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【科技】面向新一代智能制造的人-信息-物理系统(HCPS)

文章出处:人气:-发表时间:2019-11-08 10:31:00【

 

【科技】面向新一代智能制造的人-信息-物理系统(HCPS)

 

 

原创作者:周济 周艳红 王柏村等

 

1. 面向智能制造的 HCPS 的进化过程

 

 

 

2.1. 制造系统发展的第二阶段——基于 HCPS1.0 的数字化制造

 

20世纪中叶以后,随着制造业对于技术进步的强烈需求,以及计算机、通信和数字控制等信息化技术的发明和广泛应用,制造系统进入了数字化制造(digital manufacturing)时代,以数字化为标志的信息革命引领和推动了第三次工业革命

 

数字化制造可定义为第一代智能制造,故而面向数字化制造的HCPS可定义为HCPS1.0。与HPS相比,HCPS1.0通过集成人、信息系统物理系统的各自优势,其能力尤其是计算分析、精确控制以及感知能力等都得到极大的提高,其结果是:一方面,制造系统的自动化程度、工作效率、质量与稳定性以及解决复杂问题的能力等各方面均得以显著提升;另一方面,不仅操作人员的体力劳动强度进一步降低,更重要的是,人类的部分脑力劳动也可由信息系统完成,知识的传播利用以及传承效率都得以有效提高。

此外,从“机器”的角度看,信息系统的引入也使机器的内涵发生了本质变化,机器不再是传统的一元系统,而变成了由信息系统与物理系统构成的二元系统,即信息-物理系统,因此,第三次工业革命可以看作第二次机器革命的开始

 

2.3. 制造系统发展的第三阶段 —— 基于 HCPS1.5 的数字化网络化制造

 

最大的变化在于信息系统:互联网和云平台成为信息系统的重要组成部分,既连接信息系统各部分,又连接物理系统各部分,还连接人,是系统集成的工具;信息互通与协同集成优化成为了信息系统的重要内容。同时,HCPS1.5中的人已经延伸成为由网络连接起来的共同进行价值创造的群体,涉及企业内部、供应链、销售服务链和客户,使制造业的产业模式从以产品为中心向以客户为中心转变,产业形态从生产型制造向生产服务型制造转变。

 

 

2.4. 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,各国制造企业普遍面临着进一步提高质量、增加效率、快速响应市场的强烈需求,制造业亟需一场革命性的产业升级。从技术上讲,基于HCPS1.5的数字化网络化制造还难以克服制造业发展所面临的巨大瓶颈和困难。解决问题,迎接挑战,制造业对技术创新、智能升级提出了紧迫要求。

 

 

新一代人工智能技术与先进制造技术的深度融合,形成了新一代智能制造技术,成为了新一轮工业革命的核心驱动力。新一代智能制造的突破和广泛应用将重塑制造业的技术体系、生产模式、产业形态,以人工智能为标志的信息革命引领和推动着第四次工业革命。

 

 

 

 

3. 面向新一代智能制造的 HCPS2.0 的内涵

 

面向新一代智能制造的HCPS2.0既是一种新的制造范式,也是一种新的技术体系,是有效解决制造业转型升级各种问题的一种新的普适性方案,其内涵可以从系统和技术等视角进行描述。

 

3.1. 系统视角

 

面向新一代智能制造的HCPS2.0从总体上呈现出智能性、大系统和大集成等三大主要特征:

 

第一,智能性是面向新一代智能制造的HCPS2.0的最基本特征,即系统能不断自主学习与调整以使自身行为始终趋于最优。

 

第二,面向新一代智能制造的HCPS2.0是一个大系统,由智能产品、智能生产及智能服务三大功能系统以及智能制造云和工业互联网两大支撑系统集合而成[52,62,63]。其中,智能产品是主体,智能生产是主线,以智能服务为中心的产业模式变革是主题,工业互联网和智能制造云是支撑智能制造的基础。

 

第三,面向新一代智能制造的HCPS2.0呈现出前所未有的大集成特征企业内部研发、生产、销售、服务、管理过程等实现动态智能集成,即纵向集成;企业与企业之间基于工业互联网与智能云平台,实现集成、共享、协作和优化,即横向集成;制造业与金融业、上下游产业的深度融合形成服务型制造业和生产性服务业共同发展的新业态;智能制造与智能城市、智能交通、智能医疗、智能农业等交融集成,共同形成智能生态大系统——智能社会。

 

3.2. 技术视角

 

从技术本质看,面向新一代智能制造的HCPS2.0主要是通过新一代人工智能技术赋予信息系统强大的“智能”,从而带来三个重大技术进步:

 

第一,最关键的是,信息系统具有了解决不确定性、复杂性问题的能力,解决复杂问题的方法从“强调因果关系”的传统模式向“强调关联关系”的创新模式转变,进而向“关联关系”和“因果关系”深度融合的先进模式发展,从根本上提高制造系统建模的能力,有效实现制造系统的优化.

 

第二,最重要的是,信息系统拥有了学习与认知能力,具备了生成知识并更好地运用知识的能力,使制造知识的产生、利用、传承和积累效率均发生革命性变化,显著提升知识作为核心要素的边际生产力

 

第三,形成人机混合增强智能,使人的智慧与机器智能的各自优势得以充分发挥并相互启发地增长,极大释放人类智慧的创新潜能,极大提升制造业的创新能力

 

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