习主席在十九大报告中讲加快建设制造强国，加快发展先进制造业。但是发展制造业一定会对国家的资源和环境造成重大的影响。如何既要绿水青山，又要金山银山呢?这是一个世界性难题。
未来的生产模式
如何破解呢?首先我们一起思考：未来的产品的生产模式是什么。应该分为三种：原来传统的单件大批量，后来的多件小批量，再到单件个性化的定制。当然个性化的定制是最困难的。
图1：未来三种生产模式
我认为在今后几十年内三种生产方式并存，单件定制重点是解决不确定性，尤其是复杂产品的不确定性，个性化订制解决了，多件和大批量生产方式都简单了。如何解决个性化订制：简单说就是用软件来解决复杂产品的不确定性问题。这就是智能制造的思维逻辑。
这就和美国国防部2011年提出的AVM(航空航天运载器自适应制造)计划异曲同工。AVM计划源自对卫星产业的思考。一年发射100颗火箭已经不得了了。每个卫星都不一样。北斗卫星发完之后每个都在修改，北斗36颗卫星是最多卫星的定位与导航系统。相比而言，一个车企一年生产几百万辆汽车，飞机生产几百架。因此，航天个性化程度很高，难以形成产业。
每个卫星不一样，如何解决快速生产和经济性问题?美国国防部推出AVM计划，就是考虑“只换软件不换硬装备”，也就是同一条生产线从设计研发到工艺到制造生产，可以用不换生产线设备和工装夹具，只换软件的方法来解决不同产品的制造问题。这是一个非常具有挑战性的难题。
智能制造提出的挑战
广义而论，智能制造是一个大概念，是先进制造技术与先进信息技术的深度融合，也是一个不断演进的过程和大系统。工程院提出来三个范式：第一个是数字化，数字化+网络化纳入第二代智能制造，新一代智能制造则是数字化、网络化、智能化。
图2：工程院的智能制造三个范式
这里有一个重要的概念就是CPS (Cyber-Physical-Systems)。Cyber不是信息，Cyber可以翻译成赛博，可以翻译成智能，但是翻译成“信息”却不太准确。美国人2006年定义的CPS中，赛博是一个虚拟空间，是一个数字虚体。但是，赛博由谁定义呢?只能由人定义。有了智能的意识人体，创建了数学和物理方法、化学方法，发明了电脑，开发了软件，才可以把物理实体建模建成数字虚体。
既然是范式变化，智能制造势必会带来重大挑战，促使既有模式的重大转变。这需要首先了解传统的产品研制的四阶段。
第一步是方案阶段，从产品策划、需求分析到方案设计，方案设计阶段一定是做了多种方案，再评价、优选、确认出来一种进入工程研制阶段。
图3：设计制造四个阶段
进入第二个阶段的工程研制。就是初步设计、详细设计、试制、实验测试，反复迭代;直至完成设计定型和生产定型。然后进入第三个阶段，就是开始批产和批量交付;交付完之后进入第四个阶段：运行维护维修和回收报废。
这是传统的产品研制流程。那么面向未来的制造，未来产品研发的四个阶段会不会变化?如果采用全新的数字化、网络化、智能化研制方式，不变的智能要素是什么，变化的智能要素是什么，这些要素如何变化，都成为关键要思考的。
设计、制造、试验，一直被认为是制造业三大关键技术。
图4：制造三大技术
但在赛博世界中要怎么办呢?那就需要数字模型一通到底，单一数据模型一直走到底，从方案论证模型、数字模型、初步设计，后面全要用，工艺制造全要用，到实验全要用。这个阶段被全部打通了，打通之后带来的智能要素哪些要转变?这是整个生产组织结构的变化。
图5：Cyber空间的引入
在赛博空间中做反复的虚拟迭代设计，在CYBER空间中完成产品方案、产品设计、工艺、装配、试验等工作，不仅内部多作业、多学科迭代复杂，外部迭代更复杂、更多。拿国内某飞机的研制为例，有900多家直接参研单位，配套单位数千家，直接参加结构研制的企业就有将近200家。在整个赛博空间工作的工程师估计会超过四万人。这就是非常复杂的协同制造。在这个过程中，在虚拟空间中，完成设计、仿真、工艺、制造、试验，反复迭代来不断发现问题，解决问题。
没有问题后，首先映射到生产过程中，过去是手工生产线，现在要建成数字化生产线，未来还要建成智能化生产线。这一切都是从赛博空间到物理空间的映射结果。
图6： 设计与制造的映射
当然。也要映射到试验过程中去。这个映射关系也非常重要。传统的实验过程，过去是每件必试;今天有了虚拟的原型，可以做大量的CAE仿真分析(CAE软件在全球可能有成千甚至上万个，结构的静力、动力、强度、疲劳、光学分析、声学分析、震动分析、电磁场等的复杂计算分析，都可以做仿真)。
传统制造模式中，每个都要做实验的;而现在进行验证型的实验，将会减少很多。整个飞机研制进度和研制质量，都会有质的提高。
智能制造的五个分工
智能制造新技术新要素，出现很多新的内容，主要体现在五个不同的分工。
图7：智能要素的五分工
第一个人机分工。既有机器也有电脑，智能化的机器，这个人类和机器的分工始终在演进和变化。
第二个虚实分工。就是CPS，哪些是虚的(CYBER空间)，哪些必须实体验证(物理空间)的，这个也是动态演进的过程。
第三个黑白分工，黑是指的复合材料，橡胶、编制材料等，白指的传统材料如金属，而未来的黑材料可能会用的越来越多，而且环保价格低。
第四个加减分工，也就是增材制造和减材制造。
最后一个制服分工，智能制造的一个重要概念，有些企业是从生产型企业转型为生产服务型企业;而另外一些企业是从服务型企业转型为生产服务型企业，制造和服务动态调整的分工怎么调整，也一个是动态演进的过程。
未来15年后的先进制造业是什么?可以看成是“时空人机一体化”：不分时间，不分空间，不管什么人和设备都能干出来，对人的要求和设备要求低了。不管任何时间，空间不论在火星还是月球、太空飞船上还是深海的潜艇上都可以制造出来。也是动态演进的过程。
随时制造、随地制造，不随人和设备的制造，这个构成智能制造的需求。
图8：智能制造的核心
面向循环的制造
对中国的资源和环境而言，还有一个很重要的问题，在智能制造的大背景下，绿色设计、绿色制造该怎么做?
创新从设计开始，不妨可以借鉴既有的面向制造的设计(DFM)、面向装配设计(DFA)，提出一个面向循环制造生产设计DFR(DESIGN FOR RECYCLE)。
图9：面向循环的制造
数字化产品研制的绿色生产循环系统，从需求产品策划到方案设计、试验、试制、批产、交互、运行维护，比如说造电动汽车，中国制造电动汽车，几种底盘、几种模板，要报废的拆开之后，有些是报废的，有些回收再生产，可以继续进入生产环节。这样，报废的汽车、报废的自行车，都可以提前进入可回收的系统规划中。以后的生产，可以变成一个绿色的生产再循环系统。
实际上，世界已经行动起来。福特的孙子在2012年决定投资20亿美元，重塑福特时代经典的胭脂河旧工厂的时候，就雇佣了最为顶级的生态设计概念的建筑师，建立了面向友好环境的工厂。而西门子在2015年4月，跟ThinkStep合作，实现了材料全生命周期的管理，目的就是简化材料驱动的产品设计过程;能够把设计、工程、分析、合规和制造连接到一个单一的材料信息源，从而帮助提升产品性能和可靠性。在2017年底，Epson的办公用纸循环机已经开始运转起来，送进废纸，吐出新纸。
可循环的制造对中国，是一个巨大的机遇。如果能将这个循环系统和赛博这种研发体系关联起来，那么，就可以建立中国的自主的制造业的绿色生态系统。
本文转自公众号：知识自动化
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