，均因物联网、大数据、人工智能等新技能而赋予其全新的内容。 新一代人工智能技能的使用将催生制作业新形式、新业态：一是，从大规划流水线出产转向规划化定制出产；二是，从出产型制作向服务型制作改动，推动服务型制作业与出产型服务业大发 展，共同构成大制作新业态。制作业工业形式将完结从以产品为中心向以用户为中心的根本性改动，完结深刻的供应侧结构性改革。 5.4 智能制作云与工业智联网 智能制作云和工业智联网是支撑新一代智能制作的根底。 跟着新一代通讯技能、网络技能、云技能和人工智能技能的开展和使用，智能制作云和工业智联网将完结质的飞跃。智能制作云和工业智联网将由智能网络体系、智能渠道体系和智能安整体 系组成，为新一代智能制作出产力和出产方法革新供应开展的空间和可靠的保障[68]。 5.5 体系集成 新一代智能制作内部和外部均出现出史无前例的体系“大集成”特征： 一方面是制作体系内部的“大集成”。企业界部规划、出产、销售、服务、办理过程等完结动态智能集成，即纵向集成；企业与企业之间根据工业智联网与智能云渠道，完结集成、同享、协 作和优化，即横向集成[69-72]。 另一方面是制作体系外部的“大集成”。制作业与金融业、上下游工业的深度交融构成服务型制作业和出产性服务业共同开展的新业态。智能制作与智能城市、智能农业、智能医疗甚至智能 社会交融集成，共同构成智能制作“生态大体系”。 新一代智能制作体系大集成具有大敞开的显著特征，具有会集与分布、统筹与精准、包容与同享的特性，具有广阔的开展前景。 6、并行推动、交融开展——我国推动智能制作的技能道路 在西方发达国家，智能制作是一个“串联式”的开展过程，他们是用几十年时间充沛开展数字化制作之后，再开展数字化网络化制作，从而迈向更高档的智能制作阶段[16]。在我国，制作业 关于智能晋级有着极为激烈的需求，近年来技能前进也很快，可是总体而言，我国智能制作的根底非常单薄，大多数企业，特别是广阔中小企业，还没有完结数字化制作转型。面对这样的现 实，我国怎么推动制作业的技能改造、智能晋级？ 首先，有必要脚踏实地，我国企业在推动智能晋级的过程中要踏踏实实地完结数字化“补课”，夯实智能制作开展的根底；一起，不必走西方发达国家“次序开展”的途径，尽力探索一条智能 制作跨越式开展的新路。 近几年，我国制作业界大力推动“互联网+制作”。一方面，一批数字化制作根底较好的企业成功转型，完结了数字化网络化制作；另一方面，部分原来还未完结数字化制作的企业，则采用 并行推动数字化制作和数字化网络化制作的技能道路，在完结了数字化制作“补课”的一起，成功完结了向数字化网络化制作的跨越。这给咱们供应了成功的经验。 我国推动智能制作，应采纳“并联式”的开展方法，采用“并行推动、交融开展”的技能道路：并行推动数字化制作、数字化网络化制作、新一代智能制作，以及时充沛使用高速开展的先进 信息技能和先进制作技能的交融式技能立异，引领和推动我国制作业的智能转型。 未来若干年，考虑到我国智能制作开展的现状，也考虑到新一代智能制作技能还不老练，我国制作业转型晋级的作业重点要放在大规划推行和全面使用“互联网+制作”；一起，在大力遍及 “互联网+制作”的过程中，要特别注重各种先进技能的交融使用，“以高打低、交融开展”。一方面，使得广阔企业都能高质量完结“数字化补课”；另一方面，尽快尽好使用新一代智能 制作技能，大大加速制作业转型晋级的速度。 再过若干年，在新一代智能制作技能根本老练之后，我国制作业将进入全面推行使用遍及新一代智能制作的新阶段。 我国在推动三个根本范式“交融开展”时，有必要拟定一致的规范。未来数十年，我国企业在智能晋级过程中，将遍及面对屡次范式转化和技能晋级，有必要高度注重拟定和实施智能制作的相关 规范，为后续开展做好预备，防止企业的低水平重复建造，有利于我国推动智能制作的分阶段实施和不断晋级。 在实施“并行推动、交融开展”这一技能道路的过程中，要着重“五个坚持”的政策。 一是坚持“立异引领”。紧紧抓住新一代智能制作带来的历史性机会，充沛利用互联网、大数据、人工智能等先进技能，瞄准高端方向，加速研讨、开发、演示、推行和使用新一代智能制作 技能，用立异引领和推动制作业出产质量和功率提高，完结我国制作业由大变强。 二是坚持“因企制宜”。推动智能制作，要充沛激发企业的内生动力。我国的企业良莠不齐，完结智能转型不能搞“一刀切”，各个企业特别是广阔中小企业，要结合企业开展实情，充沛考 虑技能先进性和技能经济性的平衡，脚踏实地地使用合适自己转型晋级的技能途径。 三是坚持“工业晋级”。推动智能制作不能只是停留在典型、演示、部分制作环节或者部分制作范畴，而是要着眼于广阔企业、各个行业和整个制作工业，推动我国制作业质量革新、功率变 革、动力革新，完结我国制作业全方位的智能化转型晋级。 四是坚持建造杰出的开展生态。各级政府、科技界、学界、金融界等社会各界要共同营建杰出的生态环境，帮助和支撑企业特别是广阔中小企业的智能晋级。营建“大众创业、万众立异”的 杰出环境；建造“用产学研金政”紧密结合的智能制作技能立异体系；构成从事推行使用各种共性使能技能和供应体系处理方案的新兴企业集群。 推动智能制作成败的要害在于人才，要以人为本，动员各方力量，尽力培育一代智能制作优秀人才。 五是坚持敞开与协同立异。我国制作业界要不断扩大与世界各国制作业界的沟通，实施更高水平的敞开。我国的商场是敞开的商场，我国的立异体系是敞开的立异体系。咱们要和世界制作业 的同行们共同尽力，共同推动新一代智能制作，共同推动新一轮工业革新，使制作业更好地为人类造福。 活动推荐：“5G物联峰会” 作为信息社会通用根底设施，时下5G工业建造以及开展如火如荼，并将最终带动数十万亿规划的社会经济开展。但5G在正式进行商用化遍及使用前的态势怎么开展？5G将为哪些范畴的革新带 来有益赋能？5G将在各行各业掀起什么样的商场风暴？系列问题仍然困扰着各界人士。 为进一步深入了解工业开展头绪，理解5G工业现状以及未来趋势，让各界人士更清晰的洞悉5G工业开展过程中的机会点。6月14日，经上海市经济和信息化委员会、上海市商务委员会、上海 市长宁区人民政府辅导，由亿欧公司联合承办的“5G物联峰会”将于上海虹桥世贸展馆举行。 亿欧“5G物联峰会”将特邀政府、学界、商业、投资组织等范畴的专业人士，以多范畴视角切入，深究5G工业开展头绪，探索5G赋能各行各业的新思路、新方法，供行业界外各界人士参阅。 活动详情请戳：https://www.iyiou.com/post/ad/id/824
