解码智造，《机·智》当先

朱铎先 赵 敏

1.北京兰光创新科技有限公司，北京，1000852.走向智能研究院，北京，100028

1 五大篇幅，理论贯通实践

笔者深切地感受到，很多企业在进行智能制造规划或建设时，对智能制造的认识并不清晰，难以理解智能制造的背景、意义及路径。有些企业的认识还停留在购买高档机床、工业机器人以及制造执行系统(MES)软件这些硬软件上，过于表面化与工具化，盲目性很大。这种做法只能解决企业局部问题，并不能显著提升企业竞争力，不能有效促进企业的转型升级，甚至与智能制造战略初衷相悖。

为了厘清主线，说明机理，《机·智》创新性地以“取势、明道、优术、利器、实证”五大篇幅为主线，用了12章，既从顶层设计视角讨论了智能制造的本源、发展趋势与应对战略，汇总对比了德、美、日、中智能制造发展战略和参考架构模型，又从企业落地实施视角研究了智能制造的战略战术与实现路径，详细介绍了MES与设备物联网等数字化车间建设方法及注意事项等。两个视角，上下呼应，战略结合战术，理论结合实践。

《机·智》第一章到第三章为“取势篇”，重点介绍企业实施智能制造前需先深刻理解的智能制造产生的大背景及未来发展趋势，要点在于我们应该如何发挥自身优势，在这次制造业大转型升级中少走弯路并取得成功。第一章深入剖析了德、美、日、中这些工业强国和大国为什么不约而同地提出了相近的智能制造战略，解读了深层次的原因及发展趋势。第二章指出德国工业4.0的理念以及“工业4.0参考架构模型(RAMI 4.0)”虽然先进且构思精巧，但同时要了解其恰当的应用场景。第三章对美、德、日、中智能制造战略进行了分析、比较并提炼要点，特别对“一智各表”的现象进行了解读，力图说明“智能”一词的不同内涵。

《机·智》第四章和第五章为“明道篇”，“明道篇”指出，制造企业在制订智能制造落地战略时，不仅要在先进技术和设备上有所突破，更应该充分挖掘人与管理的价值和潜力，才能确保智能制造的成功落地。第四章论述了“人机网三元战略”、“三体智能模型”和“人-信息-物理系统”的基本思想，以及“以人为本”的东方哲学与西方先进技术如何实现交汇与融合。第五章阐明，在向智能化转型升级的关键阶段，企业的经营战略以及与智能制造相适应的企业文化是比设备、软件更重要的要素。

《机·智》第六章和第七章为“优术篇”，“优术篇”深度剖析赛博物理系统(CPS，也称“信息物理系统”)、工业互联网等先进概念的本质、缘起、发展方向及如何在制造企业中的落地。第六章重点强调，欲做好智能制造和工业4.0，必先了解CPS，“二维九格”定义法为笔者独创，通过9种CPS落地方案可以轻松帮助企业更好地应用CPS。第七章讲述了工业互联网作为智能制造关键基础设施，催生了新技术、新业态、新模式。

《机·智》第八章到第十一章为“利器篇”，“利器篇”指出车间是智能制造的主战场，重点阐述了数字化车间建设的原则和主要内容。第八章以离散制造行业为例，基于“六维智能理论”，探讨了如何从6个维度建设数字化车间。第九章介绍用数字化手段治理“聋、哑、傻”设备，通过实时采集设备状态及运转数据而实现设备的互联互通、智能化管理和预测性维护，并介绍了实施过程中的相关注意事项。第十章讲述了如何用MES系统对生产过程中的计划、排产、物料、工具、设备、质量等进行全面的精细化管理。第十一章以工业大数据为主线讲述了高级排产、虚拟现实/增强现实及新一代人工智能等前沿技术在数字化车间的应用及其前景。

《机·智》第十二章为“实证篇”，“实证篇”强调了一个最浅显的道理：知易行难。智能制造不能只停留在理论层面，各种理念、理论最终的目的都是为了在企业落地，成功的案例对正在考虑智能制造实施方案的企业有很大的借鉴价值。第十二章收录了青岛海尔模具有限公司、共享集团等4个智能制造的典型案例。

2 东方视角，解读西方智造

因国情不同，我国智能制造的战略与路径注定与德国、美国不同，照抄照搬，难以奏效。我们需要根植于深厚的东方文化，探索出适合中国国情的理论模型与推进路径。

笔者经过深入研究后发现，德、美制订的工业4.0等的指导思想是“扬长补短”，其核心均可用广义上的CPS理念来表示，是一种典型的二元战略(赛博-物理虚实两世界)。基于信息化强、制造业弱的现状，美国采取的战略是C+P，扬C之长补P之短，其中，C为Cyber，即赛博虚体，包括数字、信息、网络等虚拟世界；P为Physical，即物理实体，包括机器、设备、设施等实体世界。德国恰恰相反，德国是制造业强、信息化弱，因此德国的战略是P+C，扬P之长补C之短。

从战略角度，我们不能简单地认为“2.0补课、3.0普及”就是补上或普及自动化设备这些硬件，应该清楚地看到，在2.0、3.0两个阶段一百多年的历史中，德、美等国家完成工业化进程后所沉淀下来的“人”的优势，包括高素质的劳动者、科学的企业管理、成熟的社会化协作、丰富的工业技术与知识等，这些软的方面恰恰是我们所不具备的。因此，在制订智能制造落地战略时，与人相关的一系列因素是我们必须要考虑、要补课的关键。

另外，从技术角度，笔者认为，由金属和非金属组成的机器，它自己并不会智能。如今让机器智能的基本方式和逻辑，是让人的智能(人脑中的隐性知识、算法等)显性化，显性化的知识写入软件，软件嵌入芯片，芯片嵌入机器，由此而让人的智能(人智)转变为机器智能(机智)，机器替代大部分原本由人从事的工作，甚至可以比人做得更快、更好，由此而让人以“知识工作者”的身份，更主动、更快乐、更高效地从事更有创造性、更有价值的知识创新工作。这就是智能制造的基本逻辑，也是本书命名为“机·智”的由来。

基于以上思考，笔者提出了“CPPS人机网三元战略”。CPPS是Cyber-Person-Physical Systems的缩写，Person指的是劳动者及其技能、素养、精神以及组织、管理经验等。CPPS体现了以人为本，人与赛博、物理虚实两世界的深度融合、迭代发展，构建以赛博智能为目的的人机网三元战略，见图1。

图1 中国特色的CPPS人机网三元战略

CPPS人机网三元战略中的“机”是指机床、设备、设施等实体的物理世界，“网”是指以数字、信息、网络为代表的赛博世界，两者的融合就是CPS赛博物理系统。

CPPS人机网三元战略中的“人”包括三层含义：个体的人、组织的人、社会的人。

个体的人包括对员工的招聘、培训、培养以及敬业合作精神等企业文化的建设，让员工高技能、高责任心、高主动性地工作。

组织的人指从企业管理角度对生产流程进行优化，对人力资源与工作进行合理组织、科学管理。

社会的人是从社会或国家层面看，可从多维度进行提升。如每年可对数以千万计考不上大学的人群进行技能培训，像德国一样，将这些人中的一部分培养成高素质的蓝领劳动者等。

人机网三元战略反映了中国“以人为本”的东方哲学思想与西方先进技术的交汇和融合，体现了中国人在智能系统研究中的独特思维方式和学术思想，让中国这样一个人口大国在以智能为标识的新工业革命中，明确自己的特色，找到自己的定位，在上述符合国情的智能模型指导下，推出适合本国国情的智能制造发展战略。

3 三个范式，对应三化融合

《机·智》首开严格区分“智能”程度与所对应术语之先河，对Smart、Intelligent两个术语所描述的两种不同“智能”现象加以较为严格的区分，期待能够避免乃至消除业内一直存在的“一智各表”的现象。笔者在本书中自我约定并尽量做到：凡是以数字化网络化(Digital)为核心技术的“智能”，称作“智数”，以CPS为核心技术(Smart)的“智能”称作“智巧”；凡是应用了新一代人工智能技术所形成的(Intelligent)的“智能”称作智能。如此，英文术语与中文术语之间形成一一对应。希望从本书开始，在中文术语上消除对“智能”一词在理解和应用上的混淆。

2017年12月7日在南京举办的“2017世界智能制造大会”上，中国工程院周济院士作了题为《关于中国智能制造发展战略的思考》的报告(以下简称“工程院报告”)，系统地阐述了对我国发展智能制造的思考，在业界引起了很大的轰动与反响。报告中提出了中国智能制造发展的三个基本范式(简称“三范式”)。

工程院报告认为，数字化制造是智能制造第一种基本范式，可以称之为第一代智能制造，是智能制造的基础。目前，我国大多数企业和广大中小企业没有完成数字化转型，面对这样的基本国情，我国在推进智能制造过程当中必须实事求是，踏踏实实完成数字化补课，进一步夯实智能制造发展基础。数字化制造是智能制造基础，它的内涵不断发展，贯穿于智能制造的三个基本范式和全部发展历程。笔者认为，数字化制造基本上可以认为是基于信息系统集成的“一化融合”。

数字化网络化制造是智能制造第二种基本范式，或称为第二代智能制造。工程院报告认为，今后一个阶段，三年到五年之内，我国推进智能制造的重点是大规模地推广和全面应用数字化网络化制造，即第二代智能制造(第二范式)。如果把第二范式与德国工业4.0中的使能技术CPS加以对比的话，不难看出，该范式对应的就是德国工业4.0中的基于CPS的“Smart Manufacturing”模式的“智巧制造”。“智巧制造”让比特与原子相遇，赛博与物理交汇，是真正的“两化融合”。

新一代智能制造范式实际上是在两化融合的基础上，加入了更多的“新一代人工智能”算法和技术，让智能化的要素逐渐增多，系统的智能程度变得越来越高。这种把工业化的物理系统、信息化的软件系统、智能化的AI算法融为一体的新一代智能制造范式，可以称之为“三化融合”。

笔者在《机·智》一书中指出，德国人的Smart选词偏好、美国人的Intelligent用词情结、中国人的“三范式”递进研究，构成了国际上研究“智能”的三个基本源头。笔者把德、美、中三国对“智能”的描述与定义汇聚到一起，并且与两化融合的内涵进行了详细的分辨和梳理，彼此之间做了一一对应，给出了表1所示的解读，既理顺不同制造范式之间的递进关系，又区分了智能的程度和内涵，同时兼顾了两化融合这个“主线”。

表1 不同范式的智能制造中英文术语与内涵对比

由表1可以看出，工程院报告中的“三范式”表述确实博采众家所长，对德、美等国的工业发展战略和智能制造参考架构模型进行了最大程度的融会贯通，同时又提出了“基于新一代人工智能的新一代智能制造”。经过笔者对比研究，认为三个智能制造基本范式与三个融合恰好一一对应。在“建议中文翻译”条目中，笔者也把最新的研究内容添加进去，形成了术语上自成体系、彼此不会混淆的智能制造范式名称：智数制造、智巧制造、智能制造。

三个范式的划分以及与三种融合模式的一一对应，为复杂国情下多元化、多场景、多模式的我国智能制造指明了道路，辨析了使能技术，给出了将来的努力方向。相信笔者提出的新的三范式命名以及与三种融合方式的比对，能够更好地帮助读者理解、消化和记忆智能制造三范式。同时，统一了有关术语内涵，避免了词义混淆，有助于智能制造的良性、健康发展。

4 落地至上，打造数字车间

车间在企业中处于非常重要的位置，是将各种图纸转变为产品的主要场所，是决定生产效率与产品质量的重要环节，车间往往也是企业中员工数量最多的组织,因此，在很大程度上，车间强则企业强，车间智则企业智。数字化车间是企业走向智能制造的基础。

4.1 智能制造先从设备治聋治哑开始

车间设备不只是源源不断地生产产品，而且也在源源不断地产生各种数据，而这些数据是企业进行管理改善、产品提质、生产提效、成本降低的重要基础，相对于物料、设备等有形资产而言，数据是一种无形的生产资源，但我国制造在这方面与国外相比还有较大差距。

据日本经产省2016年的调查显示，40%的日本工厂在2015年前就已经实施了数据采集，到2016年，这一数字提升为66%，其中大型企业达到了88%。根据工业和信息化部相关报告中的数据，我国规模以上工业企业在2017年的数字化设备联网率是39%。这里面包含了联网率比较高的流程行业设备，在离散制造行业实际的联网率肯定要低于这个数字。根据北京兰光创新科技有限公司估算，现在全国数控机床保有量200万台，真正实现联网的数控机床不足20%，甚至更低。

梨树发芽后到套袋前后，即4月初至6月底，是病害由病梢向幼叶、幼果蔓延的关键时期，如果遇到春季多雨年份，蔓延速度更快，因此也是喷药防治的关键时期。一般年份在落花后（4月中下旬）喷药1次，套袋前（5月上中旬）及套袋后（5月下旬至6月上旬）各喷药1次；在春季多雨年份，4月中下旬和5月中下旬各喷药1～2次。

由于设备处于孤立的单机生产模式，故设备OEE(设备综合效率)等指标不高。在2013～2014年，MESA与LNS调查公司对全球的离散与流程等行业的调查结果表明，被调查企业平均OEE为71%，11%的优秀企业高达80%以上。北京兰光创新科技有限公司已经为军工和机械制造等六百余家企业、三万多台数控设备实施了设备物联网以及MES等系统。根据统计表明，国内大部分离散企业的OEE不足40%，很多甚至低于30%，与国外优秀企业相差甚远。很多设备实际上是处于“聋”(与外界没有交流，程序通信接口形同虚设，加工程序主要是手动输入)、“哑”(设备或工件出现问题，外界不能及时知道)、“傻”(基于过时的、不准确的、不客观的人工汇报的形式，不能很好地指导生产)的状态。

针对这种情况，笔者提出了智能制造先从设备治聋治哑开始的观点。

通过实施设备物联网系统，用以太网卡以及Modbus、OPC、ProfiNet总线等不同接口和通信协议，用一台服务器对车间数字化设备的数控机床、热处理设备、机器人、AGV、自动化立体仓库、测量测试等各类数字化设备与设施进行互联互通，实现程序网络化传输、设备数据自动采集、大数据分析与科学决策，将这些“聋哑”设备融入赛博系统，成为数字化、网络化、智能化系统的重要组成部分。

通过实施设备物联网系统，可以准确地获知设备的状态、设备利用率、制造参数等信息，再结合MES系统中的协同制造等管理方法，就可以轻松地将OEE由30%多提升到50%左右，效率提升效果相当明显。

从数字化车间走向智能制造，对企业来说是一条智能智造落地的务实路径。工业互联网是智能制造的关键基础设施，数字化车间的设备物联网又是工业互联网的有机组成部分，因此，从数字化车间做起，从设备物联网做起，企业可以较为快捷地由小及大、由内向外、由车间到全企业，建设自己的工业互联网，进而打造适合企业自身需要的智能制造模式。

4.2 MES理念需要与时俱进

孟子说：“尽信书，则不如无书。”推进智能制造不能过于迷信国外已有定义，拘泥于固有的理论与模型。MES作为智能制造的重要组成部分，很多企业都非常重视，但实施效果往往不理想，其中一个重要原因就是MES现有定义与标准过于陈旧。

4.2.1过时原因

(1)定义时间久远。MES概念产生于20世纪90年代初期，当时是为了弥补ERP不能对设备层进行直接管控而衍生出的一个概念。1997年MESA(制造执行系统协会)进行了进一步定义，2004年又稍加完善。近些年来，MESA在MES定义及概念、目标等方面并没有实质性的改变。

(2)定义不严谨。MESA规定只要具备十一个之中的某一个或几个，就属于MES系列的单一功能产品。这个定义起到了界定哪些模块属于MES范畴的作用，但过于宽泛。一个模块就属于MES，现在市场上功能强大些的MES系统动辄就十多个模块甚至更多，都统一叫MES，功能却相差甚远。定义不严谨，造成了今天MES市场的混乱。

(3)没有与时俱进。近年来，全球兴起了智能制造的浪潮，云计算、大数据、CPS、数字孪生、工业互联网等理念层出不穷，这些理念必将对制造业产生重大影响，但作为承上启下、处于智能制造核心的MES系统，其定义没有体现出来这些理念。如果按照这些传统理念进行研发与实施，如何能促进企业智能制造的转型升级？

4.2.2发展趋势

除了在平台化、云计算、大数据、移动互联等计算机开发技术领域进行应用以外，MES系统还应该站在制造业使用者角度，以精益生产为主线，以降本提质增效为中心，参考德国工业4.0等先进理念，结合企业实际情况，建设基于工业3.0、面向工业4.0、体现CPS特点的智能MES系统，构建“设备自动化+管理数字化+生产精益化+人员高效化”的“新四化”数字化车间，为制造企业智能化转型升级奠定坚实的基础。

(1)回归本质。MES之所以叫制造执行系统，非常强调“执行”二字。一方面，MES系统将ERP下发的生产计划根据车间实际情况，将每一工序分解到每一设备、每一分钟精细执行；另一方面，在车间内部，形成计划排产、作业执行、数据采集、设备管理、库存管理、质量管理等一个全闭环管理，环环紧扣，而非一个简单的电子化管理系统。精细化、精准化、协同化是MES系统的重要特点，否则生产无法高效、高质地运行。那种通过凭经验、靠人工进行计划制订、现场管理的传统MES系统，并不能深刻地体现出MES精髓。

(2)贯穿精益。精益生产是MES的基础与指导思想。从生产过程来看，精益生产中的生产布局、节拍、后工序拉动、标准作业等理念是实施智能制造的基础。快速切换、减少浪费、可视化生产、均衡化生产、准时化生产、工序流动化等形式是智能制造的过程目标。同样，智能制造是精益生产落地的重要使能手段，如设备互联互通、高级排产、过程协同、资源精益化管控、质量过程管控、大数据分析、可视化、预测性维护等都有助于精益生产的落地与提升。从实现的目标来看，智能制造与精益生产殊途同归，实现敏捷、高效、高质、低成本的生产与服务模式是两者的共同目标。在MES系统中，一定要充分体现精益生产的理念，促进精益生产在企业中的进一步落地。

(3)体现CPS。无论是德国工业4.0还是中国制造2025，均是以智能制造为主攻方向，以CPS技术为关键使能技术。德国人认为：“在制造业领域，CPS包括智能机器、存储系统和生产设施，能够相互独立地自动交换信息、触发动作和控制。CPS将推动生产对象直接或借助互联网通过M2M(Machine to Machine，机器对机器)通信自主实现信息交换、运转和互相操控。”从本段文字我们可以看到，对车间中的机床、机器人等各类数字化设备进行互联互通，德国人认为是CPS在车间中的具体应用，这也是中国工程院智能制造“三范式”中“智巧制造”的重要组成部分。在MES中体现CPS特点，车间中设备的互联互通是其重要基础，不能把MES做成一个与设备底层无关的纯信息化系统。

(4)智能是趋势。本次工业革命的核心是智能制造，应该充分发挥自动化、数字化、网络化、智能化的优势，打造出虚实融合、能实现数据自动流动的智能化MES系统。基于这些年的研究与思考，笔者提出了智能制造下的“六维智能”理论，用该理论指导兰光MES系统研发并取得了很好的应用效果。“六维智能”是分别从计划源头、过程协同、设备底层、资源优化、质量控制、决策支持等6个方面的智能着手，实现生产过程的自动化、数字化、网络化、智能化管理与控制。

5 不忘初心，提质增效创新

在推进智能制造的过程中，既要有一定的先进性、前瞻性，更要本着务实有效的原则，不要过于理想化，不要过多强调自感知、自决策、自执行、自组织、自学习等技术，企业不是研究机构，应该以降本提质增效、提升企业竞争力为根本目的。在实施智能制造的路径上，强烈建议先做Digital及部分Smart，做好这两步以后再考虑做Intelligent。

根据“二八原则”，解决80%的问题，通常只会耗费20%的成本，而剩下的20%却需要高昂的成本。以前的产品更新换代慢，很多产品往往很多年都在重复生产，为了适应日新月异的市场变化和个性化需求，即将建设的系统很可能过几年就需要更新和调整。系统满足当前需求并有一定的前瞻性即可，不要过分复杂、不要过于强调技术的先进性，否则，沉重的投资会给企业带来很大的经济负担。

智能制造要以实际需求为牵引，以经济效益为驱动，以成功落地为导向。在先进设备的基础上，在管理方面深挖潜力，充分发挥人的作用，构建数字化、网络化和适度智能的生产模式，由“人智”转化成“机智”，切实做到明显的“降本提质增效”。以量化数据为基础，循序渐进，有效地提升企业的竞争力。比如通过设备联网，实现治聋治哑，以此作为企业做智能制造的基本“入口”，通过较短时间，能将设备利用率提高一倍，将产品合格率提升一个档次，这才是比较务实的智能制造建设原则。

总之，不管什么范式的制造，都必须不忘企业最大的初心——降本提质增效与创新发展。智能制造，必须为企业的这个初心打开新的视野，提供新的技术，闯出新的路径。