新工業革命/智能制造的五個基本特征

發布時間：2021-12-29作者來源：金航標瀏覽：1963

新工業革命來勢洶涌。近幾年很多國家都已經有針對性地提出了本國的工業轉型升級發展戰略與命名，例如德國叫作工業4.0，中國叫作智能制造等。但是對于這場蔓延全球的、以智能為標識的新工業革命的基本內涵和特征，則一直是眾說紛紜，各有措辭。關于智能制造，也是定義頗多，各有出處。如果不能清晰認識新和準確把握工業革命/智能制造的基本特征，那么就難以真正有效地推動新工業革命的基本建設，難以讓智能制造在企業落地。

筆者梳理了新工業革命內涵，總結了其五個基本特征：
⑴“人智”轉“機智”；
⑵傳感器低價普及；
⑶軟件定義制造；
⑷真正兩化融合（軟件閉環）；
⑸大范圍優化配置制造資源。[敏感詞]予以分別介紹。

1.“人智”轉“機智”

人類知識不斷進入軟件，知識載體由以碳基知識為主轉向以硅基知識為主，數字生產力激增。

智能制造并不是一個高深莫測、難以理解的術語。通俗地說，所謂智能制造就是一個“人智變機智”的過程——即把人的智能（簡稱“人智”）從隱性知識提煉為顯性知識，進行模型化、算法化處理，再把各種模型化（機理模型、數據分析模型等）的知識嵌入軟件，軟件嵌入芯片，芯片嵌入某個盒子/模塊，再把該盒子/模塊嵌入到物理設備中，由此而賦予機器一定的自主能力，讓機器具有一定程度的“智能”（簡稱“機智”），我們將這個過程稱之為“賦能”。

如此，機器在軟件支撐下具有了一定的人類思考能力，當軟件算法越好，芯片算力越強，工業數據越多，“機智”程度就越高。于是，當“機智”達到一定程度后，就具備了部分或完全替代人體/人腦的功能。當人體/人腦離開了工作場景的系統回路后，機器在無人參與的情況下，仍然可以像人在現場時一樣自主工作，甚至還可以工作得更好，較好地優化了制造資源的配置。如圖1所示。

圖1 “人智”轉“機智”的過程

這種把“人智”轉“機智”的制造活動，筆者稱之為智能制造。從上述描述過程不難看出，其關鍵使能要素，就是工業軟件。

工業軟件是工業化的[敏感詞]產物。它封裝了工業技術/知識，建立了數據自動流動規則體系，打造了機器的大腦和神經，因此機器變得更加聰明，功能可以隨時調整。工業軟件描述、集成、模擬、加速、放大、優化、創新了傳統制造過程，形成一種新的工業智能模式——軟件定義制造。

第一次、第二次工業革命，極大地解放了人體。第三次工業革命，極大地解放了人腦。解放人腦的原理在于，大量的“人智”進入了軟件。因此，研發與管理手段數字化軟件，讓產品研發與管理發生了革命性的變化，數字孿生和數據分析模型等新概念層出不窮；同時，產品本身數字化軟件讓機器發生了革命性的變化。40年前的機器，除了電源線之外，很少有導線在設備上出現。而在今天的設備上，已經出現了大量的導線，這些導線都聯接到了機器上的某些盒子中，在這些盒子里面，都有多層線路板和大量芯片，芯片里面運行的是軟件，軟件里面容納了大量“人智”，而這些“人智”都已經轉化成為了“機智”。

如果能更多地把“人智”轉為“機智”，讓傳統機器轉變為“智能機器”，如果能開發出更多的自主可控工業軟件，如果工業技術/知識能夠更多地軟件化，那么就有可能把大量的知識型技術人員從重復性勞動中解放出來，讓機器去生成產品，讓解放出來的技術人員去生產知識和更輕松地管理機器，這樣可以實現人和機器的重新分工，實現工業技術/知識的持續積累和永續繼承，讓企業實現可持續、高質量發展。

2.傳感器低價普及

傳感器為機器增添了“五官”，極大增強了機器對環境的狀態感知能力，物理空間信息加速數字化。

沒有“狀態感知”機器無法成為智能機器（即使實現了“狀態感知”，還要同時具備其它條件才能實現）。要實現“狀態感知”，就需要各種各樣的“感應器件”。無論是智能制造、工業4.0、工業互聯網還是物聯網，都離不開形形色色的傳感器。

傳感器由國標GB7665-87加以規范和定義：“能夠感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。其中的“可用輸出信號”是指便于加工處理、便于傳輸利用的電信號。一般傳感器都是由敏感元件、轉換元件和轉換電路三部分組成。

敏感元件，就是“具有感應功能的物質”作為“感應器件”的“效應物質”。因此，傳感器是由有“具有感應功能的物質”的“效應物質”發展而來的。沒有科學效應（物理效應、化學效應等）物質作為感應器件，就沒有傳感器的存在。

常見的傳感器有熱敏傳感器、光敏傳感器、溫敏傳感器、力敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、聲敏傳感器、磁敏傳感器、味敏傳感器、放敏傳感器共計十大類。各式各樣傳感器如圖2所示。

圖2 各式各樣傳感器

（圖片來自網絡）近年來工業互聯網/工業物聯網的發展實踐證明，高性能機器設備、低成本傳感器、工業網絡、因特網、工業大數據采集及分析技術的組合，可以有效提高現有產業的效率和效益，產生新技術、新模式和新業態。其中的關鍵因素之一，就是低成本的傳感器。近年來，傳感器技術取得了跨越式的發展，新型傳感器層出不窮，成本不斷降低，性能不斷提升，已經成為了傳感器行業的研發常態。正是因為傳感器成本的不斷降低，降到了可以大規模部署的成本線上，傳感器的大規模應用才能成為企業的選擇。

GE公司在傳感器的應用方面有很多可以借鑒的經驗。早在2005年，GE旗下飛機發動機公司改組為GE航空，就開始了經營模式的轉變。公司原有業務只是生產航空發動機，后來通過在飛機上安裝眾多的傳感器，實時采集飛機的各種參數，通過大數據分析技術為航空公司提供運維管理、能力保證、運營優化和財務計劃的整套解決方案，以及提供安全控件、航行預測等各類服務，為企業產生了很好的經濟效益。

以意大利航空為例，GE為他們每架飛機上安裝了數百個傳感器，可以實時采集發動機的運轉情況、溫度和耗油量等許多數據，利用GE的軟件進行海量分析后，精準地給出理想的操控方法，只此一項，意大利航空145架飛機一年就節約了1500萬美元的燃油成本。通過這些數據，還可提前預測發動機故障的可能，做出前瞻性的預防維護，避免因為機器故障造成航班延誤、成本增加，甚至是更大的安全事故。

2013年1月，GE在紐約一家電池生產企業里共計安裝了1萬多個傳感器，用于監測生產時的溫度、能源消耗和氣壓等數據，而工廠的管理人員可以通過iPad獲取這些數據，從而對生產進行監督，有效地優化生產資源的配置。

傳感器低價普及，無疑為新工業革命降下了一個巨大的成本門檻，架起了從物理空間順暢抵達數字空間的彩虹橋，讓時空信息源源不斷地化作比特數據流。

3.軟件定義制造

工業軟件成為機器的大腦，算法/算力急劇增加，軟件定義了材料/零件/系統的時空表現。

盡管軟件在很多高校和科研單位都被作為一個相對獨立的專業來研究，但是作者認為，單獨研究軟件容易脫離軟件運行的硬件基礎，容易脫離軟件以數據和決策所控制的物理設備。因為軟件從來就不是一個僅僅具有“計算”屬性的器物，

而是還具有更重要的“控制”屬性的器物。軟件作為一種數據、信息、知識的高度融合的數字載體，必須生存、運行在芯片中。軟件與芯片形成了共生關系。芯片的功能與性能約束了軟件的運行速度和可以定義的“能力”，而軟件的程序化指令不斷驅動芯片中的門電路和場效應管做“開”“關”運行，因此軟件從誕生之日起就具有驅動芯片的“準CPS”特征。

軟件和芯片之間的關系也是微妙和不斷變化調整的。過去，軟件必須去適應芯片，要基于芯片的約束來開發軟件；而今天往往是為了軟件更好地運行、最大限度地發揮軟件性能來設計芯片，即基于軟件需求去研發芯片。

首先，芯片具有為軟件“容身、計算、存儲”的作用，軟件具有為芯片“賦值、賦能、賦智”的作用。軟件與芯片的各自優點綜合匹配在一起，才能發揮最好的效益。軟件與芯片共同構成了一個融合體，是一個“準CPS”，很難說誰“定義”了誰。但有兩點顯而易見：軟件是芯片強大算力的作用對象，沒有芯片強大算力支持，軟件很難發揮對物理實體的“賦能/賦智”作用；蘊含在軟件中的人類知識是人造系統“智能”的源頭，沒有軟件中的各種模型與算法知識的邏輯導引，芯片強大算力也失去了用武之地，同樣無法形成對物理實體的“賦能/賦智”作用。

其次，軟件所產生的決策與數據對物理設備具有[敏感詞]的控制作用。

以CPU門電路中的場效應管為例，在軟件數字指令驅動下，高電平（開/通電流）為1，低電平（關/斷電流）為0，因此在該場效應管上不斷以極速“開/關”的狀態來進行計算，最終一組一組的門電路上輸出了一串一串經過計算后形成的“1/0”排列的二進制比特數據，這些比特數據可以用來驅動顯示設備（如各種顯示屏），也可以用來驅動物理設備中的控制器，讓機器或產品精準運轉，由此而體現出軟件對芯片、外設、物理設備的控制性。

早期軟件只在電腦上使用，硬件范圍只包含一些顯示、打印等外部設備，軟件運行的結果只需要顯示在硬件屏幕上，可能是顯示數據，可能是曲線曲面，可能是圖像或聲音，但是，這些計算結果并不要求形成“閉環”，只要能輔助人進行決策就可以了。而今天，硬件范疇已經擴展到所有與電腦聯接的工業設備，軟件運行的結果是要用來驅動物理設備的，是要與物理設備形成“閉環”的（見下節論述），即物理設備的每一個細微動作都被感知到，都要通過傳感器反饋到軟件中，軟件根據物理設備的“此時此刻”的工作場景進行計算，根據內嵌的機理模型或推理規則進行決策，給出物理設備下一步的最優化、最精準的動作指令。因此，軟件和芯片，與工業設備之間的關系就變得實時、緊密、并且是豐富多彩了。

軟件從驅動芯片運算、“軟件+芯片”驅動計算機外設運行，發展到“軟件+芯片”驅動工業物理設備及其數字孿生體精準運行，使得軟件對物理設備產生了強大的“定義”作用。軟件定義，現在已經成為制造業的一種技術現象：軟件不僅定義了零件，定義了材料，也定義了產品，定義了工裝，定義了工藝，定義了裝配，定義了產線，定義了生產流程，定義了供應鏈，定義了產品使用場景，定義了產品維護與升級，定義了客戶，定義了銷售，定義了企業，定義了所有可以定義的一切。

4.真正兩化融合（軟件閉環）

比特擁抱原子，IT攜手OT，賽博融合物理，工業軟件給出的數字指令跨時空精準操控物理設備。

《三體智能革命》的“三體智能模型”中的兩個大循環給了我們很好的啟示：應該從知識發生和知識流動的基本作用上去重新認識軟件，認識今天的軟件為什么是“閉環”的。物理實體→意識人體→數字虛體→物理實體這個大循環已經清晰告訴我們，人類在過去幾十萬年與物理世界的相互作用過程中，積累了大量的認識世界、改造世界的知識。當從兩體（物理實體、意識人體）相互作用演變到三體相互作用之后，“兩體單一界面”的單調情況發生了巨大改變，變成了“三體三個界面”的復雜情況。

物理實體→意識人體→數字虛體→物理實體大循環，其實是特別重要的一個知識循環，既是軟件形成閉環，從常規軟件走向工業軟件的必由之路，也是軟件定義的內涵由來。

結合信息化百人會執委安筱鵬博士在“軟件視角中的未來工業”一文中提出的觀點，作者給出了基于三體智能模型知識流動大循環實現軟件賦能與使能的邏輯閉環：物理世界運行→運行規律化（映射為人類意識活動）→規律模型化→模型算法化→算法代碼化（進入數字虛體）→代碼軟件化→軟件優化物理世界運行（和人類行為），如圖3所示。

圖3 從三體智能模型到軟件定義模型

在圖3的邏輯閉環中，把人類在長期與物理世界交互過程中所積累的知識進行梳理與歸納，找到物理世界（包括材料、設備等）的運行規律，然后將這些知識數字化，基于工業軟件建立比特數據自動流動的規則，然后以自動流動的比特數據，把這些知識搭載、輸送到任何需要的地方，由此而以正確的、泛在的知識指導機器或人，在系統內外部的不確定性、復雜的工作場景和給定的資源限制下，通過不斷重復“狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升”的智能過程，把正確的數據，以正確的版本，在正確的時間，給到正確的人和機器，因此而把事情一次做對，一次做優，甚至可以在下次做得更好。（筆者1997年翻譯波音公司在DCAC/MRM項目資料，其中有“4個right”：right data，right version，right time，right person，由其原意編譯而成）

以人類知識進入數字虛體，以數字虛體作為軟件定義的基本內涵，強調今天的軟件與傳統的軟件所不同的“閉環”特征——以軟件定義的比特數據流精準地控制機器設備的形態和材料的微觀結構，是智能制造的核心內容。今天的軟件不再僅僅以輔助人類決策的身份出現，而是以自主的方式，超越人體/人腦，直接驅動物理設備運行。

軟件閉環，形成了真正的兩化融合，打造了智能制造/工業互聯網的使能技術CPS（賽博物理系統）。在軟件定義作用下，CPS可以[敏感詞]控制每一個材料原子的位置和原子彼此之間的相對位置（晶格），[敏感詞]控制每一個成型后的零件部以及各個零件之間的相對位置，[敏感詞]控制每臺機器設備的運行動作、周期、時間和能耗等。這已經成為新工業革命最重要目的。

5.大范圍優化配置制造資源

基于工業互聯網，實現多域而非單域、大范圍而非小范圍優化配置制造資源。

在2017年11月27日國務院發布的《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》中指出：“工業互聯網是以數字化、網絡化、智能化為主要特征的新工業革命的關鍵基礎設施，加快其發展有利于加速智能制造發展，更大范圍、更高效率、更加精準地優化生產和服務資源配置，促進傳統產業轉型升級，催生新技術、新業態、新模式，為制造強國建設提供新動能。

”在過去20年，企業實施了很多數字化/信息化改造項目，上了很多的企業信息化系統，但是其作用范疇，往往是“一廠一所一車間”，對制造資源的優化配置局限在本地/本企業的小范圍內。對于需要大范圍配置優化的制造資源，受限于嚴重的時空限制，往往沒有太好的解決方案。

工業互聯網就是為了在“更大范圍、更高效率、更加精準地優化生產和服務資源配置”而生的新型工業網絡，是智能制造落地的關鍵基礎設施。工業互聯互聯網有助于讓企業去打破那道亙橫在物理世界與數字世界之間的看不見、摸不著、越不過的“墻”，突破了過去嚴重約束企業的時空限制。

工業云平臺是工業互聯網的初始階段和基本形態。將企業的研發工具、核心業務系統、關鍵設備等逐步運行在云上，可以在統一的云架構下，最大限度地方便了各個系統之間的集成，讓數據藉由云端而順暢、自動地流動在各個系統之間，促進彼此的互聯互通互操作，這樣不僅能有效提升運營效率，實施精細化管理，還可以在較大范圍內優化企業資源的配置，由此產生經濟效益，全面提高企業的整體管理水平。現在絕大部分工業互聯網平臺都是安裝在私有云、公有云或混合云上。

當越來越多的工業要素進入到工業互聯網時，絕大多數供應鏈也將會變成工業互聯網的一部分。根據IBM發布的一份報告顯示，在“軟件定義供應鏈”大環境下，在工業互聯網平臺和工業APP的支撐下，確保運營和有成本競爭力的[敏感詞]程度生產規模，平均比此前減少了90%，企業運營和管理成本大大降低。

藉由工業互聯網來大范圍聯接工業要素，已經取得了很多實實在在的成果：如青海國電綠能公司開發的“新能源行業工業互聯網平臺”在感知層每秒接入數據3600條左右，28座電站接入平臺，通過集中監控實現“無人值班、少人值守”，為發電企業節約運行人員成本40%；優也公司為山東某年產300萬噸鋼鐵企業實施了Thingswise工業互聯網平臺后，一年節省了4000萬人民幣；東方國信公司將國內的1000座煉鐵高爐中的310座接入了煉鐵大數據智能互聯平臺，降低冶煉能耗3%~10%，提升勞動生產率5%以上，減少安全事故60%；樹根互聯為某注塑機裝備制造企業實施根云工業互聯網平臺后，該廠的設備故障“發現-響應”周期從1小時以上降低到15分鐘以內，縮短響應時間75%，到達時間縮短50%，并且給客戶提供處理過程透明化提升客戶滿意度50%以上；曲靖卷煙廠基于華龍迅達公司木星工業互聯網平臺建設卷煙數字工廠，有效作業率從89%上升至96%，零備件庫存占用資金從1.2億/年降到0.38億/年，每100萬大箱比同規模企業成本少0.6億/年；北明智通公司為某乳業集團實施了智通工業互聯網，提升機臺效率15%，質量追溯由原來的數小時縮減到幾分鐘，質量分析有效性增加50%，車間統計巡檢人員下降50%、生產記錄勞動量減少80%，等等。

大范圍工業要素聯接，讓企業有了在大系統級別優化配置制造資源的可能性，并由此而獲得了更好的企業管控能力，有力推動了企業的轉型升級。

6.小結

以智能為標識的新工業革命，為全球工業轉型升級帶來了空前的機會，提供了巨大的推動力，創造了無以計數的新技術、新模式和新業態，也產生了諸多的新工業時代特征。

根據筆者對多國新工業革命的數年觀察和耐心梳理，發現諸多的新工業時代特征，百條千條，都可以歸結為這五條：
⑴“人智”轉“機智”——人類知識不斷進入軟件，知識載體由以碳基知識為主轉向以硅基知識為主，數字生產力激增；
⑵傳感器低價普及——傳感器為機器增添了“五官”，極大增強了機器感知能力，物理空間信息加速數字化；
⑶軟件定義制造——工業軟件成為機器的大腦，算法/算力急劇增加，軟件定義了材料/零件/系統的時空表現；
⑷真正兩化融合（軟件閉環）——比特擁抱原子，IT攜手OT，賽博融合物理，軟件給出的數字指令跨時空精準操控物理設備；
⑸大范圍優化配置制造資源——基于工業互聯網，實現多域而非單域、大范圍而非小范圍優化配置制造資源。

不厘清新工業革命的基本特征，就無法讓智能制造在企業落地。而清晰知曉上述五個基本特征，可以讓企業盡早駛入智能制造的快車道。

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