“智能制造(smart manufacturing)”這個詞的誕生時間恐怕比大部分人想象得要晚。從可考察的記錄來看，智能制造最初出現(xiàn)于2006年美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation)一場有關(guān)于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施的演講。ZzVesmc

當(dāng)時提出的詞是“智能流程(process)制造”，后來簡化成了智能制造。這場研討會提到通過網(wǎng)絡(luò)聚合來自不同設(shè)施、位置的數(shù)據(jù)，再藉由數(shù)據(jù)建模和計(jì)算來實(shí)施新的應(yīng)用。這個概念現(xiàn)在看來并不算新鮮，但在當(dāng)時極具前瞻性。ZzVesmc

這兩年，我們聽到的有關(guān)智能制造的周邊詞匯越來越多，比如：IIoT(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))、自主機(jī)器人、增材制造(additive manufacturing)、邊緣計(jì)算、工業(yè)數(shù)字孿生/工業(yè)元宇宙、工業(yè)4.0，甚至還有工業(yè)5.0。ZzVesmc

“市場概念變化映射了智能制造的程度，或者說工業(yè)場景對于智造的需求變化。”瑞薩電子嵌入式處理器事業(yè)部市場總監(jiān)沈清在接受采訪時說，“無論是工業(yè)4.0、IIoT還是數(shù)字孿生和邊緣AI，都是為了推動工業(yè)領(lǐng)域的智能化、互聯(lián)化和自動化升級，從而實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、降本、創(chuàng)收、增效四大價(jià)值。”ZzVesmc

借著這個機(jī)會，我們嘗試梳理相關(guān)智能制造的周邊概念，并談?wù)劗?dāng)下的智能制造現(xiàn)狀和潛在發(fā)展趨勢。ZzVesmc

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智能制造與工業(yè)4.0

同期出現(xiàn)的“智能工廠”概念在歐洲，尤其是德國變得流行?，F(xiàn)有的既有記錄和專家普遍認(rèn)為，歐洲與美國相似的智能制造/工廠概念是幾乎同時、相對獨(dú)立發(fā)展出來的。ZzVesmc

不過，2013年德國又提出了“工業(yè)4.0(Industry 4.0)”的概念。這是當(dāng)時有個科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在開發(fā)高科技策略時面向德國政府提出的新詞。工業(yè)4.0真正變得流行是由美國《外交事務(wù)(Foreign Affairs)》雜志推動，在2015年的某一期該雜志刊登了WEF(世界經(jīng)濟(jì)論壇)執(zhí)行主席Klaus Schwab的文章《第四次工業(yè)革命(The Fourth Industrial Revolution)》。ZzVesmc

2016年1月，WEF年度會議的主題也旋即定為“掌握第四次工業(yè)革命”，當(dāng)年10月WEF還宣布在舊金山開啟第四次工業(yè)革命中心。故而，維基百科將“第四次工業(yè)革命”與“工業(yè)4.0”劃等號。大部分對歷史熟知的讀者普遍應(yīng)該清楚，前三次工業(yè)革命分別是蒸汽革命、電力革命和信息技術(shù)革命——在這個語境下，工業(yè)4.0似乎就比我們現(xiàn)在常說的工業(yè)自動化范圍更寬了。ZzVesmc

當(dāng)時，Schwab預(yù)期工業(yè)4.0時代的發(fā)展會以不同領(lǐng)域技術(shù)的爆發(fā)為標(biāo)志，包括CPS(cyber-physical systems，信息物理系統(tǒng))、機(jī)器人、AI、納米科技、量子計(jì)算、生物科技、IoT、IIoT、無線技術(shù)、3D打印、全自動駕駛汽車等……ZzVesmc

某些企業(yè)資料和分析機(jī)構(gòu)的文章認(rèn)為，工業(yè)4.0或第四次工業(yè)革命所指的范圍要大于智能制造?；蛘哒f智能制造是指在制造領(lǐng)域采用工業(yè)4.0技術(shù)。實(shí)際上，最早的工業(yè)4.0就是指制造技術(shù)與流程的自動化趨勢。維基百科“智能制造”詞條下甚至直接包含了“工業(yè)4.0”。ZzVesmc

不過，當(dāng)我們仔細(xì)研讀早年的智能制造和工業(yè)4.0的規(guī)劃和路線圖會發(fā)現(xiàn)，這兩者在發(fā)展上的確存在側(cè)重點(diǎn)不同的情況。最早的智能制造專注在信息與數(shù)據(jù)高度連接驅(qū)動的制造上，而工業(yè)4.0很大程度把注意力放在了CPS系統(tǒng)上。ZzVesmc

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2014年，德國國家標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)(DIN)和德國電工委員會(DKE)發(fā)布了“工業(yè)4.0德國標(biāo)準(zhǔn)路線圖1.0版(Industrie 4.0 German Standardization Roadmap Version 1.0)”。這份路線圖中的重點(diǎn)包括有：技術(shù)流程與業(yè)務(wù)流程的整合；數(shù)字映射(digital mapping)與真實(shí)世界的虛擬化；生產(chǎn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能產(chǎn)品融合；互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用。ZzVesmc

在筆者看來，這一路線圖基本上就是在談CPS系統(tǒng)，也就是把從實(shí)際生產(chǎn)線及產(chǎn)品中獲取到的數(shù)字化數(shù)據(jù)，與信息系統(tǒng)做同步，通過模擬和分析工具來優(yōu)化生產(chǎn)工作流。ZzVesmc

智能制造這邊，美國的企業(yè)機(jī)構(gòu)在數(shù)年時間里對智能制造的實(shí)踐做了各方面的完善，而且是把工廠制造商、技術(shù)供應(yīng)商、高校研究院、咨詢機(jī)構(gòu)拉到一起來做有關(guān)智能制造的實(shí)踐和規(guī)范。其時的智能制造，講究在業(yè)務(wù)模型中融入技術(shù)，并且通過一系列的技術(shù)融合，將傳統(tǒng)工廠單純的成本中心角色，轉(zhuǎn)變?yōu)橛詣?chuàng)新中心。ZzVesmc

這些技術(shù)包括IIoT、智能機(jī)器與協(xié)作機(jī)器人、云與邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理與預(yù)測性分析能力、針對多供應(yīng)商互操作性的A2A(任意對任意)和B2B(商家對商家)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)融合與API管理平臺等。2010s年代后期，美國不同的工業(yè)制造機(jī)構(gòu)提出過各種各樣的智能制造倡導(dǎo)，除了倡導(dǎo)不同角色的協(xié)作以外，還談過在先進(jìn)傳感器、控制、平臺、優(yōu)化模型等方面的技術(shù)融合。ZzVesmc

2017年CESMII(美國清潔能源智能制造創(chuàng)新研究所)發(fā)布過明確的智能制造路線圖。也是從這一年開始，智能制造被提得越來越多，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、咨詢預(yù)測也相繼涌現(xiàn)。ZzVesmc

隨著智能制造與工業(yè)4.0用詞的普遍化和泛化，現(xiàn)在探討這兩個概念時，可以認(rèn)為它們能在同一個層面劃等號——尤其是，技術(shù)推進(jìn)使得這兩個概念趨同。而工業(yè)與制造相關(guān)的所有熱詞和其他概念的出現(xiàn)，都是圍繞智能制造與工業(yè)4.0的。ZzVesmc

老生常談的關(guān)鍵屬性：數(shù)字化

這里我們采用NIST(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)對于智能制造的定義：完全集成的、協(xié)作制造系統(tǒng)，在工廠、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、客戶需求中，能夠?qū)崟r響應(yīng)來滿足改變中的需求和情況。這個定義已經(jīng)相當(dāng)寬泛和務(wù)虛了。ZzVesmc

而上述IIoT、機(jī)器人、邊緣計(jì)算之類的技術(shù)才是達(dá)成智能制造更具體的構(gòu)成。德國軟件制造商SAP公司列舉了智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)，包括IoT/IIoT、AI/機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、自主機(jī)器人、增材制造/混合制造、云計(jì)算、5G連接、邊緣計(jì)算、模擬仿真/數(shù)字孿生、design for manufacturing(可制造性設(shè)計(jì))。ZzVesmc

可能和大部分人想象得不同，這里面的絕大多數(shù)子項(xiàng)是在智能制造出現(xiàn)之前就存在或被提出的，而且存在時間明顯更為久遠(yuǎn)。比如，邊緣計(jì)算的概念最初興起自上世紀(jì)90年代——CDN(內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))幾乎算得上是邊緣計(jì)算的雛形了；本世紀(jì)早期CDN范圍擴(kuò)展到其他應(yīng)用，成就了最早的邊緣計(jì)算服務(wù)。ZzVesmc

數(shù)字孿生(digital twin)和元宇宙(metaverse)最早出現(xiàn)于科幻小說《雪崩(Snow Crash)》，用于表現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)空間——這些詞后續(xù)再興起的時間點(diǎn)就很難追溯了。所以不難理解為何在智能制造、工業(yè)4.0剛剛誕生時，規(guī)范定義和路線圖中已經(jīng)將IIoT、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生之類的詞匯收歸其中。故此，也很難說智能制造領(lǐng)域這些年在不斷炒作新概念。ZzVesmc

在我們看來，所有這些概念要實(shí)現(xiàn)的終極目標(biāo)都是制造的智能化和自動化。即科幻電影中呈現(xiàn)的全無人化工廠——即便最終具體的形態(tài)未必是這樣。而在實(shí)現(xiàn)智能化和自動化的過程中，既然是借助電子科技去實(shí)現(xiàn)，首先要做的必然是數(shù)字化。當(dāng)然，這其中還牽扯到網(wǎng)聯(lián)化等與數(shù)字化相關(guān)的趨勢。ZzVesmc

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圖1：過去5年，IIoT關(guān)鍵詞在谷歌的搜索熱度變化 圖片來源：谷歌搜索ZzVesmc

在具體技術(shù)中，觀察谷歌搜索詞趨勢會發(fā)現(xiàn)，IIoT過去5年的熱度相對平均(圖3)——我們則可以認(rèn)為，它在智能制造方向上算得上是一個腳踏實(shí)地的技術(shù)。實(shí)際上，IIoT涵蓋了半導(dǎo)體關(guān)注的傳感、連接、控制/處理、電源全部四大板塊。除了電源以外，其他幾個要素都旨在制造領(lǐng)域做數(shù)字化。ZzVesmc

這幾大要素也是瑞薩、安森美這類智能制造領(lǐng)域核心市場參與者正嘗試全鏈路搭建的幾大構(gòu)成。ZzVesmc

沈清談到瑞薩的高性能MCU/MPU、模擬及功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)品，“助力工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的數(shù)據(jù)處理和控制，支持生產(chǎn)過程的自動化和智能化，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量”。瑞薩的無線通信模塊、傳感器接口、安全加密芯片、以太網(wǎng)通信等解決方案，“用于支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建和運(yùn)營”。這就基本覆蓋了整個信號鏈。ZzVesmc

安森美亞太區(qū)應(yīng)用工程技術(shù)總監(jiān)Hector Ng則告訴我們，安森美有關(guān)智能制造的產(chǎn)品線“覆蓋電源管理、智能感知、高效連接與精確控制，為實(shí)現(xiàn)智能工廠的自動化、信息化和智能化轉(zhuǎn)型提供全方位的支持”。體現(xiàn)的也是四要素的齊全，與達(dá)成制造的完整數(shù)字化。ZzVesmc

當(dāng)代智能制造最熱的詞：AI、數(shù)字孿生

再仔細(xì)想一想，SAP列舉的任何一種有關(guān)智能制造的具體技術(shù)，除了增材制造這種更偏制造技術(shù)的，其他任意一項(xiàng)技術(shù)都可以劃歸到感知、連接、控制/處理、電源。所以我們基本可以總結(jié)，所有相關(guān)智能制造的市場概念，無非就是對這四個環(huán)節(jié)的包裝，或某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了新技術(shù)。例如，“5G連接”與連接相關(guān)；“邊緣計(jì)算”及“大數(shù)據(jù)”與控制/處理、連接、感知皆相關(guān)。ZzVesmc

筆者嘗試借助谷歌搜索引擎，針對上述智能制造相關(guān)的具體技術(shù)，查看了搜索詞趨勢(圖4)——除了“AI”這樣單獨(dú)的熱詞，在近一年的搜索熱度遠(yuǎn)超其他關(guān)鍵詞以外，以IIoT一詞為參考坐標(biāo)，智能制造領(lǐng)域目前較突出的搜索熱詞是數(shù)字孿生和邊緣AI。ZzVesmc

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圖2：過去5年，邊緣AI、數(shù)字孿生與IIoT三個關(guān)鍵詞在谷歌的搜索熱度變化ZzVesmc

沈清在采訪中特別提到了邊緣AI，2024年3月瑞薩推出的視覺AI與實(shí)時控制功能的MPU RZ/V2H，基于該芯片的“視覺檢測單板計(jì)算機(jī)”利用攝像頭圖像識別周圍環(huán)境，并實(shí)時確定和控制其運(yùn)動。“瑞薩電子在邊緣AI方面積極投入研發(fā)，推出了多款邊緣AI加速器產(chǎn)品。在設(shè)備端/邊緣端實(shí)現(xiàn)實(shí)時的AI推理和決策”。ZzVesmc

Hector則提及“工業(yè)數(shù)字孿生是一種集成虛擬模型和實(shí)時系統(tǒng)的概念，通過實(shí)時數(shù)據(jù)交換，使企業(yè)能夠在虛擬環(huán)境中模擬、監(jiān)控和優(yōu)化物理世界的運(yùn)作。”雖然Hector和沈清都提到工業(yè)數(shù)字孿生剛剛起步，“從概念驗(yàn)證逐漸走向成熟應(yīng)用”，但許多行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中部署這項(xiàng)技術(shù)，以解決優(yōu)化生產(chǎn)流程、預(yù)測性維護(hù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等多種問題。ZzVesmc

不知是巧合還是必然：仔細(xì)留意智能制造與工業(yè)4.0源起時分的定義與路線圖，會發(fā)現(xiàn)邊緣AI和數(shù)字孿生恰好對應(yīng)了智能制造與工業(yè)4.0。前文已經(jīng)談到，智能制造早前講究的是信息與數(shù)據(jù)高度連接驅(qū)動——邊緣AI就是對數(shù)據(jù)計(jì)算與連接的充分應(yīng)用；而工業(yè)4.0以前一直在談CPS，即真實(shí)世界的虛擬化，儼然就是數(shù)字孿生路線。ZzVesmc

不過，說到底，邊緣AI與數(shù)字孿生，都是技術(shù)持續(xù)進(jìn)步達(dá)成的數(shù)字化中高級階段。猶如數(shù)字化的早期階段還在談傳感技術(shù)，即如何將自然與模擬信息轉(zhuǎn)為數(shù)字信息；往后發(fā)展就是數(shù)字信息的控制與處理。唯有當(dāng)數(shù)字化發(fā)展到高級階段時，才談得上基于海量數(shù)據(jù)的人工智能。ZzVesmc

數(shù)字孿生則更是數(shù)字化要邁向的下一個高級階段，不僅需要工廠與制造數(shù)據(jù)更高程度甚至全方位的數(shù)字化，而且需要AI技術(shù)協(xié)力?？梢娭悄苤圃斓臒嵩~發(fā)展是有據(jù)可循的：當(dāng)數(shù)字化發(fā)展到新的高度，智能制造就會有新的具體技術(shù)和熱詞出現(xiàn)。ZzVesmc

MathWorks這家公司作為工業(yè)軟件企業(yè)，在制造數(shù)字化方面更有發(fā)言權(quán)。其實(shí)，從MathWorks的新品或新特性涌現(xiàn)，也能窺見這方面的趨勢。ZzVesmc

下個階段：生成式AI、工業(yè)元宇宙、機(jī)器人

去年的SIGGRAPH頂會上，英偉達(dá)CEO黃仁勛提到工業(yè)數(shù)字化是潛在50萬億美元產(chǎn)值的大蛋糕。可能在智能制造乃至工業(yè)4.0提出的時代，誰也不曾想到英偉達(dá)會和工業(yè)制造產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，因?yàn)橛ミ_(dá)以前就是個造游戲顯卡的。ZzVesmc

當(dāng)時，黃仁勛在會上做了一個演示，他將一份PDF文檔——工廠的2D CAD平面圖——發(fā)給生成式AI模型，要求它基于這份PDF文檔，生成該工廠的3D數(shù)字孿生。最終生成的3D模型不僅完全基于平面圖，而且加入了光照、紋理等效果。理想情況下，這樣的工廠數(shù)字孿生如果實(shí)現(xiàn)物理級精準(zhǔn)，甚至可用于機(jī)器人訓(xùn)練、仿真。ZzVesmc

當(dāng)然，要真正做到這樣的程度，并將其投入生產(chǎn)，可能還面臨很多挑戰(zhàn)。但它展示的不僅是顯卡渲染3D廠房的本職工作，還體現(xiàn)了生成式AI在其間發(fā)揮的作用，乃至數(shù)字孿生、AI對于機(jī)器人技術(shù)的輔助。在筆者看來，工業(yè)數(shù)字孿生規(guī)模擴(kuò)大以后，無疑就是工業(yè)數(shù)字元宇宙了。ZzVesmc

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圖3：寶馬的數(shù)字工廠，來源：英偉達(dá)ZzVesmc

如Hector所說，前沿工業(yè)企業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用數(shù)字孿生和元宇宙技術(shù)了。比如2021年，寶馬借助英偉達(dá)Omniverse構(gòu)建汽車工廠的數(shù)字孿生，其數(shù)字工廠比現(xiàn)實(shí)世界工廠提前2年被打造出來。前年，寶馬公司方面曾表示，企業(yè)需要定期對工廠做重組，以適應(yīng)新車上市的節(jié)奏，可在數(shù)字孿生虛擬工廠中做規(guī)劃與測試。數(shù)字工廠周邊衍生的AR/VR技術(shù)需求自不必多談。ZzVesmc

值得一提的是，寶馬借助英偉達(dá)Isaac對機(jī)器人做AI訓(xùn)練，相當(dāng)于在虛擬環(huán)境中訓(xùn)練這些機(jī)器人——這也是工業(yè)元宇宙的某一類應(yīng)用。無論是AGV叉車在工廠內(nèi)的導(dǎo)航運(yùn)貨，還是機(jī)械臂在產(chǎn)線上的操作，從虛擬世界里的機(jī)器人AI訓(xùn)練，到機(jī)器人智能的部署，英偉達(dá)這兩年在反復(fù)強(qiáng)調(diào)自己有端到端方案。這幾乎已經(jīng)被行業(yè)認(rèn)為是工業(yè)制造的未來了。ZzVesmc

Hector指出，安森美開發(fā)的完整的自主移動機(jī)器人設(shè)計(jì)，由電源、傳感器、通信、照明和運(yùn)動等多個子系統(tǒng)方案構(gòu)成，結(jié)合了公司各種不同智能電源和感知方案，可用于設(shè)計(jì)各種類型的機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、電動工具和自動引導(dǎo)車。ZzVesmc

對于未來智能制造的暢想，Hector也提到“核心在于高度自動化的生產(chǎn)流程，通過引入先進(jìn)的機(jī)器人/AGV技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化操作”?？梢姼叨葦?shù)字化背景下的工業(yè)數(shù)字孿生、AI和機(jī)器人技術(shù)必然是智能制造的未來。ZzVesmc

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圖4：機(jī)器人在元宇宙里訓(xùn)練，來源：英偉達(dá)ZzVesmc

最后，值得一提的是，今年GTC開發(fā)者大會上，英偉達(dá)發(fā)布了Project GROOT人形機(jī)器人項(xiàng)目——當(dāng)然主要是人形機(jī)器人的基礎(chǔ)模型。按照英偉達(dá)的說法，這是基于生成式AI來“生成機(jī)器人的下一個動作”。在分析師采訪會上，黃仁勛提及如果萬物皆可數(shù)字化，那么萬物就可token化(tokenized)——換句話說，也就是萬物皆可生成。ZzVesmc

文字、圖像、視頻這類信息被數(shù)字化以后可生成，則基因、腦波、機(jī)器人等類型的數(shù)據(jù)被數(shù)字化也可生成。固然AI已經(jīng)滲透到了工業(yè)制造領(lǐng)域，生成式AI的來襲幾乎也成為了必然。ZzVesmc

Hector在肯定生成式AI的大前提下，談到安森美為生成式AI與工業(yè)數(shù)字孿生的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理與高功耗數(shù)據(jù)中心提供電源和功率相關(guān)的產(chǎn)品，旨在“推動生成式AI發(fā)展”。沈清則說“從理論上來說，生成式AI能夠在智能制造的多個環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用，包括研發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)劃、生產(chǎn)過程管控、經(jīng)營管理優(yōu)化以及產(chǎn)品服務(wù)優(yōu)化等。”只不過“現(xiàn)階段生成式AI還處于探索階段”。ZzVesmc

生成式AI于智能制造所處的發(fā)展階段，可能相比數(shù)字孿生還要初級。但生成式AI的來襲對于企業(yè)獲得50萬億美元工業(yè)數(shù)字化潛在價(jià)值無疑將在未來成為中堅(jiān)力量。ZzVesmc

本文主要探討的了數(shù)字孿生、工業(yè)元宇宙、生成式AI等概念的興起是工業(yè)數(shù)字化道路上的必然。在數(shù)字化程度持續(xù)加深的過程中，制造持續(xù)在智能化和自動化方面實(shí)現(xiàn)突破。新熱詞的出現(xiàn)，更多表明的是智能制造之路還在持續(xù)拓寬。ZzVesmc