智能制造与印刷工业的转型升级

谢博

2013年，德国联邦教研部与联邦经济技术部提出了“工业4.0”概念，并将其描述为通过充分利用“信息物理融合系统”，将制造业向智能化转型的第四次工业革命。同时，美国、日本、英国、法国等制造强国也纷纷发布了自己相应的先进制造发展计划（战略），都将发展智能制造作为本国构建新形势下制造业竞争优势的关键举措。

面对新一轮工业革命，我国提出的“中国制造2025”明确指出，要以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。由智能产品、智能设备、宜人的工作环境、高素质的劳动者和智能能源供应等构建智能工厂是智能制造的核心构想。智能制造借助计算机建模仿真和信息通信技术，优化产品设计和制造过程，从而大幅减少物质资源和能源的消耗，是实现可持续发展的制造模式。显然，“智能制造”对我国“中国制造2025”的制造强国的实现具有重要的现实与长远意义。

随着客户需求日益增多的多样化和个性化，印刷生产制造逐步进入了“大规模个性化定制”的新生产模式。因此，印刷工业也需要在“智能制造”理论的指导下，实现产业转型升级以适应这种发展趋势。

智能制造发展的技术机理

1.智能制造系统概述

讨论“智能制造”，西门子作为“工业4.0”重要的推动者和实践者，它是一个重要的参考对象。西门子认为，“工业4.0”是一次由现代信息和软件技术与传统工业生产相互作用的革命性转变。这场转变对生产过程将产生革命性的改变：数字化技术将贯穿产品全生命周期，从产品设计到生产规划，生产工程以及生产执行到服务；生产制造被分为了物理（现实生产）和数字（虚拟生产）两个世界，并实现虚拟生产和现实生产合二为一。

在物理世界里，主要包括了物理的对象如机传感器、执行器、机器、控制器等实体对象，数字世界则主要负责由数据融合、数据分析以及智能计算等工作。物理世界里基于物联网的传感器（节点）通过信息的采集将一切物理的东西获得一个数字映射，所有的“物”、资源都有“数字双胞胎”（Digital Twin）。“数字双胞胎”不仅能对物理世界的实时映射（数字化仿真），还能对物理世界中的系统或生产进行虚拟仿真与调试，并可根据虚拟仿真与调试的结果对物理世界进行控制，从而实现数字世界（信息系统）和物理系统的深度融合，获得“信息物理融合系统”。

由于“信息物理融合系统”的深度应用，在“智能制造系统”可实现大规模个性化生产。从客户预定“定制化”产品开始，到个性化的产品设计，以及灵活高效的生产线流程和无缝的供应商信息交换，“智能制造系统”实现了智能的自主生产，而这一切可以让消费者以更快的速度、更合理的价格得到自己个性化的产品。

2.智能制造发展的技术机理

早期还没有信息系统介入的传统制造系统，包含人和物理系统两大部分。操作者通过直接对机器进行操作控制去完成各种工作任务。生产过程中，相关的感知、分析决策以及学习认知等活动也全由人来完成。到了20世纪中叶，以数字化为主要形式的信息技术广泛应用于制造业，在制造系统中加入了信息系统。信息系统将原有的“人-物理”二元系统变为了“人-信息-物理”三元系统。信息系统开发者通过将人类已获知的知识通过算法代码形式进行复制迁移到人工智能系统内，如专家知识系统。这样，制造系统就呈现出了相当程度的智能，操作者的部分感知、分析及决策功能向信息系统复制迁移。操作者通过信息系统来控制物理系统，这样不仅人类更多的体力劳动得到代替，同时人类部分的脑力劳动也得到了代替。

近年来，通过深度学习、增强学习、迁移学习等技术的应用，人工智能加速发展，实现了战略性突破。人工智能技术呈现出了前所未有的“认知”和“学习”能力，发展成为“新一代人工智能技术”。随着先进制造技术与新一代人工智能技术的深度融合，形成了“新一代智能制造”，也就是我们当前讨论的“工业4.0”背景下的“智能制造”。新一代智能制造系统同样还是“人-信息-物理”三元系统，但与原有的系统有着本质的区别。首先，信息系统增加了认知和学习的功能，信息系统不仅具有强大的感知、计算分析与控制能力，更具有了学习提升、产生知识的能力；其次，“信息”和“物理”两个子系统在“数字双胞胎”的支撑下深度融合为“信息物理融合系统”，从更宏观的角度上观察，新一代智能制造系统可视为“人-信息物理”二元系统。由于制造系统具备了“认知”和“学习”能力，因此操作者大量的体力劳动和包含部分创造性的脑力劳动得到代替，人类得以有更多的精力去完成更有创造性的工作。显然，在“工业4.0”时代，制造领域的知识产生、获取、应用和传承效率将发生革命性变化，显著提高创新与服务能力。

智能制造与印刷工业的转型升级

1.智能制造在印刷工业中的应用

伴随着“工业4.0”的发展，印刷工业也朝着“印刷工业4.0”方向发展。“印刷工业4.0”就是“工业4.0”在印刷工业中进一步发展和应用的结果。在“印刷工业4.0”背景下的印刷系统将以“智能印厂”形式呈现。

在智能印厂中，生产设备之间、设备和产品之间、虚拟和现实之间通过物联网实现互联。数据驱动着印刷系统中的一切过程、一切目标和一切事物。新一代智能技术通过生产的历史数据的学习提取知识，并实现生产的自主化。因此，未来的智能印厂将呈现出三大技术特征：数据、互联和智能。

伴随着制造系统的智能化發展，印刷工业的产业模式也将实现从以产品为中心向以用户为中心的根本性转变：第一，从大规模流水线生产转向大规模定制化生产；第二，产业形态从生产型制造向服务型制造转变。我们可以看到，在社会的个性化小批量的印制需求的拉动下，当前各种新的印制模式在不断涌现，如按需印刷、网络印刷、精益印刷、相册定制等，印刷工业正在发生深刻的变革。

面对着行业的深刻变革，并在《中国制造2025》的制造强国战略的影响下，中国的印刷工业对于智能升级有着极为强烈的需求。“智能印厂”不是单一的某种设备、某种技术的升级，而是整体、系统的全面升级，是信息技术与制造业深度融合、集成创新的根本性变革，最终建立起一个高度灵活、高效运转的个性化、数字化、规模化的印刷产品和服务的制造和提供者。但是总体而言，由于中国智能制造的基础非常薄弱，大多数企业，特别是广大中小企业，还没有完成数字化制造转型。这就需要我们思考出一个适合中国国情的转型升级策略，为中国从印刷大国向印刷强国的转变提供行动指南。