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新工業(yè)革命/智能制造的五個基本特征

2019-12-04   來源：   評論：0
摘要：如果不能清晰認識新和準確把握工業(yè)革命 智能制造的基本特征，那么就難以真正有效地推動新工業(yè)革命的基本建設，難以讓智能制造在企業(yè)落地。
先進制造業(yè)·導讀

如果不能清晰認識新和準確把握工業(yè)革命/智能制造的基本特征，那么就難以真正有效地推動新工業(yè)革命的基本建設，難以讓智能制造在企業(yè)落地。

文/ 英諾維盛總經理 趙敏老師 

 

 
作者簡介：趙敏，走向智能研究院執(zhí)行院長，中國發(fā)明協會常務理事，創(chuàng)新方法研究會常務理事，英諾維盛公司總經理。本文授權轉載自公眾號“英諾維盛公司”。
 
新工業(yè)革命來勢洶涌。近幾年很多國家都已經有針對性地提出了本國的工業(yè)轉型升級發(fā)展戰(zhàn)略與命名，例如德國叫作工業(yè)4.0，中國叫作智能制造等。但是對于這場蔓延全球的、以智能為標識的新工業(yè)革命的基本內涵和特征，則一直是眾說紛紜，各有措辭。關于智能制造，也是定義頗多，各有出處。如果不能清晰認識新和準確把握工業(yè)革命/智能制造的基本特征，那么就難以真正有效地推動新工業(yè)革命的基本建設，難以讓智能制造在企業(yè)落地。
 
筆者梳理了新工業(yè)革命內涵，總結了其五個基本特征：
 
① “人智”轉“機智”；
② 傳感器低價普及；
③ 軟件定義制造；
④ 真正兩化融合（軟件閉環(huán)）；
⑤ 大范圍優(yōu)化配置制造資源。
 
下面予以分別介紹。
 
 
1
“人智”轉“機智”
 
人類知識不斷進入軟件，知識載體由以碳基知識為主轉向以硅基知識為主，數字生產力激增。
 
智能制造并不是一個高深莫測、難以理解的術語。通俗地說，所謂智能制造就是一個“人智變機智”的過程——即把人的智能（簡稱“人智”）從隱性知識提煉為顯性知識，進行模型化、算法化處理，再把各種模型化（機理模型、數據分析模型等）的知識嵌入軟件，軟件嵌入芯片，芯片嵌入某個盒子/模塊，再把該盒子/模塊嵌入到物理設備中，由此而賦予機器一定的自主能力，讓機器具有一定程度的“智能”（簡稱“機智”），我們將這個過程稱之為“賦能”。
 
如此，機器在軟件支撐下具有了一定的人類思考能力，當軟件算法越好，芯片算力越強，工業(yè)數據越多，“機智”程度就越高。于是，當“機智”達到一定程度后，就具備了部分或完全替代人體/人腦的功能。當人體/人腦離開了工作場景的系統(tǒng)回路后，機器在無人參與的情況下，仍然可以像人在現場時一樣自主工作，甚至還可以工作得更好，較好地優(yōu)化了制造資源的配置。如圖1所示。
 
圖1 “人智”轉“機智”的過程
 
這種把“人智”轉“機智”的制造活動，筆者稱之為智能制造。從上述描述過程不難看出，其關鍵使能要素，就是工業(yè)軟件。
 
工業(yè)軟件是工業(yè)化的頂級產物。它封裝了工業(yè)技術/知識，建立了數據自動流動規(guī)則體系，打造了機器的大腦和神經，因此機器變得更加聰明，功能可以隨時調整。工業(yè)軟件描述、集成、模擬、加速、放大、優(yōu)化、創(chuàng)新了傳統(tǒng)制造過程，形成一種新的工業(yè)智能模式——軟件定義制造。
 
第一次、第二次工業(yè)革命，極大地解放了人體。第三次工業(yè)革命，極大地解放了人腦。解放人腦的原理在于，大量的“人智”進入了軟件。因此，研發(fā)與管理手段數字化軟件，讓產品研發(fā)與管理發(fā)生了革命性的變化，數字孿生和數據分析模型等新概念層出不窮；同時，產品本身數字化軟件讓機器發(fā)生了革命性的變化。40年前的機器，除了電源線之外，很少有導線在設備上出現。而在今天的設備上，已經出現了大量的導線，這些導線都連接到了機器上的某些盒子中，在這些盒子里面，都有多層線路板和大量芯片，芯片里面運行的是軟件，軟件里面容納了大量“人智”，而這些“人智”都已經轉化成為了“機智”。
 
如果能更多地把“人智”轉為“機智”，讓傳統(tǒng)機器轉變?yōu)?ldquo;智能機器”，如果能開發(fā)出更多的自主可控工業(yè)軟件，如果工業(yè)技術/知識能夠更多地軟件化，那么就有可能把大量的知識型技術人員從重復性勞動中解放出來，讓機器去生成產品，讓解放出來的技術人員去生產知識和更輕松地管理機器，這樣可以實現人和機器的重新分工，實現工業(yè)技術/知識的持續(xù)積累和永續(xù)繼承，讓企業(yè)實現可持續(xù)、高質量發(fā)展。
 
2
傳感器低價普及
 
傳感器為機器增添了“五官”，極大增強了機器對環(huán)境的狀態(tài)感知能力，物理空間信息加速數字化。
 
沒有“狀態(tài)感知”機器無法成為智能機器（即使實現了“狀態(tài)感知”，還要同時具備其它條件才能實現）。要實現“狀態(tài)感知”，就需要各種各樣的“感應器件”。無論是智能制造、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯網還是物聯網，都離不開形形色色的傳感器。
 
傳感器由國標GB7665-87加以規(guī)范和定義：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。其中的“可用輸出信號”是指便于加工處理、便于傳輸利用的電信號。一般傳感器都是由敏感元件、轉換元件和轉換電路三部分組成。
 
敏感元件，就是“具有感應功能的物質”作為“感應器件”的“效應物質”。因此，傳感器是由有“具有感應功能的物質”的“效應物質”發(fā)展而來的。沒有科學效應（物理效應、化學效應等）物質作為感應器件，就沒有傳感器的存在。
 
常見的傳感器有熱敏傳感器、光敏傳感器、溫敏傳感器、力敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、磁敏傳感器、味敏傳感器、放敏傳感器共計十大類。各式各樣傳感器如圖2所示。
圖2 各式各樣傳感器（圖片來自網絡）
 
近年來工業(yè)互聯網/工業(yè)物聯網的發(fā)展實踐證明，高性能機器設備、低成本傳感器、工業(yè)網絡、因特網、工業(yè)大數據采集及分析技術的組合，可以有效提高現有產業(yè)的效率和效益，產生新技術、新模式和新業(yè)態(tài)。其中的關鍵因素之一，就是低成本的傳感器。近年來，傳感器技術取得了跨越式的發(fā)展，新型傳感器層出不窮，成本不斷降低，性能不斷提升，已經成為了傳感器行業(yè)的研發(fā)常態(tài)。正是因為傳感器成本的不斷降低，降到了可以大規(guī)模部署的成本線上，傳感器的大規(guī)模應用才能成為企業(yè)的選擇。
 
GE公司在傳感器的應用方面有很多可以借鑒的經驗。早在2005年，GE旗下飛機發(fā)動機公司改組為GE航空，就開始了經營模式的轉變。公司原有業(yè)務只是生產航空發(fā)動機，后來通過在飛機上安裝眾多的傳感器，實時采集飛機的各種參數，通過大數據分析技術為航空公司提供運維管理、能力保證、運營優(yōu)化和財務計劃的整套解決方案，以及提供安全控件、航行預測等各類服務，為企業(yè)產生了很好的經濟效益。
 
以意大利航空為例，GE為他們每架飛機上安裝了數百個傳感器，可以實時采集發(fā)動機的運轉情況、溫度和耗油量等許多數據，利用GE的軟件進行海量分析后，精準地給出理想的操控方法，只此一項，意大利航空145架飛機一年就節(jié)約了1500萬美元的燃油成本。通過這些數據，還可提前預測發(fā)動機故障的可能，做出前瞻性的預防維護，避免因為機器故障造成航班延誤、成本增加，甚至是更大的安全事故。
 
2013年1月，GE在紐約一家電池生產企業(yè)里共計安裝了1萬多個傳感器，用于監(jiān)測生產時的溫度、能源消耗和氣壓等數據，而工廠的管理人員可以通過iPad獲取這些數據，從而對生產進行監(jiān)督，有效地優(yōu)化生產資源的配置。
 
傳感器低價普及，無疑為新工業(yè)革命降下了一個巨大的成本門檻，架起了從物理空間順暢抵達數字空間的彩虹橋，讓時空信息源源不斷地化作比特數據流。
 
3
軟件定義制造
 
工業(yè)軟件成為機器的大腦，算法/算力急劇增加，軟件定義了材料/零件/系統(tǒng)的時空表現。
 
盡管軟件在很多高校和科研單位都被作為一個相對獨立的專業(yè)來研究，但是作者認為，單獨研究軟件容易脫離軟件運行的硬件基礎，容易脫離軟件以數據和決策所控制的物理設備。因為軟件從來就不是一個僅僅具有“計算”屬性的器物，而是還具有更重要的“控制”屬性的器物。
 
軟件作為一種數據、信息、知識的高度融合的數字載體，必須生存、運行在芯片中。軟件與芯片形成了共生關系。芯片的功能與性能約束了軟件的運行速度和可以定義的“能力”，而軟件的程序化指令不斷驅動芯片中的門電路和場效應管做“開”“關”運行，因此軟件從誕生之日起就具有驅動芯片的“準CPS”特征。
 
軟件和芯片之間的關系也是微妙和不斷變化調整的。過去，軟件必須去適應芯片，要基于芯片的約束來開發(fā)軟件；而今天往往是為了軟件更好地運行、最大限度地發(fā)揮軟件性能來設計芯片，即基于軟件需求去研發(fā)芯片。
 
首先，芯片具有為軟件“容身、計算、存儲”的作用，軟件具有為芯片“賦值、賦能、賦智”的作用。軟件與芯片的各自優(yōu)點綜合匹配在一起，才能發(fā)揮最好的效益。軟件與芯片共同構成了一個融合體，是一個“準CPS”，很難說誰“定義”了誰。但有兩點顯而易見：軟件是芯片強大算力的作用對象，沒有芯片強大算力支持，軟件很難發(fā)揮對物理實體的“賦能/賦智”作用；蘊含在軟件中的人類知識是人造系統(tǒng)“智能”的源頭，沒有軟件中的各種模型與算法知識的邏輯導引，芯片強大算力也失去了用武之地，同樣無法形成對物理實體的“賦能/賦智”作用。
 
其次，軟件所產生的決策與數據對物理設備具有精確的控制作用。
 
以CPU門電路中的場效應管為例，在軟件數字指令驅動下，高電平（開/通電流）為1，低電平（關/斷電流）為0，因此在該場效應管上不斷以極速“開/關”的狀態(tài)來進行計算，最終一組一組的門電路上輸出了一串一串經過計算后形成的“1/0”排列的二進制比特數據，這些比特數據可以用來驅動顯示設備（如各種顯示屏），也可以用來驅動物理設備中的控制器，讓機器或產品精準運轉，由此而體現出軟件對芯片、外設、物理設備的控制性。
 
早期軟件只在電腦上使用，硬件范圍只包含一些顯示、打印等外部設備，軟件運行的結果只需要顯示在硬件屏幕上，可能是顯示數據，可能是曲線曲面，可能是圖像或聲音，但是，這些計算結果并不要求形成“閉環(huán)”，只要能輔助人進行決策就可以了。而今天，硬件范疇已經擴展到所有與電腦聯接的工業(yè)設備，軟件運行的結果是要用來驅動物理設備的，是要與物理設備形成“閉環(huán)”的（見下節(jié)論述），即物理設備的每一個細微動作都被感知到，都要通過傳感器反饋到軟件中，軟件根據物理設備的“此時此刻”的工作場景進行計算，根據內嵌的機理模型或推理規(guī)則進行決策，給出物理設備下一步的最優(yōu)化、最精準的動作指令。因此，軟件和芯片，與工業(yè)設備之間的關系就變得實時、緊密、并且是豐富多彩了。
 
軟件從驅動芯片運算、“軟件+芯片”驅動計算機外設運行，發(fā)展到“軟件+芯片”驅動工業(yè)物理設備及其數字孿生體精準運行，使得軟件對物理設備產生了強大的“定義”作用。
 
軟件定義，現在已經成為制造業(yè)的一種技術現象：軟件不僅定義了零件，定義了材料，也定義了產品，定義了工裝，定義了工藝，定義了裝配，定義了產線，定義了生產流程，定義了供應鏈，定義了產品使用場景，定義了產品維護與升級，定義了客戶，定義了銷售，定義了企業(yè)，定義了所有可以定義的一切。
 
4
真正兩化融合（軟件閉環(huán)）
 
比特擁抱原子，IT攜手OT，賽博融合物理，工業(yè)軟件給出的數字指令跨時空精準操控物理設備。
 
《三體智能革命》的“三體智能模型”中的兩個大循環(huán)給了我們很好的啟示：應該從知識發(fā)生和知識流動的基本作用上去重新認識軟件，認識今天的軟件為什么是“閉環(huán)”的。物理實體→意識人體→數字虛體→物理實體這個大循環(huán)已經清晰告訴我們，人類在過去幾十萬年與物理世界的相互作用過程中，積累了大量的認識世界、改造世界的知識。當從兩體（物理實體、意識人體）相互作用演變到三體相互作用之后，“兩體單一界面”的單調情況發(fā)生了巨大改變，變成了“三體三個界面”的復雜情況。
 
物理實體→意識人體→數字虛體→物理實體大循環(huán)，其實是特別重要的一個知識循環(huán)，既是軟件形成閉環(huán)，從常規(guī)軟件走向工業(yè)軟件的必由之路，也是軟件定義的內涵由來。
 
結合信息化百人會執(zhí)委安筱鵬博士在“軟件視角中的未來工業(yè)”一文中提出的觀點，作者給出了基于三體智能模型知識流動大循環(huán)實現軟件賦能與使能的邏輯閉環(huán)：物理世界運行→運行規(guī)律化（映射為人類意識活動）→規(guī)律模型化→模型算法化→算法代碼化（進入數字虛體）→代碼軟件化→軟件優(yōu)化物理世界運行（和人類行為），如圖3所示。
圖3 從三體智能模型到軟件定義模型
 
在圖3的邏輯閉環(huán)中，把人類在長期與物理世界交互過程中所積累的知識進行梳理與歸納，找到物理世界（包括材料、設備等）的運行規(guī)律，然后將這些知識數字化，基于工業(yè)軟件建立比特數據自動流動的規(guī)則，然后以自動流動的比特數據，把這些知識搭載、輸送到任何需要的地方，由此而以正確的、泛在的知識指導機器或人，在系統(tǒng)內外部的不確定性、復雜的工作場景和給定的資源限制下，通過不斷重復“狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行、學習提升”的智能過程，把正確的數據，以正確的版本，在正確的時間，給到正確的人和機器，因此而把事情一次做對，一次做優(yōu)，甚至可以在下次做得更好。（筆者1997年翻譯波音公司在DCAC/MRM項目資料，其中有“4個right”：right data，right version，right time，right person，由其原意編譯而成）
 
以人類知識進入數字虛體，以數字虛體作為軟件定義的基本內涵，強調今天的軟件與傳統(tǒng)的軟件所不同的“閉環(huán)”特征——以軟件定義的比特數據流精準地控制機器設備的形態(tài)和材料的微觀結構，是智能制造的核心內容。今天的軟件不再僅僅以輔助人類決策的身份出現，而是以自主的方式，超越人體/人腦，直接驅動物理設備運行。
 
軟件閉環(huán)，形成了真正的兩化融合，打造了智能制造/工業(yè)互聯網的使能技術CPS（賽博物理系統(tǒng)）。在軟件定義作用下，CPS可以精確控制每一個材料原子的位置和原子彼此之間的相對位置（晶格），精確控制每一個成型后的零件部以及各個零件之間的相對位置，精確控制每臺機器設備的運行動作、周期、時間和能耗等。這已經成為新工業(yè)革命最重要目的。
 
5
大范圍優(yōu)化配置制造資源
 
基于工業(yè)互聯網，實現多域而非單域、大范圍而非小范圍優(yōu)化配置制造資源。
 
在2017年11月27日國務院發(fā)布的《關于深化“互聯網+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯網的指導意見》中指出：“工業(yè)互聯網是以數字化、網絡化、智能化為主要特征的新工業(yè)革命的關鍵基礎設施，加快其發(fā)展有利于加速智能制造發(fā)展，更大范圍、更高效率、更加精準地優(yōu)化生產和服務資源配置，促進傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級，催生新技術、新業(yè)態(tài)、新模式，為制造強國建設提供新動能。”
 
在過去20年，企業(yè)實施了很多數字化/信息化改造項目，上了很多的企業(yè)信息化系統(tǒng)，但是其作用范疇，往往是“一廠一所一車間”，對制造資源的優(yōu)化配置局限在本地/本企業(yè)的小范圍內。對于需要大范圍配置優(yōu)化的制造資源，受限于嚴重的時空限制，往往沒有太好的解決方案。
 
工業(yè)互聯網就是為了在“更大范圍、更高效率、更加精準地優(yōu)化生產和服務資源配置”而生的新型工業(yè)網絡，是智能制造落地的關鍵基礎設施。工業(yè)互聯互聯網有助于讓企業(yè)去打破那道亙橫在物理世界與數字世界之間的看不見、摸不著、越不過的“墻”，突破了過去嚴重約束企業(yè)的時空限制。
 
工業(yè)云平臺是工業(yè)互聯網的初始階段和基本形態(tài)。將企業(yè)的研發(fā)工具、核心業(yè)務系統(tǒng)、關鍵設備等逐步運行在云上，可以在統(tǒng)一的云架構下，最大限度地方便了各個系統(tǒng)之間的集成，讓數據藉由云端而順暢、自動地流動在各個系統(tǒng)之間，促進彼此的互聯互通互操作，這樣不僅能有效提升運營效率，實施精細化管理，還可以在較大范圍內優(yōu)化企業(yè)資源的配置，由此產生經濟效益，全面提高企業(yè)的整體管理水平。現在絕大部分工業(yè)互聯網平臺都是安裝在私有云、公有云或混合云上。
 
當越來越多的工業(yè)要素進入到工業(yè)互聯網時，絕大多數供應鏈也將會變成工業(yè)互聯網的一部分。根據IBM發(fā)布的一份報告顯示，在“軟件定義供應鏈”大環(huán)境下，在工業(yè)互聯網平臺和工業(yè)APP的支撐下，確保運營和有成本競爭力的最低程度生產規(guī)模，平均比此前減少了90%，企業(yè)運營和管理成本大大降低。
 
藉由工業(yè)互聯網來大范圍聯接工業(yè)要素，已經取得了很多實實在在的成果：如青海國電綠能公司開發(fā)的“新能源行業(yè)工業(yè)互聯網平臺”在感知層每秒接入數據3600條左右，28座電站接入平臺，通過集中監(jiān)控實現“無人值班、少人值守”，為發(fā)電企業(yè)節(jié)約運行人員成本40%；優(yōu)也公司為山東某年產300萬噸鋼鐵企業(yè)實施了Thingswise工業(yè)互聯網平臺后，一年節(jié)省了4000萬人民幣；東方國信公司將國內的1000座煉鐵高爐中的310座接入了煉鐵大數據智能互聯平臺，降低冶煉能耗3%~10%，提升勞動生產率5%以上，減少安全事故60%；樹根互聯為某注塑機裝備制造企業(yè)實施根云工業(yè)互聯網平臺后，該廠的設備故障“發(fā)現-響應”周期從1小時以上降低到15分鐘以內，縮短響應時間75%，到達時間縮短50%，并且給客戶提供處理過程透明化提升客戶滿意度50%以上；曲靖卷煙廠基于華龍迅達公司木星工業(yè)互聯網平臺建設卷煙數字工廠，有效作業(yè)率從89%上升至96%，零備件庫存占用資金從1.2億/年降到0.38億/年，每100萬大箱比同規(guī)模企業(yè)成本少0.6億/年；北明智通公司為某乳業(yè)集團實施了智通工業(yè)互聯網，提升機臺效率15%，質量追溯由原來的數小時縮減到幾分鐘，質量分析有效性增加50%，車間統(tǒng)計巡檢人員下降50%、生產記錄勞動量減少80%，等等。

 

大范圍工業(yè)要素聯接，讓企業(yè)有了在大系統(tǒng)級別優(yōu)化配置制造資源的可能性，并由此而獲得了更好的企業(yè)管控能力，有力推動了企業(yè)的轉型升級。
 
6
小結
 
以智能為標識的新工業(yè)革命，為全球工業(yè)轉型升級帶來了空前的機會，提供了巨大的推動力，創(chuàng)造了無以計數的新技術、新模式和新業(yè)態(tài)，也產生了諸多的新工業(yè)時代特征。
 
根據筆者對多國新工業(yè)革命的數年觀察和耐心梳理，發(fā)現諸多的新工業(yè)時代特征，百條千條，都可以歸結為這五條：
 
 
① “人智”轉“機智”——人類知識不斷進入軟件，知識載體由以碳基知識為主轉向以硅基知識為主，數字生產力激增；
 
② 傳感器低價普及——傳感器為機器增添了“五官”，極大增強了機器感知能力，物理空間信息加速數字化；
 
③ 軟件定義制造——工業(yè)軟件成為機器的大腦，算法/算力急劇增加，軟件定義了材料/零件/系統(tǒng)的時空表現；
 
④ 真正兩化融合（軟件閉環(huán)）——比特擁抱原子，IT攜手OT，賽博融合物理，軟件給出的數字指令跨時空精準操控物理設備；
 
⑤ 大范圍優(yōu)化配置制造資源——基于工業(yè)互聯網，實現多域而非單域、大范圍而非小范圍優(yōu)化配置制造資源。
 
不厘清新工業(yè)革命的基本特征，就無法讓智能制造在企業(yè)落地。而清晰知曉上述五個基本特征，可以讓企業(yè)盡早駛入智能制造的快車道。
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