智能制造：四個智能范式的共存與進階

1序

言在智能制造中，智能一直是一個眾說紛紜的問題，它在清晰可見與若隱若現(xiàn)之間游離，在道理簡明與論述繁復中徘徊。由于對智能的解讀一直處于這種狀態(tài)，所以智能制造的發(fā)展勢頭現(xiàn)在已經(jīng)明顯被工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)超越。在2016年出版的《三體智能革命》中，筆者等人就已經(jīng)對智能做了闡述和解讀。按照書中對智能的定義和此后對智能的進一步理解，筆者認為人造系統(tǒng)存在四個智能范式：第一范式是“人智”轉“機智”，第二范式是“機智”群自治，第三范式是“機智”哺“人智”，第四范式是雙智共融惠人。這四個范式在智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)數(shù)字化轉型領域都是普遍適用的。2第一范式：“人智”轉“機智”2.1人類智慧主導著智能源頭走向智能研究院九位創(chuàng)始研究員從2015年開始撰寫“走向智能叢書”第一本《三體智能革命》，對形形色色、大大小小的各種人造系統(tǒng)的智能現(xiàn)象進行了橫向比較和打通研究，認為：以人為代表的生物體有智能；電腦里的“數(shù)字虛體”有智能；物理實體有智能。三種“體”交匯融合，發(fā)展出豐富多彩、無以計數(shù)的人造智能系統(tǒng)。人造智能是人造系統(tǒng)所具有的一種模仿、拓展和超越人類智能的能力。目前在市場上能夠看到的各種各樣的智能，如工業(yè)智能、人工智能、認知計算和人造大腦等，都是人造智能的子集。人造智能的形成，是由“意識人體”在長期與自然界的物理實體交互過程中，不斷探尋、發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、應用和主導的。其總體智能水平目前大約相當于5～10歲的孩子。在《三體智能革命》中，以人為代表的生物體被命名為“意識人體”，這是一個具有開創(chuàng)意義的命名。意識人體，首先具有自我意識，其次具有直覺和第六感，另外人類還具有創(chuàng)造力、知行合一能力。筆者認為，這四種能力是人類智慧與人造智能的極其重要的區(qū)別。人類智慧是高維度能力，目前看來只為人類所獨具，其他的生物系統(tǒng)、人造系統(tǒng)、復合系統(tǒng)等，都無法達到這種能力。諸如計算能力、學習能力、感知能力和資源協(xié)調(diào)能力等，則是人類和人造智能系統(tǒng)所共有的能力。換句話說，是人可以通過各種技術手段而賦予人造系統(tǒng)的智能能力。從高維人類智慧系統(tǒng)向低維人造智能系統(tǒng)輸送、傳遞、構建智能機理、智能體系和知識內(nèi)容，是第三次工業(yè)革命之前就已經(jīng)在做的事情。自從有了電腦，伴隨著計算能力（芯片算力）的增強，人類一直在試圖把自己用人腦思考問題、解決問題的模式和過程，復制到電腦（如CAX、MES）或機載電腦（如PLC、DCS、SCADA）中的軟件和算法中去。筆者在參撰的《機·智：從數(shù)字化車間走向智能制造》《鑄魂：軟件定義制造》這兩本書中都做了預測和闡述。在《機·智》中預測：“出現(xiàn)大規(guī)模的'勞動力轉型'，即人體、人腦離開系統(tǒng)回路，基于'人智'的數(shù)字化勞動力（智能機器）大規(guī)模登場，真正實現(xiàn)機器換人，以泛在聯(lián)接、自主自治的智能機器來拉動經(jīng)濟的徹底轉型。”在《鑄魂》中寫到：“通俗地說，所謂智能制造就是一個'人智變機智'的過程——即把人的智能（簡稱'人智'）以顯性知識的形式提煉出來，進行模型化、算法化處理，再把各種模型化（機理模型、數(shù)據(jù)分析模型等）的知識嵌入軟件，軟件嵌入芯片，芯片嵌入某個數(shù)字裝置/模塊，再把該數(shù)字裝置/模塊嵌入到物理設備中，由此而賦予機器一定的自主能力，讓機器具有一定程度的'智能'（簡稱'機智'），我們將這個過程稱為'賦能'。”人造系統(tǒng)的智能由人賦予和掌控，源頭是人智，形式是知識，載體是軟件和芯片，作用是讓人造系統(tǒng)按照人的意愿實現(xiàn)更高水平的智能（控制）行為。2.2無價“人智”超越時空永存數(shù)字孿生是一個含義廣泛的概念。不僅把物理實體的形、態(tài)、演變規(guī)律和內(nèi)涵映射到數(shù)字空間，同樣的操作也可以用于意識人體，即將人腦中的“碳基知識”，映射/轉變?yōu)閿?shù)字空間的“硅基知識”，把人的思考過程映射/轉變?yōu)閿?shù)字過程，把世間萬物之間的概念互聯(lián)關系映射為數(shù)字互聯(lián)關系，把“人智”映射/轉變?yōu)椤皺C智”。在上述至關重要的數(shù)字映射過程中，產(chǎn)生了兩個意義深遠的產(chǎn)品——包含“人智”的工業(yè)軟件，因為嵌入了包含“人智”的工業(yè)軟件而具備了“機智”的智能機器。人類的智慧、智力思考方式、智能原理、訣竅和最佳數(shù)據(jù)等，以模型、算法和推理機制等知識形式，映射/轉換到工業(yè)軟件和包含工業(yè)軟件的機器中，完成了人類歷史上最偉大的事業(yè)——在數(shù)字空間永久保存人類各種智力成果，讓人類智慧超越生命周期、超越時代而獲得永生。對于這一點，工信部原副部長楊學山教授在為《機·智》所作序中寫到：“生物智能基于遺傳基因而延續(xù)，人類智能的各種產(chǎn)物和成果基于各種工具和記錄的信息而傳承。智能時代的傳承和延續(xù)，與生物智能和人類智能的結晶相比有何特征？如果超越產(chǎn)品的生命周期，這個特征就是數(shù)字孿生，數(shù)字孿生是智能時代智能的遺傳基因。顯然，數(shù)字孿生是可以跨越產(chǎn)品的生命周期的?！惫P者認為，在數(shù)字孿生技術的高級階段：更高水平的數(shù)字技術徹底穿透數(shù)、物兩界，生成豐富的、無處不在的虛擬數(shù)字制造資源（產(chǎn)品、人、機、料、法、環(huán)、測），并隨時把它們疊加到現(xiàn)實的工業(yè)場景中，數(shù)字虛體機器與物理實體機器相互配合運轉，數(shù)字虛體人配合人類同時觀察和監(jiān)控虛、實兩種機器，數(shù)字虛體物料與實體物料同時與虛、實兩種機器交互作用等，可以發(fā)展和想象的空間無比巨大。數(shù)據(jù)無處不在，知識無處不在，人智無處不在，機智無處不在，虛實交互融合無處不在。其實這些內(nèi)涵已經(jīng)完全包含了當前社會熱議的“元宇宙”概念。3第二范式：“機智”群自治3.1智能機器群體越來越龐大智能機器是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的一個極其重要的組成部分。在英文中，諸如SmartMachine、IntelligentMachine、BrilliantMachine這幾個詞組都有“智能機器”的意思；智能機器包括但是并不限于傳統(tǒng)的物理實體機器的智能化，也包括諸如軟件機器人這樣的軟件系統(tǒng)；數(shù)字勞力“DigitalLabor”經(jīng)過轉譯之后，也帶有一定的“智能機器”的含義；在GE公司給出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定義中，將軟件定義的機器視為智能機器。在《三體智能革命》書中給出了智能系統(tǒng)的五個基本特征：“狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行、學習提升”，這是對智能系統(tǒng)進行普適性判斷的“20字箴言”。符合前四個特征是恒定智能系統(tǒng)，符合第五個特征則是具有學習能力的開放式智能系統(tǒng)。伴隨著數(shù)字化ICT技術與工業(yè)實體的不斷融合，符合上述五個基本特征的機器設備越來越多。智能機器的另外一個顯著特征是彼此聯(lián)網(wǎng)，在“工業(yè)4.0”定義中，機器要像社交網(wǎng)絡終端一樣，彼此之間會相互傳輸數(shù)據(jù)、溝通信息、分享知識、報告現(xiàn)狀。海量智能節(jié)點的聯(lián)接，如同大腦神經(jīng)元的聯(lián)接一樣，讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)展現(xiàn)出更多的智能屬性，如人離開系統(tǒng)回路、機器自主運行、機器引導機器（M2M或MxM）及超大范圍與尺度的“陸、海、空、天、賽”五域終端智能協(xié)同等。3.2多種“M2M”技術共存以“機器引導機器”為例，闡述如下?！叭嗽诨芈贰钡摹坝腥藱C器引導無人機”。例如，美國一家創(chuàng)業(yè)公司Peloton做了一個L4級的“自動列隊跟馳”系統(tǒng)，可以有效地讓一個人同時駕駛兩輛卡車，前車是有人駕駛卡車，后面跟隨無人駕駛卡車，形成了“有人車引導無人車”的智能模式，顯著降低油耗?！叭穗x開回路”的“智能機器引導智能機器”。當無人機技術發(fā)展到高度智能狀態(tài)時，由“數(shù)字智能駕駛員”來替代人駕駛飛機，目前已有的“有人機+無人機”編組方案，將進化成為“智能無人機+半智能無人機”編組方案，智能無人機替代原來的有人駕駛飛機成為空戰(zhàn)主導。當所有無人機都在技術上進化到智能無人機時，智能無人機群的整體作戰(zhàn)能力將會有飛躍式提升，因為這種智能無人機群不存在中心控制，完全是對等的分布式控制，可以利用“涌現(xiàn)”的場景，隨時自主指定任何一架智能無人機來擔任整個無人機群指揮者，形成強大的群體智能。4第三范式：“機智”哺“人智”4.1智能軟件輔助人思考決策工業(yè)軟件是一種工業(yè)化的頂級產(chǎn)物，如容器一般盛裝了包括但是并不限于工業(yè)知識的一個集大成的知識體系。這些裝進容器的各種知識，不僅盡量趨于體系化和完整化，而且還會在工業(yè)軟件這個知識大熔爐、工具魔法器里，在人機交互使用軟件的過程中，不斷發(fā)生知識的交叉與融合、解構與重構，既發(fā)生物理反應，也發(fā)生化學反應，在原有存量知識的基礎上，生成增量知識，持續(xù)豐富、補充著容器的知識體系。筆者把人機交互使用軟件的過程，稱作“集智應用”。集智的意思是，在工業(yè)軟件這個超級容器中，集中了海量的前人智慧。當用戶進入軟件使用界面時，用戶始終不是獨自一人在使用軟件，而是如同有千千萬萬個數(shù)理化先賢、領域專家、行業(yè)翹楚和專業(yè)能人站在他的身后，在每一次點擊菜單、每一次模型計算、每一次控制指令傳輸中，都在出手扶助、指點迷津、啟智開慧。人類智能最好的容身場所是軟件，而軟件的最佳作用是像“軟件機器人”一樣，以“機智”反哺“人智”。4.2智能裝置助人成專業(yè)高手投籃百發(fā)百中是所有打籃球人的心愿。但是誰也不能真正做到百發(fā)百中。即使是經(jīng)過刻苦訓練的美國職業(yè)籃球運動員，在比賽中最好成績也只能達到67%投中率。美國3D打印技術開發(fā)商和制造商福姆實驗室首席工程師謝恩·威頓的想法是，研制一個智能籃板，只要投籃者能把球砸到籃板上，就能做到“百發(fā)百中”。智能籃板的機電結構如圖1所示。圖1智能籃板的機電結構他設計的智能籃板是多軸動態(tài)運動的，即籃板固定在萬向節(jié)上，可以前后伸縮、上下和左右擺動。而且，這個籃板必須具有自主觀察能力和思考能力，它知道籃球的出手角度、飛行軌跡以及即將碰到籃板的時間，然后快速分析計算出籃板該以什么樣的策略來反彈這個球，并給籃板發(fā)出最佳動作指令，確保籃球入筐。由于從籃球出手到碰籃板只有約600ms，因此對于這款智能籃板來說，設計要點在于：計算時間盡量短，結果盡量準確，籃板盡可能輕，動作盡快完成。前面提到的描述智能系統(tǒng)的“20字箴言”適用于該場景。1）狀態(tài)感知：使用微軟為XBOX360制造的3D體感相機Kinect作為高靈敏度傳感器，它可以精準地跟蹤目標，并提供帶有視頻輸入的軟件，其中包含深度信息，并且可以指示目標和相機之間的三維坐標。2）實時分析：寫了控制籃板動作的專用軟件程序，并利用Kinect傳感器提供的三維坐標數(shù)據(jù)作為計算籃球時空位置和狀態(tài)的依據(jù)。3）自主決策：通過分析計算，在實時數(shù)據(jù)的支持下，做出籃板動作決策。4）精準執(zhí)行：給籃板的控制器發(fā)出最佳動作指令，指示致動器精準動作，讓籃板瞬間旋轉到位，反彈籃球入筐。5）學習提升：如果打算持續(xù)改進智能籃板，較好方式是在籃板不斷反彈籃球入筐的過程中，積累大數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，找到更好的改進方向，不斷優(yōu)化智能籃板這個“機智”系統(tǒng)，讓每一個出手投籃的人，都成為百發(fā)百中的投籃高手?；诖朔妒?，未來智能設備可以助力普通人成為專業(yè)高手。5第四范式：雙智共融惠人人智和機智之間，盡管早期存在著“人智”轉“機智”的初始規(guī)律，但二者相對來說還是在各自獨立發(fā)展，交集極少。但是自從新一代信息通信技術與工業(yè)實體交匯融合之后，人智和機智已經(jīng)開始逐漸交匯和融合，原本清晰的邊界開始變得模糊?！度w智能革命》書中前瞻性展望：“自然物理實體，孕育意識人體，打造數(shù)字虛體。三體交匯，認知互動，協(xié)同發(fā)展，共軛進化。三體交匯的中心就是智能。三個界面不斷模糊邊界并且擴大范圍，最終界面消失，歸為一統(tǒng)?！痹跉W盟要發(fā)布“工業(yè)5.0”文件中寫到，“工業(yè)5.0的以下特點得到了特別強調(diào)：將人類和技術技能的優(yōu)勢結合起來，使工業(yè)和工業(yè)人互惠互利，不全、更令人滿意、更符合人體工程學，在這種環(huán)境中，人類可以利用自己的創(chuàng)造力解決問題，扮演新角色，提高技能。”[6]

日本也提出了應對老齡社會的“社會5.0”戰(zhàn)略，核心思想是讓人與界面友好、善解人意的服務機器人共生共融，細分需求，定制服務，改善生活品質，預測潛在需求，消除由于地區(qū)和年齡等造成的服務差異。技術路線是聯(lián)網(wǎng)并協(xié)調(diào)不同領域的獨立系統(tǒng)，以群智的方式提高自律化和自動化