2.3 HCPS的演进过程

本节从HCPS的角度对智能制造的演化足迹进行综述，深入探讨新一代智能制造系统的含义、特点、技术框架和关键技术。

2.3.1 智能制造系统发展的第一阶段——基于HPS的传统制造

人类在两百多万年前第一次学会了制造和使用工具，从石器时代到青铜时代再到铁器时代，这些早期简单的生产制度在人类和动物的推动下持续了一百多万年。随着以蒸汽机的发明为标志的机械化第一次工业革命，以及以电动机的发明为标志的电气化第二次工业革命的发展，人类不断地发明、创造和改进各种机器，并将其应用于工业生产制造各种商品。这些传统的制造系统，由人和物组成的机器取代了大量的手工劳动，极大地提高了制造质量、效率和社会效益生产力。

传统制造装备的构成包括动力装置、传动装置和工作装置等三部分，这种传统制造系统有两个主要组成部分构成，即人和物理系统（如机器），因此是人-物理系统（HPS）。基于人-物理系统（HPS）的传统制造如图2-4所示。在HPS中，完成工作任务的物理系统充当“执行体”，而人类是“主人”，人类既是物理系统的创造者，又是物理系统的管理者和使用者。在HPS中，完成工作任务所需的许多活动，如感知、认知、学习、分析、决策、控制和操作，都必须由人来完成。例如，在使用传统手工操作机床进行工件的加工时，操作者必须通过仔细观察、分析决策、手工控制和操作加工过程，按照预定的轨迹完成加工任务。HPS的示意图如图2-5所示。人类负责管理和控制物理系统，而物理系统代替人类完成了大量体力劳动，两者相辅相成。

2.3.2 智能制造系统发展的第二阶段——基于HCPS的数字化制造

20世纪中叶，制造业对于信息技术发展的需求愈加强烈，在计算机、通信、数控等信息技术的发展和广泛应用的推动下，制造业进入了数字化制造时代。以数字化为标志的信息革命引领并推动了第三次工业革命。

就传统机械产品而言，主要由动力装置、传动装置和工作装置三部分构成，如图2-6所示。主要有两种思路实现对传统机械产品的创新：一种是从机械产品的工作装置出发；另一种是从机械产品的动力装置和传动装置出发，优化产品的驱动和控制装置。所谓的数字化就是第二种创新思路。数控机械产品的构成如图2-7所示。数控机械产品主要的核心创新技术路线主要分为两方面：一方面将带有伺服电机的驱动系统代替传统机械产品中的动力装置和传动装置，大大简化和提升了传动的机械传动机构，从而提高机械产品的运动控制能力；另一方面为传统机械产品配上一个“大脑”，即计算机控制系统，通过计算机控制产品的机械运动与工作过程，方便了数控的机械操作，使得数控同时具备了多功能、高柔性、高精度、高效能、高可靠性等特征，为智能化创造了条件。数控技术是以数字化为核心，为实现机械产品创新提供了使能技术，是先进自动化控制技术和机械制造技术相结合的集成技术。它的应用丰富了机械产品的内涵，扩展了产品的功能，提高了产品市场竞争力，为机械产品的智能化创造了条件。其实，一说到数控，就让人联想到数控机床，这是片面的，因为数控机床仅仅是应用数控技术创新机械产品的一个典范案例。数控技术是一种共性使能技术，对各种机械产品的创新升级都有着非常广泛的应用，如交通运输设备、制造专用设备、武器装备及各种非金属加工专用设备等。数控制造装备的核心推动力为数控技术带来了一场动力革命。数控制造装备是基于计算机控制系统实现对数字程序的控制，按照编写和提前存储好的控制程序完成对运动轨迹和时序逻辑的控制，伺服控制装置接收计算机生成处理的微观指令，以驱动电机等执行元件带动设备运行，这样的驱动方式具有柔性高、适应性强、可靠性强、自动化程度高、生产效率高等特点。这种通过微处理器来控制设备运动的方式，可以代替人的部分工作能力，甚至比人的反应更快、精度更高、工作性更稳定。

与传统制造系统相比，数字化制造系统的特点是在人和物理系统之间出现了一个信息网络系统，将以前的二元系统HPS转变为三元系统HCPS。基于HCPS的数字化制造如图2-8所示。网络系统由软件和硬件组成，其主要功能是通过对信息的计算分析，代替原来使用者去完成以前由使用者执行的各种任务，包括感知、分析决策和控制。例如，与传统的手工操作机床相比，对应了配备有CNC系统的计算机数控加工机床。它在人和机器之间添加了一层计算机数控系统，使用者在进行加工时，根据工件的加工工艺需求，将加工过程中需要的刀具与工件的相对运动轨迹、主轴速度、进给速度等按规定的格式编成加工程序，CNC系统可以根据使用者提供的加工程序自动引导机床完成加工过程。

数字化制造可以定义为第一代智能制造，用于数字化制造的HCPS在本节中称为HCPS1.0。与HPS相比，HCPS1.0集成了人类、网络系统和物理系统的优势，大大增强了计算、分析、精度控制和感知能力，故基于HCPS1.0的制造系统在自动化、效率、质量、稳定性和解决复杂问题的能力等方面都有显著提高。HCPS1.0不仅可以进一步减少使用者的体力劳动，还可以使部分脑力劳动通过网络系统来完成，从而有效地提高了知识传播和利用的效率。HCPS1.0的示意图如图2-9所示。从二元系统HPS到三元系统HCPS的升级产生了两个新的二元子系统：人-网络系统和网络-物理系统。美国学术界在21世纪初提出了CPS的理论，德国工业界将CPS作为“工业4.0”的核心技术。此外，网络系统的引入基本上改变了机器的特性，将机器从一元物理系统转变为二进制CP（智能机器），从这个意义上讲，第三次工业革命可视为第二个机器时代的开始。在HCPS1.0的背景下，虽然物理系统继续充当“执行机构”，但网络系统执行了大量的分析、计算和控制工作，而人类仍然执行以前的工作，仍旧是主宰。首先，物理系统和网络系统都是由人类设计和创造的，其基本的分析、计算和控制模型、方法和规则都是由人类通过借鉴理论知识、经验和实验数据并将其编程到网络系统中来开发的。其次，HCPS1.0的运行在很大程度上依赖于使用者的知识和经验。例如，使用如上所述的数控机床使用者必须根据自己的知识和经验对加工过程进行适当的编程，对加工过程进行监控，并在必要时进行调整优化。

2.3.3 智能制造系统发展的第三阶段——基于HCPS1.5的数字网络化制造

到了20世纪末，新兴起的互联网技术开始广泛应用于制造业，同时“互联网+”推动着制造业的发展，制造技术与数字技术、网络技术的密切结合重塑制造业的价值链，逐渐形成了一种制造业与互联网相融合的数字网络化制造模式。数字网络化制造本质上是“互联网+数字化制造”，可以定义为第二代智能制造，是在数字化制造的基础上实现网络化的。

数字网络化制造系统仍然是基于人、信息系统、物理系统三部分组成的HCPS，然而，这里将其称为HCPS1.5，因为它与用于数字化制造的HCPS1.0相比具有基本的区别，最显著的区别在于网络系统。基于HCPS1.5的数字网络化制造如图2-10所示。在HCPS1.5的网络系统中，工业互联网和云平台是信息系统的重要组成部分，既是连接相关网络系统、物理系统和人的关键组件，又是系统集成的工具。信息交换和协同集成优化已成为网络系统的重要组成部分。HCPS1.5中的人已经成为一个具有共同价值创造目标的网络连接社区，包括来自主管系统企业的人，以及供应商、销售代理、用户等。这些变化彻底改变了制造业的模式，既可以将以产品为中心的模式转变为以用户为中心的模式，又可以将生产制造模式转变为以用户为中心的生产-服务制造模式。数字网络化制造的本质是通过网络实现人、过程、数据、物的广泛联系，通过企业内部和企业间各种资源的集成、合作、共享和优化，重塑制造价值链。例如，数控机床制造商及其供应商可以通过网络对自己的产品进行远程操作维护，从而与使用自己产品的企业共同创造价值。使用数控机床的企业还可以通过整合和优化企业内的设计、生产、服务和管理资源来创造附加值。

先进通信技术和网络技术的应用，实现了人、数据、物联网的互联互通，为企业内部和企业之间架起了桥梁。企业内部和企业之间的合作，有利于社会资源的共享和整合，以优化产业链，提供低成本、高质量的产品和服务。在先进制造技术和数字网络技术的完美融合下，企业面对动态化的市场变化能及时做出反馈，方便收集用户对产品和产品质量的评价信息，从而实现更高柔性的生产水平和信息化管理。

“互联网+”是在产品、制造和服务的不同环节上形成的，与以往的制造模式有着显著的区别，实现了制造系统的连接与反馈。主要特点包括以下几点：①在产品方面，数字技术和网络技术应用广泛。一些产品可以通过网络进行连接和交互，成为网络的终端；②在制造方面，连接和优化了企业内部和企业之间的供应链和价值链。企业可以通过设计制造平台在全社会优化配置制造资源，与其他企业进行业务流程协同、数据协同、模型协同，实现协同设计、协同制造。生产工艺更加灵活，可实现小批量、多品种的混合生产；③在服务方面，企业和用户通过网络平台实现连接和互动，企业通过用户的个性化需求，让用户参与到产品的全生命周期中，拓宽产业链。网络协同制造整合了生产全生命周期追踪、远程协同服务及大规模定制生产等特征并逐渐走上了“舞台”。企业生产开始由以产品为中心向以用户为中心转变，企业形态也逐渐由生产型企业向生产服务型企业转变。

2.3.4 智能制造系统发展的第四阶段——基于HCPS2.0的新一代智能制造

当今世界，现代制造企业普遍面临着提高质量、效率和快速市场反应的强烈需求，这些需求迫使制造业进行革命性的产业升级。在技术层面上，数字网络化制造仍然难以克服制造业面临的巨大困难，因此，制造技术的进一步创新和升级势在必行。进入21世纪以来，互联网、云计算、大数据等信息技术取得了巨大进步，并以极快的速度普及应用，形成了群体性跨越。这些技术进一步的融合，正引领着新一代人工智能的战略突破，成为新一轮科技革命的核心技术。新一代人工智能技术与先进制造技术的深度融合，正引领着新一代智能制造系统的发展，成为新一轮工业革命的核心驱动力。新一代智能制造系统的突破和广泛应用将重塑制造业的技术架构、生产模式和产业格局。以人工智能为标志的信息革命正在引领和推动第四次工业革命。

新一代智能制造系统仍然是基于人、信息系统、物理系统三部分组成的HCPS，然而，这里将其称为HCPS2.0，因为它与数字网络化制造的HCPS1.5相比有本质的区别。基于HCPS2.0的新一代智能制造如图2-11所示。正如从HCPS1.0到HCPS1.5的转变一样，HCPS2.0最明显的变化发生在信息系统中。在HCPS2.0的网络系统中引入了一个新的组件，使其能够利用新一代人工智能技术进行自我学习和认知，从而在感知、分析决策、控制等方面获得更大的能力，最重要的是学习和生成知识的能力。HCPS2.0网络系统中的知识库是由人类和网络系统的自学习认知模块共同构建的，因此，它不仅包含了人类提供的知识，更重要的是包含了网络系统本身所学习到的知识，尤其是人类难以描述和处理的知识。而且，知识库能够在应用过程中通过自我学习和认知，不断地自我升级、完善和优化。用一个比喻来说，人类和网络系统之间的关系已经从“授之以鱼”转变成了“授之以渔”。新一代HCPS的示意图如图2-12所示。

面向新一代智能制造系统的HCPS2.0不仅可以使制造知识的创造、积累、利用、传授和继承的手段和效率发生革命性的变化，还可以显著提高制造系统处理不确定性和复杂问题的能力，从而导致制造系统建模和决策的巨大改进。例如，在使用智能机床进行加工时，可以通过感知、学习和认知建立整个加工系统的数字模型，然后用于优化和控制加工过程，以获得高加工质量、高效率及低能耗。人作为“主人”的角色在新一代智能制造的HCPS2.0中更为突出。人作为智能机器的创造者、管理者和使用者，其能力和技能将得到极大地提高，其智力潜能将得到充分地释放，从而进一步解放生产力。知识工程将使人从大量的智力劳动和体力劳动中解放出来，使他们能够从事更有价值的创造性工作。总之，智能制造将更好地为人类服务。从HPS到HCPS1.0，再从HCPS1.0到HCPS1.5，智能制造正在从HCPS1.5到HCPS2.0，并将逐步推进，螺旋上升，无限扩张。面向智能制造的HCPS的演进如图2-13所示。

智能设备是为实现特定功能而设计的一种集感知、决策和控制的软硬件实体，集成了人工智能技术和信息技术。智能设备主要有两层内涵：一是通过人工智能的理论来解决各种动态处理扰动问题；二是装备“拟人智能”，可以像人一样进行自我学习、自我组织、自我调整、自我协调、自我诊断等。

随着工业无线网络技术、射频识别技术、传感器技术、信息技术的进一步发展，制造装备智能化的水平也得到了飞速提升。换句话说，智能设备可以认为是数控技术和智能制造装备的延续和升级。智能设备除了具备自我感知、自主控制、自主决策的能力，还开始有了自我记忆、自我学习、自我分析、自我调整、自我进化的能力。智能设备的特征如图2-14所示。它充分将人类智慧与制造装备相融合，将车间内信息（设备工作信息、工作环境信息、工件加工信息及内部变化信息等）动态快速准确地获取，提供了便捷有效的人机交互模式，从而提高了人机交互效率。人想、机知，这是传统数控设备无法比拟的。以数控机床为例，从第一台数控机床的发明到现在，先后经历了电子管数控、晶体管数控、中小型数控、小型计算机数控和微处理器数控。目前，工业化、信息化、网络化、集成化和智能化有效融合（也称为I5）系列的全智能机床已经成型。机器可以根据工作环境的动态改变，从而选择适合工作环境的生产模式。例如：根据工作环境信息选择手动模式或自动模式；根据零件的尺寸改变，进行自主校正，提高精度；根据互联网技术和人机交互界面，控制机器生产产品；根据云平台，方便用户实时查询生产进度和监督生产过程；通过全国各地的手机或电脑实时清查消耗品等信息，为企业决策提供可靠及时的数据信息。这种将人、机和物有效连接的新型机床，可以作为基于互联网的智能终端，实现智能补偿、智能诊断、智能控制和智能管理。因此，我们将它看作是智能设备的雏形。