近年來(lái)，隨著《中國(guó)制造2025》的推動(dòng)和深入，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能與工業(yè)化深度融合，制造業(yè)正面臨著向智能制造轉(zhuǎn)變的重大機(jī)遇。新時(shí)代的新型工業(yè)化之路，要求工業(yè)化與信息化的兩化融合，并進(jìn)一步走向智能化；信息化、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的四化同步；綠色可持續(xù)發(fā)展。這一切，給新型制造業(yè)提出了新要求和發(fā)展方向。   

智能制造是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，智能產(chǎn)品是主體，智能生產(chǎn)是主線(xiàn)，以智能服務(wù)為中心的產(chǎn)業(yè)模式變革是主題，而信息物理系統(tǒng)（cyber-physical-systems，CPS）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)只是初步的基礎(chǔ)設(shè)施。目前，工業(yè)4.0以CPS為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)化為特征，把產(chǎn)品、機(jī)器、資源有機(jī)結(jié)合在一起，通過(guò)信息通信技術(shù)建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制造模式。在網(wǎng)絡(luò)化模式下，創(chuàng)造新價(jià)值的過(guò)程將逐步改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將重組，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式將出現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)化的虛擬空間已然成為與現(xiàn)實(shí)化的物理空間平行的另一半。社會(huì)進(jìn)入虛實(shí)交互的平行時(shí)代，即工業(yè)5.0。如果說(shuō)工業(yè)4.0的特征是網(wǎng)絡(luò)化，虛實(shí)交互、閉環(huán)反饋、動(dòng)態(tài)執(zhí)行的平行化，將是工業(yè)5.0的最大特征。工業(yè)4.0，以路由器為核心設(shè)備，帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，以致信息和物理系統(tǒng)深入融合，構(gòu)成了CPS。隨著網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的推進(jìn)，工業(yè)5.0進(jìn)一步加強(qiáng)了信息和物理系統(tǒng)的融合，并使工業(yè)與人類(lèi)社會(huì)充分融合，形成了社會(huì)物理信息系統(tǒng)（cyber- physical- social- systems，CPSS）和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)，該系統(tǒng)的核心設(shè)備為虛擬人工系統(tǒng)，其運(yùn)行模式將引領(lǐng)工業(yè)邁入平行化產(chǎn)業(yè)時(shí)代。   

在上述發(fā)展趨勢(shì)下，本文以虛擬制造為基礎(chǔ)，描述一種智能制造的新范式——平行制造。為實(shí)現(xiàn)智能制造中的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，融合了社會(huì)物理信息系統(tǒng)CPSS，綜合物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，通過(guò)ACP方法與知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)，構(gòu)建平行演化、閉環(huán)反饋、協(xié)同優(yōu)化的智能制造體系。   

平行制造的框架與流程 

在CPSS工業(yè)環(huán)境下，一方面，企業(yè)利用工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)，借助虛實(shí)系統(tǒng)的平行演化及閉環(huán)反饋，協(xié)同優(yōu)化管理系統(tǒng)內(nèi)部流程執(zhí)行、生產(chǎn)制造以及資源調(diào)度。另一方面，基于知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)，社會(huì)情報(bào)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為客戶(hù)需求，快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，同時(shí)通過(guò)任務(wù)分解、快速重組、眾包等方式集合小微創(chuàng)新和群體智慧來(lái)創(chuàng)造產(chǎn)品，從而減少投放時(shí)間、增加市場(chǎng)份額。同時(shí)，網(wǎng)民借助物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫連接，表達(dá)自身個(gè)性化需求及創(chuàng)意，可全面參與產(chǎn)品創(chuàng)新的整個(gè)生產(chǎn)制造流程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、個(gè)性化、大規(guī)模的“靈敏”移動(dòng)“智造”。這種平行工業(yè)時(shí)代的制造模式稱(chēng)為平行制造，如圖1所示。

圖 1  平行制造內(nèi)涵示意

研究框架 

基于CPSS、ACP方法和知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)，提出平行鋼鐵的研究框架，如圖2所示。首先，通過(guò)軟件定義的鋼廠(chǎng)確定其描述智能，構(gòu)建鋼廠(chǎng)的人工系統(tǒng)；基于人工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)情報(bào)分析、生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化與智能預(yù)測(cè)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，建立其預(yù)測(cè)智能；最后，通過(guò)鋼廠(chǎng)的人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)建的平行系統(tǒng)，進(jìn)行虛實(shí)互動(dòng)的平行執(zhí)行，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的引導(dǎo)智能。

圖 2  平行制造的研究框架

研究流程

根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容，提出平行鋼鐵的智能化體系結(jié)構(gòu)參考模型，如圖3所示。該模型分為6層：對(duì)象、感知層、存儲(chǔ)層、知識(shí)層、智能層和應(yīng)用層。依據(jù)CPSS，其對(duì)象包括鋼鐵制造的物理系統(tǒng)、信息系統(tǒng)與社會(huì)系統(tǒng)。在感知層，結(jié)合現(xiàn)有鋼鐵制造信息系統(tǒng)DCS-MES-ERP中的數(shù)據(jù)、RFID網(wǎng)絡(luò)與信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成泛在感知網(wǎng)絡(luò)，對(duì)3個(gè)對(duì)象進(jìn)行較為全面的數(shù)據(jù)和信息感知。在存儲(chǔ)層，把泛在感知網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)存入生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、辦公數(shù)據(jù)庫(kù)、物聯(lián)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、社會(huì)情報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)。在知識(shí)層，通過(guò)自然語(yǔ)言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算智能方法等實(shí)現(xiàn)知識(shí)獲取、知識(shí)表達(dá)、知識(shí)匹配等知識(shí)自動(dòng)化。在智能層，通過(guò)軟件定義的鋼廠(chǎng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)描述智能、預(yù)測(cè)智能和引導(dǎo)智能。在應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化與預(yù)測(cè)、決策支持、協(xié)同制造與柔性制造等應(yīng)用。

圖 3  平行制造結(jié)構(gòu)參考模型

平行制造的技術(shù)方法 

1）社會(huì)物理信息系統(tǒng) 

在互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)飛速發(fā)展的背景下，鋼鐵等制造業(yè)受社會(huì)性因素影響日益凸顯。為了深入研究制造業(yè)中社會(huì)系統(tǒng)、物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)之間的交互作用，把工業(yè)4.0中的CPS進(jìn)一步發(fā)展，并使工業(yè)與人類(lèi)社會(huì)充分融合,形成了更為復(fù)雜的社會(huì)物理信息系統(tǒng)CPSS（圖4）。

圖 4  CPS與 CPSS

在CPSS中的數(shù)據(jù)流與信息流主要有：物理系統(tǒng)的傳感、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；信息控制作用下，物理系統(tǒng)產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)；虛擬人工系統(tǒng)數(shù)據(jù)、社會(huì)計(jì)算數(shù)據(jù)及人工系統(tǒng)的建模、推理和控制；泛在的社會(huì)大數(shù)據(jù)及社會(huì)政策等信息的建模和人類(lèi)行為的數(shù)據(jù)等。由于其復(fù)雜性，所以傳統(tǒng)建模很難實(shí)現(xiàn)，形成了“建模鴻溝”的客觀(guān)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的仿真和控制不再適應(yīng)，需要采用知識(shí)自動(dòng)化的理論、方法和技術(shù)。讓數(shù)據(jù)說(shuō)話(huà)，成為構(gòu)筑平行系統(tǒng)中虛擬人工系統(tǒng)的關(guān)鍵。   

2）ACP方法 

在社會(huì)物理信息系統(tǒng)工業(yè)環(huán)境下，鋼鐵制造面臨更為嚴(yán)峻的系統(tǒng)復(fù)雜性挑戰(zhàn)。王飛躍就如何利用計(jì)算方法來(lái)綜合解決復(fù)雜系統(tǒng)管控的科學(xué)問(wèn)題，提出了人工社會(huì)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)與平行系統(tǒng)相結(jié)合的ACP理論社會(huì)計(jì)算方法，以解決實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)中不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、難以拆分還原、無(wú)法重復(fù)實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題。ACP方法的核心思想包括應(yīng)用基于Agent智能體等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法構(gòu)建的人工系統(tǒng)來(lái)描述復(fù)雜系統(tǒng)，解決復(fù)雜系統(tǒng)本質(zhì)上不能解析建模的問(wèn)題；以計(jì)算機(jī)為實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)人工系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)來(lái)解決真實(shí)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)解析；最后，通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)構(gòu)成的平行系統(tǒng)進(jìn)行平行執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管控與引導(dǎo)智能，如圖5所示。近年來(lái)，ACP方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于交通、化工、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)安全等多領(lǐng)域，為面向以人為核心的復(fù)雜社會(huì)問(wèn)題的研究提供了完整的解決方案。

圖 5  ACP方法

3）知識(shí)自動(dòng)化 

在制造業(yè)智能化發(fā)展道路上，離不開(kāi)從數(shù)據(jù)到知識(shí)再到智慧的知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)。從自動(dòng)化的角度來(lái)看，知識(shí)自動(dòng)化是將知識(shí)作為被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)其自動(dòng)化地產(chǎn)生、獲取、應(yīng)用以及再創(chuàng)造的循環(huán)過(guò)程。知識(shí)自動(dòng)化的過(guò)程，將人嵌入到系統(tǒng)，是人在環(huán)內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)研究和發(fā)展的必然要求。知識(shí)自動(dòng)化的本質(zhì)是將人的行為特征考慮到傳統(tǒng)的知識(shí)表示、知識(shí)工程中。因此，從數(shù)據(jù)到知識(shí)、從知識(shí)到人的行為應(yīng)該是貫穿知識(shí)自動(dòng)化研究的核心。知識(shí)的產(chǎn)生、獲取、應(yīng)用和再創(chuàng)造的知識(shí)自動(dòng)化過(guò)程可分為知識(shí)產(chǎn)生、知識(shí)獲取、知識(shí)運(yùn)用和知識(shí)創(chuàng)新4個(gè)子過(guò)程（圖6）。從技術(shù)層面講，如何獲取知識(shí)是核心。

圖6  知識(shí)自動(dòng)化過(guò)程示意

▲ 知識(shí)產(chǎn)生子過(guò)程：知識(shí)可以通過(guò)視頻解析、數(shù)據(jù)挖掘，文本挖掘或者web挖掘等技術(shù)手段初步形成。初步知識(shí)往往難以直接應(yīng)用，將專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)結(jié)合起來(lái)以挖掘過(guò)程及挖掘后獲取的知識(shí)的智能化處理為手段，實(shí)現(xiàn)智能化決策支持，形成具有一定價(jià)值和實(shí)效性的有效知識(shí)。  

▲ 知識(shí)獲取子過(guò)程：主要通過(guò)主動(dòng)的知識(shí)搜索或被動(dòng)的知識(shí)推送來(lái)實(shí)現(xiàn)。知識(shí)存儲(chǔ)和查詢(xún)系統(tǒng)可以方便地為人們提供所需要的知識(shí)。知識(shí)推薦系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)，通常是電子商務(wù)的核心技術(shù)，它利用電子商務(wù)網(wǎng)站向客戶(hù)提供商品信息和建議，幫助用戶(hù)決定購(gòu)買(mǎi)所需要的產(chǎn)品或服務(wù)?；谥R(shí)的推薦方法因所使用的功能知識(shí)不同而有明顯的區(qū)別，如基于語(yǔ)義擴(kuò)展的知識(shí)推薦、基于用戶(hù)情境感知的知識(shí)推薦、或基于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的知識(shí)推薦等。   

▲ 知識(shí)運(yùn)用子過(guò)程：是指企業(yè)運(yùn)用知識(shí)子系統(tǒng)形成企業(yè)的知識(shí)地圖，通過(guò)調(diào)整組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)技術(shù)、管理培訓(xùn)方式等實(shí)現(xiàn)對(duì)組織架構(gòu)的優(yōu)化，技術(shù)的改善，企業(yè)文化的宣傳，達(dá)到提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。   

▲ 知識(shí)創(chuàng)新子過(guò)程：知識(shí)的運(yùn)用必會(huì)帶來(lái)些波動(dòng)，通過(guò)人對(duì)知識(shí)運(yùn)用效果的評(píng)價(jià)以及再創(chuàng)造，完善知識(shí)產(chǎn)生機(jī)制，獲取途徑以及知識(shí)運(yùn)用的方式，實(shí)現(xiàn)人對(duì)知識(shí)全生命周期的控制。   

4）工業(yè)智聯(lián)網(wǎng) 

當(dāng)代工業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)工業(yè)到智能工業(yè)的轉(zhuǎn)變，改善工業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)工業(yè)知識(shí)化、智能化、軟件化發(fā)展成為未來(lái)工業(yè)的必然趨勢(shì)。   

2017年11月27日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，以全面支撐制造強(qiáng)國(guó)和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)為目標(biāo)，圍繞推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，聚焦發(fā)展智能、綠色的先進(jìn)制造業(yè)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全3大功能體系，增強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)供給能力，持續(xù)提升中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平，深入推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”，形成實(shí)體經(jīng)濟(jì)與網(wǎng)絡(luò)相互促進(jìn)、同步提升的良好格局，有力推動(dòng)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系建設(shè)。   

為了應(yīng)對(duì)新時(shí)代的工業(yè)需求，有必要改變工業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)模式，不斷提高工業(yè)系統(tǒng)的效率和質(zhì)量，而解決方案就是工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。   

智聯(lián)網(wǎng)是建立在互聯(lián)網(wǎng)（數(shù)據(jù)信息互聯(lián)）和物聯(lián)網(wǎng)（感知控制互聯(lián)）基礎(chǔ)上的,以知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)為核心，以知識(shí)計(jì)算為核心技術(shù)，以獲取、表達(dá)、交換、關(guān)聯(lián)知識(shí)為關(guān)鍵任務(wù),以達(dá)成智能體群體之間的“協(xié)同知識(shí)自動(dòng)化”和“協(xié)同認(rèn)知智能”為目標(biāo)的系統(tǒng)?；诙嗑W(wǎng)合一的智聯(lián)網(wǎng)，可構(gòu)建智能工業(yè)系統(tǒng)新形態(tài)，即工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)，其基本框架如圖7所示。

圖7  工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的基本框架

工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)科技，整合工業(yè)的各項(xiàng)資源，協(xié)調(diào)管控工業(yè)的各個(gè)部門(mén)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的反射智能、反應(yīng)智能和認(rèn)知智能。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)需要借助前沿智能系統(tǒng)工程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：其中包括運(yùn)用基于ACP的虛實(shí)平行系統(tǒng)進(jìn)行智慧管控、基于知識(shí)自動(dòng)化的社會(huì)通信云計(jì)算，以及基于區(qū)塊鏈的DAO實(shí)現(xiàn)。 

更進(jìn)一步，工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)最大的特征是實(shí)現(xiàn)的“數(shù)信協(xié)同”、“感控協(xié)同”和“知智協(xié)同”?；ヂ?lián)網(wǎng)傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)與信息，實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)和信息的協(xié)同（數(shù)信協(xié)同），物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)氖莻鞲泻凸芸氐男盘?hào)，實(shí)現(xiàn)的是感知和控制的協(xié)同（感控協(xié)同）；智能網(wǎng)的智能互聯(lián)，交換的是知識(shí)本身，經(jīng)過(guò)充分的交互，在知識(shí)的交換中完成復(fù)雜知識(shí)系統(tǒng)的建立、配置和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)知識(shí)和智能的協(xié)同（知智協(xié)同）。通過(guò)這3個(gè)層次的協(xié)同，海量的智能實(shí)體、感控實(shí)體、數(shù)信實(shí)體，組成由知識(shí)聯(lián)結(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)，依據(jù)一定的運(yùn)行規(guī)則和機(jī)制，如同人類(lèi)社會(huì)般的，形成社會(huì)化的自組織、自運(yùn)行、自?xún)?yōu)化、自適應(yīng)、自協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)組織。   

期待基于工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)能夠創(chuàng)造出新的人工智能系統(tǒng)科技范式，其系統(tǒng)智能水平能夠達(dá)躍升到全新的高度，同時(shí)更期待在這樣一個(gè)由知智實(shí)體、感控實(shí)體、數(shù)信實(shí)體組成的復(fù)雜系統(tǒng)中，全新的智能現(xiàn)象能夠從復(fù)雜性中涌現(xiàn)并帶來(lái)革命性的突破。   

5）軟件定義技術(shù) 

近年興起的軟件定義的網(wǎng)絡(luò)（software-defined networks，SDN）技術(shù)，代表硬件“軟化”的另一方向，但實(shí)質(zhì)與虛擬的實(shí)化目標(biāo)一致。SDN打破常規(guī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和流程，將網(wǎng)絡(luò)的控制面（control plane）與數(shù)據(jù)面（data plane）分離，并通過(guò)開(kāi)放的軟件定義API實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的靈活重構(gòu)，極大地改善了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展能力和靈活性，成為信息通信領(lǐng)域的熱議對(duì)象，對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著重要的影響。   

2009年，此項(xiàng)技術(shù)經(jīng)《麻省理工科技評(píng)論》（MIT Technology Review）名以SDN迅速風(fēng)靡世界，流行于網(wǎng)絡(luò)、信息甚至許多其他與科技無(wú)關(guān)的領(lǐng)域。   

實(shí)際上，SDN把網(wǎng)絡(luò)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能分離，同默頓系統(tǒng)中把“行為模型”與“目標(biāo)模型”分離異曲同工。而且，可以在知識(shí)自動(dòng)化中拓展SDN的思想，結(jié)合知識(shí)表示和知識(shí)工程,構(gòu)造各類(lèi)針對(duì)特定領(lǐng)域和問(wèn)題的軟件定義的流程（software-defined processes，SDP）和軟件定義的系統(tǒng)（software-defined systems，SDS），形成SDP體系（systems of SDP，SoSDP）和SDS體系（systems of SDS，SoSDS），使知識(shí)自動(dòng)化的實(shí)施從“無(wú)形”到“有形”，從一般到具體。通過(guò)SDP和SDS，不但使常識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、猜測(cè)、假定、希望等形式化，并使其組織、過(guò)程、功能等軟件化，變?yōu)榭刹僮?、可?jì)算、可試驗(yàn)的流程和系統(tǒng)，從而進(jìn)一步深入復(fù)雜知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)想、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)營(yíng)、管理與控制。   

同時(shí)，軟件定義的流程和系統(tǒng),特別是SoSDP和SoSDS將知識(shí)自動(dòng)化與系統(tǒng)工程更加密切地聯(lián)系起來(lái)。系統(tǒng)工程的實(shí)質(zhì)就是尋求有效的手段,減少完成特定目標(biāo)的不確定性，化多樣為歸一，使復(fù)雜變簡(jiǎn)單，是一種應(yīng)對(duì)UDC的有效方式。利用系統(tǒng)工程的思想，可以幫助我們構(gòu)造知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)整個(gè)生命周期的各類(lèi)“人工流程”，使相關(guān)的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程可描述、可度量、可驗(yàn)證，進(jìn)而使實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)目標(biāo)的途徑和方式明確、經(jīng)濟(jì)、可靠，為構(gòu)造知識(shí)自動(dòng)化的SDP和SDS打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這里強(qiáng)調(diào)流程的“人工”特性，因?yàn)檫@些流程一般并不服從自然法則而具有“必然性”，易被環(huán)境改變，從而具有“權(quán)變性”。   

因此，流程和系統(tǒng)的軟件化將是知識(shí)自動(dòng)化的核心技術(shù)之一?；跇I(yè)已成熟并不斷推陳出新的智能技術(shù)，加之從C4ISRAF轉(zhuǎn)化到DoDAF和TOGAF后的系統(tǒng)工程架構(gòu)體系，特別是DoDAF所提供的各類(lèi)模型（models）、視圖（views）以及衍生的觀(guān)點(diǎn)（view points）等方法與工具，由此可以方便地將人、社會(huì)、知識(shí)等因素納入系統(tǒng)流程及相關(guān)的分析與決策之中，靈活地處理各類(lèi)復(fù)雜的CPSS問(wèn)題，為知識(shí)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)與實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的系統(tǒng)工程基礎(chǔ)。   

總之，有了SDP和SDS，知識(shí)自動(dòng)化就能形式化、具體化；以SDP和SDS為綱，知識(shí)自動(dòng)化的設(shè)想、設(shè)計(jì)、實(shí)施與實(shí)踐就可“綱舉目張”。   

從制造情報(bào)到制造智能

 制造情報(bào) 

制造情報(bào)是通過(guò)制造業(yè)大數(shù)據(jù)構(gòu)建制造業(yè)情報(bào)系統(tǒng)，其核心是制造業(yè)大數(shù)據(jù)，主要包括制造企業(yè)內(nèi)部工業(yè)大數(shù)據(jù)和制造企業(yè)外部的上下游及行業(yè)生態(tài)相關(guān)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)。在制造情報(bào)系統(tǒng)中對(duì)企業(yè)外部生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)實(shí)施情報(bào)傳感、情報(bào)處理與情報(bào)解析，為計(jì)算實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)化和預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)和情報(bào)支持，如圖8所示。智能制造需要對(duì)企業(yè)外部生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)進(jìn)行情報(bào)和分析。需要迅速收集原材料的價(jià)格信息、產(chǎn)品的市場(chǎng)銷(xiāo)售情況、市場(chǎng)存量、未來(lái)趨勢(shì)、國(guó)家政策、上下游行業(yè)信息等基本信息，這些信息往往以文本、圖像、視頻等格式分布于不同的媒體中，如何實(shí)現(xiàn)社會(huì)媒體的在線(xiàn)動(dòng)態(tài)感知；如何讓這些異構(gòu)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、完整的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中智能管理；如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知、結(jié)構(gòu)化、存儲(chǔ)、管理并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算建模和知識(shí)獲取，高保真地利用這些數(shù)據(jù)和知識(shí)，是非常重要的研究?jī)?nèi)容。

圖8  制造情報(bào)系統(tǒng)

為了建立制造情報(bào)系統(tǒng)，需研究網(wǎng)頁(yè)信息內(nèi)容高效采集的聚焦爬蟲(chóng)技術(shù)，確保采集信息一致性的增量式融合方法；研究相關(guān)數(shù)據(jù)的校正、清洗和標(biāo)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可用性；構(gòu)建海量數(shù)據(jù)的一體化數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中智能管理；構(gòu)建面向制造業(yè)的社會(huì)媒體信息庫(kù)，包括實(shí)體庫(kù)、事件庫(kù)、情感庫(kù)、觀(guān)點(diǎn)庫(kù)的分類(lèi)體系構(gòu)建；研究數(shù)據(jù)信息的同義詞聚類(lèi)、概念術(shù)語(yǔ)提取、實(shí)體和要素關(guān)系刻畫(huà)等知識(shí)獲取的技術(shù)。   

制造智能 

平行制造把制造企業(yè)視為一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，通過(guò)制造情報(bào)實(shí)時(shí)感知工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中制造企業(yè)外部相關(guān)信息，對(duì)制造企業(yè)管控進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析支持。因此，平行制造中的制造智能是結(jié)合制造情報(bào)系統(tǒng)，采用ACP的方法與知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程中的描述智能、預(yù)測(cè)智能和引導(dǎo)智能。 

制造的描述智能 

知識(shí)自動(dòng)化的核心技術(shù)之一是軟件定義的系統(tǒng)等軟件化技術(shù)。SDN技術(shù)，代表硬件“軟化”的一種方向，但實(shí)質(zhì)與虛擬的實(shí)化目標(biāo)一致。本節(jié)將人、社會(huì)、知識(shí)等因素納入系統(tǒng)流程及相關(guān)的分析與決策之中構(gòu)建軟件定義的過(guò)程和軟件定義的工廠(chǎng)，靈活地處理鋼鐵制造管控中的復(fù)雜CPSS問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能制造的描述智能，構(gòu)建人工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)字化、透明化。   

軟件定義的過(guò)程 

根據(jù)產(chǎn)品全生命周期管理（PLM），構(gòu)建平行制造中軟件定義的過(guò)程。對(duì)產(chǎn)品戰(zhàn)略、產(chǎn)品市場(chǎng)、產(chǎn)品需求、產(chǎn)品規(guī)劃、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品上市、產(chǎn)品市場(chǎng)生命周期管理過(guò)程實(shí)行數(shù)字化和軟件化，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃管理、任務(wù)跟蹤和資源調(diào)配。主要過(guò)程分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品銷(xiāo)售過(guò)程、用戶(hù)使用過(guò)程、協(xié)同工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生生命周期透明化管理。平行制造中軟件定義的過(guò)程可分為軟件定義的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、軟件定義的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程、軟件定義的產(chǎn)品銷(xiāo)售過(guò)程、軟件定義的用戶(hù)使用過(guò)程、軟件定義的協(xié)同工作過(guò)程。   

軟件定義的工廠(chǎng)

根據(jù)人、機(jī)、料、法、環(huán)各要素，基于多Agent智能體建模方法，構(gòu)建軟件定義的工廠(chǎng)如下。   

1）人員行為建模：包括個(gè)體行為建模與組織行為建模。在個(gè)體層次，建模依據(jù)在系統(tǒng)中涉及到的人的數(shù)目，所考慮人的同質(zhì)性或異質(zhì)性以及對(duì)人的典型描述方法。組織層次建模的任務(wù)是構(gòu)建個(gè)體之間的關(guān)系模型，利用的工具主要是社會(huì)網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)?；贏gent智能體方法，構(gòu)建軟件定義的員工、班組、車(chē)間，以及由生產(chǎn)計(jì)劃、質(zhì)檢、營(yíng)銷(xiāo)、采購(gòu)、經(jīng)營(yíng)等部門(mén)組成的多級(jí)管理組織，實(shí)現(xiàn)鋼廠(chǎng)各員工、班組、車(chē)間與多級(jí)管理組織的屬性與行為特征的描述。 

2）制造設(shè)備建模。采用基于Agent智能體的建模方法，根據(jù)研究問(wèn)題，建立各設(shè)備在使用過(guò)程中主要輸入變量和輸出變量之間的映射關(guān)系，在成本、安全等約束下為各設(shè)備管理提供量化依據(jù)。   

3）軟件定義的生產(chǎn)資料（料）：對(duì)礦石、合金、輔料、備件等生產(chǎn)材料采用基于Agent智能體方法建模。   

4）軟件定義的方法（法）：基于現(xiàn)有仿真軟件實(shí)現(xiàn)鋼廠(chǎng)典型工藝過(guò)程與控制方法、管理方法等進(jìn)行建模?；すに嚱７椒?，綜合利用了熱力學(xué)原理、化學(xué)反應(yīng)、單元操作原理等基礎(chǔ)學(xué)科，用數(shù)學(xué)解析方法建立各類(lèi)方程式。   

5）軟件定義的環(huán)境（環(huán)）：對(duì)所處生態(tài)環(huán)境因素構(gòu)建模型，包括上下游產(chǎn)業(yè)、同行鋼鐵企業(yè)等。   

6）軟件定義的鋼廠(chǎng)：集合軟件定義的人、機(jī)、料、法、環(huán)，構(gòu)建軟件定義的鋼廠(chǎng)，實(shí)現(xiàn)鋼廠(chǎng)的人工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋼廠(chǎng)透明化，如圖9所示。

圖 9  軟件定義的鋼廠(chǎng)

此外，整個(gè)煉鋼過(guò)程的原材料、過(guò)程材料和成品材料也可用平行材料的方式描述。   

軟件定義的工廠(chǎng)典型案例 

基于軟件定義技術(shù)，構(gòu)建大規(guī)模定制服裝廠(chǎng)數(shù)字化工廠(chǎng)。圖10為大規(guī)模定制服裝廠(chǎng)數(shù)字化工廠(chǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，該數(shù)字化工廠(chǎng)時(shí)間的工作流程如圖11所示。

圖10  大規(guī)模定制服裝廠(chǎng)數(shù)字化工廠(chǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

圖 11  大規(guī)模定制服裝廠(chǎng)數(shù)字化工廠(chǎng)工作流程

制造的預(yù)測(cè)智能 

結(jié)合企業(yè)外部互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)和情報(bào)分析系統(tǒng)與企業(yè)內(nèi)部工業(yè)大數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)制造生產(chǎn)與管理過(guò)程的智能預(yù)測(cè)。以鋼鐵生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化為例，其覆蓋范圍從分廠(chǎng)擴(kuò)展到全流程，兼顧工業(yè)復(fù)雜性與社會(huì)復(fù)雜性。生產(chǎn)計(jì)劃綜合考慮交貨期、質(zhì)量、生產(chǎn)效率、物流周轉(zhuǎn)、能耗、綜合成本等多目標(biāo)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)上下游、生產(chǎn)-能源-物流等動(dòng)態(tài)協(xié)同調(diào)度，如圖12所示。

圖 12  鋼廠(chǎng)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化的計(jì)算實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)在鋼廠(chǎng)生產(chǎn)計(jì)劃主要依據(jù)實(shí)際訂單和粗略的市場(chǎng)預(yù)測(cè)定制合同計(jì)劃，并在合同計(jì)劃中分解出月生產(chǎn)計(jì)劃、旬生產(chǎn)計(jì)劃和日生產(chǎn)計(jì)劃。市場(chǎng)波動(dòng)與訂單的變動(dòng)經(jīng)常導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃的變動(dòng)，因此生產(chǎn)計(jì)劃的制定需要具有動(dòng)態(tài)性與可調(diào)控性。在平行鋼鐵中，鋼廠(chǎng)的生產(chǎn)計(jì)劃牽涉到工程性的要素（庫(kù)存、設(shè)備、工序、物料等）和社會(huì)性的要素（員工、社會(huì)屬性），屬于社會(huì)物理信息系統(tǒng)。因此，在鋼廠(chǎng)工人系統(tǒng)平臺(tái)下結(jié)合鋼廠(chǎng)情報(bào)系統(tǒng)的外界生產(chǎn)環(huán)境大數(shù)據(jù)分析，對(duì)鋼廠(chǎng)內(nèi)部工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)鋼廠(chǎng)的生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)優(yōu)化計(jì)算實(shí)驗(yàn)?；谏舷掠纹髽I(yè)接口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與其生產(chǎn)計(jì)劃的協(xié)同管理；通過(guò)與生產(chǎn)工藝控制模型的接口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度與工藝生產(chǎn)的協(xié)同優(yōu)化。   

在人工系統(tǒng)基礎(chǔ)中，采用大數(shù)據(jù)與知識(shí)混雜的挖掘分析等技術(shù)，建立基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的高精度生產(chǎn)模型和知識(shí)庫(kù)?；谏a(chǎn)模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，結(jié)合鋼廠(chǎng)情報(bào)系統(tǒng)，利用知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼廠(chǎng)的預(yù)測(cè)智能。以生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)測(cè)為例，生產(chǎn)計(jì)劃的預(yù)測(cè)分為生產(chǎn)計(jì)劃短期預(yù)測(cè)與生產(chǎn)計(jì)劃中期預(yù)測(cè)。在短期預(yù)測(cè)中，對(duì)鋼廠(chǎng)的生產(chǎn)工作流與短期生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)；在中期預(yù)測(cè)中，對(duì)鋼廠(chǎng)的中期生產(chǎn)計(jì)劃、企業(yè)經(jīng)濟(jì)決策及行業(yè)的發(fā)展做出模擬與預(yù)測(cè)。  

制造的引導(dǎo)智能 

在軟件定義的工廠(chǎng)和計(jì)算實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)雜制造控制與管理過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能引導(dǎo)。同樣，以鋼廠(chǎng)生產(chǎn)管理為例，鋼廠(chǎng)物理系統(tǒng)（實(shí)際系統(tǒng)）與鋼廠(chǎng)人工系統(tǒng)構(gòu)成的平行系統(tǒng)進(jìn)行虛實(shí)互動(dòng)的平行執(zhí)行，來(lái)實(shí)現(xiàn)平行系統(tǒng)的引導(dǎo)智能，如圖13所示。具體過(guò)程如下：在計(jì)算實(shí)驗(yàn)中，多種生產(chǎn)計(jì)劃方案輸入人工系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，得到的優(yōu)化結(jié)果輸入物理系統(tǒng)，物理系統(tǒng)在社會(huì)系統(tǒng)環(huán)境干擾下得到輸出；人工系統(tǒng)通過(guò)輸入輸出進(jìn)行自學(xué)習(xí)和模型校正；同時(shí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中通過(guò)情報(bào)系統(tǒng)感知外部生態(tài)大數(shù)據(jù)，再結(jié)合新的人工系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)測(cè)智能，預(yù)測(cè)結(jié)果作為物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的引導(dǎo)智能。

圖 13  鋼廠(chǎng)的平行執(zhí)行

邁向社會(huì)制造 

在平行制造中，針對(duì)大規(guī)模定制化生產(chǎn)需求，提出了有一類(lèi)產(chǎn)消者驅(qū)動(dòng)（procustomer-driven）的平行制造范式，稱(chēng)之為社會(huì)制造，其流程如圖14所示。在社會(huì)制造中，產(chǎn)消者顧名思義為產(chǎn)品的消費(fèi)者同時(shí)也是生產(chǎn)參與者，可以參與到制造過(guò)程中。社會(huì)制造是在產(chǎn)消者驅(qū)動(dòng)下以眾包的形式完成設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售等過(guò)程，并以互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、3D掃描與3D打印等技術(shù)支撐，以區(qū)塊連技術(shù)構(gòu)生產(chǎn)過(guò)程供需各方信任機(jī)制，形成資源公平共享的分布式、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的大規(guī)模個(gè)性化定制生產(chǎn)范式。

圖 14  社會(huì)制造流程

展 望 

工業(yè)5.0時(shí)代的智能制造是針對(duì)虛實(shí)互動(dòng)的CPSS工業(yè)環(huán)境，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等“互聯(lián)網(wǎng)+”為平臺(tái)，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、社會(huì)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，構(gòu)建實(shí)時(shí)感知社會(huì)需求的企業(yè)情報(bào)系統(tǒng)，構(gòu)建與工業(yè)流程、車(chē)間、工廠(chǎng)、企業(yè)等平行的數(shù)字化平臺(tái)及人工系統(tǒng)，促使制造系統(tǒng)由被動(dòng)管理向主動(dòng)響應(yīng)、自適應(yīng)協(xié)調(diào)、平行引導(dǎo)的智能制造模式的轉(zhuǎn)變。   

一定程度上，新一輪工業(yè)革命中的智能制造就是綜合利用搜索技術(shù)、先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)、社會(huì)服務(wù)應(yīng)用（社會(huì)媒體）及泛在的移動(dòng)終端設(shè)備，通過(guò)眾包等方式讓社會(huì)民眾充分參與產(chǎn)品的全生命周期生產(chǎn)制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、個(gè)性化、大規(guī)模創(chuàng)新和“敏捷移動(dòng)智造”，或稱(chēng)社會(huì)智造。不久的將來(lái)，一個(gè)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)力，很大程度上可能并不取決其外在規(guī)模與資產(chǎn)的大小，而取決于其掌控CMOs的手段和能力，取決于其對(duì)虛實(shí)互動(dòng)的認(rèn)識(shí)、實(shí)踐和效率，取決于與其伴生的人工企業(yè)之規(guī)模和深度。工業(yè)化和信息化的深度融合必將是平行工廠(chǎng)、平行企業(yè)、平行制造的應(yīng)用和普及。