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三体视角的智能制造与软件定义制造
2016-12-19  来源:转载  作者:赵敏

      2016年12月6日,参数技术公司(PTC)2016年用户大会在上海隆重召开。大约1200人参加了此次大会。
    
      英诺维盛公司总经理、中国发明协会常务理事赵敏教授,应邀在本次大会上做了题为《智能制造与软件定义制造》的主旨讲演。赵总提出了“传统制造、现代制造、智能制造”的发展范式,并且以“三体智能模型”给出了软件定义制造的机理,指明了工业软件对智能制造的关键作用。
     
      
     
      英诺维盛公司总经理、中国发明协会常务理事赵敏教授
   
      
     
      
    
      女士们、先生们,大家上午好!从两年前开始,在工业领域的市场上就开始流行一些新的术语:工业4.0、工业互联网、互联网+、智能制造、智能工厂、智能硬件、机器换人、无人车间、黑灯车间等等。术语的层出不穷,不仅代表着业界的思考,技术的进步,也预示着工业体系的转型。
     
      
     
      最近几十年,各国的工业体系都经历了一两次转型。在苏联解体、冷战结束之后,庞大的美国军火工业体系,突然变成了产能过剩,于是美国的国家工业化与信息化体系开始转型。
    
      十年后,中国的国家高层也认识到了这个问题,先后提出了多个“两化融合”的国家工业化与信息化战略。伴随着美国推出先进制造合作伙伴计划(AMP)、德国提出工业4.0,中国政府在去年和今年,先后发布了两个非常重要的国务院28号文件,提出了“中国制造2025”和“制造业与互联网深度融合”的工业发展战略。综合美国、德国、中国以及很多工业发达国家频繁推出的工业战略来看,我的观点是,我们在座的各位应该充分意识到,全球的工业体系,现在已经开始转型了!
    
      
   
      工业的核心从来离不开制造。制造的定义伴随时代的变化有所调整,但是其核心内容一直没变。所谓制造,就是按照一定的方式方法,把原材料加工成为某种产品的过程。
    
      
   
      从制造的起点来看,现在能够看到最古老的人工制造物,是在肯尼亚图尔卡纳湖边发现的、具有330万年历史的“切削器”。
   
      劳动创造了人。人不断通过制造得心应手的工具而改善自己的生活环境,同时工具提升了劳动的效率,又不断地推动人的进化。
   
      大约在2万年前的石斧,已经是经过人工打磨、具有多个零部件组成的一个人造系统了。前些年,人们还在希腊发现了“安蒂基西拉机器”,这已经是由好几十个零部件组成的、可以用于观测和定位的复杂仪器了。
    
      
    
      从过去到今天,制造的基本内涵并没有实质性的改变,都是要用各种原材料做出来一堆零部件,然后把它们组装在一起,以实现某种人们期待的、客户满意的、能够给企业带来效益的人造系统——产品。两千多年前的安蒂基西拉机器如此,今天的苹果的电脑也是如此。
   
      
    
      如果抛开古老的原始制造不谈,仅仅从工业革命开始发端的近300年算起,这期间技术不断变革,材料不断丰富,工艺不断进步,产品的形态也不断变化。于是,我认为,制造业的发展范式,已经从三百年前的传统制造,发展到了今天的现代制造,未来还必将发展到智能制造。
    
      
    
      
    
      传统制造阶段大约是在270年前~上个世纪80年代,现代制造阶段大约是上个世纪70年代~今天,而对智能制造的研究,实际上上个世纪90年代初就开始研究了,但是直到今天仍然在探索和尝试之中,正待普及推广。
中国制造2025,实际上是瞄准了智能制造作为中国制造业的长远发展目标。未来,2025、2035、2045这三个10年,是中国的智能制造的三大进阶发展阶段。
   
      三个范式的划分,它们之间是互有重叠的,彼此是渐进过渡的,是很难划分其起点和终点的,不是哪一天就突然变成了另一个制造范式。我只是给出了大致的阶段划分,例如我们今天就处于在现代制造的后期阶段,同时正在向着智能制造的早期阶段过渡。
     
      
  
      在大约100年前,研发人员设计汽车时,就是这样的场景,一群设计人员趴在绘图板上,图纸是传递设计信息的媒介,物理样件是评估产品的对象,研发周期是串行的,冗长的,这是典型的传统制造范式。
   
      大约从上个世纪70年代开始,人们开始使用计算机来做设计,还是这样一间大屋子,还是一大群设计人员,但是,他们的绘图板已经换成了计算机CAD软件,最终产品评估的对象也从物理样机变成了数字样机。图纸还是传递设计信息的媒介,只不过纸质图纸变成了数字化图纸。这种现代设计范式,让研发周期明显缩短,研发效率大为提高。
    
      未来十年,人们可能在更先进的VR/AR-CAD软件中做设计,随意造型,实时调整,高度协同,传输设计信息的可能就不是图纸了,而直接是全息的三维甚至是四维数字模型。在车间里,基于CPS的智能制造模式,让所有的零部件和设备的背后都附加了数字映射的数字虚体,所有的产品、设备和过程数据都可以高速、有序且自动流动。由此而消除制造过程中的不确定性。这就是我们期待的智能制造范式。
     
      
    
      因此,人们很快就会意识到,我们已经从过去的串行的研发/制造过程,发展到今天的并行的研发/制造过程,未来必将发展到以产品为核心的、完全是设计生产销售一体化的智能制造过程。智能制造过程一定是一体化的,所有的过程是并行、并发的,各个环节高度互动和协同,组织是灵活动态的组织单元,数据可以高速、有序地自动流动,由此而获得非常高的研发效率。海尔从三年前就已经开始采取了类似的模式,他们将8万多人的大机构分解成2000多个自主经营体,由此而获得了极高的运行效率。
    
      当企业的组织边界日益模糊,流程重构,部门日趋组织化甚至自组织化时,我们应该清醒地意识到,制造范式开始转型了!
    
      
    
      
    
      机器、设备、工具和技术属于生产力的范畴,而与之相适应的是管理制度、岗位设置、政策法规、标准规范等生产关系的范畴。生产关系永远制约生产力,但是当生产力持续发展并且逐渐增长时,会对生产关系产生反作用,即生产关系会产生缓慢的、但是不可逆的变化。生产关系的变化,必然引发新工业革命,同时引起工业体系的转型。
    
      
   
      当企业的产品、组织和管理模式日益复杂,会带来企业内部的高度不确定性,当客户需求、合作伙伴和供应链不断发生变化,会带来企业外部的高度不确定性。美国国家标准与技术研究院给出了他们认为的智能制造的定义。
   
      我认为,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,会带来更多、更大的变数。
    
      
    
      而企业的制造系统如何能够自动地、自治地来适应企业内外部的各种变数,对外及时、恰当地响应外部不确定性,对内尽量消除内部不确定性,是衡量一个企业的研发与生产系统是否智能的重要标志。由此,经过深入研究,我给出了智能制造的新定义。
    
      
    
      谈及智能制造,首先要理解的是“智能”二字。我和其他8位专家一起,合写了一本书叫做《三体智能革命》。在这本书中,我们给出了智能的基本定义,这个定义是在对很多个智能定义的深入研讨和筛选的基础上得出的,是具有哲学意味的、比较顶层的定义。其他的智能定义应该跑不出这个“圈”去的。
    
      
    
      “智能本质是一切生命系统对自然规律的感应、认知与运用”。而生命系统,并非仅指生物意义上的生命系统,而是泛指一切有生命周期的事物。我们作者群体认为,世间万物皆有生命。但是,世间万物可以分为三种不同类型的“体”。
     
      第一体是物理实体,不仅指自然界的山川土石,地月恒星,而且也指那些没有数字化装置的早期的物理设备,即大家常说的“哑设备”。第一体可以简称为“物”;
       
      第二体是意识人体,自从大约300多万年前智人诞生,一直到20万年前走出非洲。今天是智人统治了地球,占据了生物链的顶端。因此我们用人来代表所有的生物。第二体可以简称为“人”;
   
      第三体是数字虚体,存在于60多年前诞生的电脑等硬件和网络设备中,它是一种高级数理逻辑系统,其基本构成要素是二进制的0和1,这些0和1组成的代码可以以指令的形式控制物理实体。在电脑中,人们可以开发出各种虚拟的、存在的或者是根本不存在的数字事物,可以仿真我们的任何形式的产品。为了简化起见,第三体也可以简称为“网”。
     
      
    
      在没有电脑之前,是一个两体世界,彼此间只有一个界面PCS,人类的意识人体天天与物理实体世界打交道,认识其自然规律,累积经验知识,并且用这些知识改造物理世界。当然,如果改造不好的话,自然界也惩罚人类。
   
      但是,当电脑面世后,事情就变得稍微复杂了一些,数字虚体开始与物理实体和意识人体交汇和融合。原来的两体世界现在变成了三体世界,而且产生了三个彼此交互的界面。数字虚体和意识人体之间也开始交汇,脑机接口、机脑接口都已经在快速发展之中,现在已经可以下载猴子的大脑记忆。
    
      在数字虚体和物理实体之间,我们经常听到的CPS(赛博-物理系统)界面出现了。CPS的基本逻辑,就是这一页PPT中的介绍。
        
      
    
      由此,我们必须对智能做出一个定义。我们认为,应该有一个对智能的比较宏观的、一般化的描述。人造智能这个术语就被我们在《三体智能革命》中介绍给读者了。我们认为,人造智能,是由源于制造领域的、基于科学效应所形成的工业智能,源于计算机信息科学领域的人工智能,以及源于其它领域(如生物领域)的智能等共同组成。
   
      顺便说一下,我比较反对某些专家的观点,他们说“智能制造中的智能,就是人工智能”,这句话是片面的,不准确的。现在人工智能还远远没有进入工业领域,我们工业领域中的那么多具有一定的智能的系统是怎么来的?其实,工信部原副部长杨学山在前不久的一次讲演中就说过,工业界的所有的自动化系统都是智能系统。我非常赞同这个观点。
   
      实际上,凡是利用了科学效应的自动化系统,都是初级智能系统。例如我们这个会场头顶上的自动喷淋灭火装置,大家可以看到上面有一个有着红色液体的小玻璃管,那些红色液体是酒精。当其下方的温度达到摄氏七十多度时,酒精玻璃管就会自动炸裂,水就会喷淋下来。而酒精遇到高温膨胀,就是一个科学效应。
      
      
    
      既然不同的系统具有不同程度的智能,我们就需要对智能系统进行判断,进行分级,这样才能比较准确地描述人造系统的智能程度。
    
      
    
      这是在业界广为流传的“20字箴言”,是判断智能系统的五大特征。每个特征4个字。其中,前四个特征16个字,是以宁振波为首的中航工业集团的专家们归纳出来的,最后一个特征4个字,是我本人补充的。由此而形成了比较完整的判断依据。
     
      
    
      
    
      
   
      
   
      
    
      当我们清楚了智能制造的基本定义和如何判断智能系统之后,我们还需要对软件做一定的深入理解。因为智能制造的发展离不开软件,智能制造的核心技术离不开软件,特别是工业软件。
    
      我们一定要认识到,软件是人类知识的数字化的结果。在工业软件中,基本上沉淀了工业界的所有的优秀的知识积累。
    
      
    
      软件是怎么驱动设备工作的?不管用任何一种计算机语言编程,最终都是把计算机语言解释成汇编码,汇编码解释成机器码,机器码就是一组、一组的0和1的代码,可以以指令的形式驱动显示设备显示图像,或让其它物理设备中的致动器发出动作。
    
      
     
      我认为软件是一种赋能体系,即软件加上原有的事物,会产生新事物。其基本的逻辑如信息化百人会执委安筱鹏博士所论述的,关键在于建立了一套赋能体系。
    
      如图所示,在物理世界中,我们意识人体认识倒了两个字:“规律”;而规律在意识人体中最终也变成了两个字:“知识”,其体现形式是规律的模型化和模型的算法化;在数字虚体中我们也认识了两个字:“比特”或者“数字”,所有的算法等知识,被数字化,代码化,成为建立了数据流动规则的软件,而软件的运行又优化、创新了物理世界。
   
      其实,如果用三体智能模型的三个圆圈来看,这就是一个完美的三体交汇的场景。因此,智能制造,就是用软件中的数字化的人类工业知识,来不断优化物理世界中的资源配置的制造过程。
     
      
    
      在第三次工业革命中,作为机器中的新的组成部分,软件登场了。
    
      
    
      
    
      过去,要修改机器很不容易,因为机器是零件定义的。零件一旦做出来,就是这个形态了,非常刚性,难以修改。无论你想怎么修改一下机器的功能,都要重新设计和加工某些零部件。非常麻烦。
   
      而在软件的支撑下,今天的机器,或许只要更换或升级一个软件的版本,甚至只是修改几行源代码,机器的功能可能就修改了。这就是软件定义机器的奥妙之处。因此,凡是能够嵌入软件的机器,都是功能比较先进、比较复杂而且可以经常调整功能的机器。如果没有软件的支持,这是根本做不到的。
    
      
   
      制造业中的三大阶段是设计、制造和试验。现在的先进制造范式已经初步实现了可以基于CPS,在数字虚体(Cyber)中,先把该做的模型做好,该仿真的结果仿精确,该布置的工艺布置好,然后才进入到物理上的生产线去进行制造,制造出来的产品在物理的试验设备上去做实验,做数据统计分析等。
   
      当越来越多的制造环节都有了CPS的支持,当每一个产品、设备、流程都在数字虚体空间有了自己的“映像”之后,企业各种系统内外部的不确定性就可以大大消除,制造过程就可以最大限度地“智能”起来。
     
      
    
      数字虚体中的产品,往往都有自己的数字化映射(DT),这是PTC公司的术语定义。通常,DT也翻译作“数字孪生”。
     
      
   
      
    
      任何一个零件,其实都有三种状态,物理实体状态,数字虚体状态,意识人体状态。在三种状态之间,数据、信息和知识在不断地流动和优化。理解清楚了这一点,对于我们从理论的高度来搞好智能制造,是非常有帮助的。
      
      
   
      
   
      
  
      
   
      
   
      
   
      
    
      不管是什么样的数据,结构化的,非结构化的,大数据,尤其是工业大数据,凡是人处理不了的数据,都需要软件来处理。有些甚至是一般软件都处理不了的,需要特殊的工业大数据软件来处理。因此,只有在工业软件的语境下,大数据才显示出其巨大的、战略资源级的重要作用。我比较不太同意夸夸其谈地在不提及软件的情况下来奢谈大数据,似乎听着神乎其神,说得很有道理,但是,我的观点是:没有软件,大数据什么都不是。
     
      
    
      
    
      软件是实现智能互联的使能器,未来必将是万物互联。而实现万物互联的前提,是软件深入到社会的方方面面,进入到物理实体的每一个角落。未来,必然是网络泛在,软件泛在,数据泛在,知识泛在。人们可以像使用水、电、燃气一样,来使用网络,使用知识。而这一切的背后,都有软件的功劳和赋能。
    
      
    
      下面,给大家设想一个智能制造的未来场景。
    
      
    
      当达到这样的智能制造的场景时,社会上的很多事物都会随之发生变化,几乎所有的工人和职员都可以分散在家工作。上班不需要朝九晚五,因此道路上就不会堵车了,房子也都是一个价格了,因为房子不再有所谓的“位置”优势,只有一个居住的功能了。由此,整个社会的很多方便都会发生深刻的变化。
  
      
    
      今天,工业软件遇到了最好的发展机会!
     

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