智能制造与软件定义制造

发布时间：2017-09-13 作者：e-works整理来源：e-works

关键字：智能制造软件定义

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2017年9月2日，以“软件定义制造，融合驱动创新”为主题的2017（第二届）工业软件与制造业融合发展高峰论坛在北京辽宁大厦隆重召开，著名智能制造专家、中国发明协会常务理事赵敏在论坛上作了《智能制造与软件定义制造》的演讲。本文根据演讲内容整理而成。

二、三个制造范式递进共存

工业革命近三百年，人类在不断改进工具，改变制造资源，这些变化造就了不同的制造范式。制造范式是在一定时期、在特定技术条件下，对制造业价值观、方法论、发展模式和运行规律的认识框架。

在不同的历史时期必定有着不同的制造范式，包括传统制造、现代制造、智能制造，并且制造范式之间并不是一天就能切换过来，而是一个渐变的过程，因此不同的制造范式长期并存是基本国情。

图4 三个制造范式长期并存是基本国情

早期的传统制造范式，是设计师趴在绘图板上、以纸介质的图纸为基础进行产品设计制造，以物理样机作为驱动。到了现代制造范式，也就是当前我们所处的时代，制造资源、制造方式发生了天翻地覆的变化，甩掉了图板，在电脑上通过CAD来画图，对产品进行创新设计，以数字化图纸作为信息的传递，以数字化样机加数字仿真技术作为了驱动方式，来验证产品的可装配性、可靠性等。到了智能制造时代，将不再需要绘图板，而是在AR/VR技术、基于模型的系统工程等技术的支撑下，以“数物融合”的方式来开发、验证和驱动产品。

在技术的驱动下，整个研发流程也在不断的发生变革。从早期的以图纸为基础、物理样机为驱动的传统制造，是有限互动的方式，并且从产品全生命周期早期的需求分析到后期的销售服务的研发流程也是串行的，必须做完一个业务活动才能开始做下一个业务活动，效率极低。到了下一个阶段现代制造，出现了CAD、PDM、ERP等软件，开始了并行工程，在产品生命周期早期阶段，在需求分析进行到一定阶段，就开始做需求分析、研发设计、工艺工装设计等，如此类推，总之即把生命周期后期的各项业务活动尽最大可能地并行交叉进行，以缩短产品研发周期，提高效率。

未来怎么走？其实海尔刚才所演讲的关于大规模定制平台给了我们一定的思路，即从庞大静态的团队，到一体化、灵活动态的组织单元，是一种新型的生产关系、生产组织方式。在这种模式下，是以工业软件、网络、工业云等作为支撑，以产品为核心，不仅是产品生命周期各阶段业务活动的并行，而且完全是并发一体化，多组织、多单元，高频互动，随时动态重组、数据自动流动的模式，这是未来智能制造的发展趋势和方向。

尽管不同时期的制造范式在发生变化，但不管新旧工业体系怎样去变化和交替，我们应该清醒的认认到什么变了？什么没有变？特别是当前工业4.0、智能制造等还没有一个确切的概念、说法，更应该清晰地明确制造的实质。我们应该认识到，变化的是用什么样的方式、方法、制造资源完成制造过程，而不变的是追求制造的高效率、高质量、高客户体验满意度、低成本（我称之为“三高一低”）、环境友好。

图5 制造范式变了，研发流程也在发生变革

三、深入理解智能制造

在谈智能制造之前，首先要谈的是确定性，这是工业界追求的目标。制造的本质是降低复杂系统的不确定性，因此在工业革命早期对产品有一些强制的标准，例如要求枪支的零件尺寸准确、可以互换，使用上长期稳定、适用各种自然环境，例如要求产品质量、设备状态高度稳定，订单、供应链减少异常变化等。

但是随着客户需求的变化和市场的变化，面临的情况是什么呢？很多不可控的外部变化带来的异常多的不确定性。首先是产品本身越来越复杂所带来的不确定性，复杂的工业产品包括数万~数百万~数千万零部件数量，由机、声、热、化、电、磁、软、硬、网等一体化组成。可以说，复杂的产品与简单的产品是完全不同的概念，从原材料到制造方法等完全不具备可比性，一件百十来个零件的西服与上万零部件的航空发动机，其不确定性不可同日而语。

其次是，定制化生产的复杂性带来了不确定性，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。还包括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，供应链的不确定性也是最复杂的，市场的变化、原材料的涨价等因素都会影响供应链。福特公司早年间曾经对供应商有这样一个要求，每年降3%的价格，第一年降了，第二年降了，但是到第三年供应商的价格已经降到极限了，于是开始偷工减料，如轮胎供应商就把轮胎里的经线、纬线去掉一两根钢丝绳，第四年再去掉几根，最后导致福特用户出现刹车爆胎的安全事故，赔偿了几亿美元。

什么是智能制造？这是见仁见智的事情。当前能看到的智能制造的定义我搜集了大概有二三十个版本，大家对智能制造有不同的理解，最常见的，是照抄并改写日本人在1990年给出的“IMS”的定义，即“智能制造是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。”

其它还有“美国版”，“日本版”之升级版，“新技术+范畴”版，“模型+利润+服务”版，“差异性+变更”版，“模式+效益”版，“不确定性+资源配置”，“融合+范围+自XX”版，等等。详细的情况介绍大家也可以看我今年写的《智能制造之我见》的文章。

根据美国国家标准与技术研究院NIST对智能制造的理解，智能制造是下一代的制造范式，它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，并整合各种技术力量，适应快速变化，优化能源和资源的使用，提升产品质量。

我去过两次波音，也去过空客考察，从他们那里知悉，飞机就是典型的客户化定制产品，世界上民用飞机没有任何两架是一样的，每一架飞机都有自己的一套维护手册，零部件数量几百万，生产周期长，做着做着，技术和需求就都变化了，因此每家客户对每一架飞机都有不同的需求。所以面对这样复杂的需求和庞大的零部件等，如何让整个系统能够自适应内外部的各种变数，根据工作场景最优化配置制造资源，是衡量一个企业的研发与生产是否“智能”的重要标志。

因此，根据我个人的理解，以及结合工信部信软司安司长的定义，我对于智能制造的定义是：“基于CPS（赛博物理系统）与软件定义技术构建‘状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升’的数据闭环，以软件形成的数据自动流动来消除复杂系统的不确定性，在给定的时间、目标场景下，优化配置资源的一种制造范式。”

具体来说，该定义包括了以下要素：

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。

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