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重溫楊叔子院士智能制造里程碑論文的感悟
2022-11-07
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2022年11月4日晚，我國(guó)著名的教育家、智能制造專家，華中科技大學(xué)老校長(zhǎng)楊叔子院士駕鶴西去，永遠(yuǎn)離開(kāi)了我們。楊叔子院士不僅是我國(guó)智能制造領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者，也是我國(guó)高校人文素質(zhì)教育的主要倡導(dǎo)者。大師的豐碑，將永遠(yuǎn)鼓舞我們智能制造工作者前行！
今天，我再次重溫了楊叔子院士于1992年撰寫的《智能制造技術(shù)與智能制造系統(tǒng)的發(fā)展與研究》論文，深深體會(huì)到楊叔子院士偉大的預(yù)見(jiàn)性，故撰此文，回顧這篇我國(guó)智能制造領(lǐng)域開(kāi)山之作的精彩內(nèi)容和我的學(xué)習(xí)思考。
這篇論文發(fā)表在《中國(guó)機(jī)械工程》1992年第3卷第2期，作者是楊叔子院士和丁洪教授。丁洪教授也是我的老師，教過(guò)我們《信號(hào)處理技術(shù)》，近年來(lái)從事分布式數(shù)據(jù)庫(kù)研究與產(chǎn)業(yè)化工作。距今雖然已過(guò)去30年，但這篇論文對(duì)智能制造技術(shù)的展望非常具有前瞻性、準(zhǔn)確性，具有重要的指導(dǎo)意義。論文共分三部分：智能制造系統(tǒng)的研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題、研究方向與課題，邏輯清晰，言簡(jiǎn)意賅，為智能制造技術(shù)的發(fā)展指明了方向。
一、智能制造為什么？是什么？
論文的第一部分介紹了智能制造系統(tǒng)的研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀。
論文指出，面對(duì)批量小、品種多、質(zhì)量高、更新快的產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求，以及各種社會(huì)因素的綜合影響，制造過(guò)程的自動(dòng)化程度提高面臨眾多問(wèn)題，而通過(guò)集成制造技術(shù)、人工智能等而發(fā)展起來(lái)的一種新型制造工程——智能制造技術(shù)（Intelligent Manufacturing Technology, IMT）與智能制造系統(tǒng)（Intelligent Manufacturing System, IMS）可以幫助我們應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。制造過(guò)程的核心問(wèn)題是制造智能和制造技術(shù)的智能化。
論文提出，IMT是指在制造工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)以一種高度柔性與高度集成的方式，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動(dòng)，進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力活動(dòng)；并對(duì)人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存貯、完善、共享、繼承與發(fā)展，未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)的基本特征應(yīng)該是知識(shí)密集型，制造自動(dòng)化的根本是決策自動(dòng)化。論文指出，探討智能制造的內(nèi)涵與前景，定義制造智能的目的是通過(guò)集成知識(shí)工程、制造軟件系統(tǒng)、機(jī)器人視覺(jué)和機(jī)器人控制來(lái)對(duì)制造技工們的技能與專家知識(shí)進(jìn)行建模，以使智能機(jī)器能夠在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下進(jìn)行小批量生產(chǎn)。
論文分析了CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）與IMS的關(guān)系，指出CIMS強(qiáng)調(diào)企業(yè)內(nèi)部物流和信息流的集成，而IMS強(qiáng)調(diào)更大范圍內(nèi)的整個(gè)制造過(guò)程的自組織能力。集成是智能的基礎(chǔ)，而智能也將反過(guò)來(lái)推動(dòng)更高水平的集成。
論文強(qiáng)調(diào)，國(guó)內(nèi)在當(dāng)時(shí)已開(kāi)發(fā)出眾多類型、水平各異的面向制造過(guò)程中特定環(huán)節(jié)、特定問(wèn)題的“智能化孤島”，而面向制造環(huán)境的全面智能化研究工作剛剛起步。
論文指出，楊叔子院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)1988年組織的“機(jī)械制造的未來(lái)”研討會(huì)上首次探討了“智能制造”的研究問(wèn)題，并密切關(guān)注國(guó)際研究動(dòng)態(tài)。
論文的第一部分最后強(qiáng)調(diào)，智能制造是21世紀(jì)的制造技術(shù)，作為其特征的雙I（Integration & Intelligence）將是21世紀(jì)制造業(yè)賴以行進(jìn)的基本軌道。智能制造是從信息時(shí)代走向智能時(shí)代面臨的重要任務(wù)。
二、智能制造的三個(gè)核心要素
在論文的第二部分，楊叔子院士指出，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)作為一個(gè)有機(jī)的整體要受技術(shù)（包括生產(chǎn)系統(tǒng)）、人（包括間接影響生產(chǎn)過(guò)程的社會(huì)群體）和經(jīng)濟(jì)（包括市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)）三方面因素的制約。
論文指出，從技術(shù)角度來(lái)看，推進(jìn)智能制造需要解決的突出問(wèn)題是產(chǎn)品和技術(shù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，信息自動(dòng)交換形式與接口，以及制造智能共享等。
論文提出，從人的因素來(lái)看，企業(yè)各方面的專家應(yīng)當(dāng)充分協(xié)同，并行工作；知識(shí)的表達(dá)應(yīng)當(dāng)存在多種層次和多種類型，便于理解和應(yīng)用；人的因素對(duì)現(xiàn)代生產(chǎn)的自動(dòng)化程度有著關(guān)鍵作用。從經(jīng)濟(jì)因素來(lái)看，IMS系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)全面提高制造過(guò)程的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，幫助企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。發(fā)達(dá)國(guó)家普遍存在勞動(dòng)力成本昂貴的問(wèn)題，缺乏熟練工人和技術(shù)人員，但I(xiàn)MS系統(tǒng)的應(yīng)用將使得發(fā)達(dá)國(guó)家不再依賴發(fā)展中國(guó)家的廉價(jià)勞動(dòng)力。因此，我國(guó)要開(kāi)發(fā)出具有自身特色的IMS，方能在21世紀(jì)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中爭(zhēng)得更多的機(jī)會(huì)。這段論述體現(xiàn)出楊叔子院士早在三十年前，就意識(shí)到推進(jìn)智能制造是我國(guó)提高制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。
論文特別提到開(kāi)發(fā)企業(yè)的“銷售智能”，這體現(xiàn)出楊叔子院士非常強(qiáng)調(diào)智能制造要幫助企業(yè)解決實(shí)際問(wèn)題，為企業(yè)創(chuàng)造效益。
三、智能制造的研究方向與課題
論文的第三部分系統(tǒng)介紹了智能制造與系統(tǒng)的研究方向與課題，包括智能制造系統(tǒng)理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)技術(shù)、制造智能理論及處理技術(shù)、智能制造單元技術(shù)的集成、知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能機(jī)器的設(shè)計(jì)，以及制造中人的因素六個(gè)方面。
論文指出，IMS強(qiáng)調(diào)面向整個(gè)制造過(guò)程的系統(tǒng)和各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化，有必要研究IMS的設(shè)計(jì)策略和開(kāi)發(fā)環(huán)境（包括開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)工具等）。
論文特別強(qiáng)調(diào)智能制造單元技術(shù)的集成，具體包括并行智能設(shè)計(jì)，生產(chǎn)過(guò)程的智能調(diào)度、規(guī)劃、仿真與優(yōu)化，產(chǎn)品質(zhì)量信息的智能處理系統(tǒng)，制造過(guò)程與系統(tǒng)的智能監(jiān)視、診斷、補(bǔ)償與控制，以及生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)管理的智能決策系統(tǒng)。
在智能機(jī)器的設(shè)計(jì)方面，論文特別強(qiáng)調(diào)，智能機(jī)器人將在IMS中占有重要的地位，主要體現(xiàn)在機(jī)器的視覺(jué)和機(jī)器人控制兩個(gè)方面，還需要研究機(jī)器自學(xué)習(xí)與自維護(hù)技術(shù)。
論文最后特別強(qiáng)調(diào)，要深入研究制造中人的因素。包括人-系統(tǒng)柔性交互技術(shù)；未來(lái)制造環(huán)境的設(shè)計(jì)，研究人在未來(lái)制造環(huán)境中的地位和作用，以及未來(lái)舒適友好的制造環(huán)境的設(shè)計(jì)；人才培養(yǎng)與教學(xué)系統(tǒng)，研究面向IMT&IMS的人才培養(yǎng)計(jì)劃，研制教學(xué)示范系統(tǒng)。
四、重溫大師之作的感悟
楊叔子院士這篇重要論文對(duì)智能制造領(lǐng)域的發(fā)展背景和技術(shù)發(fā)展方向，以及推進(jìn)智能制造對(duì)我國(guó)制造業(yè)提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略價(jià)值進(jìn)行了深入論述，對(duì)我國(guó)制造業(yè)發(fā)展和智能制造推進(jìn)具有里程碑意義。
事實(shí)上，我國(guó)從2001年加入WTO到2010年成為全球制造業(yè)第一大國(guó)，再到近年來(lái)在軌道交通、新能源、新能源汽車、家電、通信等諸多領(lǐng)域勇冠全球，智能制造技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮了極其重要的作用。從2015年開(kāi)始，我國(guó)全面推進(jìn)智能制造示范工程，“十四五”規(guī)劃將智能制造作為我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)的主攻方向，這充分體現(xiàn)出楊叔子院士的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)。
e-works一直認(rèn)為，智能制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。智能制造不僅是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的智能化，而是整個(gè)制造業(yè)價(jià)值鏈的智能化；不僅是單一制造企業(yè)的智能化，更是整個(gè)供應(yīng)鏈上下游企業(yè)之間協(xié)同的智能化。這一點(diǎn)，在楊叔子院士三十年前的論文中就已經(jīng)明確指出。
推進(jìn)智能制造，集成是需要解決的核心問(wèn)題。在二十年的智能制造服務(wù)實(shí)踐中，e-works一直強(qiáng)調(diào)，制造企業(yè)還存在信息孤島、自動(dòng)化孤島、信息系統(tǒng)與自動(dòng)化系統(tǒng)的斷層，甚至云孤島和多學(xué)科設(shè)計(jì)之間的孤島等問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題在楊叔子院士三十年前的文章中就已明確指出，足見(jiàn)大師的前瞻性。正是為了解決智能制造相關(guān)軟件的集成和互操作問(wèn)題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)過(guò)多年不斷完善，提出了STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)標(biāo)準(zhǔn)。此外，OPC UA標(biāo)準(zhǔn)也有利于打通信息系統(tǒng)與自動(dòng)化系統(tǒng)的斷層，實(shí)現(xiàn)IT/OT融合。
時(shí)至今日，我們?nèi)匀徊粩鄰?qiáng)調(diào)，制造企業(yè)需要注重產(chǎn)品的三化，即標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，要注重設(shè)計(jì)成果的重用。這方面，楊叔子院士在論文中也進(jìn)行了闡述。
楊叔子院士在論文中強(qiáng)調(diào)要重點(diǎn)研究并行智能設(shè)計(jì)；生產(chǎn)過(guò)程的智能調(diào)度、規(guī)劃、仿真與優(yōu)化；產(chǎn)品質(zhì)量信息的智能處理系統(tǒng)；制造過(guò)程與系統(tǒng)的智能監(jiān)視、診斷、補(bǔ)償與控制；以及生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)管理的智能決策系統(tǒng)。事實(shí)上，多學(xué)科仿真與優(yōu)化、基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），制造資源的優(yōu)化調(diào)度與APS系統(tǒng)的應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與預(yù)測(cè)性維護(hù)，AI質(zhì)檢以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能決策，正是當(dāng)前智能制造領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。
在智能制造推進(jìn)過(guò)程中，還存在諸多誤區(qū)，例如片面強(qiáng)調(diào)全自動(dòng)化，追求“黑燈工廠”，而忽視人的要素。實(shí)際上，絕大多數(shù)制造企業(yè)的生產(chǎn)模式都是小批量、多品種，需要生產(chǎn)多種變型產(chǎn)品，因此，推進(jìn)人機(jī)結(jié)合的柔性自動(dòng)化才是真正可行的解決方案。推進(jìn)智能制造的目的是幫助企業(yè)，乃至產(chǎn)業(yè)鏈提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，不能單純強(qiáng)調(diào)技術(shù)的先進(jìn)性。先進(jìn)性與實(shí)效性相結(jié)合，注重人的能動(dòng)作用，積聚經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)，才是智能制造的成功之道。這方面，在楊叔子院士的論文中也進(jìn)行了闡述。
對(duì)于智能機(jī)器人的應(yīng)用，楊叔子院士這篇論文的展望非常具有遠(yuǎn)見(jiàn)。近年來(lái)，我國(guó)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、AGV應(yīng)用廣泛，多機(jī)器人協(xié)作，集成機(jī)器視覺(jué)的智能機(jī)器人在零件無(wú)序抓取，在風(fēng)電葉片和飛機(jī)機(jī)身打磨等前沿應(yīng)用取得明顯成效，基于智能機(jī)器人集成應(yīng)用的非標(biāo)自動(dòng)化產(chǎn)線集成商發(fā)展迅速，有力支撐了我國(guó)鋰電、光伏等行業(yè)的蓬勃發(fā)展。
楊叔子院士的論文強(qiáng)調(diào)推進(jìn)智能制造的人才培養(yǎng)，在這方面，e-works已開(kāi)展了長(zhǎng)期實(shí)踐，每年都舉行上百場(chǎng)過(guò)線上線下的專業(yè)培訓(xùn)，還發(fā)布了智能制造在線學(xué)院，現(xiàn)有100多門專業(yè)課程，積聚了眾多來(lái)自學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和智能制造產(chǎn)業(yè)界的專家視頻講座課件和海量的智能制造資料，50多家行業(yè)龍頭企業(yè)已將e-works在線學(xué)院作為企業(yè)內(nèi)部培養(yǎng)智能制造專業(yè)人才的在線平臺(tái)。
正如楊叔子院士在論文中指出，智能制造系統(tǒng)要考慮技術(shù)、人和經(jīng)濟(jì)三大要素。推進(jìn)智能制造需要構(gòu)建健康和諧的生態(tài)系統(tǒng)，工業(yè)軟件、工業(yè)自動(dòng)化、IT產(chǎn)品供應(yīng)商和咨詢服務(wù)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)深入合作，幫助制造企業(yè)打造互聯(lián)、透明的工廠，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的高效協(xié)同，工廠設(shè)備的高效運(yùn)作，按期交付成本合理、質(zhì)量合格的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈上下游企業(yè)的緊密協(xié)作，更好地滿足客戶多樣化、個(gè)性化的需求，幫助制造企業(yè)構(gòu)建差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
文章來(lái)源： e-works 黃培博士
