智能制造的本质

智能制造是国际公认的实现工业体系转型升级的新一代工业技术，能够从根本上提升我国复杂产品的创新能力和研制水平，因此正确理解、全面认识智能制造，对我国制造业乃至国民经济的发展具有极其重大的现实意义和历史意义。

现代工业体系可以分为39 个工业大类、151 个中类、525 个小类。中国是世界上唯一全部工业门类齐全的国家。但是，由于中国与第一次、第二次以及第三次工业革命的黄金时期失之交臂，使许多高端技术都掌握在西方国家手里，中国制造“大而不强”。第四次工业革命给了我们绝佳的机会，中国第一次可以和发达国家几乎在同一条起跑线上起跑。我国制造强国的国策就是以两化深度融合为主线，以智能制造为突破口。但是我国智能制造所存在的问题，简单来说就是“缺芯少魂”：集成电路芯片是“芯”，工业软件是“魂”。不能掌握核心技术，没有自己的集成电路和工业软件，我国的智能制造是难以实现的。

在过去很长一段时间里，许多人错误地认为智能制造就是自动化的生产方式。认为机器人换人、无人工厂、黑灯工厂就是智能制造的“代表”。实际上，这是对智能制造非常片面的认知：机器人换人，解决的是生产现场的手工劳动问题；无人工厂、黑灯工厂解决的是生产线的人工控制问题。类似的，无人仓储、无人物流也不能代表智能制造。

自动化设备在得到手动或自动输入的控制指令后，通过系统闭环，根据传感器所获取的反馈信号，就可以依照人的意愿自动执行一系列任务。在整个自动化系统中，最重要的依旧是控制端。它离不开人的控制，什么时候开始、什么时候结束，都需要由人来决定。自动化系统可以替代人完成繁重的体力劳动，甚至辅助人完成一些简单的脑力劳动，但终究无法替代人做出最终的决策。也就是说，无论是机器人换人、黑灯工厂还是无人仓储，都是在工作现场实现了无人化，并不是真正地实现了智能制造。要说清楚智能制造是什么，我们就必须从源头讲起。

什么是制造

要正确理解智能制造，首先必须理解什么是“制造”。制造，包含了“制”与“造”两层含义。“造”相对比较简单，就是生产。但制造不仅是生产，首先“制”在英文中有“系统”的含义，在中文释义中，也包含有制度、方法、标准和规范等意思。由于“制”的含义非常广泛，宏观的“制造”包括产品策划、方案设计、产品设计、工艺设计、生产过程、生产交付、运行、维护维修、管理、决策等重要环节和复杂管理体系。

改革开放初期，我国浙江、江苏、福建和广东沿海涌现出大量的“三来”加工，它们使用国外的设备、国外的原材料、国外的图纸和工艺进行产品加工，最后再销往国外。这里所说的“三来”加工，就是代生产，或者叫转包生产。在“三来”加工过程中，从原材料的采购、入库、出库、运输，到工人根据图纸和工艺手册操作相关的设备，把原材料加工成满足需求的各类产品，这个完整的过程都根据国外已经规定好的相关标准进行，所以只能称之为“造”，并不是严格意义上的“制造”。

制造并不等同于生产，两者不能混为一谈。生产仅仅解决产品生产过程中的具体问题，而制造涉及产品研发、产品设计、工艺设计以及生产过程，同时还涉及产品生产过程中的管理、产品的交付，以及交付之后的维护、维修和运行。除了产品的研发、生产、交付及服务，企业的运行也必须符合整个制造体系。

企业非常复杂，一个工业企业包括产品供销、财务管理、质量管理、生产管理等一系列流程。我国制造业大而不强，根本问题就出在研发能力不足上。而研发能力归根结底就是创新能力。

“智能”是什么

《三体智能革命》和《机·智》这两本书描述了人类智能、机器智能、人工智能。智能制造就是为传统的制造赋予智能，这里的“智能”就是指“人工智能”。传统的人工智能，通俗地讲就是将专家学者的知识、经验、方法等验证无误的内容编译成软件，由计算机执行的过程，也就是说人工智能是把人的知识转化为计算机的知识。计算机支持软件运行，生成模型，完成工业产品的研制、生产、运行、综合管理等复杂过程。

研发是产品创新的源泉，制造业过去是基于实物制造，也就是爱迪生的试错法，而今后的制造，实际上是在千百年来人类大量知识积累的基础上，进行的“智能制造”。如果没有实物产品制造的知识，就没有产品知识、工业知识、设计知识、工艺知识、生产制造知识、设备维护维修知识、管理知识和销售服务知识等，我们把人类经反复验证后成熟的知识编制成工业软件，由计算机来执行，这就是智能制造。

探讨知识管理和知识工程，我们需要学习西方提出的DIKW（D 即数据Data；I 即信息information；K 即知识knowledge；W 即智慧wisdom 或智能intelligence）模型，我的解读就是：把数据采集出来、提炼形成信息，信息关联起来形成知识，再优化迭代成了知识体系，知识升华就会产生智慧和智能（图2-2）。在智能制造体系建立过程中，工业软件是必不可少的一部分，是工业识的结晶。《铸魂：软件定义制造》（机械工业出版社，2020 年）就是从工业体系着手认识工业和工业软件的一本书。

所有的产品创新，首先是研发，然后才是生产，这是一个复合性的过程。生产能力必须要提高，才能够按照产品研发的思路，制造出符合研发过程所制定的质量标准的产品。这样才能形成一个完善的工业体系。

按照管理学的理论：企业可分为三层架构，第一层是决策层，第二层是管理层，第三层是执行层。一个工业企业，它的智能体现在决策层和管理层，而不是执行层。企业的执行层，包括库存、物流配送以及生产线在内，即便使用大量的机器人、数据采集分析设备，仍然属于自动化范畴，而非智能化范畴。

术语的解读非常重要，云计算、大数据、移动互联网、物联网和人工智能的基础都是集成电路和软件。首先我们要有大量的传感器来做状态感知的工作，采集的天量工业大数据通过工业互联网和物联网传递到云平台上做实时分析，实时分析的数据结果再通过由人的大脑和计算机相结合产生的人工智能做出决策，然后反馈到一线的执行层以实现精准执行。2016 年5 月17 号，中国工程院周济院长亲自主持了《三体智能革命》的院士和专家技术研讨会，其核心就2016 年我们撰写的《三体智能革命》中提到的智能制造的16 字箴言：“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”。

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宁振波

研究员，中国航空工业集团信息技术中心原首席顾问，工信部首批两化融合专家，国家复杂产品智能制造重点实验室学术委员会委员，曾任航空工业西安飞机设计研究所研究室主任、航空工业301研究所副总工程师、金航数码科技有限责任公司副总经理、西北工业大学兼职教授，2019年出任中国船舶独立董事。

多年来担任多个行业和企事业单位外聘专家，参与CCTV多个工业制造的电视片制作专访栏目。参加多型飞机研制，多次获科技进步奖，荣立多级别的一、二、三等功十余次。

2002年参与飞机制造业数字化工程并编制八册数百万字系列丛书。近15年来，发表有关制造业数字化设计、制造、试验、管理以及智能制造的学论文数百篇，被国家图书馆收录多篇。2017年参与编写中国工程院周济院长主持的《中国智能制造发展战略研究》。著作有：《三体智能革命》（2016年）、《智能制造术语解读》（2018年）、《铸·魂：软件定义制造》（2020年）。2004年获国家科技进步二等奖，2019年12月12日在人民大会堂获“2019第15届光华龙腾奖·中国设计贡献奖金质奖章—新中国成立70年·中国设计70人”。

本书对智能制造的定义进行了分级解读。制造是工业体系，隶属于自然科学领域；智能是人类的特有属性，隶属于社会科学领域。理解智能制造的本质，首先要解剖这四个字。“造”仅仅是生产的概念；“制”则含有系统的思想，也是制度、标准、规范、方法；制造不同于生产。制造包含了产品策划、概念设计、方案设计、产品设计、试制、试验、批生产、交付及交付后的运营、维护维修，以及管理和决策的方方面面，制造包含生产。人工智能是把人类已经拥有的、常年积累的算法、方法和知识，转变成软件和模型，由计算机执行的过程。人类通过工业革命积累了大量有关产品研制的设计知识、工艺知识、生产知识、设备维修知识、管理和决策知识等，而且这些知识经过反复验证被证明是成熟的。人类把这些知识转变成工业软件和数字化的产品模型，这些软件和模型在计算机上的执行，实现了对数字产品和物理产品更好的控制，对制造资源更优化的配置，形成了全新的产业形态，这就是智能制造的本质。

自 序

第一章 制造技术的发展、演化、进步和变革

第一节 秦始皇一统天下的秘密

第二节 蒸汽机：第一次工业革命的基础

第三节 电力和流水线：第二次工业革命的进步

第四节 计算机与核能：第三次工业革命的起飞

第五节 走向智能：第四次工业革命的曙光

第二章 智能制造的本质

第一节 什么是智能制造

第二节 智能制造的体系和架构

第三节 软件化的工业技术

第四节 软件定义的生产体系

第五节 生产关系的优化和重构

第三章 智能制造溯源之路

第一节 深入认识BOM和BOP

第二节 从数字化产品定义（DPD）开始

第三节 嵌入式软件是产品构成

第四节 复杂产品的解耦与重构

第五节 企业流程与持续优化

第四章 打好基础，落地生根

第一节 PLM：产品全寿命周期概览

第二节 数字化：从工程研制阶段开始

第三节 上甘岭：从数字样机到MBD

第四节 提性能：用数字仿真指导试验

第五节 制产品：企业的MBD 战略转型

第六节 保运行：从MBD到IETM再到MRO

第五章 理清概念，轻装前行

第一节 模型及其演变过程

第二节 从CPS（赛博物理系统）到HCPS

第三节 数字孪生的过去与未来

第四节 数字化主线串起制造产品的整个流程

第五节 “两化融合”“工业互联网”和“智能制造”

附录

飞机设计技术的发展和展望

飞机研发全寿命周期简述

飞机设计的发展历程

先进飞机设计技术的发展

结束语

专业术语表

后记

参考文献