图1 制造模式发展阶段
表1 5种先进制造模式对比
摘 要：制造环境变化和制造技术进步促使制造模式不断升级，智慧制造成为制造业发展的必然趋势。回顾制造业发展历程，分析制造模式演化趋势，通过与传统制造模式对比，提出智慧制造模式概念模型。为了更加直观地描述智慧制造运行方式，阐释智慧制造体系标准和关键技术，在此基础上构建智慧制造运行架构，并指出该架构下企业的运行特点。
关键词：智慧制造；制造模式；关键技术；运行架构
随着全球化经济的不断演进，顾客个性化需求逐渐成为主流，制造模式转型成为当前制造业面临的重大机遇与挑战。从制造业发展历程看，社会发展不同阶段决定了不同的制造思想、管理理念和生产组织方式，即人的内生性需求和当时社会条件共同决定了当时的社会制造模式，而每一次“技术革命”则是推进制造模式演进的内在动力。随着社会各领域需求发生变化，制造模式也随之发生相应革新以适应外界环境的变化和要求。2013年4月，自德国提出“工业4.0”以来，新一轮工业革命成为社会讨论研究的热点，以绿色环保能源为代表的新能源技术，以大数据、务联网、物联网为代表的信息技术，以3D造型技术为代表的制造技术系统，将数字化、智能化、人性化、精益化、绿色化、敏捷化、柔性化、服务化和全球化融为一体，正在改变着制造业生产模式和全球经济系统，并推动制造业进入智能制造、智慧制造时代[1-3]。随着以制造物联、云制造等为代表的智能制造方式的迅速发展，整个社会的制造体系将提升到一个更高层次，并全面进入智慧制造时代。
智慧制造一经提出就引起学者广泛关注，很多学者、专家在理论概念、技术基础、实现途径和产业形态等相关方面进行了积极探索和研究[4-6]。张益等[7]在分析智慧工厂体系架构、关键技术和制造模式的基础上，提出一种智慧工厂参考模型，为智慧制造领域标准制定提供了参考；Zhang等[8]从制造装备进化角度，结合社会信息物理系统、个性化服务及嵌入式创新等理论，分析了从“数控一代”到“智慧一代”的途径和方法；Yao等[9]提出智慧制造是面向未来互联网的人机物协同制造的新模式，构建了智慧制造体系结构，探讨了实现智慧制造的途径；Jay等[10]认为，智慧制造是面向产品全生命周期，在现代传感技术、人工智能、自动化技术及网络制造技术的基础上，通过人机交互、感知、决策、执行和反馈，实现产品设计、制造与企业管理服务智能化，进而实现泛在感知条件下制造技术与信息技术深度集成与融合；Bagheri等[11]提出，知识含量是智能制造与智慧制造最大的区别。智慧制造包含物质和非物质处理过程，强调同时实现循环再用、减少排放与环境保护，是可持续发展的制造模式；Chen等[12]在分析先进制造技术内涵、体系结构和关键技术的基础上，探讨了基于社会信息物理系统、云计算、大数据、物联网发展起来的先进制造技术与智慧制造之间的内在联系。尽管有关智慧制造的研究已引起学者广泛关注，但作为新兴研究领域，智慧制造核心概念、组织模式和运行架构仍未被清晰界定。因此，本文在回顾制造业发展历程与演化趋势，分析先进制造技术与制造模式关系的基础上，首先从产品形式、组织方式、产业模式、制造基础4个方面与传统制造模式进行对比，然后提出智慧制造概念模型，阐释智慧制造关键技术，最后构建智慧制造运行技术架构，并从上述几个方面为企业全方位实施智慧制造提供理论基础和技术支撑。
从制造业发展历程看，制造模式的每一次变革都是由制造技术进步、管理理念提升、生产组织方式改变共同决定的。如图1所示，按照制造技术水平、管理理念和生产组织方式，本文将制造模式发展归纳为以下几个阶段：手工生产、机器生产、批量生产、…网络化制造、虚拟制造、服务型制造、智能制造和智慧制造。
工业革命以前，主要是以手工生产为主的制造模式，产品质量由工人技艺水平决定。瓦特发明蒸汽机后，手工生产转向机器生产。随后，电气技术的发明和使用使制造业进入以汽车制造为代表的批量生产阶段。电子信息技术的广泛应用和自动化水平的不断提升，使规模化大批量生产成为主流。而随着市场环境的巨大变化，基于先进自动化技术和计算机技术发展起来的先进制造技术成为制造企业赢得竞争的关键，学术界相继出现了网络化制造、虚拟制造、服务型制造、智能制造、智慧制造等一系列先进制造概念。网络化制造是指企业采用先进的网络技术和制造技术，构建以快速响应市场特定需求和提高企业竞争力为目标的制造模式[13]。虚拟制造是以仿真技术和系统建模技术为基础，实现对制造系统信息流、物流、资金流、工作流等的全面模拟，生产出与真实产品具有一致特性的可视化虚拟产品制造模式[14]。服务型制造是以服务提供和服务转型为目的，通过产品和服务融合及客户参与实现制造资源整合的一种制造模式[15]。智能制造是在现代传感技术、信息通信技术及人工智能的基础上，通过人机交互实现产品设计、制造、管理及服务智能化的可持续发展制造模式[16]。智慧制造是以用户为中心，以物联网、务联网、人际网、知识网和先进制造技术为基础，以“产品+服务”为主导，基于知识运用的人、机、物、环境协同制造模式[17]。如表1所示，网络化制造、虚拟制造、服务型制造、智能制造和智慧制造五者的支撑技术有重叠，目标逐渐趋向一致性，制造模式在优势互补中趋向更加个性化、服务化、社会化、智能化、智慧化。
图1 制造模式发展阶段
表1 5种先进制造模式对比
制造模式 支撑技术 目标 特征网络化制造网络技术、自动化技术、计算机技术、数据库技术等降低成本、提高市场快速响应能力、增强企业竞争力网络化、敏捷化、互联化、智能化虚拟制造网络技术、仿真技术、系统建模技术、计算机技术等缩短产品制造周期、降低成本、提高产品质量虚拟化、协同化、网络化、数字化、智能化服务型制造网络技术、信息技术、人工智能、物联网、务联网等延长产品价值链、整合企业间制造资源、提供产品全周期服务服务化、定制化、柔性化、互联化个性化智能制造智能网络与知识库技术、普适计算、虚拟仿真与建模、物联网、人机交互等构建智能完整的制造服务系统,提高产品质量和生产效率,提高企业竞争力泛在感知、按需动态构建、敏捷性、协同性、自主性、绿色环保性智慧制造高性能计算、物联网、务联网、人际网、人工智能、3D打印技术优质、低耗、高效、柔性地制造产品和个性化服务用户自感知、自决策、自组织、自学习和自维护能力、智能集成
由表1可以看出，随着制造技术的不断改变，制造模式在向更智能、更智慧化方向演进，最终将各种制造资源连接在一起，组成资源池，在制造全生命周期过程中，根据客户需求和情境感知为客户提供按需使用、个性化、主动、互联和可信的制造服务，将社会世界、信息世界和物理世界融合在一起，形成完整的社会信息物理系统，将知识及智能科学技术融合到制造资源的各个环节，并渗入到产品全生命周期活动中。
2.1 智慧制造模式与传统制造模式的区别
智慧制造模式与传统制造模式的区别如图2所示。从中可见，智慧制造模式是根据客户个性化需求，将各种制造资源智能自主地集成在一起组成资源池，在全生命周期中以客户为核心提供制造服务。这一模式不仅彻底改变了制造业产业链、价值链和产业模式，还摆脱了附加值低、技术含量低的困境[18]。
图2 智慧制造模式与传统制造模式对比
智慧制造是一个既复杂又庞大的系统工程，在产品形式、组织方式、产业模式、制造基础方面都不同于以往各类制造模式。本文具体分析如下：
(1)产品形式上，智慧制造由传统以产品制造为核心转向以服务用户为核心，其产品全生命周期制造服务体现了制造即服务的先进理念。在此基础上，利用智能化技术对产品功能与性能进行优化，使产品智慧化程度不断提高，从根本上提高了企业市场竞争力。
(2)组织方式上，智慧制造打破了以部门为单位的组织方式，强调顾客、服务组织、制造组织全部参与到产品全生命周期活动中，完成整个资源池的最优化配置，并向具有泛在感知、环境自适应、自组织、自决策、互操作和绿色、环保、安全、可靠的智慧化集成制造系统方向发展。
(3)产业模式上，随着先进制造技术的不断进步，产品价值链不断延伸，产业模式转变成为智慧制造发展的主题，从大规模标准化生产向个性化、服务化、智慧化、规模生产模式转变。在智慧制造阶段，产品核心价值从产品本身演变为服务用户，即服务用户的理念贯穿于产品全生命周期活动中。
(4)制造基础上，由新能源和互联网引发的经济社会变革将制造基础从先进制造技术转向“互联网+”先进制造技术。其中，社会信息物理系统将彻底改变人机物环境交互方式，实现组织内实时感知、动态控制和信息服务。工业互联网将人际网、物联网、务联网、知识网、云计算等通过嵌入式系统连接装备，实现了覆盖广、可靠性高、延时低的工业网络互联；网络信息平台推动了关键技术的开放与共享，减小了时间、空间对人类活动交流方式的制约。
2.2 智慧制造概念模型
智慧化制造活动贯穿于整个制造系统上、中、下游环节，并为企业实现价值增值。本文从产品设计(上游)、产品制造(中游)、产品销售及售后(下游)3个阶段出发，融合各阶段涉及到的智慧制造活动，提出一种智慧制造模式概念模型，如图3所示。
图3 智慧制造概念模型
从智慧制造概念模型可以看出，智慧制造将市场调查、需求分析、产品设计、产品制造、产品销售及售后等传统产品制造通过制造资源池融为一体，通过情景感知和人机交互协同制造过程中的信息流、物料流、能量流和资金流智慧化运行。整个制造活动以服务客户为中心，同时客户也参与了全生命周期的整个制造活动。其中：①在产品设计阶段，以客户需求为前提，在数据库、虚拟现实、计算机网络等技术的支撑下，借助具有丰富设计知识库的智慧制造资源池，在虚拟运行环境中由客户和开发人员并行、协同实现产品智慧化设计，并对产品功能和性能进行仿真、模拟、优化，大大提高了产品研发成功率和设计质量；②在产品制造阶段，根据需要在整个制造资源池内由不同类型的智能单机设备连接组成智能生产线，由不同的智能生产线连接组成智能产品制造系统。单机设备和生产线可根据制造需要动态自由组合，能自适应、感知、反馈外界条件如环境、温度、加工材料等的变化，并自主作出相应调整，由程序控制操作上升到智能智慧化控制。在整个制造阶段，各制造资源通过协同规划、智能决策可大幅度降低制造成本和能源消耗，提高制造效益和企业核心竞争力，并适应快速变化的市场环境；③在产品销售及售后服务阶段，以更好地服务客户为目标，借助工业互联网和社会信息物理系统，将产品服务客户过程集成优化管理，实现业务流程和技术流程融合，具有自适应、自反馈、自维护和学习进化功能等特点，在实现企业价值增值的同时，也减少了因售后服务引起的客户流失及其它纠纷。
在智慧制造概念模型中，最主要的特征是实时感知、自优化、自决策、动态执行等，通过标准、高效的方法实时采集与识别智慧制造所需的庞大数据，面向制造系统全周期海量信息预测、挖掘、推理、分析、计算等形成决策指令，实现系统安全、稳定地运行。同时，由顾客参与产品全生命周期活动，产品智慧化设计是灵魂，产品智慧化生产是主线，产品智慧化服务是主题。智慧制造模式能够实现全生命周期各环节、各要素、各业务协同组织与智慧决策，将制造系统上、中、下游集成起来组成一个以服务客户为中心的扁平化、分散化、智慧化系统，不仅能够有效提升企业市场反应速度和制造效益，还能有效降低生产成本。
3.1 智慧制造体系标准
根据智慧制造模式和智慧制造概念模型，本文构建智慧制造体系标准，如表2所示。
表2 智慧制造体系标准
一级指标基础标准平台标准应用标准总体标准二级指标术语、标识信息安全及分类编码层次模型参考模型普适人机交互标准、感知标准制造资源虚拟化标准制造资源协同服务标准数据管理、信息对接标准制造环境构建、运行、评估标准设计标准生产标准试验标准仿真标准管理标准集成与互操作标准体系架构标准评估体系标准运营服务标准
3.2 智慧制造关键技术
从智慧制造模式和智慧制造概念模型中可以看出，智慧制造过程中涉及很多相关技术，如现代传感技术、人机交互技术、网络通信技术、感知技术、大数据挖掘技术、信息安全技术、虚拟现实技术、仿真和系统建模技术、现代自动化技术、新型材料加工技术、3D造型技术、新能源技术、普适智能、高性能计算、务联网、物联网等。然而，智慧制造并不是依赖几种技术的简单组合，而是全方位、多技术、多层次、多领域的技术集群、协同进化和深度融合，其是以客户需求为核心，基于知识运用而实现面向服务、人机物环境的协同制造。本文从嵌入式创新技术、社会信息物理系统和网络融合3个方面分析智慧制造典型关键技术。
(1)基于Web 4.0的嵌入式创新技术。随着Web技术的发展，知识更新、传播与应用更加便捷，Web 2.0将社会世界融合到网络中；Web 3.0使人和机器能够更好地理解信息，促使信息转化为更易接受的知识；Web 4.0让现实世界中的产品和服务实现了智能化应用。而智慧制造最大的特点就是利用网络信息平台实现知识获取、利用、分享和更新，实现知识集聚并达到群体创新的目的。不同群体中可产生不同的创新知识，客户在论坛、微博等网络交流平台上对使用的产品和服务发表自身观点、看法和改进建议，企业可通过网络交互工具与客户进行交流，将客户群体知识转变为创新理念。嵌入式技术还能将分布在不同区域的研发专家、技术专家和咨询顾问等群体知识集聚起来，将其用于产品和服务开发，其是技术创新、产品服务创新的主要来源。企业还可以通过组建产品或服务兴趣交流平台，将不同领域的产品或服务爱好者集聚到一起进行交互碰撞，学习该群体的异质经验，并将其应用到产品或服务创新中[19]。
(2)社会信息物理系统。社会世界、信息世界、物理世界三者全面连通与融合成为社会信息物理系统，其改变了人机物环境交互方式[20]。制造业社会世界中的社会群体、客户、企业借助人际网实现人力资源集成和知识转化，通过服务平台享受各种产品和服务，并对产品和服务提出更具个性化的要求和建设性改进意见，进而转化产品参数信息。在信息世界，制造参数通过挖掘、整理、融合、处理转化为制造信息；信息经过提取转化为制造所需知识；知识经过人类表达及人类智能学习方法转变为智慧化制造技术；智慧化制造技术为提供主动、安全、可靠的产品或服务打下技术基础，实现数据到服务的转变。物理世界主要是指实体工厂、车间、原材料、加工装备等通过现代传感技术、网络通信技术将物理世界产生的制造数据传达到网络平台上，实现实物到数据的转变。
(3)网络融合技术。Papadimitrou[21]认为，人际网、物联网、务联网、知识网是未来互联网的四大支柱，而互联网技术是智慧制造的支柱之一。人际网、物联网、务联网、知识网与制造技术的有效融合，从根本上改变了工业制造过程与制造模式，不仅可以灵活配置调度制造资源,还可以提供定制化、个性化产品与服务。具体而言，通过人际网实现知识(显性知识和隐性知识)分享、更新和积累；通过物联网实现制造数据、信息交换和通信，对产品进行智能化识别、监控、定位与跟踪；通过务联网将各种服务联系起来，以一定方式交互，提供按需所取的智能化服务方式；通过知识网对大量原始数据和信息进行采集、挖掘，将其处理成知识和所需资源。
3.3 智慧制造运行架构
根据上述智慧制造模式、概念模型可知，智慧制造运行需要涉及产品或服务全生命周期，各相关部门通过感知、人机交互、信息平台等方式协同组织、共同决策，以满足用户个性化需求为目标，将整个价值链上、中、下游集成起来组成一个智慧制造资源池，在人、机、物、环境协同运行模式下，按需提供个性化产品和服务。基于此，本文提出智慧制造模式运行架构，如图4所示。
图4 智慧制造运行架构
在智慧工厂运行中，机器不仅是加工设备和生产工具，也是制造网络的节点；其不仅取代了人力劳作，也拥有基本“智慧”，能够按照人编制好的程序识别工件、与人交互、感知环境变化等。机器间也能够互相通信、协作，共同完成指派任务。由图4可以看出，智慧制造是以通信安全为前提，在相关标准体系的基础上运行的，如数据采集标准、接口标准、控制标准等，通过物联网和虚拟化技术，将人、机、物、环境等抽象成网络节点，在务联网和知识网整合下，围绕客户需求匹配相关网络节点，根据动态系统环境，自主组合制造资源进行初步决策，由相关部门人员进一步确认，在技术体系支撑下最终形成一个智慧型集成制造系统。该系统通过人际网既注重显性知识的作用，又注重隐性知识的发挥。企业各部门之间的联系更加紧密，部门间的界限更加模糊，“数据-信息-知识-智慧-产品”在各部门间通过感知、识别不间断流通，为共同目标互相协作，实现部门间互利共赢。同时，并行化程度更高的制造过程还可以大幅度缩短产品制造周期。
制造业是国民经济的物质基础和产业主体，直接体现了一个国家的生产力水平。在先进制造技术和普适信息的推动下，制造业正在发生革命性变化。制造模式的每一次演进往往是市场发展、社会变革、技术突破、管理创新等多种因素综合作用的结果。智慧制造作为一种新型制造模式，将普适智能、机器智能和人的知识、经验与智慧融合在一起，具有区别于传统制造模式的优势。智慧制造理念的出现，使传统企业转变为以客户个性化定制需求为中心、面向服务、基于知识运用、人机物环境协同的智慧型企业，其核心是主动、实时地将社会制造能力与社会需求相结合，高效、动态地满足客户需求。
本文将智慧制造模式与传统制造模式进行对比，体现了智慧模式的优越性，具体表现在以下几个方面：①通过务联网和以服务客户为中心的理念，形成面向服务的信息世界；②通过物联网，利用现代传感技术和高性能计算，将服务资源延伸到物理世界；③通过人际网，借助社交平台，将服务资源延伸到社会世界；④通过知识网，实现“数据-信息-知识-智慧”的转化。社会世界、信息世界和物理世界组成社会信息物理系统，整个系统为满足客户个性化需求共同进行组织和决策。本文通过对智慧制造概念模型进行描述，提出了一种智慧制造模式运行架构，为以后智慧制造研究提供了参考。
智慧制造是正在发展中的制造模式和技术手段，其真正实现还有很长的一段路要走。本文只是对智慧制造概念模型和运行架构进行了初步探讨，后续将对智慧制造运行相关标准体系和技术体系、智慧制造中感知信息准确度和数据处理精准度智慧制造效率关键因素及其影响机理等进行深入探讨。
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(责任编辑：王敬敏)
Research on Wisdom Manufacturing Mode and Operational Framework
Abstract：The change of environment and the progress of technology promote the continuous upgrading of manufacturing mode, which make the appearance of wisdom manufacturing become an inevitable trend in the development of manufacturing industry. The development process of manufacturing industry was reviewed as well as the evolution trend of manufacturing mode was analyzed, A Conceptual Model of wisdom manufacturing mode based on comparing with the traditional manufacturing mode was proposed. The system standards and key technologies of wisdom manufacturing were explained, which to describe the operational ways of wisdom manufacturing intuitively, given the preceding foregoing, The operational framework of wisdom manufacturing was constructed, and the operational characteristics of enterprises was pointed out.
Key Words：Wisdom Manufacturing; Manufacturing Mode; Key Technology; Operational Framework
收稿日期：2016-11-15
基金项目：国家自然科学基金项目(71271224)
DOI：10.6049/kjjbydc.2016090654
中图分类号：F406.3
文献标识码：A
文章编号：1001-7348(2017)13-0061-06