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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，我國著名的教育家、智能制造專家，華中科技大學(xué)老校長楊叔子院士駕鶴西去，永遠(yuǎn)離開了我們。楊叔子院士不僅是我國智能制造領(lǐng)域的開創(chuàng)者，也是我國高校人文素質(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，深深體會到楊叔子院士偉大的預(yù)見性，故撰此文，回顧這篇我國智能制造領(lǐng)域開山之作的精彩內(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，教過我們《信號處理技術(shù)》，近年來從事分布式數(shù)據(jù)庫研究與產(chǎn)業(yè)化工作。距今雖然已過去30年，但這篇論文對智能制造技術(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、存在的問題、研究方向與課題，邏輯清晰，言簡意賅，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，面對批量小、品種多、質(zhì)量高、更新快的產(chǎn)品市場競爭要求，以及各種社會因素的綜合影響，制造過程的自動化程度提高面臨眾多問題，而通過集成制造技術(shù)、人工智能等而發(fā)展起來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)對挑戰(zhàn)。制造過程的核心問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)的各個環(huán)節(jié)以一種高度柔性與高度集成的方式，通過計算機(jī)模擬人類專家的智能活動，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；并對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，未來工業(yè)生產(chǎn)的基本特征應(yīng)該是知識密集型，制造自動化的根本是決策自動化。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集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)、機(jī)器人視覺和機(jī)器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進(jìn)行建模，以使智能機(jī)器能夠在沒有人工干預(yù)的情況下進(jìn)行小批量生產(chǎn)。
論文分析了CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）與IMS的關(guān)系，指出CIMS強調(diào)企業(yè)內(nèi)部物流和信息流的集成，而IMS強調(diào)更大范圍內(nèi)的整個制造過程的自組織能力。集成是智能的基礎(chǔ)，而智能也將反過來推動更高水平的集成。
論文強調(diào)，國內(nèi)在當(dāng)時已開發(fā)出眾多類型、水平各異的面向制造過程中特定環(huán)節(jié)、特定問題的“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)隊在國家自然科學(xué)基金委員會1988年組織的“機(jī)械制造的未來”研討會上首次探討了“智能制造”的研究問題，并密切關(guān)注國際研究動態(tài)。
論文的第一部分最后強調(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代走向智能時代面臨的重要任務(wù)。
二、智能制造的三個核心要素
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)過程的社會群體）和經(jīng)濟(jì)（包括市場競爭和社會競爭）三方面因素的制約。
論文指出，從技術(shù)角度來看，推進(jìn)智能制造需要解決的突出問題是產(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；人的因素對現(xiàn)代生產(chǎn)的自動化程度有著關(guān)鍵作用。從經(jīng)濟(jì)因素來看，IMS系統(tǒng)強調(diào)全面提高制造過程的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，幫助企業(yè)提高市場競爭能力。發(fā)達(dá)國家普遍存在勞動力成本昂貴的問題，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)國家不再依賴發(fā)展中國家的廉價勞動力。因此，我國要開發(fā)出具有自身特色的IMS，方能在21世紀(jì)制造業(yè)的競爭中爭得更多的機(jī)會。這段論述體現(xiàn)出楊叔子院士早在三十年前，就意識到推進(jìn)智能制造是我國提高制造業(yè)國際競爭力的必由之路。
論文特別提到開發(fā)企業(yè)的“銷售智能”，這體現(xiàn)出楊叔子院士非常強調(diào)智能制造要幫助企業(yè)解決實際問題，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、知識庫系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能機(jī)器的設(shè)計，以及制造中人的因素六個方面。
論文指出，IMS強調(diào)面向整個制造過程的系統(tǒng)和各個環(huán)節(jié)的智能化，有必要研究IMS的設(shè)計策略和開發(fā)環(huán)境（包括開發(fā)語言、操作系統(tǒng)和開發(fā)工具等）。
論文特別強調(diào)智能制造單元技術(shù)的集成，具體包括并行智能設(shè)計，生產(chǎn)過程的智能調(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)，制造過程與系統(tǒng)的智能監(jiān)視、診斷、補償與控制，以及生產(chǎn)與經(jīng)營管理的智能決策系統(tǒng)。
在智能機(jī)器的設(shè)計方面，論文特別強調(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)器的視覺和機(jī)器人控制兩個方面，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)；未來制造環(huán)境的設(shè)計，研究人在未來制造環(huán)境中的地位和作用，以及未來舒適友好的制造環(huán)境的設(shè)計；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)智能制造對我國制造業(yè)提升國際競爭力的戰(zhàn)略價值進(jìn)行了深入論述，對我國制造業(yè)發(fā)展和智能制造推進(jìn)具有里程碑意義。
事實上，我國從2001年加入WTO到2010年成為全球制造業(yè)第一大國，再到近年來在軌道交通、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年開始，我國全面推進(jìn)智能制造示范工程，“十四五”規(guī)劃將智能制造作為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，建設(shè)制造強國、質(zhì)量強國的主攻方向，這充分體現(xiàn)出楊叔子院士的遠(yuǎn)見卓識。
e-works一直認(rèn)為，智能制造是一個復(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，而是整個制造業(yè)價值鏈的智能化；不僅是單一制造企業(yè)的智能化，更是整個供應(yīng)鏈上下游企業(yè)之間協(xié)同的智能化。這一點，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題。在二十年的智能制造服務(wù)實踐中，e-works一直強調(diào)，制造企業(yè)還存在信息孤島、自動化孤島、信息系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)的斷層，甚至云孤島和多學(xué)科設(shè)計之間的孤島等問題。這個問題在楊叔子院士三十年前的文章中就已明確指出，足見大師的前瞻性。正是為了解決智能制造相關(guān)軟件的集成和互操作問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)過多年不斷完善，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)與自動化系統(tǒng)的斷層，實現(xiàn)IT/OT融合。
時至今日，我們?nèi)匀徊粩鄰娬{(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調(diào)要重點研究并行智能設(shè)計；生產(chǎn)過程的智能調(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)；制造過程與系統(tǒng)的智能監(jiān)視、診斷、補償與控制；以及生產(chǎn)與經(jīng)營管理的智能決策系統(tǒng)。事實上，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)測性維護(hù)，AI質(zhì)檢以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能決策，正是當(dāng)前智能制造領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點。
在智能制造推進(jìn)過程中，還存在諸多誤區(qū)，例如片面強調(diào)全自動化，追求“黑燈工廠”，而忽視人的要素。實際上，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)鏈提升市場競爭力，不能單純強調(diào)技術(shù)的先進(jìn)性。先進(jìn)性與實效性相結(jié)合，注重人的能動作用，積聚經(jīng)驗與知識，實現(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。近年來，我國智能機(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)器視覺的智能機(jī)器人在零件無序抓取，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)自動化產(chǎn)線集成商發(fā)展迅速，有力支撐了我國鋰電、光伏等行業(yè)的蓬勃發(fā)展。
楊叔子院士的論文強調(diào)推進(jìn)智能制造的人才培養(yǎng)，在這方面，e-works已開展了長期實踐，每年都舉行上百場過線上線下的專業(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。
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，實現(xiàn)人與機(jī)器的高效協(xié)同，工廠設(shè)備的高效運作，按期交付成本合理、質(zhì)量合格的產(chǎn)品，實現(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、個性化的需求，幫助制造企業(yè)構(gòu)建差異化競爭優(yōu)勢，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
文章來源： e-works 黃培博士
