王柏村，易 兵，劉振宇，周 源，周艷紅

(1.浙江大學 機械工程學院，浙江 杭州 310027；2.中國工程院 戰(zhàn)略咨詢中心，北京 100088；3.密西根大學 機械工程系，美國 安娜堡 48109；4.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075；5.浙江大學 計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室，浙江 杭州 310058；6.清華大學 公共管理學院，北京 100084；7.華中科技大學 生命科學與技術學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

面對新一輪工業(yè)革命，世界各國尤其是發(fā)達國家都在積極采取行動，以確保本國在未來工業(yè)/制造業(yè)競爭中的領先地位。分析這些國家的工業(yè)/制造業(yè)戰(zhàn)略計劃，至少可總結出兩個共同點：①多數(shù)國家將發(fā)展智能制造作為構建未來制造業(yè)競爭優(yōu)勢的關鍵舉措；②多數(shù)國家結合本國國情提出了認識人類社會特別是工業(yè)/制造業(yè)演進發(fā)展和代際劃分的獨特視角，并作為推進本國戰(zhàn)略計劃的理論基礎(如德國、日本、韓國等)?？v觀不同國家或?qū)W者對工業(yè)/制造業(yè)演進發(fā)展代際劃分的方式，其主要視角可概括為“二—三—四—五”：

(1)“二”代表Erik和McAfee提出的第二次機器革命(The Second Machine Age)[1]：以蒸汽機、內(nèi)燃機以及電力為代表的工業(yè)革命屬于第一次機器革命；計算機、軟件、大數(shù)據(jù)、機器智能等則屬于第二次機器革命的范疇。

(2)“三”代表美國GE公司提出的三次浪潮(Three Waves)[2]：第一次浪潮——工業(yè)革命，第二次浪潮——互聯(lián)網(wǎng)革命，第三次浪潮——工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

(3)“四”代表德國提出的工業(yè)4.0(Industry 4.0)[3]：前三次工業(yè)革命的主要特征分別是機械化、電氣化、信息化；第四次工業(yè)革命(工業(yè)4.0)將推動制造業(yè)向智能化和服務化轉(zhuǎn)型。

(4)“五”代表日本提出的社會5.0(Society 5.0)[4]：5次社會革命分別是狩獵社會、農(nóng)業(yè)社會、工業(yè)社會、信息社會以及現(xiàn)在超智能社會(社會5.0)。

近年來，我國高度重視智能制造的發(fā)展，例如：“制造強國”戰(zhàn)略明確提出以推進智能制造為主攻方向[5]；《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出智能制造是重要的應用方向[6]。與此同時，無論是“兩次機器革命”、“三次浪潮”、“四次工業(yè)革命”、或“五個社會階段”，由于國情和發(fā)展階段不同，以及要解決的主要問題不同，這些演進發(fā)展和代際劃分的方式并不完全適合我國國情。要深入理解智能制造、推動智能制造持續(xù)健康快速發(fā)展，必須結合時代發(fā)展趨勢，提出適合中國國情的智能制造范式演進視角，進而研判智能制造的未來發(fā)展方向、提前謀劃，加快推進中國制造的智能轉(zhuǎn)型。

綜上，本文將秉承中國特色的“兩化融合”以及“以人為本”思想，分析人—信息—物理系統(tǒng)(Human-Cyber-Physical System, HCPS)的內(nèi)涵與系統(tǒng)組成；基于HCPS視角分析智能制造的發(fā)展演進、技術體系及技術特征；綜述HCPS視角下智能制造的研究進展；最后基于HCPS視角提出我國智能制造發(fā)展的若干建議。

1 人—信息—物理系統(tǒng)(HCPS)的內(nèi)涵與系統(tǒng)組成

從系統(tǒng)構成看，HCPS是以人為中心、由人—物理系統(tǒng)(Human-Physical System, HPS)進化而來(如圖1)，是由人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)有機集成的綜合智能系統(tǒng)，包括HPS、人—信息系統(tǒng)(Human-Cyber System, HCS)、信息—物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System, CPS)等子系統(tǒng)，是當代和未來世界有效解決形形色色問題的一種普適形態(tài)和觀念，覆蓋人類生產(chǎn)和生活的方方面面[7]，其具體組成要素如表1所示。其中，物理系統(tǒng)是主體，是制造活動能量流與物質(zhì)流的執(zhí)行者；信息系統(tǒng)是主導，是制造活動信息流的核心，輔助或者代替人類對物理系統(tǒng)進行感知、認知、分析決策與控制，使物理系統(tǒng)以最優(yōu)的方式運行；人是整個系統(tǒng)的主宰和關鍵，一方面人是物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的創(chuàng)造者，信息系統(tǒng)的“智能”是由人賦予的，另一方面人也是系統(tǒng)的使用者、運營者和管理者。因此，無論物理系統(tǒng)還是信息系統(tǒng)，都是為人類服務的，例如：相比于傳統(tǒng)HPS中人對機械系統(tǒng)的直接作用，在HCPS中，部分勞動者從枯燥、繁瑣的體力勞動中解脫出來，物理系統(tǒng)(機械)可更好、更快地完成大量機械工作(即機械自動化)，同時信息系統(tǒng)也有效提高了腦力勞動的自動化水平(即知識自動化)，解放了人類的部分腦力勞動。

表1 人—信息—物理系統(tǒng)(HCPS)的組成要素

在HCPS中，人、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)三者之間交互融合，先后形成了3個子系統(tǒng)，即HPS、HCS和CPS。

由人類和簡易物理工具/裝置共同組成的生產(chǎn)生活系統(tǒng)稱作人—物理系統(tǒng)(HPS)。HPS發(fā)展的實質(zhì)是人類不斷在物理系統(tǒng)(動力系統(tǒng)、機械結構等)創(chuàng)新和應用，使得機器(物理系統(tǒng))進一步代替人類完成更多的體力勞動。HPS發(fā)展的時間跨度包含了第一次和第二次工業(yè)革命，涉及生產(chǎn)力的發(fā)展、生產(chǎn)方式的進步、勞動組織形式的改變、社會結構的變革等多個方面。HPS的發(fā)展逐步提高了生產(chǎn)生活系統(tǒng)的性能和效率，在一定程度上擴展了人類生產(chǎn)生活的物理邊界。但在HPS中，需要人與機器發(fā)生物理接觸，直接操作控制去完成各種工作任務，并要求人利用眼睛、耳朵、四肢及大腦去完成多方面的任務，人類需要不斷優(yōu)化機器的外形、尺寸、操縱力等工具性因素，以及振動、噪聲、溫度、濕度等環(huán)境因素，以更適合人的身心特點。另外，由于人類的一些先天特性(如操作失誤、疲勞、遺忘、傷病等)，使HPS在處理復雜工作任務、信息交流與傳播、經(jīng)驗固化與傳承等方面存在著不足和挑戰(zhàn)。

在早期的HPS中，信息主要來源于書籍、書面交流、當面交談等方式。隨著現(xiàn)代信息技術的出現(xiàn)，人類與信息系統(tǒng)的交互形成了HCS[8]。從此，人類的信息獲取、儲存、加工和傳播發(fā)生了革命性變化。人機交互(Human-Computer Interaction，HCI)可認為是HCS的早期形態(tài)，其中，計算機語言(程序設計語言)是人與信息系統(tǒng)(比如計算機)之間通信交互的基本語言。之后，高級程序語言的出現(xiàn)使得軟件產(chǎn)業(yè)開始萌芽。軟件是HCS發(fā)展的另一種重要體現(xiàn)和反映，是人類與信息系統(tǒng)對接的一種常見方式。HCS的出現(xiàn)使得信息系統(tǒng)可以遷移/復制人類的經(jīng)驗知識和部分的腦力智慧，從而建立新的數(shù)字世界。此后，互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)、社交網(wǎng)絡等的發(fā)展徹底改變了人類的生活和生產(chǎn)方式。根據(jù)美國自然科學基金委的描述[9]，如今HCS的范疇已擴展到開源(Open Source)、增強現(xiàn)實(AR)、混合現(xiàn)實(MR)、社會計算(Social Computing)等領域。同時，隨著人因工程學(人類工效學)的發(fā)展進步，HCS成為人的因素、組織管理和文化因素等研究領域重要的理念和工具。

借助計算機、通信、控制、網(wǎng)絡等技術[10-11]對人造物理系統(tǒng)進行控制，形成的嵌入式系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和智能體系統(tǒng)，可以認為是早期形態(tài)的CPS[12]，但其交互范圍和使用價值有限。近年來，伴隨著信息通信技術的飛速發(fā)展，CPS的范疇迅速擴展，多個國家和部門都嘗試對CPS作出詳細描述，學術界與工業(yè)界等也高度重視CPS的研究和應用推廣，CPS開始進入發(fā)展成熟期[13-14]?？傮w來看，CPS的本質(zhì)就是構建一套信息空間(或稱為賽博空間)與物理空間之間的基于數(shù)據(jù)自動流動的閉環(huán)智能系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡化空間實時、安全、可靠地操控物理實體，以解決多維復雜系統(tǒng)中的復雜性和不確定性問題，從而提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化，具體包括狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準控制等多個層次[15]。CPS是HCPS非常重要的組成部分，賦予人類與自然界(包括機器)一種新關系，成為當前HCPS領域的一個研究熱點。

總之，HCPS涉及機械科學、信息科學、計算機科學、能源科學、材料科學、生命科學、思維科學、社會科學等基礎學科，是多學科交叉融合的產(chǎn)物，其應用覆蓋多個領域，如制造業(yè)、交通、能源、環(huán)境、醫(yī)療、健康、農(nóng)業(yè)等。本文主要聚焦HCPS在制造業(yè)的應用實踐，即智能制造。

2 HCPS視角下的智能制造

2.1 智能制造的發(fā)展演進

HCPS的發(fā)展過程實質(zhì)也是信息技術不斷發(fā)展的過程，即從數(shù)字化(HCPS 1.0)、網(wǎng)絡化(HCPS 1.5)走向智能化(HCPS 2.0)[7]。為了更好地服務于制造業(yè)的智能轉(zhuǎn)型、優(yōu)化升級，在深刻分析各種制造模式/范式的基礎上，周濟等[7,16-19]基于HCPS理論歸納提出了智能制造的3個基本范式：數(shù)字化制造(對應HCPS 1.0)、數(shù)字化網(wǎng)絡化制造或“互聯(lián)網(wǎng)+制造”(對應HCPS 1.5)、新一代智能制造(對應HCPS 2.0)，如表2所示。當前，以新一代人工智能為主要特征的新一代信息技術正在開創(chuàng)智能制造創(chuàng)新發(fā)展的新階段(新一代智能制造)。20世紀80年代以來，我國企業(yè)逐步推進應用數(shù)字化制造，取得了巨大進步，各地大力推進“數(shù)控一代產(chǎn)品創(chuàng)新”和“數(shù)字化改造”，一大批數(shù)字化生產(chǎn)線、數(shù)字化車間、數(shù)字化工廠建立起來，眾多企業(yè)完成了數(shù)字化制造升級。進入20世紀以來，我國工業(yè)界抓住互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的機遇，大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，數(shù)字化網(wǎng)絡化水平大大提高。一批數(shù)字化制造基礎較好的企業(yè)成功轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡化制造；大量原來還未完成數(shù)字化制造的企業(yè)，采用并行推進數(shù)字化和網(wǎng)絡化的技術路線，完成了數(shù)字化制造的“補課”，同時跨越到了互聯(lián)網(wǎng)+制造的階段，實現(xiàn)了企業(yè)優(yōu)化升級。從研究層面來看，新一代智能制造的相關技術包括物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、CPS、智能機器人、云計算、大數(shù)據(jù)分析、深度學習等，這些技術可以從感知、模擬仿真、控制、分析決策等層面提高制造系統(tǒng)的相關性能。但考慮到這些技術的規(guī)?；瘧媚壳斑€不成熟，我國制造業(yè)當前的工作重點要放在大規(guī)模推廣和應用“互聯(lián)網(wǎng)+制造”上，同時，在這個過程中，要重視新一代智能制造技術的研究和融合應用。

表2 HCPS與智能制造的基本范式

2.2 新一代智能制造的技術特征

基于HCPS視角，新一代智能制造的三層參考架構如圖2a所示，包含單元級智能制造、系統(tǒng)級智能制造和系統(tǒng)之系統(tǒng)級智能制造3個層次。其中，單元級智能制造的技術體系如圖2b所示，主要包括制造領域技術(如切削加工、鑄造、焊接、增材制造等)、機器智能技術(如自主認知、自主決策等)和人機協(xié)同技術(如人機交互、協(xié)同認知、協(xié)同控制等)等3方面。在單元級智能制造的基礎上，通過工業(yè)網(wǎng)絡集成、智能生產(chǎn)調(diào)度、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、工業(yè)大數(shù)據(jù)及云平臺等技術，可構建系統(tǒng)級或系統(tǒng)之系統(tǒng)級智能制造(如智能車間、智能產(chǎn)線、智能工廠等)，從而實現(xiàn)制造資源大范圍優(yōu)化配置等目標[7,20-25]。

綜合分析智能制造的發(fā)展演進及其技術體系，可總結出：新一代智能制造本質(zhì)是“新一代人工智能+互聯(lián)網(wǎng)+數(shù)字化制造”，其特征至少包括以下幾個方面：

(1)AI 2.0的突破與運用 AI 2.0將使得HCPS發(fā)生質(zhì)的變化，形成新一代人—信息—物理系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)智能、多媒體智能和人機混合增強智能等技術的發(fā)展，推動人與信息系統(tǒng)的關系發(fā)生根本性變化，即從“授之以魚”發(fā)展到“授之以漁”[26-29]。具體在新一代智能制造中，由于信息系統(tǒng)開始具有深度學習和自主認知的能力，人類可以將更多的腦力勞動或知識型工作交給信息系統(tǒng)完成，從而有更多精力去思考和從事更具想象力和創(chuàng)造力的工作，這一變化將貫穿設計、生產(chǎn)、管理、服務、運維等各個制造環(huán)節(jié)及其系統(tǒng)集成。隨著深度強化學習等研究的不斷深入，人類將有望接近“解決智能，并用智能解決一切”的目標[30]。

(2)產(chǎn)業(yè)鏈集成與優(yōu)化 在傳感器、工業(yè)網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術的共同作用下，新一代智能制造不僅涵蓋產(chǎn)品設計、生產(chǎn)制造、物流、售后等多個環(huán)節(jié)，還涉及到能源、材料、信息、金融等多個產(chǎn)業(yè)鏈的集成與優(yōu)化：企業(yè)內(nèi)部研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務、管理等過程實現(xiàn)動態(tài)集成；基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能云平臺，企業(yè)與企業(yè)間實現(xiàn)共享和協(xié)作；制造業(yè)與上下游產(chǎn)業(yè)的互動與協(xié)作將形成服務型制造業(yè)和生產(chǎn)性服務業(yè)共同發(fā)展的新業(yè)態(tài)。

(3)復雜系統(tǒng)建模與分析 有效建立制造系統(tǒng)不同層次的模型是實現(xiàn)復雜制造系統(tǒng)精準分析、優(yōu)化決策與智能控制的基礎。數(shù)理建模方法可以揭示物理世界的客觀規(guī)律，但卻難以精準分析解決制造系統(tǒng)中不確定性與復雜性問題，而大數(shù)據(jù)智能建模可以在一定程度上解決制造系統(tǒng)的不確定性和復雜性問題。理論上，新一代智能制造通過深度融合數(shù)理建模與大數(shù)據(jù)智能建模所形成的混合建模方法，將推動復雜系統(tǒng)分析方法從“強調(diào)因果關系”的模式向“強調(diào)關聯(lián)關系”的創(chuàng)新模式轉(zhuǎn)變，進而向“關聯(lián)關系”和“因果關系”深度融合的先進模式發(fā)展，從根本上提高復雜制造系統(tǒng)建模和分析的能力。

(4)制造與社會深度融合 新一代智能制造充分考慮人的因素和人類需求，以顧客、用戶和員工為中心，將促進人與人之間、人與機器之間、機器與社會之間的溝通和知識的流通，推動形成“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的良好生態(tài)。例如：終端用戶可以直接參與到產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)和服務活動中，增強用戶體驗和滿意度。同時，新一代智能制造將制造業(yè)的發(fā)展與生態(tài)環(huán)境和社會福祉融合在一起，綜合考慮經(jīng)濟、資源、環(huán)境、社會等因素并持續(xù)優(yōu)化[31-32]。

“新一代智能制造”還處于起步階段，其定義、內(nèi)涵及特征將不斷的擴展?！靶乱淮悄苤圃臁辈⒉恢改硞€單一的制造模式/范式，在其發(fā)展進程中會相伴出現(xiàn)大量的制造新模式、新業(yè)態(tài)，如共享制造、可持續(xù)制造、智慧制造等[33-35]。

3 相關研究進展

新一代智能制造是新一代人工智能與先進制造技術深度融合的產(chǎn)物，同時還可延伸到其他領域(能源、交通、醫(yī)療、社會等)。本節(jié)從新一代人工智能、新一代智能制造、智能制造與其他系統(tǒng)集成融合等角度綜述HCPS視角下新一代智能制造的研究進展。

3.1 新一代人工智能研究進展

智能科學主要涵蓋自然智能和人工智能兩個領域。人工智能是智能科學的一個分支，其歷史可以追溯到20世紀40年代初[36]。新世紀以來，特別是近10年來，移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術極其迅速的普及應用，使得人類社會—信息空間—物理空間三元系統(tǒng)加速融合形成更加先進的HCPS，引發(fā)一場革命。HCPS三元系統(tǒng)的技術融合和集成創(chuàng)新，使大數(shù)據(jù)真正走向大知識，推動人類認知和控制能力的變化。這些歷史性的技術進步和巨變，使得新一代人工智能(AI 2.0)應運而生，并呈現(xiàn)出深度學習、人機協(xié)同等新特征[26]。目前，新一代人工智能主要體現(xiàn)在5個方面：大數(shù)據(jù)智能、群體智能、跨媒體智能、混合增強智能以及自主無人系統(tǒng)。其中，大數(shù)據(jù)智能、跨媒體智能、自主智能系統(tǒng)及類腦智能等[28,37]主要通過信息系統(tǒng)(cyber system)的技術創(chuàng)新來不斷提高機器智能的水平。大數(shù)據(jù)智能是指數(shù)據(jù)驅(qū)動和知識引導相結合的智能；跨媒體智能指從分類型處理多媒體數(shù)據(jù)(如視覺、聽覺、文字等)邁向跨媒體認知、學習和推理的新水平智能；自主智能系統(tǒng)將研究的理念從機器人轉(zhuǎn)向自主協(xié)同控制與優(yōu)化決策智能系統(tǒng)[38]。此類系統(tǒng)中，人類是系統(tǒng)的設計者，雖不直接參與系統(tǒng)的實時運行與控制，但仍然保留對系統(tǒng)運維、創(chuàng)新和優(yōu)化的權限?；旌显鰪娭悄芎腿后w智能[27,29]是通過人與信息系統(tǒng)的協(xié)同創(chuàng)新，充分發(fā)揮人類智能與機器智能的各自優(yōu)勢，達到“1+1>2”的效果?；旌显鰪娭悄苤饕芯咳嗽诳刂苹芈返闹悄?、腦機協(xié)同及人機群組協(xié)同等內(nèi)容；群體智能主要包括群體智能結構理論、群體智能激勵機制、群體智能學習等理論和方法[38]。此類系統(tǒng)中，人類不僅是系統(tǒng)的設計者和管理者，還實時參與運行、控制與優(yōu)化。

AI 2.0正在快速促進人工智能在各行業(yè)的融合創(chuàng)新和規(guī)?；瘧?。例如，隨著人工智能從以符號智能為代表的傳統(tǒng)AI 發(fā)展到以大數(shù)據(jù)智能為代表的AI 2.0，智能制造也正在發(fā)生重大變化。傳統(tǒng)以專家系統(tǒng)為代表的智能制造逐漸發(fā)展到面向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化、服務化的新一代智能制造，從某種意義上來說，人工智能的發(fā)展將決定智能制造的走向[39-40]。

3.2 新一代智能制造研究進展

3.2.1 國內(nèi)研究進展

近年來，國內(nèi)學術界基于HCPS對新一代智能制造的定義內(nèi)涵和系統(tǒng)組成進行了探索性研究。中國工程院“新一代人工智能引領下的智能制造研究”課題組[15-16,41-42]認為新一代智能制造是一個基于HCPS的大系統(tǒng)，主要由智能產(chǎn)品與裝備[43]、智能生產(chǎn)[44-46]、智能新業(yè)態(tài)(如智能服務)[47]、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造云[48]等子系統(tǒng)集合而成，各個子系統(tǒng)都以自身先進技術為本，以HCPS作為理論基礎，深度融合AI 2.0等技術。從HCPS視角看，國內(nèi)相關研究進展主要包括人機物協(xié)同制造、社會制造、共融機器人、人機技能傳遞等方面。

(1)人機物協(xié)同制造/智慧制造 在分析制造業(yè)信息化需求的基礎上，姚錫凡等[49]融合云制造、制造物聯(lián)、和企業(yè)2.0等理念，將務聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、知識網(wǎng)和人際網(wǎng)集為一體，提出了人機物協(xié)同的制造模式——智慧制造。筆者認為，人是制造系統(tǒng)智慧的主要來源，只有結合人的經(jīng)驗、知識和智慧才能實現(xiàn)真正的智慧制造。

(2)社會制造/社群化制造 王飛躍[50]認為通過社會計算，社會制造可以使得傳統(tǒng)的企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛑鲃痈兄⑶翼憫脩舳ㄖ菩枨蟮闹悄芷髽I(yè)。在社會制造的環(huán)境中，消費者與企業(yè)通過網(wǎng)絡可以隨時隨地參加到生產(chǎn)流程中，從而有效地實現(xiàn)需求和供應之間的相互轉(zhuǎn)化;江平宇等[51]認為社群化制造模式的驅(qū)動力包括幾個方面：小微化、服務化的制造業(yè)環(huán)境；共享經(jīng)濟與社群經(jīng)濟環(huán)境；新興制造、信息、管理技術應用。社群化制造模式能夠解決制造業(yè)中大規(guī)模個性化的用戶需求以及多參與主體之間的復雜共享、協(xié)同與交互等問題，進而促進形成人人參與生產(chǎn)的制造業(yè)局面。

(3)共融機器人 丁漢[52]認為未來機器人有3個特征：機器人與環(huán)境的共融、機器人與人的協(xié)同、機器人與機器人之間的共融，進而自主適應復雜任務和動態(tài)環(huán)境，更加理解人類的需求和反應。共融機器人核心特征包括：柔順靈巧，能服從使用的指揮，也能適應復雜環(huán)境；動態(tài)感知，具有多模式傳感能力，能清晰認知廣義的行為環(huán)境；自主協(xié)同，既有個體行為智能性，又有群體智能協(xié)作功能。

(4)人機技能傳遞 人—機器人技能傳遞是指人將操作技能傳授給機械臂，從而使得機器人具備類人化作業(yè)能力，達到高效示教編程的目的。相對于傳統(tǒng)機器人編程，人機技能傳遞具有高效率、低成本、不依賴機器本體平臺等顯著優(yōu)點，是人—信息—機器人融合系統(tǒng)(Human-Cyber-Robot-Systems, HCRS)中重要環(huán)節(jié)之一。曾超等[53]認為HCRS是HCPS在機器人領域中的具體應用實踐，可以將人的優(yōu)勢(包括智慧性與靈巧性等)與機器人優(yōu)勢(包括高速率與高精度等)高效結合。

盡管國內(nèi)學者在HCPS視角下對智能制造開展了初步研究，但總體來看，相關概念和研究還處于起步階段，相關應用也處于嘗試探索階段。

3.2.2 國外研究動態(tài)

最近幾年，國際上對HCPS語義下的智能制造展開了探索性研究，涵蓋人—信息系統(tǒng)(HCS)、人在回路的信息—物理系統(tǒng)(Human-in-the-Loop Cyber-Physical System，HitL-CPS)、以人為中心(human-centered)的智能制造系統(tǒng)、人機協(xié)作(human-robot collaboration)、人機共生(human-automation symbiosis)、第四代操作工(Operator 4.0)、未來工作和未來工人(future work and future worker)等多個領域。

(1)人—信息系統(tǒng) KRUGH等[54]指出人是汽車制造業(yè)中的重要元素，但是目前大量熟練工人在工業(yè)4.0/CPS的實踐中僅僅被指定為“數(shù)據(jù)接收器”。基于“人—信息系統(tǒng)”重視在汽車裝配中完成大部分手工工作的工人，可使人類更安全、有效地完成工作，并支持手工操作任務的增強控制和質(zhì)量監(jiān)控?；诖?，作者提出了HCS和CPS的一個統(tǒng)一框架，用于指導智能制造系統(tǒng)的實施。

(2)人在回路的信息—物理系統(tǒng) SCHIRNER等[55]和NUNES等[56]認為多數(shù)CPS中仍然將人定義為不可預測的元素，并只將人放在控制回路的外部，但為了使這些系統(tǒng)更好地滿足人類需求，未來CPS將需要與人類建立更緊密的聯(lián)系，通過“人在回路”控制，將人的意圖、心理狀態(tài)、情緒、動作等考慮進來;SOWE等[57]研究了“人在回路”的HCPS與傳統(tǒng)CPS的不同，并建立了人員服務能力描述模型;MUNIR等[58]指出了“人在回路”語義下CPS面臨的挑戰(zhàn)：需要全面掌握“人在回路”控制的各種類型、導出人類行為模型的能力、如何將人類行為模型納入以往的反饋控制方法中。NUNES等[56,59]還討論了HitL-CPS中人的不同作用和角色以及“人在回路”控制需要具備的條件，并分析了HitL-CPS具體的應用案例，指出了其廣闊前景。

(3)以人為中心的智能制造系統(tǒng)[60-62]TRENTESUAX等[62]展示了“以技術為中心”設計方法的局限性，指出目前智能制造系統(tǒng)對于人的有效融合缺乏關注，且忽略了人類解決某些復雜問題的能力，認為在智能制造系統(tǒng)的早期設計階段需要定義好相關人員的角色，基于不同級別有關人員的能力和局限，提出了人與機器之間任務分配以及人機合作的原則，并可以根據(jù)系統(tǒng)情況選擇適當?shù)淖詣踊墑e;PACAUX-LEMOINE等[61]提出一種以人為本的方法來設計智能制造系統(tǒng)能。在此基礎上，設計了一個人工自組織系統(tǒng)(Architecture with Self-Organization, ASO)進行實驗，以及一個輔助系統(tǒng)來支持ASO和人類操作員之間的合作，實驗用于評估該系統(tǒng)在改善HCPS性能方面的效用，以及在人機工程學(Ergonomic)方面的可接受性，初步結果顯示該方法是有效的。

(4)第四代操作工及人機互動/人機協(xié)作 ROMERO等[63-64]在HCPS語義下提出了第四代操作工的概念并展望了其前景，認為其有助于實現(xiàn)社會化可持續(xù)制造和人機共生。同時，作者討論了人機共生的基本概念和使能技術(包括增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實、智能個人助手、協(xié)作機器人、社交網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)分析等);WANG等[65]從共存、合作、互動和協(xié)作四個層面梳理了人機關系，并描述了各自的定義和特征。在此基礎上，重點介紹了共生人機協(xié)作裝配的主要技術、未來發(fā)展方向及挑戰(zhàn)。

(5)未來工作和未來工人 美國國家自然科學基金委(National Science Facndation, NSF)在2016年啟動了10個大概念(Big Ideas)長期項目，“未來人—技術前沿的工作”(Future of Work at the Human-Technology Frontier，F(xiàn)W-HTF)項目是其中之一[66]。FW-HTF項目的目標是為了應對新工業(yè)革命可能帶來的風險，包括過度自動化造成失業(yè)、對教育資源的壓力、安全和隱私威脅、算法上的偏見、對技術的過度依賴、以及對人類技能的侵蝕等，其愿景是了解并促進人—技術伙伴關系、推廣新技術以增強人類績效、了解新技術的風險和收益、通過新技術促進終身學習和泛在學習等。FW-HTF項目的一個特色是對未來人類工作、未來技術以及未來的工人進行整合研究。

3.3 智能制造與其他系統(tǒng)的集成融合

HCPS語義下，智能制造是一個大系統(tǒng)，其內(nèi)涵不斷演化，可延伸到其他行業(yè)，包括智慧能源、智能汽車、智能交通、智慧醫(yī)療、智慧城市等，進而共同形成智能生態(tài)大系統(tǒng)——智能社會。

(1)智慧能源

美國能源部牽頭成立了清潔能源智能制造創(chuàng)新中心，其架構部署中能源互聯(lián)網(wǎng)和智能制造系統(tǒng)已融為一體，并已經(jīng)在電網(wǎng)和制氫等領域開展研究和應用[67]，站在能源互聯(lián)網(wǎng)視角，智能制造既是其服務的對象，又是其前進的基礎。施陳博等[68]基于CPS的概念闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的技術體系與技術特征，圍繞能源生產(chǎn)、傳輸、存儲和分享探討了互聯(lián)網(wǎng)與能源系統(tǒng)的融合，對基于CPS的能源互聯(lián)網(wǎng)應用前景進行了研究；程樂峰等[69]認為在能源市場開放的大環(huán)境下，人與社會行為實質(zhì)上深深地嵌入到了能源電力生產(chǎn)、輸送、分配和消費的各個環(huán)節(jié)，能源調(diào)控方式與人類行為緊密耦合，因此需要考慮市場與人的行為，從復雜系統(tǒng)理論出發(fā)構建HCPS(或稱為信息—物理—社會系統(tǒng))，進而實現(xiàn)多智能群體知識自動化。

(2)智能交通

通過智能化技術在汽車研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、物流、管理、服務等環(huán)節(jié)的深度應用，可以整體提升汽車產(chǎn)業(yè)鏈的水平。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是智能制造體系及產(chǎn)業(yè)價值鏈的核心環(huán)節(jié)，可有效地加強車輛、道路和使用者三者之間的聯(lián)系，形成一種綜合運輸系統(tǒng)，即“人—車—路—云”，是智能交通系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[70]。XIONG[71]等認為人的社會因素與CPS同等重要，在此基礎上提出了信息物理社會系統(tǒng)(Cyber-Physical-Social System, CPSS)的概念和架構，并應用到智能交通系統(tǒng)中。GIL[72]基于HitL-CPS的理念分析了將人置于CPS回路的技術挑戰(zhàn)，并設計了一個概念架構來完成合適的“人的集成設計”方案，該架構在智能汽車中得到了驗證。

(3)智慧醫(yī)療

智慧醫(yī)療源于IBM公司“智慧地球”的概念，是以電子健康檔案為基礎，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術，構建醫(yī)療信息共享的交互平臺，實現(xiàn)患者、醫(yī)務人員、醫(yī)療機構和醫(yī)療設備等互動，智能匹配醫(yī)療圈的需求[73]。其本質(zhì)是數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化的HCPS，其中智能制造技術對于醫(yī)療設備設計、設備生產(chǎn)、遠程運維、智能遠程手術等方面起著重要作用。

(4)智能社會

顧新建等[32]全面分析研究了智能制造與智慧城市的關系，剖析了智慧城市對智能制造的需求，研究了智能制造對于智慧城市的重要作用和基本功能;日本的超智能社會(社會5.0)[74]的一個重點是利用智能機器人和智能生產(chǎn)進行高效的社會服務，人們將與提升生活品質(zhì)的機器人和AI共生;景軒等[75]提出了社會信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的概念，研究了CPS的社會化特點，通過CPS將人類社會和智能體社會相融合，形成新的兼具人的模糊性和智能體的高效性的廣義互聯(lián)社會(智能社會)，將更有助于構建更加和諧和完善的社會體系。

上述國內(nèi)外研究進展表明：在AI 2.0等共性使能技術的引領下，HCPS科學與技術和新一代智能制造正在推動新一輪工業(yè)革命，重塑制造業(yè)的技術體系、生產(chǎn)模式及價值鏈，引發(fā)發(fā)展理念、制造模式、人機關系等發(fā)生重大而深刻的變革，促進制造業(yè)與其他智能產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新、融合發(fā)展，最終實現(xiàn)人類社會生產(chǎn)力的整體躍升。

4 智能制造發(fā)展建議

作為一種基本準則和概念，HCPS科學與技術給智能制造的研究發(fā)展和推廣應用帶來了難得的歷史性機遇。在我國，不少企業(yè)和學者對于智能制造的理解還停留在自動化、機器換人的層面，與智能制造有關的研究集中在CPS、云制造、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等方面[39,76]，針對智能制造系統(tǒng)中人的因素的深入研究還較為缺乏；但與此同時，國際上對HCPS理論框架下智能制造的研究和應用高度重視，這給我國相關領域的研究與發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。鑒于HCPS的理論價值和應用價值，本節(jié)從人、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、系統(tǒng)集成等層次提出智能制造發(fā)展的若干建議，以期為進一步踐行HCPS理念、發(fā)展智能制造技術提供參考。

(1)人員層面(Human) 智能制造發(fā)展的關鍵是人才隊伍建設。在全球范圍內(nèi)，同時掌握人工智能技術和工業(yè)應用方面豐富知識的專家極度缺乏，而HCPS與智能制造的快速發(fā)展對這類人才的需求卻呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長。頂尖人工智能專業(yè)人士、工業(yè)工程師、高素質(zhì)的技術工人將成為新一代智能制造生態(tài)系統(tǒng)的主力軍。此外，在相當長一段時間內(nèi)，機器很難完全取代人，智能制造的研究與應用不能將人完全排除在系統(tǒng)之外，面向智能制造，亟需“以人為中心”構建完整的HCPS科學與技術體系，并提前分析智能制造時代工人所需具備的素質(zhì)和技能。建議加快就各類智能制造高技術研發(fā)型人才和技術工人教育培訓等方面提出具體措施，例如，實施智能制造高素質(zhì)人才隊伍建設、培養(yǎng)新時代智能制造技術工人等行動計劃。

(2)信息技術層面(Cyber system) 新一代信息技術的快速發(fā)展是推動智能制造發(fā)展的動力引擎。未來企業(yè)乃至行業(yè)的競爭將逐漸從物理系統(tǒng)向信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，信息系統(tǒng)的核心技術和價值布局將決定企業(yè)、行業(yè)乃至國家是否具有真正的、可持續(xù)的競爭力，包括效益、質(zhì)量、服務水平等。同時，計算系統(tǒng)的體系結構、系統(tǒng)軟件、應用軟件等面臨著高效能、高可靠、低能耗、敏捷設計等多個挑戰(zhàn)；電子設計自動化等工業(yè)核心軟件、嵌入式工業(yè)軟件以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件等也面臨多方面挑戰(zhàn)。建議針對新一代信息系統(tǒng)技術的基礎研究與應用提出相對應的政策和促進措施。例如，實施工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)、服務型制造、大力振興工業(yè)軟件、新一代人工智能在制造業(yè)的推廣應用等行動計劃。

(3)制造基礎層面(Physical system) 切削、鑄造、焊接、3D打印等制造基礎技術與傳感器、軸承、齒輪、儀器儀表等關鍵部件是智能制造發(fā)展的根基。例如，工業(yè)機器人的核心零部件包括減速器、伺服電機和控制器，這些部件占機器人成本的70%左右，但國產(chǎn)工業(yè)機器人的這些核心零部件基本都依賴于進口。建議針對制造基礎與關鍵零部件等方面提出具體發(fā)展措施，促進智能關鍵零部件、元器件、智能材料等領域的創(chuàng)新能力。例如，實施智能制造強基及產(chǎn)業(yè)化、高端裝備制造、“智能一代”產(chǎn)品創(chuàng)新等行動計劃。

(4)系統(tǒng)集成層面(System integration) “系統(tǒng)決定成敗，集成者得天下?！敝悄苤圃煜到y(tǒng)集成技術和系統(tǒng)集成產(chǎn)業(yè)培育非常關鍵，包括與智慧能源、智能交通、智慧城市等系統(tǒng)的集成。同時，人與智能機器之間的集成融合和分工協(xié)作也非常重要。此外，完整的產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、人才鏈、資金鏈等是保證智能制造系統(tǒng)健康發(fā)展的重要因素。建議針對智能制造系統(tǒng)集成產(chǎn)業(yè)制定政策，積極培育集成商，吸收借鑒世界范圍內(nèi)的先進理念、技術和系統(tǒng)集成經(jīng)驗，推動智能制造產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、人才鏈、資金鏈等的有機銜接和“多鏈融合”，同時加強人與智能機器集成融合方面的科學研究。例如，實施強化智能制造標準化、智能云平臺、推動人機協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展、推動智能制造產(chǎn)業(yè)鏈與創(chuàng)新鏈融合發(fā)展、構建智能制造生態(tài)體系等行動計劃。

5 結束語

在分析HCPS內(nèi)涵與系統(tǒng)組成及新一代智能制造主要特征的基礎上，本文從新一代人工智能、新一代智能制造、相關智能系統(tǒng)等方面分析了智能制造的研究進展。HCPS揭示了制造系統(tǒng)數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化發(fā)展(即智能制造范式演進)的基本原理，同時指明了智能制造邁向新一代智能制造的發(fā)展趨勢。在此基礎上，從人、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、系統(tǒng)集成等層面提出了促進智能制造發(fā)展的若干建議。人類社會、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)三者良性互動、協(xié)同創(chuàng)新、融合發(fā)展所形成的HCPS科學與技術體系有望成為理解智能制造演進過程、構建智能制造技術體系、推動新一代智能制造創(chuàng)新發(fā)展的基礎與支撐，在產(chǎn)品設計、工藝設計、生產(chǎn)制造、組織管理、運維服務及系統(tǒng)集成等方面有著廣闊的應用前景。