智能制造系統(tǒng)技術(shù)演進路徑前瞻
——一個自組織視角

孫　燁

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院科技發(fā)展處，北京，100048）

智能制造系統(tǒng)技術(shù)演進路徑前瞻
——一個自組織視角

孫燁

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院科技發(fā)展處，北京，100048）

我國已經(jīng)出臺的“智能制造科技發(fā)展‘十二五’專項規(guī)劃”中明確表示要大力發(fā)展智能制造技術(shù)。但是我國智能制造產(chǎn)業(yè)中還有丞待解決的問題存在。本文立足自組織方法論，試著對智能制造系統(tǒng)加以定性的分析，旨在厘清智能制造未來發(fā)展的路徑，指出解決當(dāng)下困境的方法，并在此基礎(chǔ)上為政府提供相關(guān)的政策建議。

智能制造；自組織；復(fù)雜性

工業(yè)經(jīng)濟論壇 URL： http//www.iereview.com.cn DOI： 10.11970/j.issn.2095-7866.2016.05.014

引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。十八世紀中葉開啟文明以來世界強國的興衰和中華民族的奮斗史都證明沒有強大的制造業(yè)就沒有國家和民族的強盛［1］。在全球制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型的今天，業(yè)界一直在思考制造的未來是什么？面對原材料價格和人力成本的上漲、同業(yè)競爭的加劇、貿(mào)易壁壘和關(guān)稅的增加、人民幣不斷升值等挑戰(zhàn)，從制造向“智能”轉(zhuǎn)型成為中國傳統(tǒng)制造業(yè)扭虧轉(zhuǎn)盈、實現(xiàn)脫胎換骨的關(guān)鍵［2］。

一、傳統(tǒng)研究方法的問題

根據(jù)系統(tǒng)論觀點，智能制造系統(tǒng)是物質(zhì)、能量、信息充分開放的信息處理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)有著復(fù)雜性、開放性、非線性等特征。與此同時，智能制造技術(shù)也是多個學(xué)科互相交匯而形成的一門綜合技術(shù)，其子要素眾多且十分龐雜。這就對傳統(tǒng)的研究方法提出了很高的挑戰(zhàn)，以系統(tǒng)科學(xué)的方法論對智能制造系統(tǒng)加以分析，能夠動態(tài)的還原要素之間的相互關(guān)系和系統(tǒng)內(nèi)部的動力機制，這將為解決我國從傳統(tǒng)制造走向智能制造的過程中可能面臨的問題提供解決的新路徑。

（一）傳統(tǒng)制造業(yè)的痛點

2012年我國制造業(yè)主營業(yè)務(wù)收入占全國工業(yè)主營業(yè)務(wù)收入的86.7%，工業(yè)制成品出口占全國貨物出口總量的95.09%，我國制造業(yè)得出值得思索的結(jié)論：那就是中國制造業(yè)大而不強（見表1-1、1-2）。在下圖中可以看出在與第一、第二方陣國家的差距主要是全員勞動生產(chǎn)力低、增加值率低、創(chuàng)新能力薄弱、知名品牌缺乏。歸結(jié)起來，傳統(tǒng)制造業(yè)所面臨的問題需要在三個方面有所突破：首先，如何能夠?qū)崿F(xiàn)信息化和工業(yè)化兩化融合程度進一步提高；其次，如何更有效的提高系統(tǒng)內(nèi)外要素之間的協(xié)同創(chuàng)新效果；第三，如何能夠在制造業(yè)飛速發(fā)展的同時提高該系統(tǒng)與環(huán)境的友好性［4］。增加值為20792.62億美元，在全球制造業(yè)中占比20%，與美國相當(dāng)，已經(jīng)成為名副其實的制造大國［3］（見圖1）。

圖1　四國制造業(yè)增加值對比

（二）傳統(tǒng)研究方法的缺陷

圍繞如何能夠解決好中國制造當(dāng)前面臨的難題并順利帶領(lǐng)中國制造步入既大又強成為學(xué)界主要關(guān)注的熱點。學(xué)者立足于不同的方法論紛紛對智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行分析，但是到目前為止，這些方法論對解決中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型所面臨的一系列問題并沒有切實可行的方案。究其原因，在于傳統(tǒng)方法論大多立足于某一個方面對產(chǎn)業(yè)加以分析。但智能制造本身又是一個復(fù)雜的系統(tǒng)（它由智能機器和人類專家共同組成，這個系統(tǒng)能夠進行包括分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策在內(nèi)的一系列智能活動。）而它的復(fù)雜度和開放度又對分析、研究、指導(dǎo)該系統(tǒng)發(fā)展的方法論都提出了挑戰(zhàn)。以往分析方法對以下問題的解釋力比較弱：首先，從傳統(tǒng)制造走向智能制造的必然性問題，為什么制造業(yè)走向智能化的轉(zhuǎn)型是不可避免的，它的必然性在哪里；其次，智能制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜的開放巨系統(tǒng)，在這個子要素眾多的系統(tǒng)中，各參量之間的相互作用關(guān)系是怎樣的；再次，推動智能制造替代傳統(tǒng)制造的動力是什么，機制機理又是怎樣的；最后，在這個復(fù)巨系統(tǒng)中，政府的角色又是怎樣的。以上問題的邏輯關(guān)系是一脈相承的，任何一個問題沒有被解釋清楚都可能導(dǎo)致整個邏輯鏈條的斷裂，因此以上問題是研究智能制造不得不首先厘清的關(guān)鍵和核心，只有將這些問題解釋清楚，才能夠在實踐層面真正對智能制造進行有效的指導(dǎo)，并進而在政府和產(chǎn)業(yè)層面形成有效分工的良性循環(huán)。

表1　制造強國評價指標體系

表2　制造強國評價體系各級指標權(quán)重

接表2

二、從協(xié)同學(xué)角度看智能制造系統(tǒng)的技術(shù)演進

（一）自組織和他組織

根據(jù)哈肯，“如果一個體系在獲得空間的、時間的或功能的結(jié)構(gòu)過程中，沒有外界的特定性干涉，我們便說該體系是自組織的?！痹诠系恼Z境中，“特定性”一詞是指，那種結(jié)構(gòu)或功能并非外界強加給體系的，而且外界是以非特定的方式作用于該體系的［5］。 這里的組織“一詞”當(dāng)作動詞，既指事物朝向空間、時間或功能上的有序結(jié)構(gòu)的演化過程。也就是說，自組織過程是一個朝向結(jié)構(gòu)和有序程度增強的方向演化的過程。自組織的過程包含三類：首先，由非組織到組織的過程演化；其次，由組織程度低到組織程度高的過程演化；最后，在相同組織層次上有簡單到復(fù)雜的過程演化。自組織的過程是自然界和社會長期演化選擇和形成的非常優(yōu)化的進化方式［6］（見表3）。

（二）傳統(tǒng)制造系統(tǒng)：“他組織”

就傳統(tǒng)制造系統(tǒng)而言，它的目標是最大限度的實現(xiàn)人對機器的操控——既通過人對機器系統(tǒng)的特定性干預(yù)，使其在一種線性的模式下實現(xiàn)操作的可控性和精準性。因此，傳統(tǒng)制造系統(tǒng)開發(fā)和判評標準則是圍繞機器的可操作性展開。根據(jù)自組織理論，系統(tǒng)的演化源于非線性作用和系統(tǒng)內(nèi)部的非對稱性破缺引起的分叉、漲落，而線性干預(yù)，則排除了演化過程中所必須的漲落和分叉，換言之，漲落和分叉是刺激系統(tǒng)進化至關(guān)重要的過程，它們?yōu)橄到y(tǒng)的發(fā)展演化提供了多種可能性。（見下面混沌理論方程）

表3　系統(tǒng)組織方式及關(guān)系列表

這個方程描述的是動態(tài)系統(tǒng)中，一段時間后某個量的變化結(jié)果（Xt+1），與其現(xiàn)在的狀態(tài)（Xt）有關(guān)。其中，k是特定的常數(shù)，對于K已確定的情況下，初始值X不同，事件的發(fā)展也大為不同。相信蝴蝶效應(yīng)大家都很了解，這就是混沌理論的一種表現(xiàn)。而自組織系統(tǒng)的主要動力之一就是系統(tǒng)內(nèi)部的漲落和分叉所引起的突變。在傳統(tǒng)的以人為特定干預(yù)為運行機理的傳統(tǒng)裝備制造系統(tǒng)，系統(tǒng)會因為漲落和分叉的缺失不斷走向封閉，無法實現(xiàn)進化。這樣，這個封閉的、在外界特定干預(yù)下運行的系統(tǒng)則迫切的面臨走向一種更為優(yōu)化的組織方式。

（三）從“他組織”走向“自組織”

智能制造是通過集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)、機器人視覺與機器人控制等來對制造技術(shù)的技能與專家知識進行模擬，使智能機器在沒有人工干預(yù)情況下進行生產(chǎn)。智能制造系統(tǒng)就是要把人的智力活動變?yōu)橹圃鞕C器的智能活動過程中有關(guān)的全部要素的集成。智能制造系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)是智能機器，它包括各種程序的智能加工機床，工具等。與此同時，將這些機器進行有機鏈接的軟件部分也是智能制造系統(tǒng)不可獲取的子集［7］。人的特定性干預(yù)作用在智能制造系統(tǒng)被無限弱化，在逐漸擺脫這種人為干預(yù)的同時（是否有特定性干預(yù)作用是自組織與他組織的分水嶺），這個系統(tǒng)得以從他組織逐漸向自組織過渡。在這個過程中，作用機理逐漸從線性走向非線性，導(dǎo)致系統(tǒng)逐漸演化的漲落和分叉得以出現(xiàn)。整個系統(tǒng)從封閉逐漸走向開放。在這個過程中，從小處著眼，系統(tǒng)開始嘗試著實現(xiàn)自我糾錯，根據(jù)外界物質(zhì)、能量和信息的反饋逐步自適應(yīng)；從長遠著眼，系統(tǒng)會在近似擺脫外界特定干預(yù)的情況下像其他自組織系統(tǒng)那樣走向自有序、自演化、自創(chuàng)生。

與此同時，最新科學(xué)進展也顯示，智能制造系統(tǒng)將以部分取代制造中人的腦力為研究目標，它而不再僅起“輔助和支持”的作用，在一定范圍它還需要能獨立地適應(yīng)周圍環(huán)境，開展工作［9］。科學(xué)家表示這種獨立的適應(yīng)周圍的環(huán)境還僅僅是智能制造系統(tǒng)發(fā)展目標的第一步，而最終目標則是為了能夠通過對外部信息的感知和采集從而實現(xiàn)對環(huán)境變化的自主決策（見圖3）。這就和我們文中提出的自組織、自演化的能力是完全一致的。

圖2　智能制造系統(tǒng)層級模型［8］

三、案例：從智能汽車產(chǎn)業(yè)看自組織對我國智能制造的啟示

智能汽車近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)與國家經(jīng)濟發(fā)展和社會民生最為密切的產(chǎn)業(yè)之一，也是制造業(yè)未來走向智能化的關(guān)鍵領(lǐng)域。我們以智能汽車產(chǎn)業(yè)為案例，嘗試應(yīng)用自組織方法對該產(chǎn)業(yè)進行特定的案例分析。

圖3　IMS自組織單元的基本結(jié)構(gòu)圖［4］

（一）傳統(tǒng)汽車時代的自組織

根據(jù)傳統(tǒng)汽車的功能和構(gòu)造，通常將其技術(shù)分為四大系統(tǒng)：傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。近年來，為使人對汽車的操控性達到極致，四大系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)均取得了突飛猛進的發(fā)展，有關(guān)這四個系統(tǒng)的核心技術(shù)可以被近似的看作是圍繞人對汽車的操控性能展開。可以說傳統(tǒng)汽車始終被定義成人類生理功能的延伸。雖然傳統(tǒng)汽車也配置一些輔助駕駛功能，但配置有良好用戶體驗的車載系統(tǒng)由于成本因素主要安裝于高端車型［11］。

在傳統(tǒng)汽車系統(tǒng)，其技術(shù)開發(fā)的目標是圍繞人對汽車的駕駛展開，很多新的技術(shù)也是圍繞如何能夠讓一輛汽馳在硬件功能的提升下為人類提供更快的速度和更多的舒適感。在這一時期內(nèi)，幾乎全部的技術(shù)研發(fā)都在以人為主實現(xiàn)對車輛的操控。例如，在有關(guān)事故安全問題的技術(shù)考量過程中，更多的設(shè)計還是圍繞人在危機狀態(tài)下對車所做的反應(yīng)，而這種設(shè)計雖然對解決安全問題有一定幫助并囿于人類自身的生理條件，則無法從根本解決實際的問題。

（二）智能汽車產(chǎn)業(yè)的自主進化

而當(dāng)代新近興起的智能網(wǎng)聯(lián)汽車則被定義為，搭載先進的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)車與人、車、路、后臺等智能信息的交換共享，具備復(fù)雜的環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制和執(zhí)行等功能，可實現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能、高效行駛，并最終可替代人來操作（無人駕駛）的新一代汽車。從專家給出的定義不難總結(jié)，智能網(wǎng)連汽車的核心技術(shù)體系包括智能傳感器系統(tǒng)、智能計算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，而這三個系統(tǒng)的核心技術(shù)也是智能汽車逐漸向自動駕駛過渡。在這個過程中，智能傳感系統(tǒng)是汽車計算機系統(tǒng)的輸入裝置系統(tǒng)，它能把汽車運行中各種工況信息轉(zhuǎn)化為電訊號傳給計算機；車載智能計算系統(tǒng)可以把智能傳感系統(tǒng)發(fā)來的海量數(shù)據(jù)進行復(fù)雜處理，幫助自動駕駛系統(tǒng)對異常路況作出快速反應(yīng)；車載網(wǎng)絡(luò)通常指車載GPS系統(tǒng)，主要是通過硬件和軟件做成GPS定位系統(tǒng)終端用于車輛定位。 立足于智能汽車的主要技術(shù)系統(tǒng)不難看出，傳感系統(tǒng)負責(zé)采集外部豐富的信息，計算系統(tǒng)主要實現(xiàn)對信息的自動的有序處理，最后，車載GPS像一張蛛網(wǎng)一樣將路況、車輛、行人等一切所需的汽車外部環(huán)境進行有機連接，實現(xiàn)車輛與人、其他車、路況與云端的智能信息交互。這三個智能汽車技術(shù)系統(tǒng)中的慢變量詮釋了其技術(shù)路線早已重新定位，它超越了延長生理機能的功能汽車，將原有的人與車之間的交互納入到車與車交互的自組織自演化一張更為龐大的網(wǎng)絡(luò)中去［11］。

當(dāng)代智能汽車各類技術(shù)的發(fā)展，顯示了汽車產(chǎn)業(yè)逐步由人對汽車的操控向汽車在有關(guān)道路和行進的自我操控過渡的過程，是智能汽車產(chǎn)業(yè)自組織、自演化的生動場景。這種技術(shù)的演進也體現(xiàn)著當(dāng)代智能業(yè)制造化的過程中的總體趨勢。

四、從自組織角度看政府在智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中的角色

（一）政府的角色分析

智能制造系統(tǒng)是一個獨立的自組織結(jié)構(gòu)，它的開放性決定了它將持續(xù)不斷的與外部環(huán)境保持物質(zhì)、能量和信息的交換，作為重要外部環(huán)境構(gòu)成要素的政府正是通過這種物質(zhì)、能量和信息的持續(xù)交換將其影響作用于系統(tǒng)。 根據(jù)自組織理論，外部環(huán)境是一種對系統(tǒng)的約束，它為系統(tǒng)規(guī)定了其范圍、邊界和自由度。例如在一些物理系統(tǒng)中，如果對系統(tǒng)持續(xù)加熱，不同形狀的容器將呈現(xiàn)出不同的流體運動形式。這就是外部環(huán)境對系統(tǒng)作用的重要體現(xiàn)。

智能制造系統(tǒng)是內(nèi)部要素眾多的巨系統(tǒng)，要素之間的關(guān)系呈現(xiàn)非常復(fù)雜的非線性關(guān)系，時常出現(xiàn)漲落和分叉。因此，對這樣一個復(fù)雜巨系統(tǒng)進行特定干預(yù)的效果不會十分理想。政府作為智能制造系統(tǒng)的重要外部環(huán)境塑造者，則主要通過對影響和改變環(huán)境作用于系統(tǒng)內(nèi)部的自組織作用［12］。

（二）政策建議

綜上所述，政府的作用可以通過對政策或者法規(guī)的調(diào)整來體現(xiàn)。在政府制定政策的過程要以自組織作用的既定方向和內(nèi)部動力機理作為主要依據(jù)。如果對政策的制定與自組織發(fā)展的規(guī)律相背離，那么無論政府投入多么巨大的人力、物理都不會取得顯著的效果。新政策的出臺可以起到加速或減緩自組織系統(tǒng)演化的速度，與此同時，實現(xiàn)對自組織過程的調(diào)節(jié)和改善。

［1］中國制造2025［M］，北京：中共中央國務(wù)院，2015，66-69.

［2］吳曉波，朱克力等著，讀懂中國制造2025［M］，中信出版集團，2015，1-3.

［3］楊明，以智能制造作為突破口，創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，中國工業(yè)報，2014年11月27日.

［4］彭瑜，王健，劉亞威等編著，智慧工廠——中國制造業(yè)探索實踐［J］，機械工業(yè)出版社，2016，18-20.

［5］吳彤.自組織方法論論綱，系統(tǒng)辯證學(xué)學(xué)報［J］，2001年4月第9卷，第2期，70-77.

［6］吳彤.自組織方法論論綱，系統(tǒng)辯證學(xué)學(xué)報［J］，2001年4月第9卷，第2期，75-77.

［7］張繼紅.智能制造技術(shù)與系統(tǒng)研究［D］，西安：電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，45-46.

［8］杜保瑞.智能制造系統(tǒng)及其層級模型［J］，航空制造技術(shù)，2015，18.

［9］趙東標.智能制造技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展與研究［J］，中國機械工程，1999，8.

［10］鄂明成.智能制造系統(tǒng)的自組織單元結(jié)構(gòu)研究［J］，北方交通大學(xué)學(xué)報，2008，40.

［11］孫燁.我國汽車產(chǎn)業(yè)智能化再造——以ADAS為例［J］，工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2015年12月25，13-15.

［12］楊明.以智能制造作為突破口，創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級［N］，中國工業(yè)報，2014年11月27日.

孫燁，女，黑龍江哈爾濱人，清華大學(xué)社會科學(xué)學(xué)院博士，研究方向，科學(xué)技術(shù)哲學(xué)。

Intelligent Manufacturing Industry Technology Evolution Path Forward - A self-organizing Perspective

Ye Sun
（China Center of Information Industry Development， Beijing， 100048， China）

China has promulgated the "Intelligent Manufacturing Technology Development 'second five' Plan" made it clear that we should vigorously develop intelligent manufacturing technology. But also of intelligent manufacturing industry pain points exist. In this paper， based on the methodology of selforganization， and try to analyze qualitative intelligent manufacturing systems， intelligent manufacturing aims to clarify the future development path， and on this basis to provide relevant policy advice to governments.

Intelligent Manufacturing； Self-organization； Complexity

C94

A

2095-7866 （2016） 05-577-08