智能制造的本质

本书对智能制造的定义进行了分级解读。制造是工业体系，隶属于自然科学领域；智能是人类的特有属性，隶属于社会科学领域。理解智能制造的本质，首先要解剖这四个字。“造”仅仅是生产的概念；“制”则含有系统的思想，也是制度、标准、规范、方法；制造不同于生产。制造包含了产品策划、概念设计、方案设计、产品设计、试制、试验、批生产、交付及交付后的运营、维护维修，以及管理和决策的方方面面，制造包含生产。人工智能是把人类已经拥有的、常年积累的算法、方法和知识，转变成软件和模型，由计算机执行的过程。人类通过工业革命积累了大量有关产品研制的设计知识、工艺知识、生产知识、设备维修知识、管理和决策知识等，而且这些知识经过反复验证被证明是成熟的。人类把这些知识转变成工业软件和数字化的产品模型，这些软件和模型在计算机上的执行，实现了对数字产品和物理产品更好的控制，对制造资源更优化的配置，形成了全新的产业形态，这就是智能制造的本质。

宁振波

研究员，中国航空工业集团信息技术中心原首席顾问，工信部首批两化融合专家，国家复杂产品智能制造重点实验室学术委员会委员，曾任航空工业西安飞机设计研究所研究室主任、航空工业301研究所副总工程师、金航数码科技有限责任公司副总经理、西北工业大学兼职教授，2019年出任中国船舶独立董事。

多年来担任多个行业和企事业单位外聘专家，参与CCTV多个工业制造的电视片制作专访栏目。参加多型飞机研制，多次获科技进步奖，荣立多级别的一、二、三等功十余次。

2002年参与飞机制造业数字化工程并编制八册数百万字系列丛书。近15年来，发表有关制造业数字化设计、制造、试验、管理以及智能制造的学论文数百篇，被国家图书馆收录多篇。2017年参与编写中国工程院周济院长主持的《中国智能制造发展战略研究》。著作有：《三体智能革命》（2016年）、《智能制造术语解读》（2018年）、《铸·魂：软件定义制造》（2020年）。2004年获国家科技进步二等奖，2019年12月12日在人民大会堂获“2019第15届光华龙腾奖·中国设计贡献奖金质奖章—新中国成立70年·中国设计70人”。

软件化的工业技术

软件定义的生产体系

生产关系的优化和重构

从源头到本质、从方法到实践系统论述智能制造的本质

中国工程院院士、华中科技大学原校长李培根；中国科学院院士、生物物理研究所研究员陈润生；中国工程院院士、中国航天科工集团科技委委员刘永才；中国船舶集团有限公司总经理杨金成；中国工程院制造业研究室主任、国家制造强国战略咨询委员会委员屈贤明；华为公司董事、首席信息官陶景文；中国工程院战略咨询中心制造业研究室外聘专家、国家智能制造标准化专家咨询组副组长董景辰；清华大学软件学院院长、教授王建民；哈尔滨工程大学党委副书记、教授夏桂华；一汽解放集团股份有限公司董事长胡汉杰；中国航空研究院科技委主任孙侠生；北京联讯动力咨询公司总经理林雪萍倾情推荐

工业革命是人类永远的话题。作为一个飞机设计工程师，我对工业和制造业有着常人难以想象的关心和热爱。近几年我发现了一本好书，这本书就是2017 年上海社会科学院出版社出版的《拼实业：美国是怎样赢得二战的》，作者是美国的阿瑟·赫尔曼。这本书的内容让我极受感动，因此我也推荐给了很多关心工业和制造业的好朋友，得到了一致的好评。这里我把这本书前言中的部分内容和大家共享：“这本书是有关第二次世界大战中那些被遗忘的美国英雄们的故事，在战争之中，这些英雄们并没有身穿军装，他们身上穿戴的是职业正装，是粗布工作服和法兰绒上衣，是眼镜和阔边高顶毡帽，是小礼帽和安全帽，是白大褂，是电焊皮手套，是带有图案的头巾。”

“他们是美国的工业界人士、工程师、生产经理和产业工人，这些平凡的男男女女，装备了有史以来最令人敬畏的战争机器。这样一支产业联军武装了同盟国的军队，击败了轴心国的大军。生产了8.6 万辆坦克、250 万辆卡车和50 万辆吉普车、28.6 万架军用飞机、8.8 万艘海军舰艇、5600 条商船、4.34 亿吨钢铁、260 万挺机枪和410 亿枚各式炮弹子弹；当然还包含了原子弹。”“许多人为此付出了极为沉重的代价。在涉及战争方面的产业就业的美国工人伤亡很大，其数字是同时期美国军方人士伤亡数字的20 倍。为保证美国赢得战争的最后胜利，仅通用汽车公司一家企业就有189 名高管在战争期间以身殉职。”工业和制造业是国家命脉，“工业强则国家强”是人类的共识。

第一次工业革命发生在18世纪的英国，英国发明了蒸汽机，经过不断的改进完善，加上珍妮纺纱机，奠定了第一次工业革命的机器基础，以此带动西欧国家进入了工业革命时代。随着欧洲大量人口移民北美，美洲大陆的开发拓展以及欧洲和北美的交通需求促成了第二次工业革命。这一次工业革命发生在美国，是以电力革命为代表的。第三次工业革命也发生在美国，是以计算机为代表的一系列的技术如航空、航天、核工业、生物医学、激光等技术进步为标志的。这些多学科的学术、多门类的技术进步，引领并持续带动人类踏入了新一代的工业革命的大门。第二次世界大战后，随着日本、韩国工业和制造业崛起，中国自1978 年改革开放、2001 年加入世贸组织后，2010 年工业增加值超越美国，成为世界第一制造大国。随着中国的崛起，继西欧、北美之后，东亚成为世界工业化和制造业大发展的第三极。

2021 年3 月1 日，在国务院新闻办公室举办的新闻发布会上，工业和信息化部部长肖亚庆称：“回顾过去5 年，中国工业增加值由23.5 万亿元增加到31.3 万亿元，我国连续11 年成为世界最大的制造业国家。制造业的占比比重对世界制造业贡献的比重接近30%。”

中国工业和制造业的快速发展，逐步形成了全球的三大工业区：西欧、北美、东亚。有意思的是这三大工业区都处于地球上的北温带。近十多年的数据表明，工业化国家也面临着极大的挑战：工业国家人口持续的老龄化；制造业持续的创新和技术进步，带来了难以消化的产能过剩；加速融合的全球化也促进了竞争加剧；各工业化国家普遍面临经济增长乏力的困境。这一切都亟待新一代创新和技术革命加以解决。不约而同地，全球都把眼光盯在了数字化转型这个大方向上来，德国于2013年在汉诺威工业博览会上发布的“工业4.0”、美国的“工业互联网”、中国于2015年提出的“中国制造2025”等国家级工业体系转型升级规划都是为了解决以上难题提出的解决方案，这就是数字化转型的“为什么”。

数字化转型“是什么”？2016年9月出版的《三体智能革命》一书中，作者群体在世界上第一次明确提出了“物理实体、意识人体、数字虚体”的概念以及内涵解读，2017年中国工程院《智能制造发展战略研究》中提出“从智能制造的二元论CPS走向智能制造三元论HCPS”，也把人类创造的“数字虚体”作为重要的研究对象。我们认为：数字化转型不是简单地把电子计算机技术和工业软件应用到传统的工业管理模式和产品研发体系中，严格地说它应该是一场彻头彻尾的革命。

为了说清楚这个问题，我们以网约车打车为例：过去我们出行，站在路边等候出租汽车，一直等到有空车驶过我们身边才可以上车，然后告诉出租车司机目的地的地址。现在整个游戏规则变了，打车者要在自己的手机上进入打车App，确定上车地点、到达地点，发出呼叫，附近的空车得到指令，司机师傅就会赶到叫车的地点接指定的客人。如果别人在路上拦这辆车，是不可能成功的。实际上这就是数字化转型的典型案例。以前，出租车公司也会用计算机和软件来实现人事管理、财务管理、车辆管理、维修管理等各项事务性工作，但那些仅仅是计算机技术的简单应用而已。

作为数字化转型的体现，网约车打车实际上是我们人类重新构建的一个基于计算机和通信技术、软件技术、AI技术的虚拟数字空间，所有车辆、司机、顾客都在这个数字空间的控制下运行。从这个案例我们可以看到：系统性的数字虚拟空间建设才是数字化转型的核心。

回到我们制造业，数字化转型“转什么”？我们就是要构建一个虚拟的数字空间，具体来说对离散制造业就是构造完整的数字样机（DMU），以此来指导我们的产品设计、工艺设计、生产制造、试验测试、质量检测、维护维修等复杂过程，支撑企业管理和决策。以此提升我们的产品质量、降低研制成本、缩短产品研制周期。这已经为众多的成功案例所证明。

对制造业来说，数字化转型该“怎么转”？笔者认为：要针对企业的主价值链下手，从产品策划、产品研发、工艺、生产制造、产品交付、市场销售、客户服务等做起，当然这也是最难的，有了企业的主价值链上的准确的数据、完整的数据、实时的数据，管理和决策就容易了。很多企业往往感到非常困难，喜欢绕道走，先做数字化管理和决策支持等，这就会进入误区，很多失败案例已经证明，这里不做细节描述。

工业和制造业企业数字化程度越高，工业软件集成度越高（当然应用的工业软件数量越大、用的面越广），这家企业离智能化就越近。实现了数字化转型的企业，实现智能制造就是临门一脚的事情。因此，本书起名为《智能制造的本质》，其核心就是产品本身的智能化、产品系统结构定义的数字化、产品研制生产过程的数字化，以及庞大的零部件供应链的网络化。因此，《智能制造的本质》就是高水平数字化技术的大规模应用。

我们中华民族在世界人类历史上和工业革命从来没有如此之近，并深深参与且融入全球第四次工业革命中，这是我们中华儿女近几十年拼搏和努力的结果。

笔者一生从事离散复杂产品设计制造工作，对流程行业了解不多，因此本书只对离散行业进行了重点阐述，而没有对流程行业进行描述。当然，制造业领域博大精深，即便是离散制造业，限于知识与阅历，笔者对离散制造业的认识也并不全面，不当之处，请各位读者多多指导。

是以为序。

中国航空工业集团公司信息技术中心原首席顾问

中国船舶独立董事

宁振波

2021 年6 月1 日

自 序

第一章 制造技术的发展、演化、进步和变革

第一节 秦始皇一统天下的秘密

第二节 蒸汽机：第一次工业革命的基础

第三节 电力和流水线：第二次工业革命的进步

第四节 计算机与核能：第三次工业革命的起飞

第五节 走向智能：第四次工业革命的曙光

第二章 智能制造的本质

第一节 什么是智能制造

第二节 智能制造的体系和架构

第三节 软件化的工业技术

第四节 软件定义的生产体系

第五节 生产关系的优化和重构

第三章 智能制造溯源之路

第一节 深入认识BOM和BOP

第二节 从数字化产品定义（DPD）开始

第三节 嵌入式软件是产品构成

第四节 复杂产品的解耦与重构

第五节 企业流程与持续优化

第四章 打好基础，落地生根

第一节 PLM：产品全寿命周期概览

第二节 数字化：从工程研制阶段开始

第三节 上甘岭：从数字样机到MBD

第四节 提性能：用数字仿真指导试验

第五节 制产品：企业的MBD 战略转型

第六节 保运行：从MBD到IETM再到MRO

第五章 理清概念，轻装前行

第一节 模型及其演变过程

第二节 从CPS（赛博物理系统）到HCPS

第三节 数字孪生的过去与未来

第四节 数字化主线串起制造产品的整个流程

第五节 “两化融合”“工业互联网”和“智能制造”

附录

飞机设计技术的发展和展望

飞机研发全寿命周期简述

飞机设计的发展历程

先进飞机设计技术的发展

结束语

专业术语表

后记

参考文献