当前,云计算、大数据、移动互联网、物联网、人工智能、5G等新一代电子信息技术与制造业深度融合,极大促进着制造业的智能化升级,正在发生着以智能制造为代表的第四次工业革命,即全面智能化的工业4.0时代。与以往三次工业革命不同的是,工业4.0将从根本上改变生产范式和生产方式以及生活方式,推动生产制造由传统“被动型”向“主动型”转变,在节约生产管理成本的同时,也大大提升了企业生产效益,给国民经济带来积极影响。
智能制造是工业4.0的核心与灵魂,顾名思义就是为传统的制造赋予智能,这里的智能就是指“人工智能”。其本质是以数据的深度应用为主要特征,以新一代信息技术与先进制造技术的深度融合为实现方式,贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节,具备自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的生产方式。2016年5月17日,时任中国工程院院长周济亲自主持了“三体智能革命”的相关研讨会,并给出了智能制造的16字箴言:“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”。在这16字箴言中,人工智能技术无处不在。可以说人工智能是开启智能制造的密匙,决定着智能制造的智能化程度和成熟度。
开启智能制造的第一步是将制造数字化。这一过程往往需要部署大量的传感器来做状态感知的工作,从设计、原材料采购、生产、管理、销售、售后服务等各个方面,采集大量工业大数据,对整个工业制造形成闭环监测。所有监测数据通过工业互联网和物联网传递到云平台,进行数据整合。在这一过程中,以阿里云、华为云、百度云等为代表的云平台不仅为智能制造提供了强有力的数据存储和安全保障,也为智能制造提供了智慧数据融合、智慧特征提取、智能关联挖掘等人工智能技术支撑。
开启智能制造的第二步是将制造网络化。这一过程往往需要部署大量的无线通信设备,与第一步中的传感设备协同,实现对整个制造环节的实时动态监测,并依据智能化决策反馈,对生产制造的各个环节进行联动控制和动态调整。在这一过程中,以华为为代表的5G通信芯片研发商等、海康威视为代表的监控设备制造商等,为智能制造提供了可靠的网络硬件支撑,确保了整个工业物联网的可靠稳定运行。
开启智能制造的第三步是制造的智能化。这一过程是人工智能技术的集中体现,也是智能制造中最核心最关键的环节。其主要采用人工智能技术对制造数字化环节中智能感知的大数据进行智能分析,从而对生产制造中各个环节进行联动决策,进而结合制造网络化环节中的实时通信,实现对生产制造各个环节的实时控制和策略调整。在这一环节中,以华为昇思(MindSpore)、百度飞桨、旷视天元(MegEngine)、TensorFlow、Pytorch等为代表的深度学习框架为智能制造提供了算法实现平台,以国内首个深度学习处理器芯片“寒武纪”、华为昇腾、图形处理器(GPU)、张量处理器(TPU)、可编程门阵列(FPGA)异构计算芯片等为代表的智能芯片为智能制造提供了计算硬件支撑,以位于广州中山大学的天河二号超级计算机和中国自主研发的神威·太湖之光超级计算机等为代表的超级计算机为智能制造提供了强大的算力支撑。
在工业4.0时代,智能制造已经成为各国竞争的战略高地。因此,世界各制造强国为保持本国制造业的先进性,纷纷出台政策引导智能制造相关理论和技术的研究。
习近平总书记指出:“要以智能制造为主攻方向推动产业技术变革和优化升级,推动制造业产业模式和企业形态根本性转变,以‘鼎新’带动‘革故’,以增量带动存量,促进我国产业迈向全球价值链中高端。”2015年5月,国务院正式印发《中国制造2025》,部署全面推进实施制造强国战略。2017年,国务院颁布了《新一代人工智能发展规划》,旨在抢抓人工智能发展的重大战略机遇,构筑我国人工智能发展的先发优势,加速推进智能制造建设,加快建设创新型国家和世界科技强国。2018年,教育部研究制定《高等学校引领人工智能创新行动计划》,率先设立人工智能本科专业。2021年颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确指出,以人工智能为代表的新一代信息技术,将成为我国“十四五”期间推动经济高质量发展、建设创新型国家,实现新型工业化、信息化、城镇化和农业现代化的重要技术保障和核心驱动力之一。
在国家和各级政府的支持和推动下,我国智能制造已经取得快速发展,逐步从初期的理念普及、试点示范阶段,进入试点示范引领、供需两端发力、多方协同推进的新阶段,由早期的侧重于物理系统的感知与集成,开始与信息系统进行深度融合,并进一步与社会系统进行融合。通过不断融入更多的制造资源、信息资源和社会资源,以及不断深入推进数字化转型、大力实施智能制造工程、开展工业互联网创新发展行动,制造业重点领域的智能化水平不断提升,并催生出预测制造、主动制造等数据驱动的制造新模式,使制造模式从单一化走向多元化,制造系统从数字化走向智能化。智能制造已成为推动我国制造业高质量发展的强劲动力。
我们也要清醒地认识到,目前我国智能制造的发展仍然面临着诸多“卡脖子”问题。简单来说就是“缺芯少魂”,其中智能芯片是“芯”,工业软件是“魂”。目前,美国芯片设计公司英伟达被美国政府要求限制向中国出口用于加速人工智能任务的最新两代旗舰GPU计算芯片A100和H100;同时,美国政府也要求相关企业对中国禁售高端光刻机、向华为公司施加“芯片禁令”、组织“芯片四方联盟”围堵中国,并签署《芯片与科学法案》,明确将包括中国在内的多个国家整体列为限制投资和出售特定类型技术与服务的对象。此外,美国商务部工业安全署还出台了一份针对关键技术和相关产品的出口管制框架,涉及AI技术、AI芯片、机器人、量子计算等几项正在蓬勃发展的核心前沿技术,并清晰罗列了包括人工智能在内的14类新兴技术的限制技术出口清单。
面对这些围堵和管制,为有序加快我国智能制造的发展,掌握自主知识产权,我国已经启动并制定了各项引导政策,加大了基础研究财政投入力度,制定并实施了战略性科学计划和科学工程,集中优势资源攻关关键核心技术。可以预见的是,未来国产化的人工智能芯片、人工智能算法框架、高度智能化的工业集成软件与平台,将越来越多、越来越成熟、越来越多元化,进而推动我国由“制造大国”到“制造强国”再到“智造强国”的转变,助力中国制造业长远发展。
(作者系南京信息工程大学人工智能学院副教授)
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