國家信息化專家咨詢委員會常務(wù)副主任周宏仁日前撰文談到智能制造發(fā)展的三個階段,認(rèn)為智能制造的演進(jìn)要經(jīng)歷數(shù)字化起步、網(wǎng)絡(luò)化崛起、智能化發(fā)展三個階段。如果制造業(yè)的智能化上不去,中國國民經(jīng)濟(jì)的脊梁就不夠堅實。
中國這幾年信息化的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)很多概念和熱點,從云計算到物聯(lián)網(wǎng),智慧城市到大數(shù)據(jù),到現(xiàn)在的人工智能這一波熱浪。這些熱浪一定要落地下來,為制造業(yè)服務(wù)。對于中國人工智能的發(fā)展而言,最重要的問題還是要解決中國的制造業(yè)發(fā)展問題。如果制造業(yè)的智能化上不去,中國國民經(jīng)濟(jì)的脊梁就不夠堅實。
首先需要理解,什么是智能制造?按照百科定義,智能是指獲取知識和技巧一種能力。而“人工智能”現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一定義。這個概念,早在1952年就由圖靈提了出來?,F(xiàn)在,很多人把人工智能的解釋,句子越來越長,講的越來越復(fù)雜,最后大家都搞不清楚到底什么是人工智能了。其實,人工智能簡單地說,就是人賦予機(jī)器的職能。具體地說,就是通過計算機(jī)的硬件和軟件,尤其是各種軟件,給機(jī)器賦予了智能,讓機(jī)器可以感受環(huán)境,意識到環(huán)境的變化,進(jìn)一步為決策者提供建議,拓展了人的智能,甚至在事前授權(quán)的情況下自主做出決定。
如果說智能是指獲取知識和技能的一種能力的話,無可否認(rèn)的是,正是這些計算機(jī)輔助系統(tǒng)和工業(yè)軟件為制造業(yè)帶來了智能。因此,智能制造,簡單地說就是計算機(jī)制造,無需加上太多的修飾和太復(fù)雜的定義。
電腦比人腦更強(qiáng)大之處,不完全在于其強(qiáng)大的計算能力和存儲量,關(guān)鍵是其中運行的軟件。如果沒有軟件,計算機(jī)也就是一堆金屬塑料。以此為基礎(chǔ),可以看看制造業(yè)信息化的發(fā)展,實際上也可以理解智能制造演進(jìn)的三個階段。
“四化一造”看工業(yè)信息化
制造業(yè)信息化的發(fā)展,主要是圍繞著企業(yè)的業(yè)務(wù)運行而展開。首先是企業(yè)內(nèi)部信息化,見圖1。這包括“四化一再造”,也就是研發(fā)信息化、產(chǎn)品信息化、生產(chǎn)信息化、管理信息化以及業(yè)務(wù)流程和組織再造。其中產(chǎn)品信息化,主要是指帶有嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品,其復(fù)雜程度各不相同。理解產(chǎn)品信息化,對理解當(dāng)下的智能制造,非常重要。
與此同時企業(yè)還有一個上游供應(yīng)鏈和下游社會關(guān)系的問題,上游包括原材料、零部件、裝備和人員招聘等,下游則與銷售、銀行、客戶關(guān)系等相關(guān)聯(lián)。這些屬于企業(yè)的外部信息化問題。
企業(yè)的內(nèi)部業(yè)務(wù)和外部業(yè)務(wù),構(gòu)成了企業(yè)信息化最基本的內(nèi)涵。企業(yè)信息化最早就是從數(shù)字化開始的。計算機(jī)剛剛發(fā)明的時候,本來是做科學(xué)計算的,很快就被用來做業(yè)務(wù)處理,提升管理效果。這是一個從下往上發(fā)展的過程,開始是做一些數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),如財務(wù)管理,包括一些統(tǒng)計報表處理;隨后,逐漸上升到管理層,也就是開發(fā)管理信息系統(tǒng)(MIS),從財務(wù)管理、人事管理,到生產(chǎn)管理,一層層往上走;最后,上升到了決策層和開發(fā)決策信息系統(tǒng)(DSS)。企業(yè)信息化,一開始就是處在數(shù)字化時期。
數(shù)字化起步
然而,利用計算機(jī)來改造企業(yè)的生產(chǎn)裝備,實際上比管理信息系統(tǒng)起步還要早。1952年,即商用電子計算機(jī)發(fā)明的第二年,美國就有一家公司設(shè)計了一套數(shù)控裝置,開發(fā)了第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床。盡管這個銑床體積很大,造價也很高,但是開辟了一個數(shù)字控制的新時代。1958年,美國研制出第一臺加工中心。這意味著,計算機(jī)改變制造業(yè)的時代,正式拉開了帷幕。隨后,隨著第一個微處理芯片的發(fā)明,各種各樣、數(shù)以億計的嵌入式系統(tǒng)開始嵌入到各種裝備、各種產(chǎn)品當(dāng)中去。制造業(yè)開始走向以數(shù)字制造技術(shù)為核心的計算機(jī)控制時代,當(dāng)時國內(nèi)叫做機(jī)電一體化。“機(jī)電一體化”這個提法沒有完全點到問題的本質(zhì),那就是計算機(jī)控制。
可以看到,計算機(jī)系統(tǒng)很早就開始賦予各種制造裝備以智能。如果按照前面智能的定義的話,那么智能制造這個問題,可以說很早就被提出來了。在整個信息化對制造業(yè)的改造過程當(dāng)中,是工業(yè)軟件支撐了企業(yè)數(shù)字化的發(fā)展,扮演了一個非常關(guān)鍵的角色。
最近電視臺有一個關(guān)于中國制造業(yè)的討論會,其中,關(guān)于“中國制造業(yè)還有什么不能制造?”的問題,提了十個方面,唯獨沒有提到工業(yè)軟件。殊不知,中國制造業(yè)體量世界第一,占世界制造業(yè)的份額20%強(qiáng),但是,中國的工業(yè)軟件現(xiàn)在90%以上依靠進(jìn)口,稍微復(fù)雜一點的,都不是國產(chǎn)。而且,中國工業(yè)軟件的市場份額,僅占世界工業(yè)軟件市場份額的1.7%。一個20%的制造業(yè)大國只占1.7%的份額,足以說明中國工業(yè)的“體質(zhì)”太弱。看上去,大家對于這個問題的認(rèn)識,還是存在著比較大的偏差。
其實早在上世紀(jì)70年代,就可以看到數(shù)字化對傳統(tǒng)工業(yè)的改造蓬勃發(fā)展。特別是在1974年,第五代使用微處理芯片和半導(dǎo)體存儲器的計算機(jī)數(shù)控裝置研制成功以后,從生產(chǎn)裝備的角度來看,發(fā)展非常迅速。拿數(shù)控機(jī)床來講,從一軸到三軸到五軸到七軸,對基于信息化的工業(yè)化產(chǎn)生了革命性的影響。還有各種各樣的計算機(jī)輔助系統(tǒng),從輔助制圖CAD、到計算機(jī)輔助工程仿真CAE、到計算機(jī)輔助制造CAM等,都對制造業(yè)的現(xiàn)代化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,完全改變了人們對現(xiàn)代化的工業(yè)化的認(rèn)識。
后來,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了全三維數(shù)字化和數(shù)字仿真。工業(yè)數(shù)字化向高端方向發(fā)展。企業(yè)從接訂單開始,一直到最后的產(chǎn)品交付,全流程完全依賴計算機(jī)軟件的控制和支撐。
網(wǎng)絡(luò)化崛起
上個世紀(jì)90年代初互聯(lián)網(wǎng)開始在全球普及,企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化隨之也快速發(fā)展。在互聯(lián)網(wǎng)沒有普及應(yīng)用之前,基本上所有的企業(yè)都是采用客戶服務(wù)器(C/S)的架構(gòu),但客戶服務(wù)器只能解決本地域的聯(lián)網(wǎng)問題?;ヂ?lián)網(wǎng)興起之后,異地可以聯(lián)網(wǎng),企業(yè)也很快開始走向網(wǎng)絡(luò)化。
除了應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)之外,企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化有兩個主要的方向,一個就是內(nèi)部網(wǎng),將企業(yè)內(nèi)部各個部門和下屬單位所有的信息系統(tǒng)全部連在一個網(wǎng)上,不管這些部門是在北京,還是在印度或墨西哥。這樣極大地提高了企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)的運行效率和有效性。當(dāng)然,只是實現(xiàn)了信息和數(shù)據(jù)的交換,還沒有做到智能化。
另外一個是外部網(wǎng)。企業(yè)的外部聯(lián)系,全部通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行。也就是說,把企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的一部分向外部合作單位開放,求得橫向打通。比方說生產(chǎn)汽車的,會把生產(chǎn)計劃向上游的座椅工廠開放,后者可以進(jìn)入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),了解相關(guān)部門的生產(chǎn)進(jìn)度,以便準(zhǔn)確、及時供貨。企業(yè)跟銀行連通之后,只要座椅被汽車制造廠驗收,銀行就會自動打款給上游供應(yīng)商。這樣,就做到了外部信息系統(tǒng)的一體化。
互聯(lián)網(wǎng)帶來的制造和生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化,正是基于內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)實現(xiàn)。這個可以看做是早期的“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的核心內(nèi)涵??梢哉f“互聯(lián)網(wǎng)+制造 ”實際上始于上世紀(jì)90年代。
制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)化帶來的重大技術(shù)突破,至少表現(xiàn)在以下三個方面。
第一個就是關(guān)聯(lián)設(shè)計系統(tǒng)。在虛擬設(shè)計與制造的環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)可以支持成百上千個在線用戶同時進(jìn)行實時設(shè)計,使得一個系統(tǒng)或者一臺裝備的總體、子系統(tǒng)之間的三維設(shè)計結(jié)果相互關(guān)聯(lián)。IBM早期大量發(fā)展計算機(jī)輔助設(shè)計的一個根本動力,就是數(shù)字化圖紙可以通過網(wǎng)上傳送,可以在全世界任何一個IBM的工廠,生產(chǎn)所設(shè)計的零部件。當(dāng)時,新產(chǎn)品的設(shè)計速度加快了43倍,產(chǎn)品更改和更新的速度提高了數(shù)百倍。“互聯(lián)網(wǎng)+”為制造能力的提升開辟了一個難以想象的巨大空間,對企業(yè)來講是一個全新的競爭優(yōu)勢。
第二個是網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同平臺,網(wǎng)絡(luò)化帶來的不僅僅是大家交換信息,而且可以帶來工程人員的協(xié)同工作。一些大的企業(yè),如波音公司,率先建立了自己非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同平臺。2000年9月以波音、洛克希德?馬丁、雷神、BAE及R&R為代表的美英國防航空巨頭,發(fā)起組建了大名鼎鼎的Exostar,探索國防航空行業(yè)的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)同。目前,通過Exostar進(jìn)行供應(yīng)鏈管理和協(xié)同的有六大主制造商,涵蓋43000個不同規(guī)模的專業(yè)供應(yīng)商。隨后,歐洲國防航空行業(yè)的四巨頭,空中客車、達(dá)索航空、賽峰和泰雷茲,也跟隨美國競爭對手的腳步,發(fā)起設(shè)立了一個屬于歐洲國防航空工業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造平臺Boost Aero Space,于2011年正式對行業(yè)內(nèi)客戶提供服務(wù)。
第三個是全三維標(biāo)注技術(shù),任何一個產(chǎn)品只要把三維的圖做出來,零部件的圖紙就可以利用計算機(jī)軟件和系統(tǒng)自然而然地分解和生成。這就使得企業(yè)得以形成單一的數(shù)據(jù)源管理。美國國防部和航空航天近幾年非常重視的數(shù)字主線(Digital Thread),也正是這樣一種技術(shù)的發(fā)展和延伸。
然而,不管是關(guān)聯(lián)設(shè)計也好,網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同平臺也好,全三維標(biāo)注也好,背后的根本支撐,其實并不是網(wǎng)絡(luò),而是工業(yè)軟件。這一切,都是依靠各種各樣的工業(yè)軟件來支撐的。今天大家討論的中國還不能生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品,可能很重要的原因就是沒有相應(yīng)的工業(yè)軟件支撐的制造設(shè)備。集成電路有很多難以突破的核心技術(shù)。其中,集成電路的設(shè)計就是重要的一環(huán)。高端集成電路的設(shè)計圖紙,人工是畫不出來的,是靠計算機(jī)輔助設(shè)計軟件畫出來的。沒有最先進(jìn)的這種軟件,就不可能設(shè)計出最先進(jìn)的集成電路。如果國外只賣給我們前二代、前三代的設(shè)計軟件,那么中國也就只能去設(shè)計前二代、前三代的相關(guān)產(chǎn)品。工業(yè)軟件的重要性由此可見一斑。
智能化發(fā)展
企業(yè)智能化的發(fā)展,可以回溯到上個世紀(jì)六十年代初。通過圖2的制造業(yè)智能化發(fā)展,可以看到制造業(yè)如何從數(shù)字化走到網(wǎng)絡(luò)化,再走到智能化。
可以看到制造業(yè)的智能化,實際上跟數(shù)字化基本上是同步的,不過在早期,只是單機(jī)、單個裝備而已。像CAE這種非常復(fù)雜的軟件,需要把計算、工程知識和人類的經(jīng)驗,都融合在里面。因此工業(yè)軟件并不簡單是軟件,而是一門學(xué)問。只有學(xué)計算機(jī)軟件的工程師,是設(shè)計不出先進(jìn)的工業(yè)軟件的。就智能化而言,從數(shù)據(jù)處理的角度來看,業(yè)務(wù)智能(Business Intelligence)也是很重要的一個分支。
過去幾十年中國信息化的發(fā)展有兩個不足之處。一個網(wǎng)絡(luò)化的內(nèi)向性問題,很多企業(yè)只做了內(nèi)部網(wǎng),幾乎沒有做外部網(wǎng),這種情況與我們的國情有關(guān)。第二個就是業(yè)務(wù)智能的使用在中國發(fā)展非常緩慢,這可能是因為“拍腦袋做決策”已經(jīng)成為習(xí)慣。
現(xiàn)在炒得比較多的概念就是人工智能,其中最熱門的是深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)。這方面的發(fā)展主要是基于兩個條件:超強(qiáng)的計算能力和充沛的大數(shù)據(jù)集?,F(xiàn)在,一方面是計算機(jī)的運轉(zhuǎn)速度很快,存儲量也很大;另外就是很多重要的數(shù)據(jù)可以收集上來處理。如語音識別、圖像識別,都不是今天才搞起來的。早在上世紀(jì)60年代初,中科院自動化所就開展了模式識別中的研究。但在當(dāng)時,數(shù)據(jù)既算不過來,也存不過來。因此,70年代以后人工智能的動靜就不大了。這幾年人工智能又開始熱起來,是因為數(shù)據(jù)量大了,計算機(jī)算的快了。當(dāng)然,人工智能不僅僅是深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí),比方說人腦的模擬等,人工智能比較高級的發(fā)展階段,還將有更大的發(fā)展。
智能化實際上是依托于計算科學(xué),而不僅僅是計算機(jī)科學(xué)。美國國家總統(tǒng)信息技術(shù)委員會在2005年專門就“計算科學(xué)”的重要意義給時任總統(tǒng)小布什寫過一個報告,其中講到計算科學(xué)是由三個不同的元素組成的:計算機(jī)與信息科學(xué)、建模與模擬軟件和計算的基礎(chǔ)設(shè)施,這三點缺一不可。
在計算科學(xué)意義上的智能化,實際上包含四個基本的要素:模型、算法、軟件和數(shù)據(jù)。研究任何一個問題,必須首先要把物理問題的數(shù)學(xué)模型構(gòu)造出來;之后需要有一套模型計算的算法方法,例如各種微分方程和代數(shù)方程的求解;需要形成可以按算法重復(fù)執(zhí)行計算的軟件;而在計算的時候,則需要大量的數(shù)據(jù)處理和分析。如果只是做了信息的采集、存儲、處理、檢索和利用,這個不是智能的系統(tǒng),而只是一個簡單的信息系統(tǒng);即使把它們都連成網(wǎng)絡(luò)了,仍然只是一個聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng),而不是一個智能的系統(tǒng)。因此,判定一個系統(tǒng)是否是真正的、智能的系統(tǒng),一定要從這四個方面去評估。很多地方搞智慧城市、搞智能制造,如果需要仔細(xì)推敲其真?zhèn)?,最好的衡量的方法,就是利用這把具有四個維度的尺子。