智能制造系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　智能制造系統(tǒng)和傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

　　高效自治。自治能力是智能制造系統(tǒng)的一種重要的標(biāo)志性特征，包括自學(xué)習(xí)、自組織、自維護(hù)等能力。智能制造系統(tǒng)具有搜集與理解環(huán)境信息及自身的信息并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的自學(xué)習(xí)能力；智能制造系統(tǒng)中的各種組成單元能夠根據(jù)工作任務(wù)的需要自行集結(jié)成一種超柔性最佳結(jié)構(gòu)并按照最優(yōu)的方式運(yùn)行的自組織能力；以原有的專家知識(shí)為基礎(chǔ)在實(shí)踐中不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)完善系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行自我診斷、排除及修復(fù)的自維護(hù)能力。例如，在德國(guó)工業(yè)4.0實(shí)施方案中，信息物理系統(tǒng)（CPPSs）幫助智慧工廠進(jìn)行自我管理，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的定制化和個(gè)性化。CCPSs不僅可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自我管理，還可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)的自我管理。

　　人機(jī)一體。智能制造系統(tǒng)不單純是“人工智能”系統(tǒng)而是人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能。人機(jī)一體化一方面突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位同時(shí)在智能機(jī)器的配合下更好地發(fā)揮了人的潛能，使人機(jī)之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，使兩者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。虛擬制造技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高水平人機(jī)一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。人機(jī)結(jié)合的新一代智能界面使得可用虛擬手段智能地表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)，它是智能制造的一個(gè)顯著特征。

　　網(wǎng)絡(luò)集成。智能制造系統(tǒng)在強(qiáng)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)智能化的同時(shí)更注重整個(gè)制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化集成。這是智能制造系統(tǒng)與傳統(tǒng)的面向制造過(guò)程中特定應(yīng)用的“智能化孤島”的根本區(qū)別。這種網(wǎng)絡(luò)集成包括兩個(gè)層面。智能制造的第一個(gè)特點(diǎn)體現(xiàn)在企業(yè)智能生產(chǎn)系統(tǒng)的縱向整合以及網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)系統(tǒng)利用信息物理系統(tǒng)（CPPSs）實(shí)現(xiàn)工廠對(duì)訂單需求、庫(kù)存水平變化以及突發(fā)故障的迅速反應(yīng)。生產(chǎn)資源和產(chǎn)品由網(wǎng)絡(luò)連接，原料和部件可以在任何時(shí)候被送往任何需要它的地點(diǎn)。生產(chǎn)流程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都被記錄，每個(gè)差錯(cuò)也會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)記錄，這有利于幫助工廠更快速有效地處理訂單的變化、質(zhì)量的波動(dòng)、設(shè)備停機(jī)等事故。工廠的浪費(fèi)將大大減少。二是價(jià)值鏈橫向整合。與生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化相似，全球或本地的價(jià)值鏈網(wǎng)絡(luò)通過(guò)CPPSs相連接，囊括物流、倉(cāng)儲(chǔ)、生產(chǎn)、市場(chǎng)營(yíng)銷及銷售，甚至下游服務(wù)。任何產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)和軌跡都有據(jù)可查，仿佛產(chǎn)品擁有了“記憶”功能。這便形成一個(gè)透明的價(jià)值鏈——從采購(gòu)到生產(chǎn)再到銷售，或從供應(yīng)商到企業(yè)再到客戶。客戶定制不僅可以在生產(chǎn)階段實(shí)現(xiàn)，還可以在開(kāi)發(fā)、訂單、計(jì)劃、組裝和配送環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)⑥。

　　智能制造面臨四大技術(shù)挑戰(zhàn)

　　異構(gòu)異質(zhì)系統(tǒng)的融合。智能制造系統(tǒng)利用信息物理系統(tǒng)（CPPSs）縱向?qū)崿F(xiàn)智能生產(chǎn)系統(tǒng)整合和網(wǎng)絡(luò)化，橫向?qū)崿F(xiàn)價(jià)值鏈的整合與網(wǎng)絡(luò)化?，F(xiàn)在面臨的問(wèn)題是，傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中不同的技術(shù)發(fā)展相對(duì)割裂。盡管一些既定的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在各種技術(shù)學(xué)科、專業(yè)協(xié)會(huì)和工作組中使用，但是缺乏對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)。目前，不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間，設(shè)備之間存在嚴(yán)重的異構(gòu)異質(zhì)問(wèn)題需要解決。異構(gòu)性是指不同類型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如Internet，WSN等）高質(zhì)量互聯(lián)互通的問(wèn)題。異質(zhì)性是指不同公司生產(chǎn)的、不同功能的硬件不兼容的設(shè)備在沒(méi)有彼此差異的情況下進(jìn)行互聯(lián)互通的問(wèn)題⑦。這要求從傳感器、數(shù)據(jù)卡開(kāi)始，從數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)、云平臺(tái)、數(shù)據(jù)中心、全連接，需要統(tǒng)一的架構(gòu)，以及標(biāo)準(zhǔn)化的接口。這需要一套新的國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)大范圍嵌入式設(shè)備之間的互聯(lián)以及向虛擬世界互聯(lián)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)間的融合與協(xié)同，對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分離的、局部的優(yōu)勢(shì)能力與資源進(jìn)行有序整合，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在、無(wú)所不能的一種智能網(wǎng)絡(luò)。在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都具備自路由的功能，形成一個(gè)自組織、自管理、自修復(fù)、自我平衡的智能網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)設(shè)備因?yàn)楫悩?gòu)異質(zhì)的融合可以相互之間進(jìn)行良好的通信交流，在不同的網(wǎng)絡(luò)共存的情況下，還可以整合與優(yōu)化資源配置，利用性能更好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)更高效的資源利用。

　　解決這個(gè)問(wèn)題，單靠哪家企業(yè)都不現(xiàn)實(shí)，需要積極推進(jìn)智能制造的各國(guó)政府，跨國(guó)界的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新組織、跨國(guó)公司以及廣泛的中小企業(yè)共同參與，將現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，如在自動(dòng)化領(lǐng)域（工業(yè)通信、工程、建模、IT安全、設(shè)備集成、數(shù)字化工廠等）納入一個(gè)新的全球參考體系是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)。這項(xiàng)工作具有高度的復(fù)雜性，是智能制造發(fā)展面臨的一大挑戰(zhàn)。

　　復(fù)雜大系統(tǒng)管理。在現(xiàn)代管理中，我們一般可通過(guò)模型模擬來(lái)解決一些非常廣泛的真實(shí)的或假想的管理問(wèn)題，例如產(chǎn)品，制造資源或整個(gè)制造系統(tǒng)，如人類與智能系統(tǒng)的互動(dòng)，又如不同企業(yè)和組織之間業(yè)務(wù)流程等管理方面的問(wèn)題。

　　在智能制造時(shí)代，基于模型模擬使用標(biāo)準(zhǔn)的方式來(lái)配置和優(yōu)化制造工藝對(duì)于企業(yè)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。主要原因在于智能制造系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，由于功能增加、產(chǎn)品用戶特定需求增加、交付要求頻繁變化、不同技術(shù)學(xué)科和組織日益融合，以及不同的公司之間合作形式變化迅速，很難開(kāi)發(fā)一套穩(wěn)定且具有極強(qiáng)適應(yīng)性的管理模型。另外，開(kāi)發(fā)新的管理系統(tǒng)模型的成本與收益問(wèn)題也是一大難題。智能制造系統(tǒng)在建立初期階段就需要建立明確的管理模型，這一階段需要較高的資金支出。在高產(chǎn)量行業(yè)（如汽車行業(yè)）或有嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)（如航空電子行業(yè)），公司更有可能接受較高的初期投入。如果它們只生產(chǎn)小批量或個(gè)性化產(chǎn)品，則不太可能這樣做。

　　高質(zhì)量高容量網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。智能制造需要更高容量和更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，以保證智能制造所需的延遲時(shí)間、可靠性、服務(wù)質(zhì)量和通用帶寬。工業(yè)企業(yè)的信息化水平越來(lái)越高，信息數(shù)據(jù)量也越來(lái)越多，各種設(shè)備儀器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對(duì)信息處理的要求也提高了。高運(yùn)行可靠性，數(shù)據(jù)鏈路可用性，保證延遲時(shí)間和穩(wěn)定的連接成為智能制造的關(guān)鍵，因?yàn)樗麄冎苯佑绊憫?yīng)用程序的性能⑧。

　　高質(zhì)量高容量網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是智能制造面臨的又一個(gè)挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是工業(yè)領(lǐng)域?qū)拵У幕A(chǔ)架構(gòu)過(guò)去并不是面向大數(shù)據(jù)的，大量機(jī)器與機(jī)器、設(shè)備與設(shè)備等數(shù)據(jù)的收集、傳輸、交互等，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域?qū)拵ЩA(chǔ)架構(gòu)提出了更大的挑戰(zhàn)。二是要實(shí)現(xiàn)端到端的全生命周期基于數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)，需要更大范圍、更大維度的信息交流，異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的信息交流是一大挑戰(zhàn)。三是網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和成本控制的挑戰(zhàn)。智能制造網(wǎng)絡(luò)不僅需要高速、帶寬、簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展、安全，還需要便宜，不明顯增加現(xiàn)有制造產(chǎn)品和服務(wù)的成本。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要綁定可靠的SLA（服務(wù)水平協(xié)議）；通信容量的可用性和性能高；持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路調(diào)試/跟蹤，尤其是提供相關(guān)的技術(shù)援助；提供廣泛可用/有保證的通信容量（固定/可靠的帶寬）；廣泛使用的嵌入式SIM卡；所有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商之間的短信傳遞狀態(tài)通知；標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序編程接口（APIs）的配置，涵蓋所有供應(yīng)商（SIM卡激活/停用）；移動(dòng)服務(wù)合約的成本控制；負(fù)擔(dān)得起的數(shù)據(jù)全球漫游通訊費(fèi)用等。

　　系統(tǒng)安全。智能制造系統(tǒng)涉及高度網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將大量的有關(guān)人、IT系統(tǒng)、自動(dòng)化元件和機(jī)器信息納入其中。更多的參與者涉入到整個(gè)價(jià)值鏈。廣泛的網(wǎng)絡(luò)和潛在的第三方訪問(wèn)至少意味著一系列全新的安全問(wèn)題呈現(xiàn)在智能制造系統(tǒng)中。因此，在智能制造中，必須考慮到信息安全措施（加密程序或認(rèn)證程序）對(duì)生產(chǎn)安全的影響（時(shí)間關(guān)鍵功能、資源可用性）。

　　智能制造安全性的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，現(xiàn)有的工廠將升級(jí)網(wǎng)絡(luò)安保技術(shù)和措施，以滿足新的安全要求的挑戰(zhàn)。但是，通常企業(yè)的機(jī)械裝備壽命較長(zhǎng)，原有的很多設(shè)備并不具備可靠的網(wǎng)絡(luò)連接功能，升級(jí)改造非常困難。同時(shí)，企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)系統(tǒng)與外部的和在某些情況下很難聯(lián)網(wǎng)的陳舊基礎(chǔ)設(shè)施等因素影響，安全性的保障也很困難。其次，要為新的工廠和機(jī)器制定解決方案的挑戰(zhàn)。企業(yè)界目前缺乏完全標(biāo)準(zhǔn)化的操作平臺(tái)，以實(shí)施足夠的安保解決方案。滿足信息物理系統(tǒng)（CPPSs）安全的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)開(kāi)發(fā)本身也充滿挑戰(zhàn)。

　　智能制造面臨兩大法律挑戰(zhàn)

　　數(shù)據(jù)的權(quán)屬問(wèn)題。智能制造是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的制造。在智能制造時(shí)代，每一個(gè)工廠都應(yīng)有一套智能系統(tǒng)，它首先能夠通過(guò)傳感器，對(duì)機(jī)器運(yùn)作數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并加以分析，從而實(shí)時(shí)了解工廠的運(yùn)作情況；其次，能夠通過(guò)執(zhí)行器對(duì)機(jī)器運(yùn)作進(jìn)行控制；此外，還能對(duì)消費(fèi)者行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到銷售的全生命周期，進(jìn)行最優(yōu)化的管理。因此，智能制造很大程度上依賴于數(shù)據(jù)的處理和加工，以數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)，更自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備，更靈活的流程管理，讓工廠能夠基于市場(chǎng)預(yù)測(cè)，快速地裝配調(diào)度，智能地生產(chǎn)，從而以最快的速度匹配消費(fèi)者需求，并在全社會(huì)范圍內(nèi)優(yōu)化資源配置。

　　海量數(shù)據(jù)在智能制造時(shí)代具有前所未有的商業(yè)價(jià)值。自動(dòng)化時(shí)代的工業(yè)數(shù)據(jù)主要是在廠商的自動(dòng)化生產(chǎn)和配送系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行流轉(zhuǎn)，因此制造商毋容置疑的享有其所有權(quán)。但是在智能制造時(shí)代，制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、顧客的需求數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)將在一個(gè)更加廣闊的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中流轉(zhuǎn)，而且網(wǎng)絡(luò)的參與者也更加的多元化，能夠利用這些數(shù)據(jù)謀利的主體也更加的多元化。目前法律只對(duì)有形資產(chǎn)和專利保護(hù)有明確的界定，如果不從法律上解決數(shù)據(jù)的權(quán)屬問(wèn)題，并建立起適合智能制造發(fā)展需求的法律框架，使企業(yè)投資和開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)能夠獲得滿意的回報(bào)，企業(yè)投資智能制造的積極性就會(huì)大打折扣，智能制造的發(fā)展可能會(huì)被大大的延遲。

　　法律監(jiān)管問(wèn)題。智能制造系統(tǒng)在制造過(guò)程中能進(jìn)行智能活動(dòng)，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，這種智能制造系統(tǒng)可能擁有越來(lái)越高的“自治”能力，并逐漸演化成“自治系統(tǒng)”。與此同時(shí)，自治系統(tǒng)帶來(lái)的損害和傷害責(zé)任的法律問(wèn)題也隨之增長(zhǎng)。在智能制造時(shí)代，很多相關(guān)的法律責(zé)任都需要重新界定。

　　自動(dòng)駕駛汽車是一個(gè)典型的“自治系統(tǒng)”，它面臨的事故責(zé)任和法律監(jiān)管問(wèn)題是智能制造時(shí)代的典型案例。按照目前大多數(shù)相關(guān)的車輛法規(guī)，自動(dòng)駕駛汽車這種“自治系統(tǒng)”是不能上路行駛的。1949年版的《日內(nèi)瓦道路交通公約》要求駕駛員“應(yīng)當(dāng)時(shí)刻能夠控制其車輛”，因此，歐洲原有的道路交通法規(guī)不允許自動(dòng)駕駛汽車上路。目前，美國(guó)只有4個(gè)州允許無(wú)人駕駛汽車上路。它們?cè)跉W洲也不被法律認(rèn)可，盡管聯(lián)合國(guó)《維也納道路交通公約》近期的一項(xiàng)修訂意味著，包括歐洲和美洲在內(nèi)的72個(gè)國(guó)家允許汽車在特定期間自主駕駛。但是道路交通法律仍然要求司機(jī)有能力控制車輛。而其他國(guó)家在推行自動(dòng)駕駛汽車方面也面臨著相同的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)其實(shí)是自治系統(tǒng)使用的合法性問(wèn)題，也是關(guān)系到未來(lái)越來(lái)越多的具有“自治”能力的智能制造系統(tǒng)是否能夠大規(guī)模使用和推廣的關(guān)鍵。

　　這一挑戰(zhàn)的另外一個(gè)方面，是自治系統(tǒng)的法律責(zé)任界定問(wèn)題。例如，現(xiàn)在的道路交通法規(guī)一般都規(guī)定，駕駛者對(duì)所駕駛的車輛造成的事故負(fù)有直接責(zé)任。但如果是自動(dòng)駕駛的汽車，交通事故發(fā)生的責(zé)任界定將變得復(fù)雜。因?yàn)槭鹿实脑蚩赡苁亲詣?dòng)駕駛系統(tǒng)的問(wèn)題，也可能是駕駛者違規(guī)操作的問(wèn)題。這使得責(zé)任的牽扯方將不再只包括駕駛者，還可能包括自動(dòng)駕駛車的制造方、駕駛系統(tǒng)軟件提供商等。法律并不是僅僅規(guī)定自動(dòng)駕駛汽車能否上路那么簡(jiǎn)單，而是一整套條例和法令，決定了你遭遇具體情境時(shí)會(huì)發(fā)生什么。對(duì)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些規(guī)則中的大部分尚未出現(xiàn)。假如法律規(guī)定駕駛者應(yīng)該承擔(dān)更多的責(zé)任，就有可能極大地影響智能汽車的銷售。如果法律規(guī)定限制自動(dòng)駕駛汽車的制造商，也會(huì)影響廠商開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛汽車和推動(dòng)器上市的積極性。