智慧云制造系统

李伯虎 柴旭东 侯宝存 刘阳 陆小兵

当前，一场新技术革命和新产业变革正在全球进行，“新互联网+云计算+大数据+人工智能+”时代正在到来。2017年，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》中指出，人工智能发展进入新阶段。当前，新一代人工智能相关学科发展、理论建模、技术创新、软硬件升级等整体推进，正在引发链式突破，推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。

制造业是国民经济的主体，是立国之本，兴国之器，强国之基。它同样面临全球新技术革命和产业变革的挑战。制造强国战略中指出，中国制造业的发展路线是坚持走中国特色新型工业化道路，以创新发展为主题，以促进制造业提高质量增加效益为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向。

如何推进中国的智能制造？我们认为，在新一代人工智能技术的引领下，基于新互联网，借助新一代智能科学技术、新制造科学技术、新信息通信科学技术与制造业的深度融合，加快我国制造业模式、手段和生态系统的重大变革，将是发展中国制造业实现跨越发展的难得良机，是打造新国际竞争优势的必然选择。新一代人工智能技术的引领下的智慧云制造系统正是一种新一代人工智能技术的引领下的智能制造系统。

解读新一代人工智能

人工智能技术是研究开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术。新一代人工智能初步定义为“基于新的信息环境、新技术和新的发展目标的人工智能”。

其中，新的信息环境： 包括新互联网，移动设备，网络社区，传感器网络等;新技术：大数据、高性能计算技术、新的模型与算法等;新的发展目标：由从宏观到微观的智能化新领域，包括智能城市、数字经济、智能制造、智能医疗等。其技术特征（趋势）：数据驱动下深度強化学习智能;基于网络的群体智能;人机和脑机交互的技术导向混合智能;跨媒体推理智能;自主智能无人系统。其具体研究内容：模拟、延伸和扩展人的能力学习能力（如机器学习）;语言能力（如自然语言处理）;感知能力（如图像识别）;推理能力  （如自动推理）;记忆能力（如知识表示）;规划能力（如自动规划）;执行能力（如机器人）等。新一代人工智能技术还在发展：向强人工智能发展;向通用人工智能发展;向超人工智能发展。

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造

（1）新一代人工智能技术引领下的智慧云制造的内涵

技术手段：基于新互联网，借助新一代智能科学技术、新制造科学技术、新信息通信科学技术、及新制造应用领域专业技术等4类技术深度融合的数字化、网络化、云化、智能化技术新手段，构成以用户为中心的统一经营的智能制造资源、产品与能力的服务云（网），使用户通过智能终端及智能制造服务平台便能随时随地按需获取智能制造资源、产品与能力服务。

模式：以用户为中心，人/机/物/环境/信息融合，“互联化（协同化）、服务化、个性化（定制化）、柔性化、社会化、智能化的智能制造新模式”。

业态：“万物互联、数据驱动、共享服务、跨界融合、自主智慧、万众创新”的新业态。

特征：对制造全系统、全生命周期活动（产业链）中的人、机、物、环境、信息进行自主智能地感知、互联、协同、学习、分析、认知、决策、控制与执行。

实施内容：促使制造全系统及全生命周期活动中的人、技术/设备、管理、数据、材料、资金（六要素）及人流、技术流、管理流、数据流、物流、资金流（六流）集成优化。

目标：实现高效、优质、节省、绿色、柔性地制造产品和服务用户，提高企业的市场竞争能力。

（2）新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统的体系架构

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统就是按新一代人工智能技术引领下的智慧云制造内涵构建的智能制造系统。新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统的体系架构主要包括新智能资源/能力/产品层、新智能感知/接入/通信层、新智能制造云服务平台层、新智能制造云服务应用层、新人/组织层以及各层的新标准及新安全管理。如图1所示。

（3）新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统的技术体系

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统的技术体系主要包括智慧云制造总体技术、智能产品专业技术、智能感知/接入/通讯/边缘处理层技术、智能制造云端服务平台技术、智能产品设计技术、智能生产/装备技术、智能经营管理技术、智能仿真与试验技术及智能售前/售中/售后服务技术。

（4）新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统的支撑技术体系

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统的支撑技术体系主要包括新制造技术、新信息通信技术、新智能科学技术及新制造应用领域专业技术。

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统的模式、手段与业态等将会随着制造技术和信息通信技术及智能科学技术的发展融合而不断迭代与优化。这也是为什么在智能制造的发展过程中会不断涌现出类似数字制造、集成制造、制造网格、精益生产、柔性制造、云制造、新一代智能制造等新理念、新手段、新模式和新业态。

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统与应用还在飞速发展的过程中，可以预见，它将形成推动经济社会发展的巨大引擎。其中，“引领”的含义有两层：（1）新一代人工智能技术用于（引领）智慧云制造的全系统、全生命周期。（2）基于新互联网，借助新一代智能科学技术、新制造科学技术、新信息通信科学技术、及新制造应用领域专业技术等4类技术深度融合的数字化、网络化、云化、智能化技术新手段（不仅是人工智能技术）。

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统初步实践——航天云网

中国航天科工集团是中国战略性、高科技、国家级创新型企业，2015年6月，航天科工成立航天云网公司，2017年6月，航天云网打造的中国智慧云制造服务平台航天云网平台面向全球正式发布。航天云网平台是基于本团队提出的云制造2.0（智慧云制造）理念、技术、模式、生态的进一步拓展，是新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统雏形初探，它融合了部分的新一代人工智能技术（基于大数据人工智能技术）与部分的新制造科学技术、新信息通信科学技术及新制造应用领域专业技术。航天云网系统架构包括五个层次，分别是面向智能研发、精益制造、智能服务、智能管控的工业应用层，提供IaaS服务、DaaS平台、通用PaaS平台和工业PaaS平台服务的云平台服务层（INDICS平台层），提供工业设备接入、互联能力的工业物联网层（IIoT层）和各类工业设备、工业服务及工业产品的资源/能力/产品层，顶层是人/组织。如图2所示。

其中，采用的新技术主要包括以下十类关键技术：新一代人工智能技术引领下的新智慧云制造协调体系架构/平台技术;多协议的工业网关技术;云端计算与云边缘计算融合技术;DaaS：基于大数据人工智能服务技术;PaaS：基于容器技术的平台服务技术;建模、仿真引擎服务（虚拟工厂）技术——数字孪生服务技术;工业APP技术（原生APP 、第三方应用APP）技术;基于云平台支持“智能工厂、协同制造、双创（创新、创业）、智能服务”等技术;标准化技术;安全技术。

目前航天云网已面向用户提供了门户网站服务;智能制造、协同制造、云制造底层软件开发与服务;工业大数据应用技术开发与服务和云端资源共享等20个业务模块的产品服务体系，构建适应互联网经济业态与新型工业体系的航天云网生态系统，如图3所示。

企业应用航天云网平台由浅入深分为登云、数字化转型和智慧化提升三个阶段。

中国特色

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统初步实践——航天云网基于智慧云制造理念构建，围绕提高制造企业市场竞争力的目标，以两化融合为主线，基于中国制造业信息化工作，可充分体现中国特色：

突出问题（大国向强国迈进）导向的需求牵引智慧云制造系统建设，进而推动产品制造全生命周期活动中的资源、产品与能力服务化及制造系统中六要素与六流的集成与优化的螺旋上升的循环发展途径，进而加快中国制造业推进5个转型升级。

突出建立智慧云制造新模式、新手段、新生态为核心的系統，实现“众智、众包、众扶、众筹”的“万众创新，大众创业”。

突出工业2.0/3.0/4.0同步发展，即处于数字化、网络化、智能化不同阶段的制造企业皆能在“云”中，实现“信息互通、资源共享、能力协同、开放合作、互利共赢、万众创新”。

突出发挥“政、产、学、研、金、用”的团队力量，实现高效、优质、节省、绿色、柔性地制造产品和服务，提高企业的市场竞争能力。

应用效果

航天云网在云制造战略的牵引下，先后建设专有云、公有云、国际云“三朵云”，在解决航空航天复杂大制造系统问题基础上，向社会企业、全球企业提供服务，取得了良好的应用效果。

截止到，2019年5月，注册企业/单位数超230万，需求发布条数达23万条，发布需求金额超过5564.47亿元，平台接入设备达到近80万台;形成工业模型近40万个，工业APP 超过2000个，在研发设计、生产制造等多个领域实现了大规模应用，形成了典型的智慧云制造系统应用模式。

航天云网在研发设计、采购供应、生产制造、运营管理等7个领域为航空航天、通用设备制造等行业数字化解决方案提供全面支撑。如在佛山某机器人公司目前共接入设备近6万台，日常在线设备15000余台，实时监测机器人运行工况、工作异常并远程维护保养，减少设备非计划停机，积累故障数据优化机器人设计，实现对1022台风机实时数据采集和存储分析，全部风机每天上传2亿条数据，约20G，为开展智慧风场研究积攒了重要的数据资料。

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造的发展

新一代人工智能技术引领下的智慧云制造发展需要注重企业为中心的“政、产、学、研、金、用”结合的技术创新体系的建设及各类人才培养，需要实现“技术、产业、应用”的协调发展。

技术方面。在技术方面加强六个重视。一是要重视新一代人工智能技术引领下，将新制造科学技术、新信息科学技术、新智能科学技术及制造应用领域技术深度融合系统的发展;二是要重视加强智慧云制造平台环境中的设计、生产、管理、试验、保障服务等智能制造的新模式、新流程、新手段（硬/软）、新业态的研究;三是要重视数据库、算法库、模型库（包括一次模型、二次模型等）、大数据平台、计算能力等基础能力研究与建设;四是要重视符合“分享经济”的商业模式技术研究;五是要重视安全技术（制造系统安全及商业安全技术）及相关标准和评估指标体系技术研究;六是要重视智能化感知、接入、互联层的技术研究。

产业方面。在产业方面重视四个加强。一是加强新一代人工智能技术引领下，智能制造工具集（硬件/软件）和平台的产业;二是加强面向新一代人工智能技术的智能产品及智能互联产品的产业;三是加强新一代人工智能技术引领下智慧云制造系统（行业、企业、车间制造云及制造产业链上各阶段智慧云制造服务系统）的构建与运行产业;四是加强新一代人工智能技术引领下的智慧云制造运营中心的运营服务产业。

应用方面。在应用方面重视四个突出。一是要突出行业、企业特点;二是突出以问题为导向的制造模式、手段和业态的变革;三是突出系统的六要素、六流的综合集成化、优化和智慧化;四是突出系统工程的实施原则，即“一把手挂帅”，“创新驱动，总体规划，突出重点，分步实施”的指导思想，制定好发展规划与阶段性实施方案等。

基于作者所在团队的研究与应用实践，我们认识到以下四个方面：

（1）新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统是“新互联网+云计算+大数据+人工智能+”时代的一种智能制造系统;是云计算在制造领域的落地和拓展。

（2）新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统是实施我国制造强国、网络强国战略规划和行动计划等的一种具有中国特色的新智能制造模式、手段和业态。

（3）新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统是持续发展中的制造新模式、手段和业态，随着新需求和有关技术的发展，智慧云制造的模式、手段、业态还将持续发展。

（4）新一代人工智能技术引领下的智慧云制造系统（云）的发展与实施需要全国、全球的合作与交流，同时又要充分重视各国的特色和各行业、各企业的特点。