前言

近年来，云计算、大数据、人工智能、移动互联网，特别是以工业4.0为代表的智能制造和工业互联网等研究与应用实践正如火如荼地进行着。与这些主题相关的研究成果、整体解决方案、最佳实践等有关的报道、文献、书籍如雨后春笋般出现。各式各样的高层论坛、工业展令人眼花缭乱、目不暇接。其中，首屈一指，备受学术界、科研机构、制造企业关注的当属德国“工业4.0”。自它被提出以来，就披上了第四次“工业革命”的华丽外衣。一瞬间，花样百出的工业机器人、自动运输机械（AGV）、立体仓库，以及各式各样的全面解决方案、平台纷纷亮相，强烈地吸引着大家的眼球，给关注者带来了巨大的震撼。仿佛一夜之间，工业4.0指日可待。如果说今天各大公司、科研机构提出的解决方案和最佳实践代表了对工业4.0诠释或注解，所有成功的案例无不二至，大都使用了多种多样的工业机器人。在过去的几年里，“互联网经济”“共享经济”“机器换人”呼声曾是那样喧嚣，但实践证明，建立在简单的“机器换人”概念上的、片面的智能制造只能使制造执行端更加高效和自动化，不可能从根本上解决智能制造的核心问题。智能制造是一项复杂的系统工程，涉及企业的人、组织、管理、技术、知识、环境等诸多生产要素，而建立几条自动化生产线只能解决局部自动化问题。

科学技术的飞速发展，带动了制造业的发展，制造企业的生产规模和生产效率都有了极大的提高。强大的制造业为人们创造出多种多样、功能齐全、品质卓越的产品，显著提高了人类的生活水平。大家都知道：制造业是国民经济和国家安全的重要支柱。没有强大的制造业，一个国家的经济将无法实现快速、健康、稳定的发展，人民生活水平难以普遍提高。没有强大的制造业，也就没有今天的计算机、存储设备、网络交换机，以及互联网协议、工业软件，根本谈不上互联网基础设施，就不会有今天的消费互联网平台，更不要奢谈什么“共享经济”了。最值得一提的是，没有强大的制造业，中国将如何实现从制造大国走向制造强国？面对美国对中兴和华为的“制裁”，当下的互联网企业、快递公司是否有能力为制造业提供“卡脖子”的高技术与尖端产品，帮助像华为这样的制造企业继续昂首挺胸走向全球呢？

回顾历史，不难发现，历史是何其惊人的相似。记得二十多年前，863自动化领域CIMS主题专家在国内研究和推广计算机集成制造系统（CIMS）技术时，特别是我国先后获得国际工业领先奖和大学领先奖之际，欧、美发达国家的计算机系统、大型应用软件、自动化工艺设备公司已纷纷进军中国市场。各种讲座、展览接连不断，热闹非凡。20世纪90年代，北京第一机床厂（工业领先奖）、清华大学CIMS国家工程研究中心（ERC）（大学领先奖）等企业和高校在研究、探索和实践CIMS时，大型数字化设计/分析工具（CAD/CAE/CAPP/CAM）、自动化生产线、自动运输机械、立体仓库等就已闪亮登场，解决方案大行其道。只是，当时的技术、产品水平与当今无法同日而语罢了。那时，中国的互联网还处于概念萌芽期，国际上智能制造还在概念酝酿中，所有应用也局限在企业内的某个局部。今天，工业4.0、大数据、智能制造、工业互联网等接二连三地“闪亮登场”，面对花样繁多的工业智能装备和完整解决方案，许多制造企业既看到了新的希望，又感到难以抉择。制造企业都迫切希望能通过数字化转型，快速实现核心竞争力提升。一些企业甚至有些“迫不及待”，恨不得“揠苗助长”。解决方案提供商更是伺机抢滩，占领利润制高点，从而推波助澜。曾几何时，学术界、工业界、解决方案提供商都暴露出“亢奋”的情绪。然而，“丰满的理想、骨感的现实”给了大家当头一棒。著名预言家雷·库兹韦尔在《机器之心》一书中说道：“技术界的‘新贵’威胁着要排挤那些老技术，其追随者过早地宣布了胜利的消息。尽管新技术能带来一些独特的益处，但仔细思考之后会发现其功能和质量方面存在着关键元素缺失的问题。”我们都知道，实现最初的突破之后，任何新技术都有一段缓慢发展的阶段。对制造业而言，新技术从概念提出到成熟应用需要走过一段很长的路。

半个世纪以来，为了提升制造企业的生产能力、降低产品成本、提高产品质量，为消费者提供丰富多彩的产品和服务，美、日、法、德等发达国家根据制造业发展的需要，以及不断变化的消费需求，制订了许多发展规划，陆续开展了计算机集成制造（CIM）、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）等先进制造模式、技术研究和应用实践，形成了多种先进制造模式、技术体系和制造集成系统，为其本国制造企业赢得全球化的市场竞争提供了强有力的理论、技术、集成系统产品和服务支持。通过研究这些先进制造模式的产生、发展过程，不难发现它们之间的联系和清晰的进化脉络，也更加体会了唯有科学技术才是能够获得叠加性进步的力量。先进制造模式进化论思想为新的制造模式的提出奠定了基础。随着云计算、大数据、物（务）联网、人工智能、移动互联网等技术的进步，催生了德国“工业4.0”、美国工业互联网等，为未来的智能制造做好了必要的思想和技术储备。

研究总结先进制造模式，在尝试解读“工业4.0”和工业互联网时，不得不令人对计算机集成制造（CIM）刮目相看，也更加重了对CIM理念提出人约瑟夫·哈林顿博士的敬仰。早在1973年，哈林顿博士就提出：“企业的生产组织和管理应该强调系统观点和信息观点，即企业的各种生产经营活动是不可分割的，需要统一考虑；整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。”与当年的CIM相比，德国的“工业4.0”、美国的工业互联网在制造模式上并没有颠覆性的变化，差别大多表现在技术和平台（工具）的能力提升上。依据技术进化和重组创新的观点，每种先进制造模式中都能看到CIM的身影，新的制造模式是在旧的制造模式基础上的进化、重组优化的，这也恰恰印证了辩证法中事物发展的普遍规律，即“螺旋式上升”。进化是一个过程，基于之前的成果创造更先进的成果。为了更好地理解、研究和实践“工业4.0”、工业互联网的理念和技术，深刻领会未来智能制造的内涵与精髓，有必要对已有先进制造模式、21世纪制造业面临的挑战进行分析。对当前已有的先进制造模式进行研究，旨在探索出一条高效继承先进制造领域已有技术、基础设施、集成系统等成果，并进行扩展、优化和完善的有效途径，持续发展以“工业4.0”、云制造等为代表的智能制造模式、技术体系，助力制造企业提升产品创新能力，提高核心竞争力，构建企业、供应商、消费者协同优化的价值网络和价值创造空间，提升用户的价值体验，在全球化的激烈市场竞争中立于不败之地。

虽然21世纪才刚刚走过十几个年头，但生物、智能、纳米等科学技术得到了迅猛发展，除了支撑制造企业创造丰富多彩的产品和服务，还使人类的“生活方式”“价值空间”发生了巨大的变化，制造企业的生态环境也随之发生了巨大变化。探索新的生态环境下制造企业健康、蓬勃发展之路，助力中国由制造大国迈向制造强国，研究、探索一种本土化、适应新业态的智能制造模式、技术体系等是摆在我们面前的首要任务。

由于作者水平有限，书中难免有错漏之处，敬请读者指正。

复杂产品智能制造系统技术
国家重点实验室总技术负责人
2019年8月