什么是智能制造？如何实现智能制造？

智能制造是国际公认的实现工业体系转型升级的新一代工业技术。智能制造并不等于自动化生产，无人工厂、无人物流、无人仓储等也并不能代表智能制造。

要讲清智能制造是什么，我们本文就先从智能制造的概念说起，再到智能制造的目标和主题，最后详解如何实现智能制造。

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什么是智能制造？

1989年Kusiak首次明确提出了“智能制造系统”一词，并将智能制造定义为“通过集成知识工程、制造软件系统和机器人控制来对制造技工们的技能和专家知识进行建模，以使智能机器可自主地进行小批量生产”。此时智能制造的概念主要是从技术方面阐述的，强调它是由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统。

但在到了21世纪我国的制造强国战略研究报告中，认为智能制造是制造技术与数字技术、智能技术及新一代信息技术的融合。它是面向产品全生命周期的具有信息感知、优化决策、执行控制功能的制造系统，旨在高效、优质、柔性、清洁、安全、敏捷地制造产品和服务用户。智能制造的内容包括:制造装备的智能化、设计过程的智能化、加工工艺的优化、管理的信息化和服务的敏捷化远程化等。

到了现在，我们对工业4.0时代的智能制造内涵有了进一步的认知，即：智能制造是先进制造技术与新一代信息技术、新一代人工智能等新技术深度融合形成的新型生产方式和制造技术。

它以产品全生命周期价值链的数字化、网络化和智能化集成为核心，以企业内部纵向管控集成和企业外部网络化协同集成为支撑，以物理生产系统及其对应的各层级数字孪生映射融合为基础，建立起具有动态感知、实时分析、自主决策和精准执行功能的智能工厂进行赛博物理融合的智能生产，实现高效、优质、低耗、 绿色、安全的制造和服务。

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发展智能制造的总体目标

众所周知，工业4.0是正在发生中的新工业革命，面临着一系列的变化和挑战。“智能化”是未来制造技术发展的必然趋势，智能制造是其核心。在工业4.0时代，智能制造的总体目标可以归结为如下五个方面：

（1）优质

制造的产品具有符合设计要求的优良质量，或提供优良的制造服务，或使制造产品和制造服务的质量优化。

（2）高效

在保证质量的前提下，在尽可能短的时间内以高效的工作节拍完成生产，从而制造出产品和提供制造服务，快速响应市场需求。

（3）低耗

以最低的经济成本和资源消耗制造产品或提供制造服务。其目标是综合制造成本最低，或制造能效比最优。

（4）绿色

在制造活动中综合考虑环境影响和资源效益，其目标是使整个产品全生命周期中对环境的影响最小、资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

（5）安全

考虑制造系统和制造过程中涉及的网络安全和信息安全问题，即通过综合性的安全防护措施和技术，保障设备、网络、控制、数据和应用的安全。

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智能制造核心主题

1.智能工厂

智能工厂重点研究智能化生产系统和过程，以及网络化分布式生产设施的实现。智能工厂是智能制造中的一个关键主题，其主要内容可从多个角度来描述。

首先数字工厂是工业化与信息化融合的应用体现。它借助于信息化和数字化技术，通过集成、仿真、分析、控制等手段为制造工厂的生产全过程提供全面管控的整体解决方案。它不限于虚拟工厂，更重要的是实际工厂的集成，包括产品工程、工厂设计与优化、车间装备建设及生产运作控制等。

其次数字互联工厂是指将物联网技术全面应用于工厂运作的各个环节，实现工厂内部人、机、料、法、环、测的泛在感知和万物互联，互联的范围甚至可以延伸到供应链和客户环节。

而智能工厂从范式维度看，智能工厂是制造工厂层面的信息化与工业化的深度融合，是数字化工厂、网络化互联工厂和自动化工厂的延伸和发展。它通过将人工智能技术应用于产品设计、工艺、生产等过程，使得制造工厂在其关键环节或过程中能够体现出一定的智能化特征，即自主性的感知、学习、分析、预测、决策、通信与协调控制能力，能动态地适应制造环境的变化，从而实现提质增效、节能降本的目标。

2.智能生产

智能生产是智能制造中的另一个关键主题。在未来的智能生产中，生产资源(生产设备、机器 人、传送装置、仓储系统和生产设施等)将通过集成形成一个闭环网络，具有自主、自适应、自重构等特性，从而可以快速响应、动态调整和配置制造资源网络和生产步骤。智能生产的研究内容主要包括:

（1）MOM 生产网络

基于制造运营管理系统的生产网络，生产价值链中的供应商通过生 产网络可以获得和交换生产信息，供应商提供的全部零部件可以通过智能物流系统，在正确的时间以正确的顺序到达生产线。

（2）基于数字孪生的生产过程设计、仿真和优化

通过数字孪生将虚拟空间中的生产建模仿真与现实世界的实际生产过程完美融合，从而为真实世界里的物件(包括物料、产品、设备、生产过程、工厂等)建立一个高度真实仿真的“数字孪生”，生产过程的每一个步骤都将可在虚拟环境 (即赛博系统)中进行设计、仿真和优化。

(３)基于现场动态数据的决策与执行

利用数字孪生模型，为真实的物理世界中物料、产 品、工厂等建立一个高度真实仿真的“孪生体”，以现场动态数据驱动，在虚拟空间里对定制信息、生产过程或生产流程进行仿真优化，给实际生产系统和设备发出优化的生产工序指令，指挥和控制设备、生产线或生产流程进行自主式自组织的生产执行，满足用户的个性化定制需求。

3.智能物流和智能服务

智能物流和智能服务也分别是智能制造的主题之一。在一些场合下这两者也常被认为是构成智能工厂和进行智能生产的重要内容。

智能物流主要通过互联网、物联网和物流网等，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，使需求方能够快速获得服务匹配和物流支持。智能服务是指能够自动辨识用户的显性和隐性需求，并且主动、高效、安全、绿色地满足其需求的服务。

在智能制造中，智能服务需要在集成现有多方面的信息技术及其应用的基础上，以用户需求为中心，进行服务模式和商业模式的创新。因此u，智能服务的实现需要涉及跨平台、多元化的技术支撑。在智能工厂中基于CPS平台通过物联网(物品的互联网)和务联网(服务的互联网)，将智能电网、智能移动、智能物流、智能建筑、智能产品等与智能工厂(智能车间和智能制造过程等)互相连接和集成，实现对供应链、制造资源、生产设施、生产系统及过程、营销及售后等的管控。

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如何实现智能制造？

对于不同的行业、不同的领域、或是不同的企业，具体实施智能制造会有各自不同的技术路线和解决方案。所以我们今天所探讨的如何实现智能制造也只是一个基本的逻辑和路线，不同的行业仍要根据实际情况改变。

1.需求分析

需求分析是指在系统设计前和设计开发过程中对用户实际需求所作的调查与分析，是系统设计、系统完善和系统维护的依据。

需求分析主要涉及如下内容:发展趋势、已有基础、问题与差距、目标定位等。

2.网络基础设施建设

网络互联是网络化的基础，主要实现企业各种设备和系统之间的互联互通，包括工厂内网络、工厂外网络、工业设备和产品联网、网络设备、网络资源管理等涉及现场级、车间级、企业级设备和系统之间的互联，即企业内部纵向集成的网络化制造；还涉及企业信息系统、产品、用户与云平台之间的不同互联场景， 即企业外部(不同企业间)的横向集成。

因此网络互联为实现企业内部纵向集成和企业外部横向集成提供网络互联基础设施实现和技术保障。在网络互联基础建设中还必须考虑网络安全和信息安全问题，即要通过综合性的安全防护措施和技术，保障设备、网络、控制、数据和应用的安全。

3.数据互联可视的数字化

以产品全生命周期数字化管理(PLM)为基础，把产品全价值链的数字化、制造过程数据获取、产品及生产过程数据可视化作为智能化第一步，实现对数字化和数据可视化呈现。主要内容包括：产品全生命周期价值链的数字化、数据的互联共享、数据可视化及展示。

亿信华辰自主研发的一站式数据分析平台亿信ABI 能帮助制造企业在展示项目、科研投入比例、产品监控、人员构成等方面进行全面分析与展示，时刻掌控企业经营状况以及各项目花费情况，全方位监管各项目跟进情况；另外，对各条生产线的磨损率进行精准监控，及时排除故障隐患。为制造企业的运维管理提供了数据基础，辅助领导高效决策。

4.现场数据驱动的动态优化

现场数据驱动的动态优化本质上就是以工厂内部“物理层设备—车间制造执行系统—企业资源管理信息系统”纵向集成为基础，通过对物理设备、控制器、传感器的现场数据采集，获得对生产过程、生产环境的状态感知，进行数据建模分析和仿真对生产运行过程进行动态优化，作出最佳决策，并通过相应的工业软件和控制系统精准执行，完成对生产过程的闭环控制。

亿信华辰的智慧工厂解决方案，借助5G网络、智能机器人、视频比对技术，能帮助制造企业打造智慧化工厂生产线。在零配件配送、库存管理、生产组装、信息上报等关键环节利用可视化技术，能有效调节生产进度，合理调配资源、监控生产质量、及时上报数据反馈结果。另外，方案内容涵盖对生产车间轮胎检测环节、T-BOX数据上传环节，实时库存提供实时监控，并对云打印设备、AGV智能机器人进行工作状态、设备状态的可视化监控。

5.虚实融合的智能生产

虚实融合的智能生产是智能制造的高级阶段。这一阶段将在实现产品全生命周期价值链端到端数字化集成、企业内部纵向管控集成和网络化制造、企业外部网络化协同这三大集成的基础上，进一步建立与产品、制造装备及工艺过程、生产线、车间、工厂和企业等不同层级的物理对象映射融合的数字孪生，并构建以CPS为核心的智能工厂，全面实现动态感知、实时分析、自主决策和精准执行等功能，进行赛博物理融合的智能生产，实现高效、优质、低耗、绿色的制造和服务。

亿信华辰智能车间解决方案使用三维模拟真实产生环境对厂区监控、安全生产、运输车辆等区域进行全面监控，能帮助制造企业时刻掌控企业生产、运输状况，全方位监管各生产车间运行情况，将一切风险扼杀在摇篮之中，为打造高品质的车间生产提供千里眼和顺风耳。

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小结

为适应制造技术发展变迁与制造业新挑战的需求，智能制造是制造业发展的必由之路。智能制造是多方面、多层级、多效应的一套组合拳，需要软件、硬件、人才、管理等多方面的转型升级，需要制造企业从“头脑”武装到“四肢”，才能在工业4.0的下半场取得先机。

智能制造到底是什么｜院士来解答

（本文根据6.29日“天津智能大会”上吴澄院士的发言整理而成，未经作者审阅）

对内涵的认识

智能制造不是一个新提法。上世纪80年代，随着当时的人工智能热，智能制造也热了起来，日本出台国家项目“智能制造系统” (IMS)，邀请众多国家参加，并且十分重视知识产权。

中国当时的考虑是，“智能制造”离中国企业还比较远，因此并没有积极参与其中，而是集中在信息化的建设，重点则放在集成上，也就是信息互联互通，以企业效益驱动。

日本的IMS后来没有很成功。从今天来看，其中最重要的是信息环境，包括人工智能的技术和产业化，都属于初级阶段，不足以支持制造的需要。

图1 信息环境的巨变

图2 人工智能的变化

最近十多年来，人工智能发生了巨大的进步，已经从“计算机模拟人脑思维、认知” ，往新的方向发展。这就包括计算机 + 人的混合智能(如人在回路中)、计算机 + 网络的群体智能、大数据智能、跨媒体智能、计算机取代人的大量自主无人系统（无人机、无人车、机器人……）。这样的变化就为今后智能制造的发展提供了巨大推动力。

图3 深度学习突飞猛进

从智能技术在制造中的应用来看，二十世纪八十年代，多数为产品设计、加工制造、资源管理；而在今天，则已经扩展到全生命周期：产品创新设计、加工制造、装配、测试、管理、营销、售后服务、客户关系、仓库物流供应链、报废处理、......

因此，智能制造将面临一个新的快速发展前景，被人们寄于厚望。

对内涵的认识

对智能制造内涵有一个准确、全面的理解有助于避免实施时的被动、盲目。

那么什么是智能制造?目前业界还没有公认的定义。一种最简单的说法认为智能制造是智能和制造的交集、融合。

进一步，我们再分析一下什么是智能?什么是制造?其中涉及到几个概念：

人工智能技术：是指用机器（主要是计算机和软件）实现人的“感知”和“判断”。这是传统人工智能的提法。如感知方面：机器视觉、力觉、触觉、听觉；在判断和决策方面，则体现在专家系统、人工神经网络、模糊推理，智能代理，自然语言接口、机器学习等。

而当下，人工智能出现了很多新形态：大数据智能、群体智能、跨媒体智能、混合智能等，广泛应用在智能制造、智慧医疗、智能农业、智能城市这些领域。

新一代信息技术，包括了移动互联网、智能技术、大数据、云计算、物联网等则起到了推动性的发展。

这些，都在制造全生命周期进行了深度的渗透，包括产品创新设计、加工制造、装配、测试、管理、营销、售后服务、客户关系、仓库物流供应链、报废处理等。

从这个角度而言，智能制造是智能技术（特别是新一代智能技术）在制造全生命周期的应用中所涉及的理论、方法、技术和应用。

还有一种说法认为，智能制造是指在制造工业的各个阶段，从智能技术的视角，融合信息、机械、工艺、管理等学科技术，以一种高度柔性与高度集成的方式，支持产品全生命周期的产品（服务）设计、加工、管理、销售到报废处理的全过程，达到制造业智能增长、包容性增长、可持续增长的目标。

这几个概念的内涵有所差别，都可以参考。

从技术角度看，智能制造技术是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术。其具体表现为：智能设计、智能加工、机器人操作、智能控制、智能工艺规划、智能调度与管理、智能物流、智能装配、智能检测、智能维护故障诊断、新制造模式等等。

既可“顶天”，也可“立地”

不管是哪一种说法，智能制造覆盖面很广，人工智能的内涵也很广。制造全生命周期中的任何一个环节，采用了人工智能的任何一种具体技术都可以属于智能制造的范围之内。

因此，智能制造不只是“高、大、上”，制造业（包括其它行业）的各个层面都可以有所作为。这便是“立地”，智能制造就在我们身边。

中国在最近三十年的许多信息化成果，如数字化制造、集成制造、网络化制造、虚拟制造、协同制造、现代物流、企业管理信息化等等，都会多多少少用到智能技术（人工智能1.0）。这些方面也需要智能制造进一步发展。

“智能制造”的发展，既是“基于人工智能2.0的智能制造”，（或者称为新一代智能制造），自然是“顶天”的。但在实际应用中，也是“落地”的。

例如：

☆ 智能感知（大多数需要MEMS技术）是智能装备、智能工厂必须的，也是设备健康管理、故障诊断必须的；

☆ 自然语言理解，人在回路中，知识性工作自动化；

☆ 群体智能支持众创空间（新产品的创新研发）；

☆ 大数据智能改善产品质量、故障诊断、对员工/企业/用户的诚信管理；

☆ “无处不在”的高端智能产品；

☆ 新制造模式，用户参与的设计、批量为1的制造。

中国在这些方面已经出现了一些成果和案例，但在深度和广度方面尚需要进一步发展。

小结

智能制造非常有前景，也是当下的热点，在很多计划中被提为重点。但要值得注意的是，智能制造也只是企业转型升级、制造强国战略中的一个选项。如何在众多的新技术中选择、如何加权选择，最根本仍然是看能否真正给企业带来效益、让企业实现可持续发展。

技术只是手段，目标决定了企业的选择。因此，实施智能制造的方针应该是：需求牵引、效益驱动；总体规划、分步实施；重点突破、创新发展。

当下信息技术、人工智能的突飞猛进，为制造业的发展提供了巨大推动力。深入了解智能制造的内涵，有助于在推进智能制造过程的进程中把握主动、避免盲目。而最为重要的一点是， 实施智能制造需要“不忘初心”：效益驱动。

（注：本文仅为作者立场，不代表本公号的观点）

作者：吴澄（清华大学教授，中国工程院院士）

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