物聯(lián)網(wǎng)、云計算、信息物理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、深度學習等新一代信息通信技術(shù)（ICT）／人工智能（AI）技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動著新一輪產(chǎn)業(yè)革命來臨。制造業(yè)是工業(yè)的基石，是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。毫無疑問，新工業(yè)革命必將對生產(chǎn)模式產(chǎn)生顛覆性影響，必然導(dǎo)致新型制造模式的誕生。德國提出以信息物理系統(tǒng)（CPS）為主要特征的工業(yè)4.0，美國則提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。
其實，不管是CPS還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都致力于物理世界與信息世界的融合，因而工業(yè)4.0與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是異曲同工的，同時由于兩者均誕生于制造業(yè)強國，在全球引起了極大的反響和認同。同時，還有從其他不同視角提出的新工業(yè)革命稱謂。
我國先后發(fā)布了以智能制造為主攻方向的《中國制造2025》和以“兩化”深度融合為主線的《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)＋先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》以及《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等一系列戰(zhàn)略國策，以促進我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和人工智能發(fā)展。目前，“互聯(lián)網(wǎng)＋”和“人工智能＋”已成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主攻方向，實際上，前者與制造的深度融合就形成所謂的網(wǎng)絡(luò)化制造，而后者與制造的深度融合則形成智能制造。
但是，不管此時的網(wǎng)絡(luò)化制造還是智能制造，都與各自的前身有根本性的不同。比如，誕生于上世紀80年代的智能制造，當時英文用Intelligent Manufacturing（IM）描述，進入21世紀之后，隨著物聯(lián)網(wǎng)、CPS、大數(shù)據(jù)等“smart”技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，誕生了名為智能制造或智慧制造（Smart Manufacturing，SM）的新一代智能制造。
因此，本文將對新工業(yè)革命與智能制造之間的關(guān)系，現(xiàn)有的制造模式如何走向新工業(yè)革命下的智能制造，我們所熟知的計算機集成制造如何與網(wǎng)絡(luò)化制造和智能制造關(guān)聯(lián)等問題展開探討研究。
1 工業(yè)革命與制造模式的演化
盡管新工業(yè)革命已成為各國討論和關(guān)注的熱點，但由于學者的背景和視角不同，對歷史上出現(xiàn)多少次工業(yè)革命眾說紛紜。
雖然如此，人們普遍認可（第一次）工業(yè)革命起源于18世紀的蒸汽機技術(shù)，也普遍認可正在或即將發(fā)生新一輪的工業(yè)革命，同時對未來工業(yè)生產(chǎn)走向個性化制造也有比較統(tǒng)一的認識，但是對歷史上工業(yè)革命次數(shù)以及將要發(fā)生什么樣內(nèi)涵的工業(yè)革命卻有不同看法，工業(yè)革命與制造模式的演化如圖1所示。
圖1 工業(yè)革命與制造模式的演化
圖1a歸納了幾種典型的新工業(yè)革命提法，從發(fā)生頻次來看，由最高的5次到最低的2次，甚至有人認為3D打?。ㄔ霾闹圃欤┚蛯⒁鹦乱惠喌墓I(yè)革命，取代以往工業(yè)革命所依賴的減材制造方式。
Brynjolfsson等認為目前所進行的產(chǎn)業(yè)革命是第二次機器革命———以增強人類思維能力為特征（暫且稱智力革命），強調(diào)生產(chǎn)的智能化，與以往致力于克服肌肉力量限制的工業(yè)革命（體力革命）形成了鮮明對照。
而認為新一輪工業(yè)革命屬于第三次的學者最多，其中通用公司（GE）認為新一輪工業(yè)革命是第三次，即“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（第三次工業(yè)浪潮）＝工業(yè)革命（第一次工業(yè)浪潮）＋互聯(lián)網(wǎng)革命（第二次工業(yè)浪潮）”，強調(diào)網(wǎng)絡(luò)化和虛實結(jié)合的大數(shù)據(jù)智能制造；美國的Anderson認為新材料和3D打印技術(shù)等數(shù)字化制造、創(chuàng)客運動和個性化定制等技術(shù)融合引起了新一輪工業(yè)革命，此前發(fā)生了以蒸汽機發(fā)明為代表的機械化生產(chǎn)的第一次革命和以“福特制”為代表的流水線生產(chǎn)的第二次工業(yè)革命；英國的Rifkin從能源動力的視角出發(fā)，認為新工業(yè)革命是由互聯(lián)網(wǎng)和可再生能源結(jié)合引起的，強調(diào)的是能源網(wǎng)絡(luò)化和生產(chǎn)綠色化，此前已發(fā)生的兩次工業(yè)革命分別是由印刷術(shù)和煤炭蒸汽機結(jié)合、電訊與燃油內(nèi)燃機的結(jié)合而引起的。德國將新工業(yè)革命稱為工業(yè)4.0，即基于CPS的第四次工業(yè)革命，強調(diào)工業(yè)的智能化，而前三次分別是工業(yè)1.0的蒸汽機械化、工業(yè)2.0的電氣化和工業(yè)3.0的自動化。
而英國的Marsh認為歷史上發(fā)生了5次工業(yè)革命，分別是少量定制、少量標準化生產(chǎn)、大批量標準化生產(chǎn)和大規(guī)模定制，目前正處在個性化定制階段。而3D打印則是實現(xiàn)個性化定制的新興技術(shù)，實現(xiàn)了制造方式從減材到增材的顛覆性轉(zhuǎn)變，大幅縮減了產(chǎn)品開發(fā)周期與成本，也將推動材料革命，具有重大的應(yīng)用潛能。在某種程度上，3D打印可以看作是以CPS的方式復(fù)興和拓展了手工作坊生產(chǎn)，但又不同以往個人單打獨斗的手工作坊，它是一種實現(xiàn)個性化生產(chǎn)的新型制造模式，并與互聯(lián)網(wǎng)社會化技術(shù)融合形成所謂的社會制造，強調(diào)用戶參與到產(chǎn)品設(shè)計與制造中來。
Koren以美國汽車制造業(yè)為例，認為制造（生產(chǎn)）模式經(jīng)歷了三次重大轉(zhuǎn)變：①大規(guī)模生產(chǎn)替代手工生產(chǎn)；②大規(guī)模定制生產(chǎn)替代大規(guī)模生產(chǎn)；③個性化生產(chǎn)替代大規(guī)模定制，如圖1b所示。這與Marsh提出的5種生產(chǎn)方式中的后3種一致。這些研究從不同視角揭示了新一輪工業(yè)革命即將來臨，也描繪了制造業(yè)的未來走向。
總結(jié)起來，這些不同稱謂的新工業(yè)革命主要特征包括數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、定制化、個性化、綠色化和社會化，而不同新工業(yè)革命稱謂，只是強調(diào)某個或某些特征罷了。實際上，新一輪工業(yè)革命是新能源、新材料、先進制造、工業(yè)機器人、新一代ICT／AI等眾多技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新和突破性發(fā)展的結(jié)果，任何一項單一的技術(shù)都不足以引發(fā)新一輪的工業(yè)革命，判斷工業(yè)革命誕生依據(jù)主要看是否有新科技群效應(yīng)及是否帶來人類生產(chǎn)方式和生活方式的重大變革。
在新工業(yè)革命愿景下，智能機器（系統(tǒng)）將替代人類絕大多數(shù)體力勞動和相當部分的腦力勞動，使人類得以更多時間從事創(chuàng)造性工作，同時也減少資源與能源的消耗和浪費，使制造業(yè)朝可持續(xù)的方向發(fā)展。由于工業(yè)4.0理念是由德國政府倡導(dǎo)提出的，并獲得了世界的廣泛關(guān)注和認可，特別是其基礎(chǔ)技術(shù)CPS融合了眾多信息技術(shù)，而其他稱謂的新工業(yè)革命所依托的基礎(chǔ)技術(shù)，或多或少都與CPS相關(guān)，甚至可歸納到CPS之下，且CPS本身是一種智能系統(tǒng)，它與制造技術(shù)的深度融合就形成所謂智能制造（SM），因此工業(yè)4.0被認為是以智能制造為主導(dǎo)生產(chǎn)方式的革命。
從歷史上看，在（第一次）工業(yè)革命之前，我國GDP曾占世界的三分之一，但在18世紀后期，英國誕生了由蒸汽機引起的第一次工業(yè)革命后，人類從農(nóng)業(yè)社會進入工業(yè)社會，制造業(yè)從手工作坊生產(chǎn)逐步走向大規(guī)模生產(chǎn)，使歐洲GDP曾占世界的40％。20世紀初，誕生于美國的第二次工業(yè)革命，特別是福特發(fā)明的流水線，使汽車大規(guī)模生產(chǎn)水平達到了高峰，其GDP約占世界35％。盡管以計算機和互聯(lián)網(wǎng)為代表的第三次工業(yè)革命仍誕生于美國，但此時美國GDP占世界比重有所下降，特別是受到日本豐田發(fā)明的精益生產(chǎn)的挑戰(zhàn)（此時日本GDP占世界的20％多），引發(fā)了美國對傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)方式的思考，并由此引起其對制造業(yè)的再度重視，美國大力發(fā)展敏捷制造、3D打印等新先進制造業(yè)，重新奪回了制造業(yè)的世界領(lǐng)先地位。
然而，隨著經(jīng)濟全球化和制造業(yè)向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移，2010年后中國制造業(yè)GDP超過了美國，但在整體GDP上與美國相比仍有很大差距，在制造業(yè)的國際分工中，我國處于“微笑曲線”的底部，是“世界工廠”，產(chǎn)品設(shè)計與科技創(chuàng)新中心仍在美國，如圖2a所示。
圖2 工業(yè)革命及市場需求對制造模式的影響
從圖2b可以看出，大規(guī)模個性化生產(chǎn)是未來制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，因此新一輪工業(yè)革命（特別是工業(yè)4.0）將更加關(guān)注個性化產(chǎn)品的智能化生產(chǎn)，像3D打印這樣的新型制造技術(shù)由于在單件小批量生產(chǎn)中具有優(yōu)勢而獲得了廣泛應(yīng)用。
但制造業(yè)不是如圖1b那樣簡單地從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向大規(guī)模定制，再轉(zhuǎn)向大規(guī)模個性化生產(chǎn)，因為即使個性化產(chǎn)品也包含通用的模塊、定制的模塊以及個性化的模塊，由于各國或地區(qū)生產(chǎn)力發(fā)展水平不均衡，人們對產(chǎn)品需求的層次也有所不同。產(chǎn)品究竟采用何種生產(chǎn)方式生產(chǎn)，由各國企業(yè)技術(shù)水平和市場需要決定，如在1955年美國汽車生產(chǎn)達到大規(guī)模生產(chǎn)的高峰，而當時我國汽車生產(chǎn)正處于起步階段；再如螺絲螺母和軸承等社會需求量非常大的標準件，無疑最適合采用大規(guī)模生產(chǎn)方式來制造。
新一輪工業(yè)革命是以往工業(yè)革命的延續(xù)和發(fā)展，其產(chǎn)品生產(chǎn)模式也是如此。因此，在未來可預(yù)見的時間里，大規(guī)模生產(chǎn)、大規(guī)模定制和大規(guī)模個性化生產(chǎn)將并存，三者組成如圖3所示的優(yōu)勢互補的長尾制造，其中大規(guī)模生產(chǎn)主要關(guān)注“頭部”的大批量標準化生產(chǎn)；而大規(guī)模定制和個性化生產(chǎn)組成所謂“長尾”，卻關(guān)注“尾部”的小批量或單件產(chǎn)品生產(chǎn)，并隨著新工業(yè)革命的縱橫深入，在客戶的需求多樣化背景下，所占市場份額將越來越大。大規(guī)模定制是連接大規(guī)模生產(chǎn)和個性化生產(chǎn)的橋梁，本質(zhì)上是由推式的大規(guī)模生產(chǎn)和拉式的定制化生產(chǎn)相結(jié)合形成的一種推拉式生產(chǎn)模式。
圖3 新工業(yè)革命下的長尾制造
目前以工業(yè)4.0為代表的新一輪工業(yè)革命為我國制造業(yè)發(fā)展帶來了新機遇。此前，我國錯失了前三次工業(yè)革命，能否抓住工業(yè)4.0的機遇，對我國未來制造業(yè)的發(fā)展具有決定性作用。但是，與從3.0直接邁向4.0的工業(yè)化發(fā)達國家不同，對尚處于工業(yè)發(fā)展中的我國而言，既要追趕工業(yè)4.0，又要補工業(yè)2.0／3.0的課，即需要兼顧大規(guī)模生產(chǎn)、大規(guī)模定制和大規(guī)模個性化生產(chǎn)，以滿足社會對產(chǎn)品的多樣化需求，因此，長尾生產(chǎn)的智能化研究對我國制造業(yè)發(fā)展具有特別重要的意義。
2 新工業(yè)革命下的智能制造
2.1 智能制造演進
人工智能發(fā)展可分為以符號智能（邏輯推理／符號主義）為主的第一代人工智能（AI 1.0）和以計算智能（機器學習／連接主義）為主的新一代人工智能（AI 2.0），當然，這僅僅是從技術(shù)突破角度上作的粗略分類。智能制造（IM）是在上世紀80年代末隨著AI研究及應(yīng)用深入而提出來的，誕生于工業(yè)3.0時期，此時制造業(yè)已開始進入大規(guī)模定制生產(chǎn)（對標工業(yè)化發(fā)達國家，世界上不同國家進入大規(guī)模定制生產(chǎn)時代是不同的）。
對于大規(guī)模定制這樣高度抽象的生產(chǎn)模式，其具體實現(xiàn)有多種技術(shù)或方法，當時主要使能技術(shù)為計算機及PLC技術(shù)，但當時主流制造模式并不是智能制造，而是在20世紀70年代隨計算機（局域）網(wǎng)絡(luò)而出現(xiàn)的計算機集成制造（CIM）和精益生產(chǎn)，以及90年代基于IP／TCP的互聯(lián)網(wǎng)興起而誕生的以敏捷制造和虛擬企業(yè)等為代表的網(wǎng)絡(luò)化制造模式。智能制造隨著AI發(fā)展而不斷演化（如圖4），特別是最初由日本于1989年提出、后來多個國家加入的智能制造系統(tǒng)（IMS）國際合作研究項目，使IM得到快速發(fā)展。
圖4 智能制造的演進
此外，模糊邏輯（Fuzzy Logic，F(xiàn)L）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network，NN）、遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）等計算智能在80年代興起，以及以多智能體為代表的分布式人工智能在90年代的興起，都在某種程度上促進了IM發(fā)展。
但當時智能制造（IM1.0）主要借助符號推理或?qū)＜蚁到y(tǒng)等第一代AI（AI1.0）技術(shù)加以實現(xiàn)，而專家系統(tǒng)（符號推理）存在對領(lǐng)域?qū)＜业囊蕾囆?、知識獲取的困難以及解決問題的靈活性等問題。因此，當時IM應(yīng)用于制造中的某些局部環(huán)節(jié)，以“智能孤島”形式存在，對彼時處于支配地位的CIM／網(wǎng)絡(luò)化制造僅起到了輔助作用。
進入21世紀后，得益于計算能力的提高、大數(shù)據(jù)的興起以及深度學習算法突破，AI進入了以計算智能為主的新階段（AI2.0）。伴隨著以物聯(lián)網(wǎng)、云計算等為代表的新一代ICT的出現(xiàn)和發(fā)展，先后出現(xiàn)了制造物聯(lián)、云制造等新一代網(wǎng)絡(luò)化制造模式，而隨著以大數(shù)據(jù)和深度學習為代表的新一代ICT／AI技術(shù)的應(yīng)用，形成了大數(shù)據(jù)驅(qū)動的新一代智能制造模式（SM或IM2.0），也孕育著以智能制造為特征的新一輪工業(yè)革命（工業(yè)4.0）。
實際上，新一代網(wǎng)絡(luò)化制造與新一代智能制造相伴而生，彼此交互融合，此時網(wǎng)絡(luò)化制造也變?yōu)橹悄芑圃?，制造物?lián)（網(wǎng)）就是如此演化的例子。
因此，新一代智能制造，將以（工業(yè)）互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施（如圖4右下角），不僅實現(xiàn)了廣泛的互聯(lián)互通———貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，而且還由工業(yè)3.0下的配角躍升為工業(yè)4.0生產(chǎn)的主角。新一代智能制造，通過物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)容知識網(wǎng)、人際網(wǎng)與先進制造技術(shù)深度結(jié)合，形成信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)乃至社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)符號系統(tǒng)的推理與知識表示不同，機器學習（計算智能）是由數(shù)據(jù)驅(qū)動的，通過學習建模，再進行預(yù)測和動作；而基于知識的系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)本質(zhì)上是一個具有大量專門知識和經(jīng)驗的計算機程序系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)置有知識庫和推理機，其中知識庫中存放了求解問題所需要的知識，推理機負責使用知識庫中的知識去解決實際問題，例如產(chǎn)生式專家系統(tǒng)采用If?then?else?規(guī)則實現(xiàn)，這種基于有限的預(yù)定規(guī)則范式無法處理未曾預(yù)先定義的問題，只是機械地執(zhí)行程序指令完成既定設(shè)計，因此其應(yīng)用極其有限。制造系統(tǒng)集成演化，從集成方式來看，從工業(yè)3.0下的計算機集成演化為工業(yè)4.0下人機物的協(xié)同集成，以及從企業(yè)局部集成演化為企業(yè)的縱向集成、橫向集成和端到端的集成；從智能集成來看，從符號智能演化為感知智能和認知智能的融合；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，從以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主的集中式控制演化為以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主的分布式控制。
2.2 新工業(yè)革命與新一代智能制造
工業(yè)4.0是德國于2013年正式提出的以智能工廠（智能制造）為主要特征的新一輪工業(yè)革命，但此前，歐盟、美國和中國就已經(jīng)開展了智能工廠相關(guān)研究。
德國于2005年6月基于物聯(lián)網(wǎng)啟動了Smart Factory KL項目；美國作為物聯(lián)網(wǎng)和CPS起源國，先后開展了相關(guān)研究，如2008年IBM提出了“智慧地球”的概念、2011年成立了智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟、2012年通用公司提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念；我國早期著重于射頻識別（RFID）技術(shù)在制造中的應(yīng)用，后來則著重于物聯(lián)網(wǎng)與制造融合而成的制造物聯(lián)（IoMT）研究。
由此可見，工業(yè)4.0最初是由物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在制造業(yè)中的應(yīng)用而引起的，隨后務(wù)聯(lián)網(wǎng)（IoS）、智能工廠（SF）和CPS也成為其組成部分。
如圖5所示，SF是工業(yè)4.0的重要組成部分，也是外延更廣的智能制造（SM）的組成部分；CPS可看作是一種由物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和務(wù)聯(lián)網(wǎng)（IoS）融合而成的系統(tǒng)。因此，SM是一種基于CPS的制造模式，而工業(yè)4.0的主導(dǎo)生產(chǎn)方式是智能制造（智能工廠）。
圖5 工業(yè)4.0與智能制造
波士頓咨詢公司則認為工業(yè)4.0包含大數(shù)據(jù)與分析、自主機器人、模擬仿真、水平與垂直的系統(tǒng)集成、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)信息安全、云計算、增材制造、增強現(xiàn)實（AR）9大支撐技術(shù)。
然而，這些技術(shù)絕大部分可以歸類到圖5所示的工業(yè)4.0四大要素之中。事實上，新一輪產(chǎn)業(yè)（工業(yè)）革命的蓬勃發(fā)展立足于現(xiàn)代科學技術(shù)的突破：計算機硬件水平的提升，促進了機器智能的發(fā)展，開啟了機器學習、人工智能的新篇章；計算機軟件水平的提升，使計算資源在時空分布上得以優(yōu)化，使其配置更加靈活、可控，推動了云計算、霧計算、邊緣計算的發(fā)展；5G網(wǎng)絡(luò)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等ICT技術(shù)的發(fā)展，使信息的傳播具備大吞吐量、廣泛性和實時性，大數(shù)據(jù)智能也得以飛躍式發(fā)展；增材制造和智能裝備等工業(yè)技術(shù)的突破革新也是工業(yè)4.0至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。
大數(shù)據(jù)與人工智能相結(jié)合賦予機器強大的計算能力、推理能力、學習能力乃至創(chuàng)新能力；優(yōu)化的計算資源配置有助于制造系統(tǒng)的分布式融合發(fā)展；ICT與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合促進了信息物理的融合，為智能制造的落地提供了更多可能。智能制造作為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的主導(dǎo)生產(chǎn)模式，是一個涉及多個學科的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要用標準化手段來統(tǒng)一認識和引領(lǐng)發(fā)展。
德國率先提出工業(yè)4.0的概念，并將其作為智能制造來研究，在2014年4月發(fā)布了德國工業(yè)4.0標準化的路線圖1.0版，規(guī)劃了工業(yè)4.0所需要的工業(yè)自動化技術(shù)和IT技術(shù)的標準化工作，并于2015年從層次結(jié)構(gòu)、類別（功能）和生命周期&價值鏈3個維度構(gòu)建了工業(yè)4.0參考體系架構(gòu)模型（RAMI4.0），其中層次結(jié)構(gòu)維度是在IEC 62264企業(yè)系統(tǒng)層級架構(gòu)的標準基礎(chǔ)之上，補充了產(chǎn)品／工件的內(nèi)容，并由個體工廠拓展至“連接世界”；功能維度包括信息物理系統(tǒng)的核心功能，分為資產(chǎn)、集成、通信、信息、功能、業(yè)務(wù)6個層次；第3個維度從以產(chǎn)品全生命周期視角出發(fā)，描述了以零部件、機器和工廠為典型代表的工業(yè)要素從虛擬原型到實物的全過程。
美國國家標準技術(shù)研究所（NIST）從產(chǎn)品、生產(chǎn)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)3個維度以及制造金字塔構(gòu)建智能制造的生態(tài)系統(tǒng)［28］，獲得了意義更加明確的參考體系架構(gòu)；而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）基于ISO／IEC／IEEE42010：2011標準，于2015年發(fā)布了跨行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)（IIRA）。
在我國，工信部和國家標準化管理委員會于2015年12月聯(lián)合發(fā)布了《國家智能制造標準體系建設(shè)指南（2015年版）》，從系統(tǒng)層級、智能特征和生命周期3個維度構(gòu)建智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，2018年再次更新這個架構(gòu)；而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟先后發(fā)布了2個版本的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系》，構(gòu)建包括網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全3大功能的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。
日本價值鏈促進會于2016年12月參照德國RAMI4.0發(fā)布了工業(yè)價值鏈參考架構(gòu)（IVRA），然后于2018年4月將IVRA更新為“IVRA‐Next”，從資產(chǎn)、活動、管理的角度對智能制造單元（SMU）進行詳細的定義。
盡管上述4個國家的智能制造／工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的出發(fā)點、思考問題的角度和所關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域各有差異（如圖6），但它們都包含制造智能化的核心理念和技術(shù)基礎(chǔ)，并指導(dǎo)標準體系建設(shè)工作。實際上，德中美三國在各自提出的智能制造參考架構(gòu)中，分別羅列出已有標準，同時指出現(xiàn)有標準的不足和新需求。
圖6 工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的體系架構(gòu)
德國將RAMI4.0發(fā)布為本國的工業(yè)標準DIN SPEC 91345，并于2017年春季發(fā)布為國際標準IEC PAS 63088，確認了該框架下現(xiàn)有標準多達700項，并指出標準的新需求和未來的行動計劃。上述研究表明，現(xiàn)有的制造標準不足以支撐智能制造的實現(xiàn)，特別是缺少網(wǎng)絡(luò)信息安全、基于云的制造服務(wù)、供應(yīng)鏈集成和數(shù)據(jù)分析方面的標準，也缺乏成體系的標準化框架，而面向服務(wù)仍是需要解決的主題。
對此，NIST提出了面向服務(wù)的智能制造架構(gòu)，利用制造服務(wù)總線連接制造系統(tǒng)內(nèi)外的各種服務(wù)領(lǐng)域，包括操作技術(shù)（OT）、信息技術(shù)（IT）、虛擬化和管理等，而IBM提出了包括邊緣層、工廠層和企業(yè)層的工業(yè)4.0參考架構(gòu)。隨著新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的不斷深入發(fā)展，制造業(yè)正在經(jīng)歷巨大變革，社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)和包容性制造應(yīng)運而生；而日本則在更寬泛的意義上提出了一種虛擬空間與現(xiàn)實空間高度融合的社會形態(tài)———社會5.0，它將狩獵社會視為起點，認為經(jīng)歷農(nóng)耕社會、工業(yè)社會、信息社會的進化之后，將進入如圖7所示的第5階段的超智能社會。
圖7 工業(yè)革命與現(xiàn)代社會發(fā)展
不管是工業(yè)4.0／智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是社會5.0，它們共同特征在于實現(xiàn)虛擬空間與現(xiàn)實空間高度融合，它們之間的關(guān)系如圖8所示。
圖8 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、社會5.0與智能制造關(guān)系
從外延來看，社會5.0＞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIRA＞工業(yè)4.0＝智能制造（SM）。德國工業(yè)4.0深度聚焦于制造過程和價值鏈的生命周期。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)注重跨行業(yè)的通用性和互操作性，應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域比工業(yè)4.0寬、但比社會5.0窄。日本社會5.0著眼于社會構(gòu)成和人類服務(wù)，涉及社會的各行各業(yè)，不僅將制造、能源、交通、服務(wù)等原先各自獨立的系統(tǒng)組織起來，還將諸如人事、會計、法務(wù)的組織管理功能以及提供創(chuàng)意等人類工作價值組織起來，進而達到細分社會的各種需求，將必要的物品和服務(wù)在必要時以必要的程度提供給需要的人，使所有人都能享受優(yōu)質(zhì)服務(wù)，建立超越年齡、性別、地區(qū)、語言差異，快樂舒適生活的社會。
圖8只是籠統(tǒng)地顯示這些概念之間的關(guān)系，實際上它們之間存在更詳細的對應(yīng)關(guān)系。美國IIC與德國工業(yè)4.0平臺工作組共同發(fā)布了一份關(guān)于IIRA與RAMI4.0對接分析的白皮書，指出IIRA與RAMI4.0在概念、方法和模型等方面有不少相互對應(yīng)和相似之處，而差異之處則具有很強的互補性。此外，我國智能制造體系架構(gòu)和日本IVRA與RA‐MI4.0也有對應(yīng)關(guān)系，彼此之間也開展合作研究。
如果說以往互聯(lián)網(wǎng)解決的是人類社會社交與消費的問題（也即消費互聯(lián)網(wǎng)問題），那么互聯(lián)網(wǎng)向?qū)嶓w經(jīng)濟應(yīng)用演進升級而成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（又稱為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)），則是在全面互聯(lián)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)流動和分析，形成智能化產(chǎn)業(yè)變革。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)又稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT），這從IIC報告得到印證。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與國內(nèi)提出的“互聯(lián)網(wǎng)＋”理念相吻合，在工業(yè)領(lǐng)域就有“互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）＋工業(yè)”，而具體到制造業(yè)就有“物聯(lián)網(wǎng)＋制造”（制造物聯(lián)網(wǎng)）。
從這個意義來說，則有“工業(yè)4.0＝智能制造＝制造物聯(lián)網(wǎng)”。此外，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省提出“互聯(lián)工業(yè)”相類似的概念。物聯(lián)網(wǎng)在新一輪工業(yè)革命中扮演著重要角色，被當作CPS的同義詞使用，甚至被認為引起新一輪經(jīng)濟革。從實現(xiàn)視角來看，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)有3種主要模式：①由邊緣層、平臺層和企業(yè)層構(gòu)成的3層架構(gòu)模式；②網(wǎng)關(guān)介導(dǎo)的邊緣連接和管理架構(gòu)模式；③分層的數(shù)據(jù)總線模式。
3 新一代智能制造發(fā)展趨勢
如前所述，新工業(yè)革命下的智能制造是眾多技術(shù)融合發(fā)展的結(jié)果，并且還處于不斷發(fā)展演化之中。歸結(jié)起來，新一代智能制造（SM）最明顯的兩個發(fā)展趨勢是：①從百花齊放的各種新興智能制造模式演化為融合統(tǒng)一的智慧制造或社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)；②從集中演化為分布、從被動演化為主動。
3.1從百花齊放走向統(tǒng)一融合
當初，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）與制造技術(shù)融合形成了所謂智能工廠（SF）或制造物聯(lián)，而將云計算（廣義上的務(wù)聯(lián)網(wǎng)（IoS））與制造技術(shù)融合稱為云制造。由于CPS的內(nèi)涵和外延比IoT和IoS廣泛得多，特別是隨著基于CPS的工業(yè)4.0理念被世界各國普遍接受，人們往往將新興的智能制造模式都歸結(jié)到工業(yè)4.0下基于CPS的智能制造（SM）旗下。而基于CPS的智能制造又稱為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)或稱為工業(yè)信息物理系統(tǒng)。隨著IoT／IoS／CPS的發(fā)展，誕生了工業(yè)大數(shù)據(jù)或制造業(yè)大數(shù)據(jù)的概念，同時催生了諸如預(yù)測制造和主動制造那樣的大數(shù)據(jù)驅(qū)動智能制造。
實際上，大數(shù)據(jù)誕生于Web2.0的互聯(lián)網(wǎng)時代，最初主要由人與人交互（人聯(lián)網(wǎng)／人際網(wǎng)／移動互聯(lián)網(wǎng)）引起，同時人際網(wǎng)（人聯(lián)網(wǎng)／社交網(wǎng)絡(luò)）與3D打印等技術(shù)的融合，誕生了社會制造。無疑，隨著新一代ICT／AI的進一步發(fā)展，以及其與制造技術(shù)的深度融合，還會涌現(xiàn)出其他超出CPPS范疇的新一代智能制造模式，因此需要研究包括社會系統(tǒng)（社會制造）在內(nèi)的更廣泛的制造模式。
研究表明，雖然這些從不同視角提出來的新興制造模式具有不同的產(chǎn)生背景和側(cè)重點，但它們向融合發(fā)展已成為一種趨勢。
圖9 四網(wǎng)與制造融合的智慧制造
智慧制造正是將互聯(lián)網(wǎng)的4大支持技術(shù)———人際網(wǎng)或人聯(lián)網(wǎng)（Internet of People，IoP）、內(nèi)容知識網(wǎng)（Internet of Content／Knowledge，IoCK）、務(wù)聯(lián)網(wǎng)（IoS）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）與制造技術(shù)深度融合而提出的一種人機物協(xié)同制造模式（如圖9）。若用M表示制造（Manufacturing），用I表示（未來）互聯(lián)網(wǎng)（Internet），則I＝｛IoP，IoCK，IoS，IoT｝、WM＝I∩M＝｛IoP∩M，IoCK∩M，IoS∩M，IoT∩M｝。
綜上所述，新一代智能制造已從最初著重于物理系統(tǒng)的感知與集成（如制造物聯(lián)），進一步與信息系統(tǒng)融合，形成CPPS；再進一步與社會系統(tǒng)融合，形成社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（SocialCPPS，SCPPS）———智慧制造（WM），延伸和拓展了工業(yè)4.0下的CPPS理念。
圖10 統(tǒng)一于W（SCPPS）旗下的各種智能制造模式
由此可見，現(xiàn)有新興智能制造模式可以統(tǒng)一于智慧制造／SCPPS架構(gòu)之下，如圖10所示。物聯(lián)網(wǎng)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)4.0中支撐CPS（如圖5），類似地在智慧制造中支撐CPPS（CPS＋制造），進一步與人際網(wǎng)（IoP）結(jié)合，進而支撐SCPPS；而內(nèi)容知識網(wǎng)（IoCK），包括數(shù)據(jù)—信息—知識—智慧（Data‐Information‐Knowledge‐Wisdom，DIKW），起到橋接其他三大支柱技術(shù)的作用。在AI以“數(shù)據(jù)為王”的今天，從某種意義上來說，IoCK就是大數(shù)據(jù)，但又不限于此，還包括語義Web和知識圖譜等。IoCK與制造技術(shù)的融合，就形成包括IM、大數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能制造、基于語義Web的智能制造等制造模式。
在實際生產(chǎn)中，企業(yè)要嚴格按照產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程才能制造出所需產(chǎn)品。具體而言，前述的“四網(wǎng)”要與智能工廠相互協(xié)調(diào)才能實現(xiàn)工業(yè)4.0的理念，因此根據(jù)制造系統(tǒng)的輸入輸出以及各個要素之間關(guān)系，得到融合于一體的社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（如圖11）：（Input，Relation，SCPS，IoP，IoS，IoT，IoCK，F(xiàn)actory，Output）。
圖11 九元組表示的SCPPS
式中：Input表示輸入元素集，包括客戶要求、數(shù)據(jù)、材料、能源、資本和勞動力等；IoS表示務(wù)聯(lián)網(wǎng)，包括云計算和面向服務(wù)架構(gòu)等；IoT表示物聯(lián)網(wǎng)；SCPS表示橋接制造中的社會世界、信息世界與物理世界；Relation表示系統(tǒng)組件之間的相互作用以及IoT、IoS、IoCK、IoP和SCPS之間的聯(lián)接和協(xié)作；Factory（工廠）根據(jù)生產(chǎn)過程中的Relation（關(guān)系），在IoT、IoS、IoCK、IoP和SCPS的支持下將原材料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品來滿足客戶的需求；Output表示系統(tǒng)的輸出元素集，包括產(chǎn)品和／或服務(wù)以及解決方案等。
從層次構(gòu)架來看，WM從下至上包括了組織符號學的物理層、經(jīng)驗層、語法層、語義層、語用層和社會層，分別對應(yīng)于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的主動制造的資源層、感知層、數(shù)據(jù)層、預(yù)測層、決策層和應(yīng)用層；從系統(tǒng)構(gòu)成來看，WM又包括社會系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，相應(yīng)地誕生了社會制造、賽博制造和物聯(lián)制造（又稱為制造物聯(lián)），并可通過大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈將3個子系統(tǒng)鏈接起來，如圖12所示。
圖12 層次體系架構(gòu)下的SCPPS
從DIKW金字塔模型來看，WM達到DIKW模型的最高層次———智慧層次，并隨著大數(shù)據(jù)與深度學習為代表的新一代AI的興起，更加強調(diào)大數(shù)據(jù)智能所起的作用。由于新一代智能制造具備學習和認知的能力，具備了生成知識和更好地運用知識的能力，因此制造系統(tǒng)變得越來越智能化，人的智慧與機器智能相互啟發(fā)性地增長，也使制造業(yè)的知識型工作向自主智能化的方向發(fā)生轉(zhuǎn)變。
從交互的角度來看，若人機交互越自然、機器與環(huán)境的交互越自主，則系統(tǒng)智能化程度越高。隨著聯(lián)接與感知能力的突飛猛進，人機物將在數(shù)據(jù)構(gòu)筑的虛擬信息空間中進行交互，隨著手機和穿戴設(shè)備等的普及，特別是AR為人類感知添加了新維度，突破了物理世界的局限，同時人—人、機—機、物—物、人—機—物能夠相互進行通信，感知設(shè)備和環(huán)境的變化，具有自適應(yīng)性和自主智能的機器與人合作，協(xié)同完成復(fù)雜制造任務(wù)，進而通過IoT、IoS、IoCK、IoP連接成龐大的社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)。
3.2從集中走向分布、從被動走向主動
SM早期研究將物理節(jié)點感知的數(shù)據(jù)傳送到云中心進行處理，雖然云計算中心較好地實現(xiàn)了大批量（歷史）數(shù)據(jù)處理以及資源共享與優(yōu)化配置，但將導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心節(jié)點負載大、傳輸帶寬負載量重、網(wǎng)絡(luò)延遲明顯、生產(chǎn)實時性難以保證以及安全和隱私等問題，同時也使網(wǎng)絡(luò)邊緣物理設(shè)備（節(jié)點）缺少自主能力。在新一輪工業(yè)革命背景下，隨著制造物聯(lián)終端與連接規(guī)模的快速擴展，傳統(tǒng)集中式信息處理與管理的模式難以適用，將逐步演進為集中式管理與分布式自治相結(jié)合的模式，而應(yīng)運而生的霧計算或邊緣計算（由于邊緣計算和霧計算概念具有很大的相似性，這里不對兩者加以區(qū)別使用），使邊緣設(shè)備成為數(shù)據(jù)消費者和生產(chǎn)者。
據(jù)國際數(shù)據(jù)公司預(yù)測，到2020年企業(yè)在邊緣基礎(chǔ)設(shè)施上的投入將占物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施總費用的18％，近50％新建的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將在具有綜合分析能力的物聯(lián)網(wǎng)平臺實施。邊緣（霧）計算與云計算的有機結(jié)合，為新工業(yè)革命時代的智能制造提供更完美的數(shù)據(jù)處理平臺。
云計算負責非實時、長周期數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，能夠在預(yù)測性維護、業(yè)務(wù)決策等領(lǐng)域發(fā)揮特長；邊緣計算聚焦實時、短周期數(shù)據(jù)的分析，能更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實時智能化處理與執(zhí)行，以分布式信息處理的方式實現(xiàn)物端的智能和自治，并為云端提供必要的邊緣設(shè)備數(shù)據(jù)，而云計算通過大數(shù)據(jù)分析輸出業(yè)務(wù)規(guī)則或優(yōu)化結(jié)果，將其下發(fā)到邊緣處，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的智能化。
如在圖12所示的底部物聯(lián)制造中，位于虛擬空間的“集中式”任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，完成自動導(dǎo)引車（AutomaticGuidedVehicle，AGV）與機器的作業(yè)調(diào)度和協(xié)調(diào)，而分散位于物理空間的AGV，通過霧（邊緣）計算以分布式信息處理的方式實現(xiàn)霧端（物端）的智能和自治。這種云霧結(jié)合的SCPPS，與傳統(tǒng)CIM采用事后或反應(yīng)性調(diào)度策略不同，它采用事前的主動性調(diào)度策略，如在質(zhì)量問題／故障問題／交貨期延誤發(fā)生之前，就采取行動以防這些問題發(fā)生。
這種主動性實質(zhì)上是利用無所不在的感知收集各種相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過對所收集的大數(shù)據(jù)進行深度分析，挖掘出有價值的信息、知識或事件，自動反饋給業(yè)務(wù)決策者，并根據(jù)系統(tǒng)健康狀態(tài)、當前和過去信息，對外部環(huán)境及情形作出判斷或預(yù)測，主動配置和優(yōu)化制造資源。
云霧協(xié)同雖然可有效應(yīng)對智能制造中海量的大數(shù)據(jù)，但如何保障生產(chǎn)設(shè)備與數(shù)據(jù)的安全仍然是必須面對和急需解決的問題，而強調(diào)去中心化的區(qū)塊鏈所特有的數(shù)據(jù)加密保護和驗證機制為解決該問題提供了一種手段，同時也有利于知識產(chǎn)權(quán)（如3D模型）保護。邊緣（霧）計算與區(qū)塊鏈融合，將為業(yè)務(wù)實時、業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)聚合與互操作、安全與隱私保護等關(guān)鍵技術(shù)問題提供支持。因此，區(qū)塊鏈被產(chǎn)業(yè)界視為引發(fā)第四次產(chǎn)業(yè)革命的核心要素之一。
在虛擬化／服務(wù)化和數(shù)字孿生支持下，最終可建立物理世界和社會世界的數(shù)字鏡像映射，并將感知、分析判斷、預(yù)測、決策能力納入其中，完成整個生產(chǎn)過程智能化。此時，人類生產(chǎn)實驗可以在虛擬空間突破時空限制，快速遍歷各種模擬與仿真，無需再在物理世界進行實驗，即使不得已要進行，也能做到一次成功。
4 走向現(xiàn)實的長尾智能制造
如上所述，新工業(yè)革命時代仍會存在大規(guī)模生產(chǎn)、大規(guī)模定制和個性化生產(chǎn)3種基本生產(chǎn)方式（長尾制造），因此隨著以“人工智能＋”為主要特征的新工業(yè)革命到來，長尾制造必然走向智能化。新工業(yè)革命的目的不是消滅大規(guī)模生產(chǎn)，而是比以往任何時候都能更好地滿足社會對多層次多樣化產(chǎn)品的需求。
圖13 女裝長尾生產(chǎn)示例
比如，對于女裝生產(chǎn)，成衣批量生產(chǎn)企業(yè)主要制作位于圖13的bc段人群集中的衣服（實際分為150／XXS、155／XS、160／S、165／M、170／L、175／XL、180／XXL尺碼系列生產(chǎn)），而位于兩側(cè)的“長尾”（ab和cd）部分，以往主要采用手工制作（價格通常較高），目前已可在互聯(lián)網(wǎng)上定購制作（比直接購成衣價格稍高，等候時間也更長）。
展望未來，隨著人類生產(chǎn)水平的提高，以及對個性化成衣的追求，部分人即使能買到合身的大眾化成衣，也會轉(zhuǎn)向網(wǎng)上訂購加工所需衣服，使得成衣需求曲線扁平化（如圖13中的虛線所示），但仍然存在成衣大批量生產(chǎn)方式，更不用說布料的大批量生產(chǎn)了。又如，當今主流的智能手機仍采用大批量生產(chǎn)為主（有限的若干個產(chǎn)品類型供選擇），其個性化定制主要體現(xiàn)于服務(wù)方面，用戶可設(shè)定自己喜歡的界面和下載所需的APP軟件等。
由此可見，究竟采用哪種生產(chǎn)方式來制造產(chǎn)品，是由市場決定的。“智能化”不是目的，業(yè)務(wù)發(fā)展、提質(zhì)增效、節(jié)能降耗才是促使更多企業(yè)最終選擇智能制造之路的根本原因。因此，在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，任意數(shù)量（低至1件）產(chǎn)品都可以以合理的價格生產(chǎn)出來，大規(guī)模生產(chǎn)可為大眾提供低成本的產(chǎn)品和服務(wù)，大規(guī)模定制為少數(shù)人或某群體提供定制化的產(chǎn)品和服務(wù)，而個性化生產(chǎn)為單個客戶提供個性化需求的產(chǎn)品和服務(wù)。
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