胡權(quán)

人類社會進(jìn)入工業(yè)化時代已經(jīng)有260年，但真正給制造業(yè)賦予智能化的能力，也是在計算機(jī)發(fā)明之后，這期間經(jīng)歷了計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS，Computer-Integrated Manufacturing Systems）、嵌入式系統(tǒng)、信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）、智能制造等概念的引入及發(fā)展。其中，智能制造的概念通俗易懂，一直受到行業(yè)人士的追捧，可惜自1989年日本雄心勃勃想把智能制造概念體系化失敗之后，智能制造一直以描述性或不系統(tǒng)的中庸假說方式存在，本人在2016年9月號《清華管理評論》上發(fā)表的《智能時代的新自動化挑戰(zhàn)》中，就對中庸假說進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。

即便如此，最近幾年時間，德國、美國、中國和日本等制造業(yè)主要國家，紛紛提出以新一代技術(shù)推動的、制造技術(shù)為核心的國家制造業(yè)戰(zhàn)略，其指向卻可以用智能制造這個中庸假說的概念來描述。德國提出的工業(yè)4.0體系中，智能工廠是根本；美國通用電氣提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，也有所謂智慧工廠（Brilliant Factory）；中國則直接把智能制造作為中國制造2025的主攻方向；而日本經(jīng)過長時間猶豫，2017年也宣布要推進(jìn)基于信息物理系統(tǒng)的智能制造系統(tǒng)（SMS，Smart Manufacturing Systems）。

雖然針對智能制造概念進(jìn)行嚴(yán)格定義和體系化的努力一直都存在，但目前還沒有公認(rèn)的結(jié)果。早在1989年，日本就提出國際研究合作項(xiàng)目IMS，即Intelligent Manufacturing Systems，按照中文的翻譯習(xí)慣，我們一般把本文提及的SMS和IMS都翻譯為智能制造系統(tǒng)，而對此不加以嚴(yán)格的區(qū)分。當(dāng)時日本提出IMS計劃，其目的被定義為對日本制造業(yè)的技術(shù)訣竅進(jìn)行研究，形成體系化的制造業(yè)知識系統(tǒng)——也就是可以作為教科書的智能制造學(xué)科。雖然日本沒有成功推動教科書式的智能制造學(xué)科出現(xiàn)，但人類社會追求先進(jìn)制造體系化知識的目標(biāo)并沒有減弱，我們需要重新定義智能制造。

歷史視野中的智能制造

在過去的100年期間，人類社會的工業(yè)化進(jìn)展帶來的生產(chǎn)力提升非常巨大，這有賴于電氣化、自動化和數(shù)字化帶來的生產(chǎn)系統(tǒng)改進(jìn)，從而大大發(fā)揮了規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效用。不過，在最近10年時間，從國際經(jīng)合組織（OECD，Organization for Economic Co-operation and Development）發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，人類社會的生產(chǎn)力水平僅僅增長了0.5%，這遠(yuǎn)比過去動輒幾倍或者幾十倍的增長水平要低，這迫使人們開始思考提升生產(chǎn)力水平的新辦法和新來源。

不僅如此，由于幾乎所有國家都看到了工業(yè)化給國家經(jīng)濟(jì)增長和國民富強(qiáng)帶來的好處，紛紛發(fā)展工業(yè)產(chǎn)業(yè)，這也導(dǎo)致了全球不少產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能過剩，發(fā)達(dá)工業(yè)國家為此開始思考新的差異化優(yōu)勢的方式，諸如大規(guī)模定制（Mass Customization）等方式就成為了一種選擇。

正是在提升生產(chǎn)力水平和大規(guī)模定制兩大需求的驅(qū)動下，智能制造作為一種制造技術(shù)驅(qū)動力，成為了全球各國關(guān)注的焦點(diǎn)。事實(shí)上，目前正在發(fā)生的主要工業(yè)國家制造業(yè)戰(zhàn)略性的競爭，本質(zhì)上也是為了實(shí)現(xiàn)智能制造，而這種先進(jìn)制造方面的競爭，更是以1989年日本提出IMS國際研究合作計劃為標(biāo)志性的事件。

二十年前的日本IMS探索

要真正認(rèn)識智能制造，我們需要回到上個世紀(jì)80年代，日本當(dāng)時是全球制造業(yè)的典范，其制造業(yè)產(chǎn)品幾乎席卷了全球，諸如索尼的Walkman隨聲聽、東芝的電視機(jī)等產(chǎn)品，成為了當(dāng)時日本制造的代名詞。由于美國人頗為喜歡日本的電子產(chǎn)品，導(dǎo)致了美國對日本的貿(mào)易逆差非常大，同時美國還認(rèn)為日本是從美國學(xué)習(xí)模仿的先進(jìn)制造技術(shù)，導(dǎo)致了“教會了學(xué)生，餓死了師父”。在這樣的背景下，一直依附于美國經(jīng)濟(jì)的日本開始考慮要做一些事情。

從當(dāng)時的歷史記錄來看，當(dāng)時日本為了降低美國所詬病的貿(mào)易逆差，日本承諾讓日元升值，同時也建立了不平等的貿(mào)易規(guī)則（當(dāng)時美國進(jìn)口日本車需要收取關(guān)稅，而美國車進(jìn)入日本則不需要任何關(guān)稅），即便如此，日本仍然無法讓美國滿意。

按照2010年日本制造科學(xué)技術(shù)中心發(fā)布的《日本IMS國際合作研究計劃》報告中描述，“1989年6月，在通產(chǎn)省信息產(chǎn)業(yè)局舉行了‘工廠自動化愿景座談會，會議匯總了關(guān)于面向21世紀(jì)工廠自動化未來展望的報告書。同時會議明確了以制造業(yè)國家合作為目的的IMS計劃，并指出日本在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域有所貢獻(xiàn)是最重要的課題?！?/p>

由此可見，當(dāng)時日本是迫于與美國的貿(mào)易糾紛，推動IMS計劃，其主要指向是有政治和經(jīng)濟(jì)目的的。但是，當(dāng)時日本也在如火如荼推動一些激進(jìn)的研究計劃，例如人腦計劃、人工智能計劃等，從最后的結(jié)果來看，IMS計劃也是當(dāng)時激進(jìn)計劃中的一個。從IMS計劃遺留下來的文件來看，當(dāng)時日本是希望利用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造知識的體系化，從而形成一門先進(jìn)制造學(xué)科，最終，通過對先進(jìn)制造知識的普及，實(shí)現(xiàn)一個智能制造替代人的世界。

例如，當(dāng)時三菱材料提出了“機(jī)械加工過程最優(yōu)化傳感器融合智能化監(jiān)測系統(tǒng)（SIMON，Sensor Fused Intelligent Monitoring System for Machining）”。該項(xiàng)目計劃是對機(jī)械加工的監(jiān)測要實(shí)現(xiàn)人的眼睛、耳朵等感覺器官一樣，使用多個傳感器進(jìn)行監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)自動化的目標(biāo)。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人三菱材料的增根昭洋介紹該計劃稱，“SIMON計劃是結(jié)合人工智能和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等最先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和高敏感度傳感器，是為了實(shí)現(xiàn)前所未有的高目標(biāo)計劃?！?/p>

事實(shí)也證明，三菱材料提出的SIMON計劃的確是高目標(biāo)計劃。按照IMS計劃的安排，SIMON研發(fā)計劃開展的時間是1999年10月到2002年1月，最終結(jié)果當(dāng)然沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

另外一個雄心勃勃的研究計劃當(dāng)屬“下一代生產(chǎn)系統(tǒng)（NGMS，Next-Generation Manufacturing Systems）”，該計劃主要日方負(fù)責(zé)企業(yè)是富士電機(jī)、川崎重工和本田技研等知名企業(yè)，歐洲參與方包括ABB、卡爾斯魯厄大學(xué)和弗勞恩霍夫等，美國參與企業(yè)有卡特皮勒、波音、霍尼韋爾和洛克希德馬丁等企業(yè)。該計劃開展的時間是IMS計劃啟動的1995年開始，一直到2005年11月，但實(shí)際上日本在2003年3月就退出該NGMS計劃了，估計是考慮到該計劃已經(jīng)不具有可行性了。

日本1989年就開始提出的國際研究計劃，歷經(jīng)5年多時間才真正跟美國和歐洲協(xié)調(diào)妥當(dāng)，事實(shí)上，在1995年正式啟動IMS計劃的時候，該計劃就已經(jīng)注定是失敗的。第一，日本發(fā)起的IMS計劃，大都是基于人工智能技術(shù)可以在制造系統(tǒng)發(fā)揮重大作用前提下提出的，當(dāng)時顯然對人工智能期望過高；第二，進(jìn)入90年代之后，日本經(jīng)濟(jì)已經(jīng)被美國壓制下去，日本已經(jīng)沒有多余的公共研究經(jīng)費(fèi)，不太可能支持IMS這樣的大計劃；第三，上個世紀(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)處于蓄勢待發(fā)的狀態(tài)，至少美國已經(jīng)沒有多少心思去搞制造業(yè)創(chuàng)新的事情，這對于一直希望利用主動承擔(dān)IMS計劃的姿態(tài)，吸引美國來參與推動的日本頗為失望。

在2010年4月，日本按照2008年就提交的總結(jié)報告中所計劃退出IMS國際組織的安排，正式退出了自己一手打造的國際研究組織。后來，歐盟發(fā)起了IMS 2020，繼續(xù)相關(guān)的研究，但對于美國來講，它已經(jīng)對IMS計劃沒有多少興趣，不過，美國并沒有停止對智能制造相關(guān)技術(shù)的探索，只是它一直以來以如何在制造業(yè)發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢作為目標(biāo)。

信息技術(shù)驅(qū)動智能制造

在工業(yè)近代史上，美國作為主要的創(chuàng)新來源地，提出了大量開創(chuàng)性的概念和思想。例如，早在1973年，約瑟夫·哈靈頓（Joseph Harrington）提出了計算機(jī)集成制造（CIM，Computer-Integrated Manufacturing）的概念，當(dāng)時并沒有受到關(guān)注，在1984年的時候，哈靈頓撰寫了《理解制造過程：實(shí)施CAD/CAM的成功之道》（Understanding the Manufacturing Process： Key to Successful CAD/CAM Implementation），再次引起了人們的興趣。1985年，美國工程師協(xié)會推薦計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS，Computer-Integrated Manufacturing Systems）作為先進(jìn)制造技術(shù)的主攻方向，由此拉開了嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的黃金時期。

不過，據(jù)工業(yè)4.0研究院觀察，即便全球制造業(yè)開始關(guān)注CIMS這個概念（例如，1987年左右的時間，清華大學(xué)就開始籌建CIMS研究中心），美國研究界仍然把未來的先進(jìn)制造技術(shù)定義為信息技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用。在1993年，美國國家研究委員會發(fā)布了《信息技術(shù)與制造：研究需求的討論稿》（Information Technology and Manufacturing： A Preliminary Report on Research Needs）；在1995年，美國國家研究委員會發(fā)布了《制造業(yè)的信息技術(shù)研究日程》（Information Technology for Manufacturing：A Research Agenda），明確了未來10年的先進(jìn)制造研究多個議題，例如虛擬工廠、網(wǎng)絡(luò)工廠、模型與仿真、制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施等議題。

創(chuàng)造具有體系性的概念系統(tǒng)，促進(jìn)智能制造學(xué)科的真正建立和發(fā)展，是當(dāng)前人類社會制造業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)之一。

隨著制造業(yè)的信息技術(shù)研究的深入，美國研究界發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的概念不足以描述信息空間和物理世界交互的復(fù)雜性，為此，美國國家科學(xué)基金會（NSF，National Science Foundation）開始考慮創(chuàng)造一門新的先進(jìn)制造學(xué)科，這個目的跟1989年日本提出IMS計劃如出一轍。

2006年，美國國家科學(xué)基金會通過長達(dá)一年時間的討論，由時任國家科學(xué)基金會的官員海倫·吉爾（Helen Gill）創(chuàng)造了一個詞匯——信息物理系統(tǒng)，以此替代嵌入式系統(tǒng)，來描述更為緊密結(jié)合的狀態(tài)，這種狀態(tài)不僅僅是信息的傳遞，還有控制方面的交互，這實(shí)際上就是控制論所描繪的最佳狀態(tài)了。與會科學(xué)家都比較認(rèn)可這個概念，并且認(rèn)為信息物理系統(tǒng)是美國研究界未來10～20年應(yīng)該重點(diǎn)研究的課題。

事實(shí)上，美國研究界還真的做了10年左右的研究，直到2014年左右的時間，美國商務(wù)部下屬國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST，National Institute of Standards and Technology）正式接過國家科學(xué)基金會的接力棒，籌建了信息物理系統(tǒng)工作組，開始在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面繼續(xù)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣。除了美國官方的機(jī)構(gòu)，由通用電氣牽頭組建的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC，Industrial Internet Consortium），也把推進(jìn)信息物理系統(tǒng)工程化作為目標(biāo)。

除此之外，德國在2013年宣布的工業(yè)4.0概念和體系，也是構(gòu)建在信息物理系統(tǒng)基礎(chǔ)上；在2017年，日本經(jīng)產(chǎn)省的專家也把信息物理系統(tǒng)確定為智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，希望在重新定義智能制造過程中扮演重要作用。當(dāng)然，中國制造一直把吸納西方先進(jìn)思想和技術(shù)作為工業(yè)化發(fā)展的重要手段，在2016年，工信部下屬研究機(jī)構(gòu)也創(chuàng)建了中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和中國信息物理系統(tǒng)聯(lián)盟等組織。

由此可見，經(jīng)過日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家過去幾十年的研究和探索，已經(jīng)明確了信息化與工業(yè)化融合的主航道，但如何利用信息技術(shù)方面，目前已經(jīng)有信息物理系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等概念和體系，同時也有諸如數(shù)字孿生體（Digital Twin）和數(shù)字線程（Digital Thread）等新概念出現(xiàn)，進(jìn)一步創(chuàng)造具有體系性的概念系統(tǒng)，促進(jìn)智能制造學(xué)科的真正建立和發(fā)展，是當(dāng)前人類社會制造業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)之一。

智能制造的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施

對于智能制造，雖然日本早期冒進(jìn)的探索并無什么實(shí)質(zhì)性的結(jié)果，但這給全球研究專家提供了一個難得的觀察機(jī)會。事實(shí)證明，僅僅依靠傳統(tǒng)的信息技術(shù)，是沒有辦法解決制造系統(tǒng)的高效率和柔性需求的，這需要構(gòu)建諸如信息物理系統(tǒng)等新型的制造系統(tǒng)知識體系。經(jīng)過近10年的發(fā)展，美國國家科學(xué)基金會推動的信息物理系統(tǒng)理論體系基本成型，并且已經(jīng)開始在美國各高校進(jìn)行信息物理系統(tǒng)的課程教學(xué)。由此可見，智能制造原理上的創(chuàng)新基本完成，目前需要解決的是產(chǎn)學(xué)研方面的挑戰(zhàn)（見圖1）。

按照經(jīng)濟(jì)學(xué)家卡蘿塔·佩蕾絲（Carlota Perez）在《技術(shù)革命與金融資本：泡沫與黃金時代的動力學(xué)》（Technological Revolutions and Financial Capital： The Dynamics of Bubbles and Golden Ages）指出，技術(shù)革命分為四個發(fā)展階段，分別為構(gòu)建范式、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和成熟階段。按照工業(yè)4.0研究院的判定，人類社會的第四次工業(yè)革命還處于構(gòu)建范式階段，從歷史經(jīng)驗(yàn)來看，這個階段會出現(xiàn)大量的各種不同概念和提法，隨著人們的認(rèn)識逐步深入，更符合實(shí)際的概念將占據(jù)優(yōu)勢，從而成為人們的首選。接著，技術(shù)革命很快會進(jìn)入基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段，智能制造作為第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)，需要相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施提供產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前提。

根據(jù)工業(yè)4.0研究院的研究結(jié)果來看，通常情況下，智能制造的基礎(chǔ)設(shè)施包含低成本的傳感系統(tǒng)、無所不在的云計算資源和實(shí)時驅(qū)動的制造操作系統(tǒng)等三個方面。從全球各國制造業(yè)戰(zhàn)略爭奪的創(chuàng)新生態(tài)關(guān)鍵點(diǎn)來看，目前還沒有哪個國家完成了這三個方面的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

低成本的傳感系統(tǒng)部署

在本文對智能制造歷史發(fā)展過程的描述中，已經(jīng)總結(jié)了智能制造科學(xué)體系的基礎(chǔ)是建立在信息物理系統(tǒng)之上的，這已經(jīng)在美國、德國、中國和日本等國建立了共識，各個國家正在爭先恐后地搭建信息物理系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施。例如，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院支持的智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟（SMLC，Smart Manufacturing Leadership Coalition），就構(gòu)建了一個開放架構(gòu)和開源的智能制造平臺（Open Smart Manufacturing Platform），其目的就是為美國制造業(yè)提供基礎(chǔ)的信息物理系統(tǒng)。

之所以信息物理系統(tǒng)將成為智能制造首當(dāng)其沖的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，其根本原因是數(shù)據(jù)的基本來源是傳感器，這類似人的智能來自五官獲得的基礎(chǔ)信息，從而通過頭腦進(jìn)行判斷。機(jī)器設(shè)備也有類似的過程，如果沒有基本信息的采集，機(jī)器設(shè)備是無法自主進(jìn)行判斷，從而也談不上什么智能化的制造過程。

有部分行業(yè)人士提出，在諸如航天軍工領(lǐng)域，早就實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的部署，因此，智能制造早就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。這種認(rèn)識忽略了整個制造業(yè)行業(yè)眾多的情況，在一些不計成本不計代價的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了傳感器的部署，一點(diǎn)也不奇怪，事實(shí)上，日本在上個世紀(jì)70年代，就實(shí)現(xiàn)了部分生產(chǎn)系統(tǒng)的傳感器部署，但當(dāng)時日本提出IMS計劃，就是希望可以在大部分制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化（其主要障礙還是成本），這也是本文所指出低成本的意圖。

中國早在2009年就推動了無錫國家物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)基地的發(fā)展，當(dāng)時的目標(biāo)也是為了實(shí)現(xiàn)所謂傳感網(wǎng)，其目的也是為了構(gòu)建一個智慧網(wǎng)絡(luò)。雖然推進(jìn)了多年，除了在諸如機(jī)場等特定場景實(shí)現(xiàn)了一定的應(yīng)用，傳感網(wǎng)并沒有真正普及起來，其主要挑戰(zhàn)也是低成本的傳感系統(tǒng)部署難以實(shí)現(xiàn)。

不僅如此，就全球目前已經(jīng)發(fā)明的主要傳感器種類來講，已經(jīng)有2萬多種，涉及到物理、化學(xué)、生物及特殊目的等種類繁多的傳感器，要真正做到對物理世界跟信息空間的一一對應(yīng)，傳感器是必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。既然傳感器種類繁多，價格跨度也比較大，一些價格昂貴的傳感器，只可能在一些高價值產(chǎn)品上應(yīng)用，例如，蘋果最近推出的iPhone X，就應(yīng)用了不少高端的傳感器。一般的低價值場景，是難以進(jìn)行大量的傳感器部署的，主要原因不是技術(shù)有難度，而是成本比較高，這是目前構(gòu)建這樣的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的根本障礙。

如果沒有低成本的傳感系統(tǒng)部署，要實(shí)現(xiàn)智能化的制造系統(tǒng)，是有較高難度的。對于車間或者工廠級別的智能制造，要實(shí)現(xiàn)較大范圍的傳感系統(tǒng)部署，其投入也不會少，針對于一些中低端制造行業(yè)來講，是不具有經(jīng)濟(jì)效用的；對于一些高端制造領(lǐng)域，例如汽車，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本的傳感系統(tǒng)部署，可以實(shí)現(xiàn)較高的自動化生產(chǎn)。但是，對于要集成產(chǎn)業(yè)鏈上下游系統(tǒng)的目的，即便對于汽車產(chǎn)業(yè)鏈，一些成本敏感的部件提供商，也是難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感系統(tǒng)部署的，為此，缺乏低成本的傳感技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)不了端到端產(chǎn)業(yè)鏈集成的。

無論如何，要實(shí)現(xiàn)智能制造，是需要構(gòu)建一個低成本的、大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，只有具有這樣的系統(tǒng)，才可以為生產(chǎn)系統(tǒng)的進(jìn)一步智能化提供可能。試著想一下，如果連完整的數(shù)據(jù)采集都是問題，怎么可能對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析呢？因此，要實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能制造，低成本的傳感系統(tǒng)是一個關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。

無所不在的云計算資源

智能制造除了需要作為技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的低成本大規(guī)模傳感系統(tǒng)，它還需要一個無所不在的云計算資源系統(tǒng)。在日本1989年發(fā)起的IMS計劃中，當(dāng)時各個領(lǐng)先制造企業(yè)都面臨全球化的挑戰(zhàn)，因此也提出了諸如Globeman21（對21世紀(jì)全球化生產(chǎn)進(jìn)行的企業(yè)整體性研究）和MISSION（全球化分散企業(yè)設(shè)計、規(guī)劃及運(yùn)營的模型制作及模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境相關(guān)研究）等課題，從日本總結(jié)出版的《日本IMS國際合作研究計劃》報告中描述來看，這些課題都因?yàn)榧夹g(shù)不夠成熟，并沒有達(dá)到預(yù)期目的。

如果對20多年前日本推動的IMS計劃失敗的原因進(jìn)行分析，缺乏無所不在的計算資源（當(dāng)然也包括高速通信網(wǎng)絡(luò)）可能是重要原因之一。據(jù)參加IMS-MISSION計劃的日本機(jī)械振興協(xié)會技術(shù)研究所教授日比野浩典回憶，當(dāng)時這個項(xiàng)目還得到了美國國防部的支持，利用了分散模型技術(shù)高水平架構(gòu)（HLA，High Level Architecture）進(jìn)行開發(fā)，但也因?yàn)楣こ虒?shí)現(xiàn)上困難重重，并未得到預(yù)想結(jié)果。

事實(shí)上，美國國防部目前仍然在利用高水平架構(gòu)模型來構(gòu)建基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE，Model-Based Systems Engineering），加上最新發(fā)明的數(shù)字孿生體及數(shù)字線程技術(shù)，其先進(jìn)制造已經(jīng)達(dá)到較高水平。據(jù)工業(yè)4.0研究院觀察，在推進(jìn)基于模型的系統(tǒng)工程中，云計算資源是一個最為關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，如果缺乏這個基礎(chǔ)設(shè)施，其系統(tǒng)工程基本上不可用。

對于目前時髦的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，其本質(zhì)上也是需要把各種制造資源聯(lián)網(wǎng)起來，與消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)不同，工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化大都面臨特性不同的資源，諸如物理特性、化學(xué)特性、金融特性等等，這需要針對物理設(shè)備的高仿真模型，否則，簡單具有存儲功能的云計算平臺，并不具有多大工業(yè)價值，也難以稱為工業(yè)云。僅僅把傳統(tǒng)的信息技術(shù)系統(tǒng)上傳到云計算平臺上，并不能完全體現(xiàn)其價值，甚至由于商業(yè)模式上的一些考慮（諸如差異化競爭優(yōu)勢等），反而導(dǎo)致傳統(tǒng)的信息技術(shù)系統(tǒng)上云并不具有可選性。例如，一些對產(chǎn)品信息或客戶信息敏感的行業(yè)，它們可能就不愿意為了降低成本而把這些系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和信息上傳到云計算平臺上去。

不過，從技術(shù)發(fā)展趨勢和整個制造業(yè)發(fā)展需要來看，低成本、安全和獨(dú)立（非壟斷）的云計算資源是智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)，但是，這些云計算資源到底以什么形態(tài)為行業(yè)提供動力，還是需要進(jìn)一步商業(yè)運(yùn)行才會清楚。例如，云計算資源是不是可以以平臺賦能的方式存在，或者云計算資源僅僅限定提供存儲和計算能力，避免提供進(jìn)一步的應(yīng)用匹配，都是需要更為成熟的試驗(yàn)，考慮多方利益相關(guān)者的述求才可以確定的。

由于消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展較為成熟，消費(fèi)領(lǐng)域的云計算應(yīng)用也比較迅速，一些消費(fèi)云計算資源已經(jīng)成為人們生活必備的基礎(chǔ)設(shè)施，例如電子商務(wù)、即時通信、電子支付等，但這不意味著工業(yè)領(lǐng)域的云計算資源也應(yīng)該按照同樣的方式或規(guī)則進(jìn)行應(yīng)用。

從工業(yè)企業(yè)的行業(yè)實(shí)踐來看，領(lǐng)先的制造企業(yè)意識到傳統(tǒng)的消費(fèi)云計算基礎(chǔ)設(shè)施不足以滿足未來工業(yè)級的需要，已經(jīng)創(chuàng)造了諸如霧計算、邊緣計算等概念，這些概念的核心就是在物理上為需要存儲和計算資源的設(shè)備提供服務(wù)。因此，霧計算或邊緣計算加上傳統(tǒng)的云計算，組成了一個無所不在的下一代云計算資源，可以為智能制造的實(shí)現(xiàn)提供基本的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。

實(shí)時驅(qū)動的制造操作系統(tǒng)

通常情況下，我們認(rèn)為制造業(yè)所需要的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施跟消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施有較大的不同，除了本文前面提及的低成本傳感系統(tǒng)和下一代云計算資源，真正實(shí)時驅(qū)動的制造操作系統(tǒng)也是一個特殊的要求。

大家清楚，個人電腦就是一個信息物理系統(tǒng)，它擁有操作系統(tǒng)（OS，Operating System），你可能應(yīng)用的是微軟提供的Windows，或者是蘋果一體化的macOS，甚至于基于Linux的個性化安裝包，不管是哪種操作系統(tǒng)，它都需要對物理設(shè)備進(jìn)行虛擬化，在操作系統(tǒng)中，一般是以驅(qū)動程序（drivers）的方式提供，它們對諸如打印機(jī)、掃描儀、鍵盤和鼠標(biāo)等硬件設(shè)備進(jìn)行映射，從而實(shí)現(xiàn)物理與信息的交互。

如果要實(shí)現(xiàn)智能制造系統(tǒng)，那么一個制造業(yè)的操作系統(tǒng)就是必要的。通過制造操作系統(tǒng)，可以對各種制造硬件進(jìn)行管理，例如，數(shù)控設(shè)備、加工設(shè)備、檢測設(shè)備等等，這些設(shè)備都可以用制造操作系統(tǒng)進(jìn)行映射，從而兩者（物理與信息）實(shí)現(xiàn)互交互（interaction），這就是制造操作系統(tǒng)的基本要求。

有部分行業(yè)人士認(rèn)為制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution Systems）就是這樣的操作系統(tǒng)，但如果大家對比個人電腦的操作系統(tǒng)，就可以看出，制造執(zhí)行系統(tǒng)的簡單功能模塊，本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)的智能化程度并不高，給制造系統(tǒng)提供的發(fā)揮空間也比較小，產(chǎn)生于1995年左右的制造執(zhí)行系統(tǒng)，其目的還是為了把指令執(zhí)行準(zhǔn)確，而不是為了實(shí)現(xiàn)平等的指令和執(zhí)行交互。換句話來講，制造執(zhí)行系統(tǒng)并不是基于信息物理系統(tǒng)科學(xué)構(gòu)建的工程系統(tǒng)，它并不能滿足真正的智能制造需要。

可喜的是，制造行業(yè)的一些領(lǐng)先企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)基于新的理論成果進(jìn)行實(shí)時操作系統(tǒng)的研究。2006年美國國家科學(xué)基金會提出信息物理系統(tǒng)之后，獲得相關(guān)資金支助的加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊，就推出了一個以實(shí)時驅(qū)動的制造操作系統(tǒng)為目標(biāo)的信息物理系統(tǒng)原型Ptolemy I/II，該原型還是開源的；另外，伊利諾伊大學(xué)2007年也獲得了美國國家科學(xué)基金會支助，啟動了嵌入式系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)LiteOS的研究。除此之外，斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)和德國人工智能研究中心等機(jī)構(gòu)，也推出了基于開源項(xiàng)目的制造操作系統(tǒng)。

如果我們要進(jìn)一步推動智能制造的實(shí)現(xiàn)，除了需要繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)理論的研究，探索智能制造的原理性規(guī)律，還需要為智能制造的產(chǎn)學(xué)研提供技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。

經(jīng)過過去10來年的發(fā)展，制造操作系統(tǒng)已經(jīng)初步具有實(shí)用的可能，雖然大部分商業(yè)化的平臺系統(tǒng)并沒有指明其系統(tǒng)的基本科學(xué)原理和借鑒的研究成果，但大部分商業(yè)級的制造操作系統(tǒng)平臺，都通過多種方式受益于信息物理系統(tǒng)的相關(guān)研究。例如，通用電氣在2014年推出的Predix平臺，就是利用了它參與美國國家科學(xué)基金會項(xiàng)目獲得經(jīng)驗(yàn)，甚至于到現(xiàn)在，通用電氣還跟美國制造創(chuàng)新中心數(shù)字制造與數(shù)字設(shè)計研究所（DMDII， Digital Manufacturing and Digital Design Institute）合作推出了一個開源項(xiàng)目數(shù)字制造共性平臺（DMC，Digital Manufacturing Commons）。

總而言之，如果我們要進(jìn)一步推動智能制造的實(shí)現(xiàn)，除了需要繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)理論的研究，探索智能制造的原理性規(guī)律，還需要為智能制造的產(chǎn)學(xué)研提供技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施：一方面需要提供低成本的傳感系統(tǒng)部署；另外一方面，無所不在的適用于工業(yè)領(lǐng)域的云計算資源也必不可少；更進(jìn)一步，針對具體的行業(yè)應(yīng)用，或許需要有企業(yè)可以提供實(shí)時驅(qū)動的制造操作系統(tǒng)或平臺。

AI 2.0重新定義智能制造

與20年前日本采用傳統(tǒng)的人工智能來驅(qū)動智能制造系統(tǒng)不同，目前人工智能已經(jīng)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)、新算法和新計算能力的AI 2.0時代，同時，大量智能產(chǎn)品的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的裝備制造需要個性化定制的能力，這迫切需要實(shí)現(xiàn)新型的智能制造，利用AI 2.0重新定義智能制造就成為當(dāng)前最為重要的工作之一。