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離開這三點,談什么智能制造!

2018-11-06   來源:   評論:0
摘要:筆者在《論智能制造》系列中的“論智能制造的三個階段”中,談到了對三個階段的基本認識。而如何實施智能制造,則需要考慮智能制造的三個支點:產(chǎn)品、裝備和過程。
  如何實施智能制造?需要考慮智能制造的三個支點:產(chǎn)品、裝備和過程。
  作者簡介:周宏仁,國家信息化專家咨詢委員會常務(wù)副主任;賽迪專家學(xué)術(shù)委員會主任
  筆者在《論智能制造》系列中的“論智能制造的三個階段”中,談到了對三個階段的基本認識。而如何實施智能制造,則需要考慮智能制造的三個支點:產(chǎn)品、裝備和過程。
  圖1  智能制造的三個支點
  第一個需要考慮的是推動智能制造的目標是什么。顯然,企業(yè)追求的是產(chǎn)品,而不是要把企業(yè)搞的有多時髦。企業(yè)銷售產(chǎn)品的時候,不是要宣傳企業(yè)的生產(chǎn)線有多漂亮、多現(xiàn)代,而一定要說明這個產(chǎn)品的價值何在。產(chǎn)品是企業(yè)面向社會的表現(xiàn)。智能制造的目標是產(chǎn)品,而不是智能制造本身。因此,產(chǎn)品的智能化是企業(yè)必須考慮的首要問題之一。智能制造如果不能生產(chǎn)出智能的產(chǎn)品,智能制造就失去了時代的意義。而且,企業(yè)的產(chǎn)品如果不是智能化的,產(chǎn)品和企業(yè)今后被淘汰的可能性就很大。
  第二個支點是裝備,生產(chǎn)過程(包括研發(fā)、設(shè)計)中的每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的裝備,一定要智能化。如果這個智能化實現(xiàn)不了,勞動生產(chǎn)力和勞動效率就不可能得到很大提高,企業(yè)可能就沒有競爭力。不是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的生產(chǎn)裝備,就不是這個時代的先進制造裝備。而且,如果設(shè)備沒有智能化,也可能無法生產(chǎn)出企業(yè)想要生產(chǎn)的智能化產(chǎn)品。
  第三個支點是企業(yè)生產(chǎn)過程的智能化問題。裝備智能化解決的是生產(chǎn)過程中“點”的智能化問題;企業(yè)只有實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的智能化,才能實現(xiàn)企業(yè)全局的智能化,才能夠?qū)崿F(xiàn)智能化效益的最大化。
  智能產(chǎn)品是第一支點
  一個機床生產(chǎn)廠,生產(chǎn)裝備和過程如果都是智能化的,而它生產(chǎn)出來的機床卻是一般的機床,沒有智能化的要素,那么這個機床廠的前途就非常堪憂。因為,他自己都不會去購買這樣不夠智能化的機床。
  因此,任何一個企業(yè)在考慮其智能制造如何發(fā)展的時候,首先應(yīng)該想到的是自己的產(chǎn)品怎么實現(xiàn)智能化。即使生產(chǎn)過程沒有部分或全部實現(xiàn)智能化,能夠把智能的產(chǎn)品做出來,那么企業(yè)還是應(yīng)該首先考慮產(chǎn)品的智能化問題。
  產(chǎn)品的智能化,是通過產(chǎn)品中包含有各種復(fù)雜程度不等的計算機系統(tǒng),尤其是嵌入式系統(tǒng),來實現(xiàn)的。嵌入式系統(tǒng)不僅可以成為智能制造最重要最具有代表性的技術(shù),而且會形成一個龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。中國的嵌入式系統(tǒng),發(fā)展的速度比較緩慢——盡管起步并不晚。產(chǎn)品所用的嵌入式系統(tǒng),絕大多數(shù)對于芯片的要求都不一定特別高,一般也就是幾十納米到上百納米,甚至檔次再低一點,也或許夠用。因此,技術(shù)難度并不大。
  產(chǎn)品智能化是當今計算技術(shù)發(fā)展的一個新的重大趨勢。計算技術(shù)發(fā)明的初衷是為了科學(xué)計算。而后,發(fā)展為支持人類各種業(yè)務(wù)活動的信息處理和傳播,即業(yè)務(wù)計算。業(yè)務(wù)計算的覆蓋范圍已經(jīng)比科學(xué)計算要大得多。上世紀90年代以后,隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,QQ、微信、Facebook等開始崛起,計算技術(shù)滲入了人們的社會生活,大大地推動了社會計算的發(fā)展,計算技術(shù)的應(yīng)用覆蓋范圍則更進一步擴大。
  現(xiàn)在,計算技術(shù)開始向各種產(chǎn)品領(lǐng)域滲透,提升產(chǎn)品的智能化水平。智能產(chǎn)品數(shù)以百億,甚至千億計,產(chǎn)品計算的覆蓋范圍可以說是“無遠弗屆”,一定會給整個IT產(chǎn)業(yè)帶來巨大的變化。因此,計算技術(shù)應(yīng)用的下一個熱點,是產(chǎn)品計算。所有的產(chǎn)品都要程度不等地走向智能化,計算都有可能參與其中。這一點,跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的需求有很大的關(guān)系。
  圖2  計算技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展階段
  現(xiàn)在的智能產(chǎn)品跟以前所謂的嵌入式系統(tǒng)功能需求還不完全一樣,主要功能體現(xiàn)在三個方面。第一個是傳感,產(chǎn)品需要能夠感受外部的情況變化,或者能夠整合產(chǎn)品內(nèi)部的數(shù)據(jù)。第二個是計算,包括產(chǎn)品本身的操作系統(tǒng),以及產(chǎn)品使用的各種應(yīng)用系統(tǒng)。例如,從數(shù)據(jù)分析到高端計算——也就是人工智能。第三個是聯(lián)網(wǎng),隨著全球物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,產(chǎn)品可能具有霧計算、邊緣計算和云計算相聯(lián)結(jié)的功能。因此新一代的智能產(chǎn)品,跟以前講的嵌入式系統(tǒng)的概念已經(jīng)大不相同。
  圖3  無處不在的智能產(chǎn)品
  智能裝備是最大難點
  裝備是智能制造最大的難點。生產(chǎn)裝備一般都比較復(fù)雜,而且批量可能不大,所采用的工業(yè)軟件也往往非常復(fù)雜。這使得生產(chǎn)成本很高,市場很小,因此愿意或有實力從事智能裝備制造的企業(yè)并不多。而且,由于裝備的開發(fā)周期長,導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)營的風險很大。
  另外,裝備制造的難點很大程度上是在軟裝備上面,即以工業(yè)軟件為代表的軟裝備,包括CAD/CAE這樣的軟件工具。沒有軟裝備,就不可能有“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”。抽去軟件,信息化的一切成果都不復(fù)存在。工業(yè)軟件首先是一個工業(yè)產(chǎn)品,而且往往是高端工業(yè)產(chǎn)品。這是中國制造2025主要的難點,而工業(yè)界對這一點的認識,還很不充分。
  過程智能化
  發(fā)達國家的制造業(yè)在生產(chǎn)裝備智能化這一點上,已經(jīng)非常領(lǐng)先。尤其是日本和德國,已經(jīng)基本上壟斷了全球重大制造業(yè)生產(chǎn)裝備的市場。而智能制造的下一步的發(fā)展,就是要實現(xiàn)過程的智能化,完成從裝備這個“點”向過程這條“線”的發(fā)展。
  過程智能化最典型的代表,正是工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的奮斗目標。工業(yè)4.0提出,企業(yè)的信息系統(tǒng)要走向一體化,包括縱向一體化和橫向一體化??v向一體化就是《三論智能制造》的系列之一中提到的企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng),而橫向一體化正是企業(yè)的外部網(wǎng)。現(xiàn)在,要把內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)完全整合在一起,將數(shù)據(jù)完全打通。
  圖4  內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)的一體化
  此外,要把整合之后的系統(tǒng),打造成一個智能物理系統(tǒng)(Cyber-Physical-System, CPS)。這里的Cyber意指計算機或計算機網(wǎng)絡(luò)。在很多現(xiàn)代化企業(yè)里,不管內(nèi)部網(wǎng)或外部網(wǎng),都還只是一個獨立的計算機網(wǎng)絡(luò)或者系統(tǒng),或者實現(xiàn)了初步的整合。如何跟企業(yè)這個物理實體融為一體,有效地運轉(zhuǎn),是一門大學(xué)問。
  美國國家科學(xué)基金(NSF)在2006年的一個報告中指出,現(xiàn)有的、工業(yè)時代發(fā)展出來的系統(tǒng)科學(xué)(包括系統(tǒng)工程理論),還不能很好地回答這類問題。他們認為,企業(yè)這個物理實體與其內(nèi)含的計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如何協(xié)同一致、高效精確的工作,如何增強這類系統(tǒng)的適應(yīng)性、自主性、功能性、可靠性、安全性、可用性和效率,將會發(fā)展成為一個新的系統(tǒng)工程學(xué),是美國需要重點發(fā)展的前沿命題。實際上,美國關(guān)于CPS的研究報告非常多,對這個命題非常關(guān)注。
  過程智能化的實現(xiàn)
  工業(yè)4.0或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標,不僅要把內(nèi)部網(wǎng)、外部網(wǎng)連起來,而且要變成一個智能物理系統(tǒng)(CPS)。二者都可以通過一個“5C(五層)”結(jié)構(gòu)來表述。
  圖5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的
  “5C(五層)”架構(gòu)
  最下面一層是智慧的連接層,第二層是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息,第三層是Cyber層,是企業(yè)的云計算數(shù)據(jù)中心。在這里,需要把第二層處理所得的有效數(shù)據(jù),與企業(yè)計算機系統(tǒng)中相對應(yīng)的期望值做對比分析。第四層是認知層,根據(jù)對比差異,找到問題之所在及解決問題的方法。因此,這一層實際上是一個決策層。第五層是配置層,可以按照決策要求,通過計算機網(wǎng)絡(luò),對人、對物、對計算機進行重新配置或更改。這樣的一個五層結(jié)構(gòu),構(gòu)成了一個標準的反饋控制系統(tǒng),可以對企業(yè)的控制對象,即:人(員工)、機器、計算機系統(tǒng)、各種物理實體等,進行實時的反饋和控制。這樣的一個反饋系統(tǒng),其各層次所對應(yīng)的技術(shù)支撐,如圖5所示。正是利用這些當下最時髦的先進技術(shù),工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了企業(yè)整個業(yè)務(wù)活動全過程的的智能控制。
  根據(jù)這個思路,工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在2015年分別完成了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參考架構(gòu),可以清楚地說明系統(tǒng)的要素和相互之間的關(guān)系,并提供了一個開放的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計指南”。應(yīng)該強調(diào)的是,這里說的是指南,是給出了一個大家共同努力、同向而行的方向,而不是標準。
  這個架構(gòu)設(shè)計描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)外三層結(jié)構(gòu)。從邊緣層,到平臺層,再到企業(yè)層,如果我們把它看作是一個球體的話,外面就是設(shè)備端的邊緣層,中間是平臺層(工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,主要指這一部分。當然現(xiàn)在也有將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺泛化的趨勢),最內(nèi)層是企業(yè)層。在邊緣層上主要是邊緣的網(wǎng)關(guān),采集各種各樣的數(shù)據(jù);送到平臺層之后,平臺層對數(shù)據(jù)做必要的處理和分析;分析完之后,再送達企業(yè)層,送到企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)。企業(yè)會根據(jù)不同的應(yīng)用做不同的分析,做出判斷和決策,將數(shù)據(jù)再往回傳送到平臺層和邊緣層,直至送達企業(yè)內(nèi)外聯(lián)接的各個部門和單位。
  圖6  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的內(nèi)外三層結(jié)構(gòu)
 ?。▉碓矗汗I(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的白皮書)
  顯然,數(shù)據(jù)分析和處理在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中極為重要,包括:端點數(shù)據(jù)的獲取、從數(shù)據(jù)中提取信息的先進數(shù)據(jù)處理技術(shù),各種決策模型的分析計算,以及系統(tǒng)結(jié)果的輸出。其中,大量使用的是計算科學(xué)的辦法:需要建模,需要算法,需要數(shù)據(jù)等等,最后產(chǎn)生的是決策數(shù)據(jù)。當然,安全、可信、隱私等,在結(jié)構(gòu)中也有詳細的考慮。
  智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
  現(xiàn)在,國內(nèi)關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的概念討論很多。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,是一個以企業(yè)為中心的平臺,而不是說在整個工業(yè)行業(yè)建一個大的所謂“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺”。所謂平臺化是發(fā)展的趨勢,其實是指企業(yè)的平臺化,每一個大企業(yè)都會有自己的一個企業(yè)平臺,而不會把自己的業(yè)務(wù)搬到其他企業(yè)的平臺上去。波音的平臺不會到中航工業(yè)的平臺上,空客的平臺也不會到波音的平臺上去。
  如果一定要說有一個工業(yè)和產(chǎn)業(yè)共用共享的平臺,那這個平臺就是全球物聯(lián)網(wǎng)平臺(Internet of Things, IOT),它不是為哪個工業(yè),為哪個部門而設(shè)計的,而是面向全世界各行各業(yè)乃至個人服務(wù)的全球物聯(lián)網(wǎng)。
  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是一個理想的“過程”智能化的平臺。設(shè)想非常完美,但系統(tǒng)非常復(fù)雜。在實現(xiàn)過程當中,未知數(shù)還很多,不同產(chǎn)業(yè)類別的企業(yè)平臺之間的差異也很大。例如,中航工業(yè)的平臺,幾乎不太可能拿去給中石油用,基本上要推倒重建。所以,每個企業(yè)一定要從自身的緊迫需求和實際效益出發(fā),分步推進,絕對不能盲目跟隨,尤其考慮到當前中國制造業(yè)發(fā)展的水平和信息化的水平離國際先進水平相差仍然很大,“過程”智能化的路途還比較遙遠。
  如果把智能制造的全部資源和精力都投在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上,又把平臺理解為產(chǎn)業(yè)的平臺,可能就誤判了智能制造的發(fā)展方向。當務(wù)之急,還是我們的產(chǎn)品和裝備的智能化問題,這對當下的中國來講,是智能制造的重點努力方向。
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