智能制造：四個(gè)智能範式的(de)共存與進階

一、序 言

在智能制造中，智能一直是一個(gè)衆說紛纭的(de)問題，它在清晰可(kě)見與若隐若現之間遊離，在道理(lǐ)簡明(míng)與論述繁複中徘徊。由于對(duì)智能的(de)解讀一直處于這(zhè)種狀态，所以智能制造的(de)發展勢頭現在已經明(míng)顯被工業互聯網超越。

在2016年出版的(de)《三體智能革命》中，筆者等人(rén)就已經對(duì)智能做(zuò)了(le)闡述和(hé)解讀。按照(zhào)書(shū)中對(duì)智能的(de)定義和(hé)此後對(duì)智能的(de)進一步理(lǐ)解，筆者認爲人(rén)造系統存在四個(gè)智能範式：第一範式是“人(rén)智”轉“機智”，第二範式是“機智”群自治，第三範式是“機智”哺“人(rén)智”，第四範式是雙智共融惠人(rén)。這(zhè)四個(gè)範式在智能制造、工業互聯網、企業數字化(huà)轉型領域都是普遍适用(yòng)的(de)。

二、第一範式：“人(rén)智”轉“機智”

2.1 人(rén)類智慧主導著(zhe)智能源頭

走向智能研究院九位創始研究員(yuán)從2015年開始撰寫“走向智能叢書(shū)”第一本《三體智能革命》，對(duì)形形色色、大(dà)大(dà)小小的(de)各種人(rén)造系統的(de)智能現象進行了(le)橫向比較和(hé)打通(tōng)研究，認爲：以人(rén)爲代表的(de)生物(wù)體有智能；電腦(nǎo)裏的(de)“數字虛體”有智能；物(wù)理(lǐ)實體有智能。三種“體”交彙融合，發展出豐富多(duō)彩、無以計數的(de)人(rén)造智能系統。

人(rén)造智能是人(rén)造系統所具有的(de)一種模仿、拓展和(hé)超越人(rén)類智能的(de)能力。目前在市場(chǎng)上能夠看到的(de)各種各樣的(de)智能，如工業智能、人(rén)工智能、認知計算(suàn)和(hé)人(rén)造大(dà)腦(nǎo)等，都是人(rén)造智能的(de)子集。人(rén)造智能的(de)形成，是由“意識人(rén)體”在長(cháng)期與自然界的(de)物(wù)理(lǐ)實體交互過程中，不斷探尋、發現、創新、應用(yòng)和(hé)主導的(de)。其總體智能水(shuǐ)平目前大(dà)約相當于5～10歲的(de)孩子。

在《三體智能革命》中，以人(rén)爲代表的(de)生物(wù)體被命名爲“意識人(rén)體”，這(zhè)是一個(gè)具有開創意義的(de)命名。意識人(rén)體，首先具有自我意識，其次具有直覺和(hé)第六感，另外人(rén)類還(hái)具有創造力、知行合一能力。筆者認爲，這(zhè)四種能力是人(rén)類智慧與人(rén)造智能的(de)極其重要的(de)區(qū)别。人(rén)類智慧是高(gāo)維度能力，目前看來(lái)隻爲人(rén)類所獨具，其他(tā)的(de)生物(wù)系統、人(rén)造系統、複合系統等，都無法達到這(zhè)種能力。諸如計算(suàn)能力、學習(xí)能力、感知能力和(hé)資源協調能力等，則是人(rén)類和(hé)人(rén)造智能系統所共有的(de)能力。換句話(huà)說，是人(rén)可(kě)以通(tōng)過各種技術手段而賦予人(rén)造系統的(de)智能能力[1]。

從高(gāo)維人(rén)類智慧系統向低維人(rén)造智能系統輸送、傳遞、構建智能機理(lǐ)、智能體系和(hé)知識内容，是第三次工業革命之前就已經在做(zuò)的(de)事情。自從有了(le)電腦(nǎo)，伴随著(zhe)計算(suàn)能力（芯片算(suàn)力）的(de)增強，人(rén)類一直在試圖把自己用(yòng)人(rén)腦(nǎo)思考問題、解決問題的(de)模式和(hé)過程，複制到電腦(nǎo)（如CAX、MES）或機載電腦(nǎo)（如PLC、DCS、SCADA）中的(de)軟件和(hé)算(suàn)法中去。筆者在參撰的(de)《機·智：從數字化(huà)車間走向智能制造》《鑄魂：軟件定義制造》這(zhè)兩本書(shū)中都做(zuò)了(le)預測和(hé)闡述。

在《機·智》中預測：“出現大(dà)規模的(de)'勞動力轉型'，即人(rén)體、人(rén)腦(nǎo)離開系統回路，基于'人(rén)智'的(de)數字化(huà)勞動力（智能機器）大(dà)規模登場(chǎng)，真正實現機器換人(rén)，以泛在聯接、自主自治的(de)智能機器來(lái)拉動經濟的(de)徹底轉型。”[2]

在《鑄魂》中寫到：“通(tōng)俗地說，所謂智能制造就是一個(gè)'人(rén)智變機智'的(de)過程——即把人(rén)的(de)智能（簡稱'人(rén)智'）以顯性知識的(de)形式提煉出來(lái)，進行模型化(huà)、算(suàn)法化(huà)處理(lǐ)，再把各種模型化(huà)（機理(lǐ)模型、數據分(fēn)析模型等）的(de)知識嵌入軟件，軟件嵌入芯片，芯片嵌入某個(gè)數字裝置/模塊，再把該數字裝置/模塊嵌入到物(wù)理(lǐ)設備中，由此而賦予機器一定的(de)自主能力，讓機器具有一定程度的(de)'智能'（簡稱'機智'），我們将這(zhè)個(gè)過程稱爲'賦能'。”[3]

人(rén)造系統的(de)智能由人(rén)賦予和(hé)掌控，源頭是人(rén)智，形式是知識，載體是軟件和(hé)芯片，作用(yòng)是讓人(rén)造系統按照(zhào)人(rén)的(de)意願實現更高(gāo)水(shuǐ)平的(de)智能（控制）行爲。

2.2 無價“人(rén)智”超越時(shí)空永存

數字孿生是一個(gè)含義廣泛的(de)概念。不僅把物(wù)理(lǐ)實體的(de)形、态、演變規律和(hé)内涵映射到數字空間，同樣的(de)操作也(yě)可(kě)以用(yòng)于意識人(rén)體，即将人(rén)腦(nǎo)中的(de)“碳基知識”，映射/轉變爲數字空間的(de)“矽基知識”，把人(rén)的(de)思考過程映射/轉變爲數字過程，把世間萬物(wù)之間的(de)概念互聯關系映射爲數字互聯關系，把“人(rén)智”映射/轉變爲“機智”。

在上述至關重要的(de)數字映射過程中，産生了(le)兩個(gè)意義深遠(yuǎn)的(de)産品——包含“人(rén)智”的(de)工業軟件，因爲嵌入了(le)包含“人(rén)智”的(de)工業軟件而具備了(le)“機智”的(de)智能機器。人(rén)類的(de)智慧、智力思考方式、智能原理(lǐ)、訣竅和(hé)最佳數據等，以模型、算(suàn)法和(hé)推理(lǐ)機制等知識形式，映射/轉換到工業軟件和(hé)包含工業軟件的(de)機器中，完成了(le)人(rén)類曆史上最偉大(dà)的(de)事業——在數字空間永久保存人(rén)類各種智力成果，讓人(rén)類智慧超越生命周期、超越時(shí)代而獲得(de)永生。

對(duì)于這(zhè)一點，工信部原副部長(cháng)楊學山教授在爲《機·智》所作序中寫到：“生物(wù)智能基于遺傳基因而延續，人(rén)類智能的(de)各種産物(wù)和(hé)成果基于各種工具和(hé)記錄的(de)信息而傳承。智能時(shí)代的(de)傳承和(hé)延續，與生物(wù)智能和(hé)人(rén)類智能的(de)結晶相比有何特征？如果超越産品的(de)生命周期，這(zhè)個(gè)特征就是數字孿生，數字孿生是智能時(shí)代智能的(de)遺傳基因。顯然，數字孿生是可(kě)以跨越産品的(de)生命周期的(de)。”

筆者認爲，在數字孿生技術的(de)高(gāo)級階段：更高(gāo)水(shuǐ)平的(de)數字技術徹底穿透數、物(wù)兩界，生成豐富的(de)、無處不在的(de)虛拟數字制造資源（産品、人(rén)、機、料、法、環、測），并随時(shí)把它們疊加到現實的(de)工業場(chǎng)景中，數字虛體機器與物(wù)理(lǐ)實體機器相互配合運轉，數字虛體人(rén)配合人(rén)類同時(shí)觀察和(hé)監控虛、實兩種機器，數字虛體物(wù)料與實體物(wù)料同時(shí)與虛、實兩種機器交互作用(yòng)等，可(kě)以發展和(hé)想象的(de)空間無比巨大(dà)。數據無處不在，知識無處不在，人(rén)智無處不在，機智無處不在，虛實交互融合無處不在。其實這(zhè)些内涵已經完全包含了(le)當前社會熱(rè)議(yì)的(de)“元宇宙”概念。

三、第二範式：“機智”群自治

3.1 智能機器群體越來(lái)越龐大(dà)

智能機器是工業互聯網中的(de)一個(gè)極其重要的(de)組成部分(fēn)。在英文中，諸如Smart Machine、Intelligent Machine、Brilliant Machine這(zhè)幾個(gè)詞組都有“智能機器”的(de)意思；智能機器包括但是并不限于傳統的(de)物(wù)理(lǐ)實體機器的(de)智能化(huà)，也(yě)包括諸如軟件機器人(rén)這(zhè)樣的(de)軟件系統；數字勞力“Digital Labor”經過轉譯之後，也(yě)帶有一定的(de)“智能機器”的(de)含義；在GE公司給出的(de)工業互聯網定義中，将軟件定義的(de)機器視爲智能機器。

在《三體智能革命》書(shū)中給出了(le)智能系統的(de)五個(gè)基本特征：“狀态感知、實時(shí)分(fēn)析、自主決策、精準執行、學習(xí)提升”，這(zhè)是對(duì)智能系統進行普适性判斷的(de)“20字箴言”。符合前四個(gè)特征是恒定智能系統，符合第五個(gè)特征則是具有學習(xí)能力的(de)開放式智能系統。

伴随著(zhe)數字化(huà)ICT技術與工業實體的(de)不斷融合，符合上述五個(gè)基本特征的(de)機器設備越來(lái)越多(duō)。智能機器的(de)另外一個(gè)顯著特征是彼此聯網，在“工業4.0”定義中，機器要像社交網絡終端一樣，彼此之間會相互傳輸數據、溝通(tōng)信息、分(fēn)享知識、報告現狀。

海量智能節點的(de)聯接，如同大(dà)腦(nǎo)神經元的(de)聯接一樣，讓工業互聯網展現出更多(duō)的(de)智能屬性，如人(rén)離開系統回路、機器自主運行、機器引導機器（M2M或MxM）及超大(dà)範圍與尺度的(de)“陸、海、空、天、賽”五域終端智能協同等。

3.2 多(duō)種“M2M”技術共存

以“機器引導機器”爲例，闡述如下(xià)。“人(rén)在回路”的(de)“有人(rén)機器引導無人(rén)機”。例如，美(měi)國一家創業公司Peloton做(zuò)了(le)一個(gè)L4級的(de)“自動列隊跟馳”系統，可(kě)以有效地讓一個(gè)人(rén)同時(shí)駕駛兩輛卡車，前車是有人(rén)駕駛卡車，後面跟随無人(rén)駕駛卡車，形成了(le)“有人(rén)車引導無人(rén)車”的(de)智能模式，顯著降低油耗[4]。“人(rén)離開回路”的(de)“智能機器引導智能機器”。當無人(rén)機技術發展到高(gāo)度智能狀态時(shí)，由“數字智能駕駛員(yuán)”來(lái)替代人(rén)駕駛飛(fēi)機，目前已有的(de)“有人(rén)機+無人(rén)機”編組方案，将進化(huà)成爲“智能無人(rén)機+半智能無人(rén)機”編組方案，智能無人(rén)機替代原來(lái)的(de)有人(rén)駕駛飛(fēi)機成爲空戰主導。當所有無人(rén)機都在技術上進化(huà)到智能無人(rén)機時(shí)，智能無人(rén)機群的(de)整體作戰能力将會有飛(fēi)躍式提升，因爲這(zhè)種智能無人(rén)機群不存在中心控制，完全是對(duì)等的(de)分(fēn)布式控制，可(kě)以利用(yòng)“湧現”的(de)場(chǎng)景，随時(shí)自主指定任何一架智能無人(rén)機來(lái)擔任整個(gè)無人(rén)機群指揮者，形成強大(dà)的(de)群體智能。

四、第三範式：“機智”哺“人(rén)智”

4.1 智能軟件輔助人(rén)思考決策

工業軟件是一種工業化(huà)的(de)頂級産物(wù)，如容器一般盛裝了(le)包括但是并不限于工業知識的(de)一個(gè)集大(dà)成的(de)知識體系。這(zhè)些裝進容器的(de)各種知識，不僅盡量趨于體系化(huà)和(hé)完整化(huà)，而且還(hái)會在工業軟件這(zhè)個(gè)知識大(dà)熔爐、工具魔法器裏，在人(rén)機交互使用(yòng)軟件的(de)過程中，不斷發生知識的(de)交叉與融合、解構與重構，既發生物(wù)理(lǐ)反應，也(yě)發生化(huà)學反應，在原有存量知識的(de)基礎上，生成增量知識，持續豐富、補充著(zhe)容器的(de)知識體系。

筆者把人(rén)機交互使用(yòng)軟件的(de)過程，稱作“集智應用(yòng)”。集智的(de)意思是，在工業軟件這(zhè)個(gè)超級容器中，集中了(le)海量的(de)前人(rén)智慧。當用(yòng)戶進入軟件使用(yòng)界面時(shí)，用(yòng)戶始終不是獨自一人(rén)在使用(yòng)軟件，而是如同有千千萬萬個(gè)數理(lǐ)化(huà)先賢、領域專家、行業翹楚和(hé)專業能人(rén)站在他(tā)的(de)身後，在每一次點擊菜單、每一次模型計算(suàn)、每一次控制指令傳輸中，都在出手扶助、指點迷津、啓智開慧。

人(rén)類智能最好的(de)容身場(chǎng)所是軟件，而軟件的(de)最佳作用(yòng)是像“軟件機器人(rén)”一樣，以“機智”反哺“人(rén)智”。

4.2 智能裝置助人(rén)成專業高(gāo)手

投籃百發百中是所有打籃球人(rén)的(de)心願。但是誰也(yě)不能真正做(zuò)到百發百中。即使是經過刻苦訓練的(de)美(měi)國職業籃球運動員(yuán)，在比賽中最好成績也(yě)隻能達到67%投中率。

美(měi)國3D打印技術開發商和(hé)制造商福姆實驗室首席工程師謝恩·威頓的(de)想法是，研制一個(gè)智能籃闆，隻要投籃者能把球砸到籃闆上，就能做(zuò)到“百發百中”。智能籃闆的(de)機電結構如圖1所示。

圖1　智能籃闆的(de)機電結構

他(tā)設計的(de)智能籃闆是多(duō)軸動态運動的(de)，即籃闆固定在萬向節上，可(kě)以前後伸縮、上下(xià)和(hé)左右擺動。而且，這(zhè)個(gè)籃闆必須具有自主觀察能力和(hé)思考能力，它知道籃球的(de)出手角度、飛(fēi)行軌迹以及即将碰到籃闆的(de)時(shí)間，然後快(kuài)速分(fēn)析計算(suàn)出籃闆該以什(shén)麽樣的(de)策略來(lái)反彈這(zhè)個(gè)球，并給籃闆發出最佳動作指令，确保籃球入筐[5]。

由于從籃球出手到碰籃闆隻有約600ms，因此對(duì)于這(zhè)款智能籃闆來(lái)說，設計要點在于：計算(suàn)時(shí)間盡量短，結果盡量準确，籃闆盡可(kě)能輕，動作盡快(kuài)完成。前面提到的(de)描述智能系統的(de)“20字箴言”适用(yòng)于該場(chǎng)景。

1）狀态感知：使用(yòng)微軟爲XBOX360制造的(de)3D體感相機Kinect作爲高(gāo)靈敏度傳感器，它可(kě)以精準地跟蹤目标，并提供帶有視頻(pín)輸入的(de)軟件，其中包含深度信息，并且可(kě)以指示目标和(hé)相機之間的(de)三維坐(zuò)标。

2）實時(shí)分(fēn)析：寫了(le)控制籃闆動作的(de)專用(yòng)軟件程序，并利用(yòng)Kinect傳感器提供的(de)三維坐(zuò)标數據作爲計算(suàn)籃球時(shí)空位置和(hé)狀态的(de)依據。

3）自主決策：通(tōng)過分(fēn)析計算(suàn)，在實時(shí)數據的(de)支持下(xià)，做(zuò)出籃闆動作決策。

4）精準執行：給籃闆的(de)控制器發出最佳動作指令，指示緻動器精準動作，讓籃闆瞬間旋轉到位，反彈籃球入筐。

5）學習(xí)提升：如果打算(suàn)持續改進智能籃闆，較好方式是在籃闆不斷反彈籃球入筐的(de)過程中，積累大(dà)數據，通(tōng)過數據分(fēn)析，找到更好的(de)改進方向，不斷優化(huà)智能籃闆這(zhè)個(gè)“機智”系統，讓每一個(gè)出手投籃的(de)人(rén)，都成爲百發百中的(de)投籃高(gāo)手。基于此範式，未來(lái)智能設備可(kě)以助力普通(tōng)人(rén)成爲專業高(gāo)手。

五、第四範式：雙智共融惠人(rén)

人(rén)智和(hé)機智之間，盡管早期存在著(zhe)“人(rén)智”轉“機智”的(de)初始規律，但二者相對(duì)來(lái)說還(hái)是在各自獨立發展，交集極少。但是自從新一代信息通(tōng)信技術與工業實體交彙融合之後，人(rén)智和(hé)機智已經開始逐漸交彙和(hé)融合，原本清晰的(de)邊界開始變得(de)模糊。

《三體智能革命》書(shū)中前瞻性展望：“自然物(wù)理(lǐ)實體，孕育意識人(rén)體，打造數字虛體。三體交彙，認知互動，協同發展，共轭進化(huà)。三體交彙的(de)中心就是智能。三個(gè)界面不斷模糊邊界并且擴大(dà)範圍，最終界面消失，歸爲一統。”

在歐盟要發布“工業5.0”文件中寫到，“工業5.0的(de)以下(xià)特點得(de)到了(le)特别強調：将人(rén)類和(hé)技術技能的(de)優勢結合起來(lái)，使工業和(hé)工業人(rén)互惠互利，不全、更令人(rén)滿意、更符合人(rén)體工程學，在這(zhè)種環境中，人(rén)類可(kě)以利用(yòng)自己的(de)創造力解決問題，扮演新角色，提高(gāo)技能。”[6]

日本也(yě)提出了(le)應對(duì)老齡社會的(de)“社會5. 0”戰略，核心思想是讓人(rén)與界面友好、善解人(rén)意的(de)服務機器人(rén)共生共融，細分(fēn)需求，定制服務，改善生活品質，預測潛在需求，消除由于地區(qū)和(hé)年齡等造成的(de)服務差異。技術路線是聯網并協調不同領域的(de)獨立系統，以群智的(de)方式提高(gāo)自律化(huà)和(hé)自動化(huà)程度，做(zuò)到人(rén)智與機智共融共存。

無論是人(rén)智還(hái)是機智，無論是分(fēn)立還(hái)是協同，其目的(de)都是人(rén)智與機智共融，以人(rén)爲本，利人(rén)賦能，爲人(rén)服務，造福社會。

六、結束語

本文所闡述的(de)四個(gè)智能範式，既在現有的(de)智能制造、工業互聯網實踐中共存，又按照(zhào)範式順序逐漸進階：“人(rén)智”轉“機智”是最初的(de)樣本，已經持續了(le)幾十年；進入新世紀後，智能機器的(de)群體越來(lái)越龐大(dà)和(hé)互聯，越來(lái)越自主和(hé)自治；機器智能達到一定程度後開始反哺人(rén)類，利人(rén)賦能；未來(lái)，人(rén)智和(hé)機智融爲一體，形成高(gāo)度智能、高(gāo)度發達的(de)數字工業，推動中國乃至全球知識經濟的(de)發展，繁榮人(rén)類的(de)數字文明(míng)。

參考文獻：

[1] 胡虎，趙敏，甯振波，等. 三體智能革命[M]. 北(běi) 京：機械工業出版社，2016.

[2] 朱铎先，趙敏. 機·智：從數字化(huà)車間走向智能制造[M]. 北(běi)京：機械工業出版社，2018.

[3] 趙敏，甯振波. 鑄魂：軟件定義制造[M]. 北(běi)京：機械工業出版社，2020.[4] 歡夢. Peloton發布L4級自動列隊跟馳技術，使駕駛員(yuán)可(kě)以控制兩輛卡車[EB]. （2019-08-14）. [2022-02-24].

[5] 張骞，杜威. [百發百中]籃闆升級，網友：你怎麽那麽有錢有閑有知識[EB]. （2020-05-14）. [2022-02-25].

[6] 歐盟委員(yuán)會研究與創新總局. 工業5.0的(de)使能技術：與歐洲技術領導者的(de)研討(tǎo)會結果[R]. 2020.

本文發表于《金屬加工（冷(lěng)加工）》2022年第4期第5~8頁，作者：走向智能研究院 趙敏,原标題：《智能制造：四個(gè)智能範式的(de)共存與進階》。