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宁振波 :《智能制造的本质》——从0到1论智造

发表日期:2021/11/23 10:16:47 来源:机工社 评论 总点击量:

宁振波 中国航空工业集团信息技术中心原首席顾问,中国船舶独立董事

工业和制造业是国家命脉。智能制造是国际公认的实现工业体系转型升级的新一代工业技术,能够从根本上提升我国复杂产品的创新能力和科研水平。

过去很长一段时间里,许多人错误地认为智能制造就是自动化的生产方式,认为机器人换人、无人工厂、黑灯工厂就是智能制造的“代表”。这是对智能制造非常片面的认知。机器人换人,解决的是生产现场的手工劳动问题;无人工厂、黑灯工厂解决的是生产线的人工控制问题;自动化系统可以替代人完成繁重的体力劳动,甚至辅助人完成一些简单的脑力劳动,但终究无法替代人做出最终的决策。所以,机器人换人、黑灯工厂、无人仓储和物流等,都只是在工作现场实现了无人化,并不是智能制造。

那么,何谓智能制造?“造”仅仅是生产的概念,“制”则含有系统的思想,包含制度、方法、标准和规范。“制造”包含了产品策划、概念设计、方案设计、产品设计、试制试验、批生产、产品交付及交付后的运营、维护维修以及管理和决策等重要环节和复杂管理体系。因此,机器人换人、黑灯工厂都只是在执行“造”的部分,不能称之为“制造”,更不是“智能制造”。智能制造顾名思义就是为传统的制造赋予智能,这里的智能是指“人工智能”。通俗的讲,人工智能就是将人类的知识、经验、方法等验证无误的内容编译成软件,将原来由人执行的任务转为由计算机来执行的过程。也就是说把人的知识转化成计算机的知识,计算机支持软件运行,生成模型,完成工业产品的研发设计、工艺设计、生产过程管理、批生产交付、运行维护、大修维修以及复杂的管理体系等。

“工业强则国家强”是人类的共识。第一次工业革命发生在18世纪60年代的英国,人类从农耕文明进入工业文明,从手工业时代转向高度机械化的“蒸汽时代”。随着机器的大量使用和工厂的出现,亚当·斯密在《国富论》中第一次提出了劳动分工的观点,劳动分工使得1+1>2成为可能,极大提升了劳动效率的同时,现代管理体系也在最早的工厂管理中应运而生。劳动分工使得劳动者提高了对专项工作的熟练程度,使得新技术和新发明的应用成为可能。1840年前后,英国的资本主义工厂基本取代了传统手工工场,工业革命基本完成,英国成为世界上第一个工业国家。

以电力的广泛应用和内燃机的创新使用为核心的第二次工业革命也成称为电气革命。1831年,丹麦物理学家法拉第发现了电磁感应现象,为发电机和电动机的诞生及一切有线电器设备的创新奠定了科学基础;1866年,德国西门子研制发电机成功,电力取代蒸汽作为动力成为新能源,随后以煤气、汽油、柴油为燃料的内燃机问世,工作效率远高于蒸汽机,解决了交通工具的动力问题,推动了石油开采和石油化工工业的发展,1870年全世界共计生产石油约80万吨,而1900年石油产量猛增到2000万吨。

19世纪70年代,美国人贝尔发明了电话;1888年德国物理学家赫兹发现了电磁波,为无线通信奠定了科学基础;19世纪90年代意大利人马可尼试验无线电报并取得了成功。以上技术都为迅速传递信息提供了方便,世界各国经济、政治和文化层面的联系进一步加强。第二次工业革命期间出现的新兴工业如电力工业、化学工业、石油工业和汽车工业等,都要求实行大规模集中化生产,使企业的规模进一步扩大,劳动生产率和人民生活水平得到飞速提升。

电原本是作为动力使用的,在发展过程中,逐渐分离出弱电和强电,电子学也从弱电领域由此诞生,随着电子学的发展,人类发明了模拟电路和数字电路,数字电路的发展最终催生了计算机科学,计算机科学的发展又分离出了软件工程。从某种意义上来讲,第三次工业革命,甚至第四次工业革命都是以电的发明为基础的。

第三次工业革命也称科技革命,引领我们迈入数字化时代,以电子计算机技术、原子能、空间技术和生物工程技术的发明和应用为主要标志,各类工业软件也在这一时期如雨后春笋般纷纷涌现。在电子计算机技术、计算机软件技术的不断推动下,云计算、大数据、移动互联网、物联网、人工智能等新兴技术应运而生,也引领了我们的社会悄然进入智能时代。智能制造就是通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器控制对技术工人的技能和专家知识进行建模,使智能机器人可在没有人工干预的情况下进行小批量生产。

随着制造业的需求不断提升,工业软件的功能也在不断迭代。从最初的计算机辅助绘图到计算机辅助设计、从二维平面设计到基于MBD模型的三维立体设计,在C919大型客机的研制过程中,就已经实现了全数字样机设计,并且生产制造部门已经开始基于MBD模型进行后续的生产制造和装配试验,实现了无图化产品研制。完成MBD之后,还有基于模型的仿真(Model Based Simulation)、基于模型的企业(Model Based Enterprise)以及基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering)。

未来,诸如飞机等复杂产品的研制,将会迈入“以综合模型为基础,以数字孪生为驱动”的新型研发模式。

综上,智能制造的本质就是在前三次工业革命打下的坚实基础上,积累了大量有关产品研制的设计知识、工艺知识、生产知识、设备维修知识、管理和决策知识等,而且这些知识经过反复验证被证明是成熟的,人们通过高水平数字化技术的大规模应用,把这些知识转变成工业软件和数字化的产品模型,这些软件和模型在计算机上的执行,实现了对数字产品和物理产品更好的控制,对制造资源更优化的配置,逐步实现产品本身的智能化、产品系统结构定义的数字化、产品研制生产过程的数字化,以及庞大的零部件供应链的网络化,形成了全新的产业形态。

智能制造的本质简单归纳为三句话:第一,软件化的工业技术;第二,软件定义的生产关系;第三,生产关系的优化和重构。

本文节选自     宁振波 |《智能制造的本质》:从0到1论智造     部分内容


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