走向智能制造研究院执行院长赵敏：纵论工联网与智能制造的底层密码

2017-10-22 工业4俱乐部

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导读：

10月15日，中国管理全球论坛：工业互联网与智能制造分论坛在上海举行。清华大学特聘课程教授、中国发明协会常务理事、走向智能制造研究院执行院长赵敏发表演讲，纵论工联网与智能制造，以新联接、新动能、新规则、新方法、新路径、新定义深度剖析新业态、新制造。

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从“人造系统”到“软件定义”

我们处在一个非常好的时代，整个制造业的发展，大家都非常关心，对智能制造以及相关理念、技术落地都非常关注。制造无非是根据市场需求，按照一定的方式、方法，把原材料（制造资源）加工成用户满意的产品的过程。能量、信息、材料、信息、技术、知识、资金、人力、软件、芯片等等这些有形无形的东西都可以归类为制造资源。我们今天所有智能制造的对象、产品都可以统称为人工制造物，也可以叫做人造系统。从古老的石器、木器等材料发展到今天，千百年来，其实关于制造内涵并没有什么不同，无非我们把相互关联的那些元器件组合在一起，让它正常的运作，实现某种功能，这就是我们要的人造系统。而制造资源与过程在变化，产品和工具日趋复杂。

在历次工业革命中，我们可以看到人造系统的进化过程。第一次工业革命时期，我们有了机械转换为动力，蒸汽机，它是一个钢铁+蒸汽作为动力的时代；到了第二次工业革命，我们有了钢铁，并且加上了电，源源不断的电能提供了非常稳定的能源；发展到第三次工业革命时期有了电子，有了软件作为制造要素加入了我们的产品要素当中，加入到了我们人造系统当中。我们今天所面对的机器，只要修改几段代码，只要换一个不同的版本，这个机器的功能就开始变了，这正是我们所期待的。于是软件现在更多的被引用到机器设备当中来，成为这样一个设备的思想者、定义者、统治者。

软件作为运行在芯片当中数字化指令和数据的集合，是一系列按照预定的逻辑和代码写的代码。不管怎么样写的代码最终都将变成机器码，它来驱动我们的工业设备，它来输出某种指令，最后让我们底层的芯片去执行预定的功能。因此我们可以认为软件封装了工业知识，建立了数据自动流动规则体系，这才是智能的根本。

在历史上，技术经过了三次的解放，历经了三次革命之后，软件从过去单独写一个程序，发展而成一个在今天非常具有某种目的性，带有某种专业技术去集成的。当大量的工业软件都嵌入到工业设备当中，让设备变的更加好用、更加有技术含量、更加智能。在嵌入的方式上，从过去一个分离的计算机放在设备边上，通过接口做一些事情，后来逐步发展到专门做一个控制柜，把工业电脑放在上面，再往后我们可以看到逐渐交汇融合一体化，现在很多的机器人或者集团当中直接把嵌入系统做到里面去。软件与物理机器的关系经历了分离 → 交汇 → 融合 → 一体的过程。

从工联网到智能制造

德国是工业4.0的始作俑者，德国国家工程院院长孔翰宁讲的关于德国工业4.0最基本的四条特征：

1.在智能工厂中，人、机器和产品如同在社交网络一样进行交互；

2.智能工厂与智能物流、智能电网、智能建筑等的接口，是未来智能基础设施的重要组成部分；

3.以分布、联网的自治系统应对与日俱增的复杂性和灵活性；

4.智能工厂生产智能产品。

讲工业4.0，如果不谈工业4.0组件架构模型，没有谈到实质。工业4.0组件使我们可以从标准、框架、方法论的高度把一个实体变成工业4.0组件，我们搞智能制造完全可以参考这套标准。具体的做法很简单，把集成层、通讯层、信息层构建一个叫做管理壳（一种管理软件），管理壳承上启下，下接物理组件，上接功能层或商业层，任何“物件”加上“管理壳”后就变成“工业4.0组件”。组件与组件的联接，最终形成物联网。

从管理壳到CPS很简单，管理壳通过信息层、集成层与通信层，用软件定义了一个“物件”所应该具有的一切必要的信息和功能，形成了必要的“软件定义”。基本逻辑是把人的隐性知识（思想、算法、推理）显性化，沉淀为显性知识；把知识嵌入软件，软件嵌入芯片，芯片嵌入硬件，硬件嵌入物件（物理设备）。按照这样一个CPS的基本架构来进行构建，从过去解放人的体力，发展到解放人的脑力跨越。逻辑就在于从一套赛博和物理空间的闭环赋能体系，也就说刚才按照讲的，人可以离开，智力仍在，因为我们的知识已经提炼出来了，然后嵌入到软件，软件到硬件，硬件到设备当中，以P融C，实现以C控P，这样才是真正的CPS。把物理世界的运行规律化，规律模型化，模型算法化，算法代码化，代码软件化，以软件优化物理世界运行。这个就是我们讲到的物理实体、意识人体、数字虚体这样的一个基本含义。

人体离开，智力沉淀。知识和算法都嵌入软件，软件嵌入硬件，软件可以为我们的研发活动去赋值、赋能、赋智。因此我们可以做到研发手段信息化，大家用了很多东西去开发了很多产品，这些都是研发手段、生产手段、管理手段。还有更重要的一点是产品本身的数字化，只把研发手段和数字手段做好还不够，智能产品本身没有数字化的话，它还不是一个智能产品，还是一个没有通讯的、没有信息输出的东西，所以产品本身的数字化也很重要。我们有很多嵌入云的系统，有很多的把智能化的东西放在物理设备当中。

软件定义我们的设备，软件定义我们的产品，软件定义我们的制造这已经是一种现实。在这样的基础上来去充分理解智能制造，什么是智能制造？

确定性是工业界的追求。制造的本质就是降低复杂系统的不确定性。但因为我们所面对的这个世界有很多的不确定性，而且我们是没有办法的，比如说现在产品本身复杂，就有高度的不确定性，因为我们的产品本身非常复杂。第二是定制化生产的复杂性带来的不确定性，标准化产品逐渐失宠，用户趋向于个性化、多元化、常变化产品。供应链的复杂性带来的不确定性：复杂的产品构型导致供应链复杂、制造过程复杂、项目管理复杂。

关于智能制造的定义五花八门，美国国家标准语技术研究院他们对智能制造的理解，他们认为智能制造作为下一代制造范式，要解决的问题包括：差异性更大的定制化服务、更小的生产批量、不可预知的供应链变更和中断。

我认为基于CPS（赛博物理系统）与软件定义技术构建‘状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升’的数据闭环，以软件形成的数据自动流动来消除复杂系统的不确定性，在给定的时间、目标场景下，优化配置资源的一种制造范式，这个是真正的智能制造。

可以从以下几个方面去理解：

智能机理：状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升；

操作对象：数据（信息与知识的数字化载体）；

使能：软件中的算法、规则与知识，形成“软件定义”；

本质：数据自动流动，并因自动流动而形成知识泛在；

目的：消除复杂系统的不确定性；

约束：给定时空下的工作场景；

价值：优化配置制造资源，价值最大化。

最后，“新业态，新制造”可以用几个“新”来表述：

新联接：给任意物件加管理壳，成为智能制造组件，形成物联网；