关于对装备工业实现智能制造的认识与思考

沈烈初（原机械工业部副部长、中国表面工程协会原理事长）

关于对装备工业实现智能制造的认识与思考

沈烈初（原机械工业部副部长、中国表面工程协会原理事长）

装备工业是制造业的基础，为各行各业提供先进实用可靠的成套装备，使这些行业能优质、高效、经济地生产各类产品，满足人民对物质与文化不断提高的需求。在国家提倡“两化”深度融合的今天，制造业正在向数字化、网络化、智能化方向发展，因而首先要求装备工业超前发展数字化、网络化及智能化（以下简称“三化”），为我国从制造大国迈向制造强国打下物质基础。

目前坊间都在热议德国工业4.0概念：1.0机械化；2.0电气化、半自动化；3.0信息化、高度自动化、少人化；那么4.0就是数字化、网络化及智能化了，即所谓虚拟实体系统CPS（cyber physical system），也有人翻译为信息物理系统。但首先要认识到，我国的制造业水平不同于德国，推进我国智能制造发展，工业4.0可作为参考，而不能简单地复制，必须通过实践和总结找到属于我们自己的成功之路。

一、装备的“三化”和制造过程的“三化”应齐头并进

似乎一说智能制造就是指制造过程的“三化”，实际上应该是两个领域的“三化”，首先是装备的“三化”；其二为制造过程的“三化”，两者既有联系又有很大区别。因为智能制造，即产品制造过程的“三化”，是建立在提供的装备“三化”基础上，即“智能体”，否则无法实现智能制造。装备“三化”水平，很大程度上决定各行各业“三化”水平及实现的难易程度。但单机构成不了生产力，只有成套才能真正发挥生产力的作用，因而装备单机实行“三化”过程中，要有通信接口，与其上下游设备可以互联互通、信息交换。有些成套设备来源于不同企业，如何“三化”则显得更加重要。

“中国制造2025”中的十大高端装备都要求定位在“三化”水平上，同时也要使其生产、制造过程实现“三化”管理。

二、实现智能制造不可能一蹴而就

工业3.0是信息化、高度自动化、少人化；工业4.0应该是高度信息化（即数字化、网络化）+智能化，构成CPS系统。“三化”因而不是并列的，是前后有发展顺序的关系，因而工业4.0是高度信息化向智能化过渡，要用很长时间才能完成。数字化是将物体特征或工艺过程转化为数字描述或数学模型。网络可以看作为信息高速公路，没有信息的网络，类似没有汽车的高速公路一样。没有它，信息就无法高速传递，互联互通。信息化即是数字化和网络化的融合，包括信息获取、信息传递、信息处理、信息再生和信息利用。所谓物联网，就是物（含人）用数字描述，通过互联网进行物与物、物与人、人与物、人与人四维互联互通，因为物与人都是物理体，即实体。

如何判别信息化（数字化、网络化）与智能化，最容易的办法是：前者是管理的开环系统，后者是管理的闭环系统。智能化是在信息化基础上，实现系统的自组织、自记忆、自诊断、自决策、自适应，使系统在更佳或最优情况下运行。因而需要建立大量的数据库，建立各类数学模型或专家系统，而且信息必须是实时采集、加工、通信和处理。

因此，智能化的发展是一个漫长、不断改进与完善，进而发展的过程，不是一蹴而就的，不是通过执行一个专项就变为智能制造了。这仅仅是开始而已。推动企业“入门”，即称谓“师傅领进门，修行在个人”。目前在科技上还有很多没有解决的问题，要摸着石头过河，实践-总结-再实践多次循环，不断推进。

三、应正确对待实体制造和虚拟制造的关系

虚拟设计、虚拟制造是一种手段，是为实体设计、实体制造服务的。通俗地讲，实体设计、实体制造是“皮”，虚拟设计、虚拟制造是“毛”，“皮之不存，毛将焉附？”信息技术发展到现在，有可能用计算机推演千百种方案进行比较，取得最佳方案后，再变为实体设计与实体制造，开发出新产品，再验证修正完善，这样可大大缩短研发周期，节约研发资金。新产品定型后，再用计算机推演得出最佳的制造过程，从而安排实体制造的工艺及生产过程。尽管这样，也有一个不断完善的过程，因为研发与制造过程受多种内外因素的干扰，在这里有经验的设计师、工程师、制造工艺师仍然要做决策、干预的工作，才能做出好产品，才能保质量、降成本、缩短生产周期。

计算机发展到今天，CPU集成电路线宽可达24 nm，实验室可达8 nm，运算速度可达亿次以上，北京市计算中心运算速度已达每秒500万亿次，我国超级计算机运行速度超过每秒9.3亿亿次。因此，需要海量的数据，这些数据必须来源于实践或实体。目前大家谈论的大数据、云平台，就是将海量数据经过分析，提取有用的信息，为实体制造与实体设计服务的。

只有实体制造才能生产出产品，满足人们衣食住行用各方面需要，笔者担心的是：有些人“本末倒置”，舆论误导。

四、德国RAMI4.0与中国版4.0的比较

德国RAMI4.0（工业4.0参考架构模型）与中国工业和信息化部、国家标准化管理委员会在“关于印发国家智能制造标准体系建设智能（2015版）的通知”（工信部联装［2015］485号）中发布的国家智能制造系统架构（以下简称中国版4.0），两者模型如右图：

笔者对比两者“参考架构模型”，发现“中国版”来源于“德国版”（RAMI4.0），两者大同小异，而笔者不得其解的是，问题出在“小异”处。在笔者眼里“小异”更加重要，是不是制订中国版的专家为了适应中国实际情况，而删去了一些小模块或层级，或不了解各类企业实际情况而形成“小异”呢？

例一：中国版与德国版都是三维立体模型，两者比较，中国版模型是倒置的，可能直观些，并无本质区别，可以同等理解，并无好坏之分。

其三维比较：

纵轴：中国版为智能功能，德国版为层级（layers），包括了资产（各种生产要素）及信息化层级。

横轴：中国版为生命周期，德国版为生命周期及价值链（life cycle & value stream）。

第三轴（即Z轴）：中国版为系统层级，德国版为Hierarchy levels。

德国版在两端增加了两个重要层级：

（1）起始端增加了产品（product），这很重要，这是生产系统的“输出”，而中国版丢失了“产品”这个重要内容。

（2）终端是跨企业连接（connected world）（中国版称之为协同），笔者认为是企业借助互联网与服（务）联网与外部世界联接，向前与上游的产业链连接；向后与下游的用户连接。

哪个模型更符合生产企业实现工业4.0或智能制造，请专家及企业家们在实践中对比思考。

例二：横轴问题

（1）生命周期及价值链的问题，一般概念来讲，生产过程是信息流带动物流及价值流（资金流），物流过程就是产品的增值过程，也就是价值流，这对企业尤为重要，降低成本，增加附加值，加速资金的流动速度，为什么中国版没有呢？是不是缺乏经济经营的思维，而仅从技术层面考虑。

（2）中国版生命周期没有区分产品研发、定型领域及定型后投入量产的生产领域，德国版区分为两个领域：研发、定型领域（type）及产品投入生产领域（instance）。笔者认为德国版更科学一些，符合实际一些。为什么呢？因为新产品研发到定型，这一阶段的生命周期极为复杂，可能有多次反复，因为定型前要多次试验、验证、试用、修改完善。

如以民品乘用车为例，一个新车型从研发到定型少则需要3～4年，多则可能达10年，需要数十亿的资金。试制方式因品种而异，有的还需要在试制车间做样车，如红旗牌乘用车，其研发到定型花多少时间啊。如军品从研发到定型是一个严格的过程，产品一旦定型，进入正式生产领域，如需要修改则需要严格的审查批准。几年前出现的“丰田门事件”震动了世界汽车行业及千百万用户，究其原因，是新车样车试验验证不够细致严格所致，丰田接受了严重的教训，为了确保新车的安全性与可靠性，在品质保证部设立了一个EDER（Early Detection Early Resolution，早期发现早期解决）重要机构，对市场回收的不良零部件，逐个检查，建立数据库反馈给有关部门不断改进。世界上很多企业，其新产品研发定型与量产不在同一个场地，如苹果手机，乔布斯仅在苹果企业里进行研发、定型与销售，而量产是在全世界择优选择代工企业代工。他们如何进行智能制造呢？看来德国版更符合实际一些。特别更要重视在生命周期内的价值链的增值过程，也就是说：信息流加速物流及资金流的流动速度，使价值流迅速增值，这意味着更有效进行生产，提高资金利用率与迅速增值，从而降低成本，取得更多的利润。笔者看到不少企业，为了急功近利，新产品“带病”投入量产，造成很大损失，如许多专项研发出的新产品样品变不了产品，多么可惜啊！因此全生命周期管理，根据目前实际情况，要把全寿命质量管理（QMS），特别是可靠性管理DFEMA及PFEMA管理放在突出地位。中国版有考虑缺失，不知对否？

（3）从纵轴“系统层级”看，实质为信息化处理层级，中国版为五级，德国版为六级，多了一个功能级（Function）。最底层为资源要素/资产层，即要进行生产的必要物质基础，包括人、财、物及现场设备（含材料、设备、外购件、外协件等）等生产要素，经过“系统集成/集成层”，即把人、财、物用数字信息描述，再经过“互联互通/通信层”，通过有线、无线等通信技术，实现实体各要素之间信息交换。中国版“信息融合层”，是指与外界的大数据、云计算融合。德国版“信息层”是指应用相关的数据，需定义数据的语义，是实现互操作的基础。该层级仍处于企业内部而尚未“上升”到大数据和云计算。因此，笔者认为中国版阐明不是很恰当。在信息层之上德国版还有一个“功能层”（中国版没有，为什么？）。“功能层”是在定义数据语义的基础上，进一步形式化定义必要的功能，是实现互操作的另一个基础。这些功能为上层“业务层”的业务流程提供支撑。笔者认为功能层还是需要的一个信息化的层面，将来可以实现生产过程的各阶段，依靠物联网与上下游企业互联互通，通过服务网与用户密切合作，取得不同的实时信息，在不同层次、不同系统内做反馈之用，可以是内反馈、外反馈、前置反馈等，因而才具有信息深度的自感知，智慧优化自决策（多参数、人工智能），精准控制自执行等功能，并可实现远程实时控制及反馈功能的先进智能制造过程。作为一个大系统来说，输出端实际达到的目标值与输入端的设定值进行比较，其误差经多次循环，其差值达到允许范围内即可，这就是智能制造的内涵，否则就是信息化（数字化、网络化）管理了，这是作为外行的笔者的一些粗浅看法，不当之处，请专家指正。

最上面一层中国版是“新业态”，是指个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式，而德国版称之为“Business”的业务层，是指业务流程，即与客户签订合同以后，把商务信息与相应需要的人、财、物、外协零部件、总成等信息输入智能制造大系统内，这就是输入端，输出端就是根据合同的商品与服务。看来德国版更加结合实际，中国版更加超前，但不知企业内部现有问题在哪里解决。

另外企业领导层（含董事会）的决策，有的称B I（B u s n e s s Intellegence），如何贯彻到信息化管理系统中去，并快速响应，这两种模型都没有涉及，不知为什么？如何解决，请教专家学者。

（4）第三轴（或称Z轴）中国版称之为系统层级，德国版称之为Hierarchy levels，实质上就是进行生产的地点与场所。中国版系统层级自下而上共五层，分别为设备、控制、车间、企业和协同，这个层次基本与ISA 95传统企业系统功能层次结构一致，但根据智能制造需求在最上层增加了协同。德国版自下而上分为七个层次，分别为产品、现场设备、控制设备、站（station）、工作中心（work center）、企业、互联世界。

智能制造的一个重要目标是实现产品个性化定制和柔性生产，可以说“产品”是决定制造装备和生产工艺设计的关键。智能制造不能仅关注制造过程，还有被制造的产品本身。因此，德国版在最底层增加了产品层级。此外，为了统一考虑工厂自动化和流程自动化，德国版在控制设备层之上增加“站”和“工作中心”。“站”是指“生产单元”，“工作中心”是指“生产线”或“制造岛”，如此比中国版更加细化具体。最上层中国版“协同”层和德国版“互联世界（connected world）”层，都是指可采用物联网、服（务）联网与全球的上下游企业、个人、用户连接。

五、不同工业化阶段决定了智能制造应顶层设计、分步实施

模型的实用价值是核心价值，中德两国目前所处的工业化发展阶段完全不同，中国还处在工业化时期，德国已完成了工业化，处在后工业化时期，已经具有高度社会化、专业化的生产结构，很多产品处在“引领技术、引领市场”的高端地位。鉴于国内制造业，特别是装备工业，大多还处于工业1.0、2.0时代，少数处在3.0或3.0初期阶段（如合资的汽车企业），因行业、地区、企业大小、所有制、创新能力、发展阶段等有很大差异，因此必须分类指导，推进所谓“智能制造”。也就是说，参考模型对企业而言，仅起引导作用，智能制造是一个长期的过程，如常熟开关有限公司，生产塑壳断路器、框架式断路器，从1991年引进CAD开始，陆续引进CAM、CAPP、ERP等软件，至今从销售、计划、设计、用户服务、生产、质量、财务、物流等方面共有25个子系统，20多台服务器，大约花了25年时间，但尚未达到高度信息化水平，智能化管理还刚刚开始，还处在规划阶段。现在到处宣传智能制造，有可能误导企业及地方官员。智能化前提是高度信息化（数字化、网络化）。而信息化的前提是科学化管理，如精益化生产LP、准时化管理JIT等，反之，如生产管理中形成数据不规范或不全面，怎么能实现实时的信息化管理呢？笔者参观过的工厂大部分生成的数据不真实，不能实时提供，那信息化管理有什么意义呢？但不排斥CAD、CAM、CAPP、CAE、SCM、CRM及库存、财务、工资等局部小系统的引进使用，培养人员，使生产过程科学化，一等有机会就可以把信息孤岛互联互通了，因此企业必须有一个顶层设计，局部实施，积累经验，培养人员，注意系统设计时，各信息孤岛之间的接口，其信息交换能兼容。

航空飞行后可能因气压及海拔的急剧变化导致急性PVD、血管破裂和玻璃体积血，进而可致视网膜裂孔[13]。因此在航空飞行后出现眼前黑影或视物不清的乘客应警惕急性PVD与玻璃体积血，及时进行详细的眼底检查，特别是有近视、内眼手术史或眼部外伤史等PVD危险因素的乘客。

六、标准化和模块化是智能制造实现的基础

信息化管理与产品的模块化设计、生产组织结构、模式有极大关系，笔者20世纪50年代在德国学习时，其产品设计结构采取模块化，零部件尺寸要素标准化。这种技术模式可追溯到第二次世界大战之前，这是适应大规模工业化需要，因而工业结构发展为社会化、专业化大生产方式，因其可节约资源，降低成本，并可迅速转型升级，有利于缩短新产品开发周期。由于产品是模块化设计，因此企业内生产组织就要相应地变化。至70～80年代，笔者再到德国考察时，其普遍采用制造岛（production cell）。结构相似，工艺相近的零部件在一个“制造岛”生产，这是成组加工（GT）的进一步发展。2016年5月仪综所石镇山副所长去德国考察生产低压自动化控制装置的Beckhoff 公司，还是采用这种“制造岛”生产模式。这对采用信息化管理又有新的内涵。“制造岛”的现场设备之间的互联互通，就构成所谓的二级管理的“智能体”了。

20世纪60年代，时任大连机床厂总工程师曾宪林同志推行成组加工（GT），对生产组织进行了调整，分设了轴类、盘类、杂件、齿轮、箱体、大件、装配等专业化车间。从而引起了机床行业同仁们的关注，形成了两派、两种模式，一种以零件为对象的专业化车间，一种以产品为对象的封闭式车间，到现在两种模式生产组织形式在机床厂还都存在。因此信息化管理的模式也有很大差别。

60～70年代，车间尚采用流转单、工票等纸质的信息带动物流，跟着物流传递，现在可以实现无纸化的信息流，物流也采用二维码或条码，用机器人、AGV小车等加上必要的人力进行流动。

要尽量减少非标设计与生产，若不从设计上改革，不采用标准化、模块化设计，那就很难实现定制化、专业化、端对端、纵向集成、横向集成、硬件与软件结合的工业4.0的现代化大生产模式。在经济全球化的今天，不论研发设计、生产与销售的信息化管理都已面向全球，我们要真正做到利用国内外两种资源（人力、物力、信息）、两种市场、两种资金，“以我为主，师洋而不崇洋”，进而实现强国之梦。

七、如何看待“智能制造工业园”

由于德国工业4.0及“中国制造2025”的宣传，并写入了政府工作报告，引起了全国极大的关注，地方政府也响应号召，采取措施，纷纷建立“智能制造工业园”与“机器人工业园”，似乎“亮点”多多。据称全国机器人工业园已有二三十家，从事机器人的企业达到数百家之多。过去几年兴起的新能源工业园、新能源汽车工业园等尚在记忆中，这种运动式搞技术创新、转型升级，似乎需要高层进行评估其得失，否则造成社会资源的极大浪费。在发达国家美、德、日等都没有以特定对象研发、生产的工业园区（不同于开发区、创新示范区），我们这样搞是不是符合国情？是不是符合技术经济发展规律？全世界的产业链已经或即将互联互通了，“你中有我，我中有你”，一个产业的发展不能局限于一个园区，这与产业集群不同。特别是在浙江，市场化发展最快，民营企业为主发展制造业。在改革开放以后，利用市场配置资源的规律就形成了产业集群及企业集群，上下游联动发展，如模具、制衣、纽扣、阀门、低压电器等产业集群，这是建立专业化大生产的基础，实现降低成本及对市场的快速响应，满足用户的需要。如笔者过去参观的福建省莆田市的制鞋集群、石狮市的制衣业集群。据称巴黎、意大利、美国的某种款式第一天上市，第三、四天就会出现在石狮及莆田市场，当然这里有一个知识产权的问题，这是靠高度的信息化，实现了与全球市场的互联互通。智能制造要靠这种用市场配置资源的集群式的生产模式。工业园似乎是政府行为，集群式是市场行为，哪种能更多、快、好、省地发展智能制造呢？这需要高层来研究。前车之鉴要多总结。

八、软件、传感器与系统集成是目前急需解决的问题

信息化与智能化的发展既要靠硬件，更要靠软件。国内工业软件研发与应用的短板也应得到彻底改变，没有自主可控的工业软件研发和应用体系，我国智能制造的发展不可能持续。大型企业或集成商要有自己的软件开发人员，通用性软件如CAD、CAPP、CAM、CAE、ERP等可以买得到，但结合现场工艺与生产需要的应用软件要自己开发。其人员不仅要懂得信息化、智能化技术，还要懂得工作对象的产品与工艺，否则“皮”“毛”不能结合，“两化”不能真正融合。我看到信息化管理成功的企业，应用软件都是自行开发的。如银川市共享铸造公司有30多位软件人员，特别是开发MES系统，因为铸造是有其特殊需要，既有离散形式的，又有流程形式的。银川马扎克小巨人数控机床制造企业，其MES系统也是自行开发的CPC系统。制造低压电器的常熟开关有限公司很多应用软件也是自行开发的，已经接近定制化，一台产品也可以接订单，并按订单进行生产。自行开发的软件，尤其是应用软件，经济适用，又便于保密。

传感器之重要性就不言而喻了，但是到现在为止还没有被政府及业界人士重视，使传感器大大受制于人，特别受制于发达国家，往往引起很多政治与商业麻烦。为此笔者于2012年3月13日、2012年10月20日、2013年2月20日三次给时任中央领导写过信，得到中央领导同志的重视与批示，而且工信部、科技部等主管部门主要领导亲自部署，这几年取得不少成果。但传感器的发展并不理想，不知问题出在什么地方。而过去政府颁布的“物联网”、“智能制造”，现在颁布的“互联网+”也都把传感器作为核心技术来攻关，目前形成“九龙治水”的管理模式，解决不了小小的极为重要的传感器的发展，笔者不得其解。虚拟制造与实体制造，或信息与物理系统的桥梁就是传感器，没有传感器就没有智能制造，没有装备的数字化、网络化、智能化，就没有物联网，也就发挥不了互联网的作用，不知这种思考是否正确？

在推进信息化管理过程中，集成商很重要，一头连着企业，企业的需求是千变万化的，一头连着自己开发或上游企业的软硬件供应商。国外厂商如Schneider、ABB、SAP、Bosch、GE、Beckhoff 等都与中国的大企业、大集团或智能制造工业园签订了合作协议，把它们成功的软硬件、系统集成的经验与中国企业的需求结合起来，对他们来说，中国是一个庞大的市场，出售他们的软硬件及系统，并可了解中国企业的运营数据。但这里如何解决信息安全问题，不知我国对接的企业注意到这个问题没有？政府有关部门如何指导与干预，这涉及中国国民经济的安全问题。中国也需要一大批推动智能制造的集成商，一些大企业如徐州工程机械股份有限公司成立了一个信息化公司，100多人，不仅对内，也可对外承接企业信息化管理的系统解决方案与实施。

总之，我们还处在信息化阶段，还没进入智能化时代，有些宣传言过其实可能起误导作用。

九、关于智能制造的深层次工作

德国工业4.0提出了八个优先行动计划，特别强调了标准、安全、培训、监管、资源效率等内容。我国也应结合自身实际，在推进智能制造过程中对相关内容做出系统考虑。比如人才方面不仅要充分重视高端科技人才、管理人才，更要发挥身怀绝技、具有长期制造经验积累的能工巧匠的作用和发扬“工匠精神”。特别是实现网络化制造的过程中，如何更好地在法律法规环境下保护商业机密和知识产权，加强产品质量监督，以及针对不同的制造模式、产业新形态和价值链的变化，财政税收制度的改革支撑，完善监管体系和配套的法律法规文件的任务更加重要。

结论：智能制造是一个长期系统的过程，不可能一蹴而成。特别是，机械工业面临巨大的下行压力，经济效益连续下降，产品质量尚未解决，要把“能用不太可靠”变为“好用很可靠”任务十分艰巨。因此，在新产品转型升级步履艰难的情况下，要因地制宜，因企制宜，因产品与生产方式制宜。统一规划，分步实施，先易后难，先考虑企业效益（指质量、成本、交货期），要用投入产出经济理论来审视，不要为智能制造而智能制造。现阶段还在于科学化、信息化管理，不求其名，但求其效果，不要为了争取立项、争取政府支持，而写得很好，做得还可以，但效果较差，更不可能持久，其关键是人，是各级领导及专业人员。

以上仅是个人的一些不成熟的一孔之见。笔者不是信息化方面的技术人员，仅是以自己在工厂工作13年的企业情结，站在企业的角度往上看智能制造的“高大上”技术而已，请教于专家、教授和决策的官员。

本文经机械工业仪器仪表综合技术经济研究所欧阳劲松所长、石镇山副所长，及宋彦彦教授、刘丹博士、王春喜博士增删斧正，因此是一篇集体创作的文章，再次表示衷心感谢。错误之处，由笔者承担。