智能制造与工业工业互联网：四个智能范式的共存与进阶

2022-12-01 14:10:52 597

各位观众、听众朋友们，大家好！我今天给大家讲座的题目是：智能制造、工业互联网中的四个智能范式的共存与进阶。

首先，我讲一下智能制造的主攻方向与工业互联网创新发展。

说到智能制造主攻方向与工业互联网创新发展，我们可以看到，智能制造、工业互联网在中国已经推进了多年，从*到地方高度重视，取得了阶段性应用成效，形成了规模宏大的产业生态。有关研究报告显示，智能制造、工业互联网的产业规模已经突破万亿人民币。正在不断催生新模式、新业态，为实体经济、数字经济高质量发展，提供了新动能。

《中国制造2025》纲领性文件中阐明，智能制造是主攻方向，工业互联网是智能制造落地的关键基础设施。多年的两会政府工作报告，多个*文件都强调要加快工业互联网的创新发展。

从2014年在全国开始推动，智能制造、工业互联网也发展了有七八年了。下一步，智能制造、工业互联网创新发展之路该怎么走，是一个值得深刻思考的问题？发展智能制造、工业互联网，有没有模式，有没有内在规律？到底该以什么模式发展智能制造、工业互联网？

从总体思路上来说，智能制造、工业互联网作为一种工业转型升级的具体活动形式，必须秉持以人为本的基本原则。

智能制造、工业互联网的出发点：为人服务；智能制造基础设施、企业信息集成新方法论、企业数字化转型新路径，其“表”是更好的研发制造，其“里”是更好的为人服务，如个性化定制、无人工厂、自动驾驶、常人做专家工作、人离开系统回路等，其“实质”是发展智能系统。

智能制造、工业互联网的落脚点：利人赋能；在为机器设备赋能的同时，必须为人赋能，人机协同，人机都更加智能。

智能制造、工业互联网智能出处：人智为源；与智能制造系统一样，智能制造、工业互联网也是智能化系统，其智能来源于人。

智能制造、工业互联网理想目标：人类大同；*发展目标是共建全人类的数字文明，打造人类命运共同体。

在为人服务、利人赋能、人智为源、人类大同的基础上，我综合对业界的长期观察和研究结论，提出了发展智能制造和工业互联网的四个智能范式。

从2015年开始，走向智能研究院9位创始研究员开始撰写“走向智能丛书”第一本书，其名为《三体智能革命》，对形形色色、大大小小的各种智能系统现象进行了横向比较、打通研究，我们对智能的学术观点是“三体皆有智能”：

以人为代表的生物体有智能；电脑里的“软件虚体”有智能；物理实体也有智能。三种“体”交汇融合，发展出来丰富多彩的人造智能系统。

人造智能是人造系统所具有的一种模仿、拓展和超越人类智能的能力。

模仿——人造系统具有某种类似人的智能；

拓展——不仅具有人的某种智能，甚至拓展为兼具其他生物智能；

超越——超越人的智能，成为超级智人，或其他形式的高阶智慧体；

工业智能、人工智能、认知计算、人造大脑等，都是人造智能的子集。

在《三体智能革命》书中，我们提出了“三体智能模型”，倡导以人为本来进行工业转型升级的思考。

在书中，提出了一种全新的世界观：即在宏观上，把世界分为三个“体”来进行研究：

物理实体：机器/设备/产品/材料等实体类人造系统；

意识人体：人体，人脑，人智，对“人”重新认识；

数字虚体：软件/网络/电脑中以比特构建的数字体。

也提出了一种全新的方法论：三体交汇形成智能系统（智能体）。各种形式人造系统向智能系统演进过程中，人智起着决定性作用。

意识人体本意是人的意识体，思考体，智力体。不宜把“人”理解为笼统抽象的“人（H）”，应将“人”细分为人体、人脑、人智，因为：

第一次、第二次工业革命以更高效的动力系统解放了人体，第三次工业革命以电脑解放了人脑，第四次工业革命将以赛博物理系统CPS解放人智。必须清晰理解工业革命成因。

在2018年写的《机·智：从数字化车间到智能制造》书名，明确提出“机·智”（即机器所具有的智能的简称）这个概念。在《机·智》书中第7章第三节（P170），指出：

而到了第四阶段，会出现大规模的“劳动力转型”，即人体、人脑离开系统回路，基于“人智”的数字化劳动力（智能机器）大规模登场，真正实现机器换人，以泛在联接、自主自治的智能机器来拉动经济的彻底转型。

在《机·智》前言写到：如果说《三体智能革命》是站在社会的宏观视角，以各行各业智能系统演进的大视野对智能理论进行了深入研究和比较宏观的论述，那么本书则是站在企业微观视角，把三体智能模型中的基本逻辑用于对智能制造的深入研究。我们的理解是，正是因为数字虚体与其他两体的交汇与融合，才让机器有了智能，才有了今天的智能制造。

在2020年撰写的《铸魂：软件定义制造》明确提出了：“人智”转“机智”，作为一种发展智能制造和工业互联网的智能范式。我们作者在前言中写到：

作者梳理了以智能制造为主攻方向的新工业革命内涵，总结了其五个基本特征：

第一个基本特征就是“人智”转“机智”——人类知识不断进入软件，知识载体由以碳基知识为主转向以硅基知识为主，数字生产力激增；

在《铸魂》数字化第一章第四节详细解读了该智能范式的构建方法（P45）：通俗地说，所谓智能制造就是一个“人智变机智”的过程——即把人的智能（简称“人智”）以显性知识的形式提炼出来，进行模型化、算法化处理，再把各种模型化（机理模型、数据分析模型等）的知识嵌入软件，软件嵌入芯片，芯片嵌入某个数字装置/模块，再把该数字装置/模块嵌入到物理设备中，由此而赋予机器一定的自主能力，让机器具有一定程度的“智能”（简称“机智”），我们将这个过程称之为“赋能”。

在今年年底，由我和朱铎先、刘俊艳合著，即将在机械工业出版社出版的新书《人本：从工业互联网到数字文明》中，最终以第八章整整一章的形式，确定了四个智能范式。详细阐述了四个智能范式的内涵、由来和应用案例：

第一范式：“人智”转“机智” ——打好基础；

第二范式：“机智”群自治 ——量变引起质变；

第三范式：“机智”哺“人智” ——回馈智源；

第四范式：双智融新智（双智共融惠人） ——融合发展。

上述四个智能范式已在工业和科技领域的实际应用中逐渐形成，有序发展，为新工业革命的顺利开展打下了良好的范式基础。

四个智能范式，由我本人在2021年沈阳工业互联网大会*论坛上*讲演提出，并以专题文章发表在2022年《金属加工》杂志的智能制造特刊上。

下面，我首先介绍第一范式：“人智”转“机智”。

所谓“人智”转“机智”，是指：从人脑中提炼出来的知识、模型和算法，是人的智力（简称“人智”）的表达，写入软件形成数字虚体，转为机器的智能（简称“机智”），“机智”爆发，形成强大的数字生产力。

智能制造：本质上是由“软件定义”形成的数据自动流动、知识智能流动，优化配置企业资源的一种*、新型的制造模式。

如右图所示：从常理和表面上来理解，赛博物理系统CPS是一种典型的两体相互作用，但是实际上，由于经过优化筛选的显性知识不断积累，“人智”不断以知识的形式转化到人造系统中形成“机智”，经过日积月累，“机智”逐年增多，日益增多，其结果是人脑逐渐从系统回路中撤出，最终不在系统回路中出现，但是“人智”仍然以软件的形式驻留在人造系统中，一直在系统回路中作为知识引擎来驱动智能系统（如智能制造）的实现。

物理世界不断运行，并且进行着如下的循环迭代：运行规律化，规律模型化，模型算法化，算法代码化，代码软件化，软件定义化，经软件定义，不断迭代、优化物理世界的运行。这就是“人智”转“机智”所能起到的巨大作用。

“人智”转“机智”的另一层意思是：从左边图中的人脑神经元网络，到右边图中复杂的工业设备终端网络，右上图是特斯拉汽车的网络拓扑结构，右下图是一个工厂中的工业终端的布线与联接图，左右两类图，是完全不同的系统，但是其系统共性是：

系统进化需要联接，因联接而日趋智能，因联接而改变系统组织结构，通过联接越来越多的结点，让结点之间流动更多的信息和知识，并由此而获得越来越多的信息和知识，进行更好的预测和决策，管控越来越大的范围，解决越来越复杂的问题。

“人智”转“机智”的基本原理是，“机智”以工业软件的形式，同时赋能人和机器。如图所示。

通俗地说，所谓智能制造就是一个“人智变机智”的过程——即把人的智能（简称“人智”）以显性知识的形式提炼出来，进行模型化、算法化处理，再把各种模型化（如机理模型、数据分析模型等）的知识嵌入软件，软件嵌入芯片，芯片嵌入某个数字装置/模块，再把该数字装置/模块嵌入到物理设备中，由此而赋予机器一定的自主能力，让机器具有一定程度的“智能” ，我们将这个过程称之为“赋能”。

如此，机器在软件支撑下具有了一定的人类思考能力，当软件算法越好，芯片算力越强，工业数据越多，“机智”程度就越高。于是，当“机智”达到一定程度后，就具备了部分或完全替代人体/人脑的功能。当人体/人脑离开了工作场景的系统回路后，机器在无人参与的情况下，仍然可以像人在现场时一样自主工作，甚至还可以工作得更好，较好地优化了企业制造资源的配置。

在上图中，工业软件处于“C位”，是两个闭环的交汇点。在对机器赋能过程中，实现了“状态感知，实时分析，自主决策，*执行“的闭环；

在对人的赋能过程中，实现了“认识提升，化入软件，应用交互，全新感悟”的闭环。

第二范式是：“机智”群自治。

赛博物理系统CPS相当于是一种智能系统。在工信部发布的2017版《CPS白皮书》中，对CPS的尺度和形态进行了定义，分为：单元级CPS，系统级CPS，系统之系统（即SoS）级CPS。实际上这张图指出：智能产品的发展，是从单元级CPS智能机器，发展到智能机器群网络。

单元级CPS通常指设备中可联网（具有通信能力）的装置、系统中的子系统等；系统级CPS通常指可联网的一套设备或机器，具有多个单元级“终端”，可以形成设备物联网；SoS级CPS基本上已经具备了一个工业物联网的技术特征，既有多个系统级“终端”，也有多个单元级“终端”，CPS智能服务平台就是工业互联网平台。

对于机器群自治的形成过程，在国外也有相应研究，这是我根据KUKA公司题为“（工业4.0中的人机交互联接，Interaction of Human & Machine in Connection with Industry 4.0”的报告内容所绘制的演变过程图：

早期的社交、消费互联网实现了人与人系统（H2H）的联接；

在工厂的工控设备中实现了人与机协同（H2M）的联接；

后来在2002年，大众公司提出了“机与机协同（M2M）“，即Machine 2 Machine，机器引导机器的概念；

最终要实现的是一种人与人、人与机、机与机的工业互联网生态系统的联接。

其中，Machine 2 Machine，机器引导机器，即形成了智能的第二范式：“机智”群自治。

第二范式目前已经以多种形式、多种场景予以实现，例如，黑灯工厂，无人车间，都是在企业边界内部实现生产设备的“机智”群自治的典型例子；

而跳出企业边界，在已经交付使用的产品中，自动跟驰车队，是由一个有人驾驶的卡车，*2-3辆无人驾驶卡车，保持合适的间距和速度，进行跟驰驾驶。这样可以节省两个卡车司机的岗位。未来，进一步的改进是，头车也变成无人驾驶汽车。

类似地，飞机也实现了“机智”群自治，现在已经可以做到有人机（J20）引导几架无人机（攻击-11）进行协同飞行和作战。

当所有的无人机都在技术上进化到智能无人机时，当每架智能无人机的成本大大下降时，智能无人机群的整体作战能力将会有飞跃式的提升，因为这种智能无人机群不存在中心控制，完全是对等的分布式控制，可以利用复杂系统的“涌现”的场景，来随时自主指定任何一架智能无人机来担任整个无人机群指挥者，不必担心因为某个指挥者损失后整个机群陷入“群龙无首”的窘境，由此而极大地提高了机群的鲁棒性（抗打击韧性和可持续作战能力），形成强大的群体智能。

以无人施工现场为例，当诸如挖掘机、装载机、压路机、铺布机、泵车等移动作业的工程机械具有较高“机智”水平时，每台工程机械上的驾驶员或操作员将会离开操作工程机械的“系统回路”，工程机械将会以智能模式自主工作。设想在一个类似于雄安建设、机场建设、或者防疫医院（如火神山/雷神山医院）建设等面积超大的施工现场，可能会有数百或上千台无人驾驶的智能工程机械参与施工建设，来自不同生产商的可移动作业的工程机械之间，包括车与车之间、车与路之间，车与场地之间，都需要相互识别、通信和保持协同，按照预先指定的作业运行规则彼此推理、判断、谦让或规避，以求获得最高的系统整体运行效率和最佳施工质量。

因此，所有工程机械基于工业互联网的互联互通是最起码的前提条件，保持实时的“状态感知、实时分析、自主决策、*执行”是最基本的操作模式，而彼此认知、数据共享、相互协同、最大程度地减少和消除各种失误、障碍和低效，是考验整体系统的重要指标。

第三范式是：“机智”哺“人智”。

古代、近代数理化大师和先贤们的知识创造与贡献，是“人智”中的精华，是那些*的数学公式、物理公式、化学方程式、机理模型的*，当我们把他们创造的这些科学知识，与工业的专业知识、领域知识融合在一起，并汇聚到工业软件中时，就形成了强大的数字化知识体系。

海量工业技术、知识汇聚在工业软件中，工业软件就变成了工业的工具箱、知识容器、思想宝库，以“知识容器”的形式，承载了人类海量知识，形成了“集智应用”，即如前所述，当你使用工业软件时，那些古代、近代数理化大师和先贤们所创造的物理知识、化学知识、数学知识、各种专业技术知识等，都会由你来任意调用，召之即来，如前图所示，那些伟大的先贤们、大师们，就站在你的身后，集中所有前人的智慧，为你所用。

今天，我们处于两个百年的历史交汇期。我们面临着百年未有之工业大变局。工业软件从未如此受人重视，被人关注。

无论是在赛博空间，还是在物理空间，还是在赛博物理交汇的数物融合新空间，工业软件都在不断汇聚着“人智”，生成着“机智”，不断以人为本，利人赋能，不断创造着新的价值。

“机智”哺“人智”有很多的应用场景，例如，利用软件辅助人思考决策，甚至直接让软件采用智能算法，代替人脑来自主决策；

智能穿戴外骨骼设备，辅助人来做各种反复提升、比较费力、可能对人体有害的工艺动作；

智能装置让人成为专业高手，例如智能篮板可以保证，无论以什么角度和力度投篮，只要能把球砸到篮板上，就能进篮筐，确保100%的投中率。

有人监管自主驾驶汽车，已经使用了好几年了，极大地降低了人的驾驶操作的劳动强度。

人车路协同V2X的激光空间感知定位，可以让车辆自动识别空间场景，代替人对下一步的驾驶意图做出智能判断。

利用AR设备，辅助装配防呆防错，或者进行产品装配与维修培训等。

第四范式是：双智融新智。

在前三个智能范式的基础上，人与机，机与机，机与人，以及这三种相互作用关系映射在数字空间中的数字孪生体，也在彼此相互作用。“人智”和“机智”融合成为一种更高水平的综合智能。

例如，库卡的协作机器人与协作机器人合作，自动装配库卡的高精度七轴机器人，由于比人的装配操作更加*和规范，减少了质量波动。

再例如，与人协作机器人可以感知人的存在和距离，无需像常规车间中的工业机器人一样，圈在栅栏内，它可以与人保持良好的写作，绝不会因其不协调动作而打伤人，可以很好地与制造现场的人员进行协作。

另一个双智融合的例子是，*“天才少年”稚晖君自制的具有“同步现实”功能的机械臂。在他研制的系统中，相当于开发了一个能够综合实现意识人体（即人手臂）、数字虚体（即数字机械臂）、物理实体（即实体机械臂）三体协同的、实现“同步现实”的智能机械臂。详细的实现过程是：

人的动作受到人的意识支配而自然形成人的肢体动作，每个动作都可以按照人因工程学来进行合理分解；

传感器双目相机或3D体感相机可以*地感知人手臂动作，判断人的动作意图，并且在数字空间建立人的手臂和人手握持物的数字虚体（如最上图）；

在数字空间建立人手臂的数字孪生体，实现对人手臂动作的数字复现，甚至优化动作；

用数字孪生体的动作数据驱动物理实体机械臂，形成对人手臂的完全同步操作。大家可以看到，物理实体机械臂、它的数字孪生体、人的手臂之间，保持着完全同步的动作。

这样，这款“同步现实”的机械手，就可以由医生远程操控某种手术器械，为身在异地的病人做手术了。稚晖君亲自尝试了操控用机械手穿针引线，缝好了一颗破损的葡萄皮。

双智融合，无论是“人智”还是“机智”，无论是分立还是共融，其目的都是以人为本，利人赋能，为人服务。面对老龄化日益严重的社会现实，日本提出了“社会5.0”战略：

核心思想是，以人为本，具体举措是让人与界面友好、善解人意的服务机器人共生共融，细分需求，定制服务，改善生活品质，预测潜在需求，消除由于地区、年龄等造成的服务差异。

技术路线是，让不同领域的独立系统联网并协调工作，以“群智”方式提高自律化和自动化程度。

“人智”“机智”共融，一切以人为本，前面三种范式综合起来，形成以人为本、利人赋能、双智融合的智能解决方案。

如我在本讲座开篇所言，工业转型升级，必须以人文本。

在前些年学习德国人的“工业4.0”的过程中，我就发现，其中并没有涉及到对人的联接与赋能，以人为本是强调不够的。果然，在2021年，欧盟发布了“工业5.0”，欧洲开始为工业4.0补课，开始着重强调以人为本了。

在“工业5.0”的文件中提到：工业5.0的概念也可以被描述为重新引入“以人为本/以价值为中心的工业4.0”的缺失维度。…工业5.0的核心技术与工业4.0基本一致，而更加注重以人为中心的技术构成了工业5.0的基础。

不应将工业5.0理解为更换品或替代品，而是现有工业4.0范式的演变和逻辑延续。因此，工业5.0的概念不是基于技术，而是以价值为中心，例如以人为本、生态或社会效益。

工业5.0的以下特点得到了特别强调：将人类和技术技能和优势结合起来，使工业和工业人互惠互利，不是技术取代人，而是与人互补。这使得工作环境更安全、更令人满意、更符合人体工程学，在这种环境中，人类可以利用自己的创造力解决问题，扮演新角色，提高技术技能。

四个智能范式，在演变发展上，是有规律可循的。

这张图展示了四个智能范式的发展演变过程。横轴表示的是范式演进过程，纵轴表示的是智能水平。

四个智能范式，既在工业互联网、智能制造实践中长期共存，又按照范式顺序次第演进，每一个智能范式都在前一个范式基础上成长提升，向上进阶，在智能水平上，也从初级智能、中级智能，发展到*智能、融合智能，形成了一个完整的智能范式发展序列。

第一智能范式，“人智”转“机智”是最初的智能范式，已经持续了几十年；

第二智能范式，进入新世纪后，智能机器互联群体越来越庞大，越来越自主和自治；

第三智能范式，“机智”达到一定程度后开始反哺人类，利人赋能；

第四智能范式，未来“人智”和“机智”融为一体，形成高度智能、高度发达的数字工业乃至工业元宇宙，推动中国乃至全球数字经济的发展，繁荣人类的数字文明。

下面，我对今天讲到的内容做一个小结：

第一范式：“人智”转“机智”——将人的“碳基知识”转为 “硅基”知识，通过赛博物理系统CPS的形式赋能机器，让物理实体机器变成智能机器。

第二范式：“机智”群自治——智能机器联接更多智能机器，组建智能机器网络，机器引导机器，机器驱动机器，形成机器群智。

第三范式：“机智”哺“人智”——让汇聚了前人海量知识与智慧的智能机器，补充个体人的智力水平差异，形成智能机器对人的智力反哺，让常人甚至技术弱者成为研发与生产高手。

第四范式：双智融新智——人机融合智能，真正做到以人为本，利人赋能，共建数字文明。

四个范式，次第发展，有序演进，形成发展工业转型升级的新格局，已经切实存在于工业现场和企业实践中，只不过是由我进行了提炼和整理，呈现给大家。

遵循四个基本范式，智能制造、工业互联网必将不断创新发展，行稳致远。

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赵敏

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