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。 ” 我们今天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。 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最基本的四条特征是: 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 。 美国的“工联网”技术也对中国产生了较大的影响。搞智能制造不可能不谈到“工业互联网”和“工业物联网”。不过现在我们不用去刻意区分“工业互联网”和“工业物联网”,因为根据美国IIC架构任务组联合主席林诗万先生的见解,现在在美国和欧洲,已经对二者不加区分地使用,可以统称其为“工联网”。 去年日本也在研究透了德国工业4.0和美国工联网的基础上,发布了“工业价值链参考体系”。大家可以看到,日本人提出的赛博世界和物理世界的联接,也是以“IOT”物联网为基础的。 因此,我们不难看出,德、美、日的新工业发展战略,从技术上看,都是建立在把各种“Thing(物件)”联接起来的基础上的,即以物联网为基础来实现工业的转型升级。 那么,关键问题来了:如何实现各种“Thing(物件)”的联接?——当然是“赛博物理系统(CPS)”!
关于三步走的详细内容大家可以看看《三体智能革命》这本书。 实现三步走的关键步骤是,将一个没有通信能力、又聋又哑的物理资产(如非数字化的传统机器、设备等),改造成为一个可以在数字世界中定义、表达、交换信息的“新型资产”,即“工业4.0组件”,也可以称作“智能制造组件”。 从对物理资产的分类与命名开始,给出唯一的ID识别号。 然后区分其在整个产品生命周期中是处于前半期的“原型”阶段,还是后半期的“实物”阶段。“原型”阶段包括任意的原型迭代,可以数字化的,也可以是物理样件的;“实物”阶段就是图纸审批发放之后的量产阶段。 给一个实物加上一定的通信能力并不难,只要把诸如芯片、传感器、网络等ICT技术引入就可以了,这就是我说的“数字化一切可以数字的事物”的具体做法之一,一个工4组件至少要具有“被动通信能力”。 再往上发展,就是对该组件进行数字化定义,如给出CAD、CAE、CAM模型等,尤其重要的是,让物流实体在数字空间中建立一个“数字孪生”。 然后,才能准确地实现对该组件的功能定义,并且在功能定义的基础上,来组建任何的业务活动或商业应用。 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。 从这个标准的三维架构参考模型中,我们可以看到德国人对制造业发展的缜密思考,从“层”、“流”、“级”这三个维度上,给出了如何去建设一个智能工厂、如何去评估一个智能产线、智能设备的详细的过程与节点。 具体的做法很简单,把集成层、通讯层、信息层构建在一个叫做管理壳(一种管理软件)中,管理壳承上启下,下接物理组件,上接功能层或商业层,任何一个“Thing(物件)”加上“管理壳”后就变成“工业4.0组件”。大家要特别注意,组件与组件的联接,最终形成了物联网! 在所有的物件之上,都叠加了一层管理壳——也就是数字空间——并且在数字空间中建立了物件的“数字孪生”之后,整个的物理世界与数字世界的融合与交汇就形成了。 而且,在符合工业4.0通信标准的联接总线上,跑的就是“数字主线(DT)”。 无论是德国工4、美国NIST的CPS标准、美国工联网、日本制造价值链,其实都是在说一件非常类似的事情,以CPS技术体系来打通物理世界与数字世界。 从管理壳到CPS其实很简单,管理壳通过集成层、通信层与信息层,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”。CPS的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“三体智能模型”的一个基本含义。 CPS的形成,就是一个如图所示的三体交汇的过程。 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“研发手段数字化”,大家用了很多软件去开发了很多产品,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“产品本身数字化”,只把研发手段和管理手段做好还不够,如果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、没有信息输入输出的东西,所以产品本身的数字化也很重要。我们有很多芯片、嵌入式系统、WiFi和云的技术,可以把这些智能化的要素放在物理设备当中。 一台2005款豪车,已经有61个嵌入式系统。过了一轮十二年后的今天,大家可以猜一猜一台豪车有多少个嵌入式系统?一般不会少于200个!每个嵌入式系统就是一个小型计算机,都有软件在其中其作用,因此豪车里面的软件代码大约有几千万行。因此大家可以看到,嵌入式系统是CPS发展的源头之一,软件定义现在已经实实在在地发生。 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。到底什么是智能制造? 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,而且有些复杂性我们是没有办法控制其发生的。 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,版本很多。但是多数源于日本人在90年代初给出的定义。如果只是去照抄这个版本或者只做少许更改,那么就没有理解智能制造的真实含义,因为时过境迁,很多词汇的内涵都在发生改变。还有一些自我发挥的“自XX”版本,文字内容和用意都很好,但是没有把道理讲清楚。 大家可以参阅我在今年写的一篇文章:“智能制造之我见”,我在里面统计了一些不同版本的“智能制造定义”,比较详细地讲了这个问题。 这是美国国家标准语技术研究院对智能制造的理解,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: ——这才是我心目中真正的智能制造。当然这只是我本人的定义,但是是在经过很长时间的谨慎研究之后给出的。 之所以这样来给出我所理解的智能制造的定义,是有道理可以讲的。我们可以从以下几个方面去逐字逐句地理解其要义: 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,未来基于工联网和CPS所形成的“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; 新动能:软件定义,赋值、赋能、赋智; 新规则:在数字虚体中构建企业数据自动流动的规则体系; 新方法:以P融C,以C控P。C与P协调发展; 新路径:软件是将不确定性转化为确定性的最优路径; 新定义:消除系统的不确定性,实现制造资源最优配置。 从工联网走向智能制造,是制造业必然的发展趋势! 再次感谢金蝶公司邀请我作为主讲嘉宾参加本次智能制造论坛! 作者简介:赵敏——中国发明协会常务理事,发明方法研究分会会长,走向智能研究院执行院长,工信部CPS发展论坛副秘书长,英诺维盛公司总经理。国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家。高级工程师。34年来一直致力于企业如何实现创新、转型的研究与实践,对TRIZ发明方法学、CAX、PLM、KE/KM、精益研发、智能制造、工业4.0等企业技术创新、管理创新和企业信息化专题有着深入的研究和独到的见解,在国内外媒体和国际国内学术会议发表文章和论文百余篇,为企业解决众多技术难题。著有《创新的方法》、《TRIZ入门及实践》、《知识工程与创新》、《TRIZ进阶及实战》、《三体智能革命》等专著、合著。
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