HPS到HCPS，谈智能制造系统演进
2017年12月7日，在南京举办的“世界智能制造大会”上，中国工程院院长周济发表了题为《关于中国智能制造发展战略的思考》的报告，系统阐述了对我国智能制造发展的看法。报告中周济院士提到了一个观点，即随着智能制造战略的持续推进，传统制造过程中的人与物理系统之间的关系正在由人-物理系统（HPS）二元体系向人-信息-物理系统（HCPS）三元体系转变，该观点的提出引发了业界专家的普遍思考。
图1传统制造中“人-物理系统”体系
周济院长认为，传统制造主要包含人和物理系统两大部分，人通过对机器的控制实现人与机器之间的交互。机器通过接收人下达的各种指令完成生产工作。同时，人还要接收机器反馈的各种状态信息完成相关的感知、分析决策以及学习认知等工作，从而使人机系统形成完成的工作闭环。在传统制造过程中，物理系统主要是用来替代人类从事大量的体力劳动，降低对人的需求，并提升产品质量和生产效率。因此，传统制造系统就是一个人-物理系统（HPS）。
图2第一代和第二代智能制造体系
随着信息化的发展，企业逐渐将人从事的感知分析和决策工作中独立出来，用信息系统替代人来分析和决策，通过信息系统与物理系统的融合来实现对机器的控制，让信息系统替代人来完成更多更复杂的体力劳动。由此推动传统的人-物理系统向人-信息-物理系统的演变。周院士将这个过程称为第一代和第二代智能制造体系。这个体系涵盖了美国提出的CPS理论和西门子提出的数字双胞胎的概念。
图3新一代智能制造体系
当前，随着智能制造战略的持续深化应用，周济院长将新一代智能制造系统在第一代和第二代智能制造体系的基础上做了进一步的深化。最本质的特征就是它的信息系统发生重大变化，增加了认知和学习的功能。在上一代的信息系统当中主要只有感知、分析和决策和控制的功能，现在增加了一个新的功能，就是认知和学习功能，这个功能是从人开始赋予信息系统自主学习功能，让信息系统不仅具有强大的感知计算分析和控制能力，更加具备了学习提升和产生知识的能力。
业界专家普遍认为，在新一代智能制造系统中，人将部分学习型的脑力劳动转移给信息系统，让信息系统具有了"认知能力"，人和信息系统的关系发生了根本性的变化。在老第一代和第二代智能制造体系的当中，人和信息系统的关系是"授之以鱼"，而在新一代智能制造体系当中，人和信息系统的关系变成了"授之以渔"。
笔者认为，周济院长在报告中提出的HCPS体系，不但融入了国外提出的CPS理念，而且强调了人在智能制造中发挥着核心作用。在智能化系统中，只有将人的认知能力赋予机器，才能让整个系统具备智能。而在这一过程中需要经历从大数据向大知识体系转变，促进数据的体系化和知识的模型化，让机器具备自主知识学能力，通过建立模型实现自我学习能力的提升，甚至促进知识在机器与机器之间传播。当机器可以自动生产和传播知识之时，就能真正的实现“授之以渔”。未来，人类或许可以完全脱离生产活动，成为真正的智能创造者。
智能制造系统架构
智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能以一种高度柔性与集成不高的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动。
同时，收集、存贮、完善、共享、集成和发展人类专家的智能。特征：自组织能力；自律能力；自学习和自维护能力；整个制造环境中智能继承。
智能制造系统架构智能制造系统架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成，主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究。如图1所示。
图1智能制造系统架构
1、生命周期
生命周期是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。生命周期中各项活动相互关联、相互影响。不同行业的生命周期构成不尽相同。
2、系统层级
系统层级自下而上共五层，分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议（IP）化，以及网络的扁平化趋势。具体包括：
（1）设备层级包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别、机器、机械和装置等，是企业进行生产活动的物质技术基础；
（2）控制层级包括可编程逻辑控制器（PLC）、数据采集与监视控制系统（SCADA）、分布式控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等；
（3）车间层级实现面向工厂/车间的生产管理，包括制造执行系统（MES）等；
（4）企业层级实现面向企业的经营管理，包括企业资源计划系统（ERP）、产品生命周期管理（PLM）、供应链管理系统（SCM）和客户关系管理系统（CRM）等；
（5）协同层级由产业链上不同企业通过互联网络共享信息实现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等。
3、智能功能
智能功能包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态等五层。
（1）资源要素包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体，也包括电力、燃气等能源。此外，人员也可视为资源的一个组成部分。
（2）系统集成是指通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂，乃至智能制造系统的集成。
（3）互联互通是指通过有线、无线等通信技术，实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。
（4）信息融合是指在系统集成和通信的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现信息协同共享。
（5）新兴业态包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式。
4、示例解析
智能制造系统架构通过三个维度展示了智能制造的全貌。为更好的解读和理解系统架构，以可编程逻辑控制器（PLC）、工业机器人和工业互联网为例，分别从点、线、面三个方面诠释智能制造重点领域在系统架构中所处的位置及其相关标准。
（1）可编程逻辑控制器（PLC）
图2PLC在智能制造系统架构中的位置
PLC位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的控制层级，以及智能功能的系统集成，如图2所示。已发布的PLC标准主要包括：
GB/T15969.1可编程序控制器第1部分：通用信息应用和实现导则
IEC/TR61131-9可编程序控制器第9部分：小型传感器和执行器的单量数字通信接口（SDCI）
（2）工业机器人
图3工业机器人在智能制造系统架构中的位置
工业机器人位于智能制造系统架构生命周期的生产环节、系统层级的设备层级和控制层级，以及智能功能的资源要素，如图3所示。已发布的工业机器人标准主要包括：
GB/T19399-2003工业机器人编程和操作图形用户接口
GB/Z20869-2007工业机器人用于机器人的中间代码正在制定的工业机器人标准主要包括：
20120878-T-604机器人仿真开发环境接口
20112051-T-604开放式机器人控制器通讯接口规范
（３）工业互联网
图4工业互联网在智能制造系统架构中的位置
工业互联网位于智能制造系统架构生命周期的所有环节、系统层级的设备、控制、工厂、企业和协同五个层级，以及智能功能的互联互通。已发布的工业互联网标准主要包括：
GB/T20171-2006用于工业测量与控制系统的EPA系统结构与通信规范
GB/T26790.1-2011工业无线网络WIA规范第1部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范
GB/T25105-2014工业通信网络现场总线规范类型10:PROFINETIO规范
GB/T19760-2008CC-Link控制与通信网络规范
GB/T31230-2014工业以太网现场总线EtherCAT
GB/T19582-2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范
GB/Z26157-2010测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型2：ControlNet和EtherNet/IP规范
GB/T29910-2013工业通信网络现场总线规范类型20：HART规范GB/T27960-2011以太网POWERLINK通信行规规范
智能制造系统的特征一个智能制造系统具有什么样的特征才称得上智能制造？至少有五点：人机一体化，虚拟现实，具有自组织和超融性的能力，具有学习能力和自我维护能力，有自律的能力。下面我们来进行解读，什么叫自律能力？
一个机器，一个设备要能够自律，首先它一定要能够感知，感知和理解环境信息和自身信息，并进行分析和判断来规划自身的行为和能力。具有自律能力的设备称为智能机器，智能机器在一定程度上表现出独立性、自主性、个性，甚至相互之间能够协调、运行、竞争，要有自律的能力，能够感知环境的变化，能够跟随环境的变化自己作出决策来调整行动。要做到这一点，一定要有强有力的支持度和记忆支持的模型为基础，它才可能具有自律能力。
智能制造系统不单纯是一个人工智能系统，而是人机一体化的智能系统，它不仅有逻辑思维、形象思维，而且具有灵感。它能够独立地承担起分析、判断、决策的任务。人机一体化的智能系统，在智能机器的配合下能够更好的发挥出人的潜力，使人机之间表现出一种平等共事、互相理解、互相协作的关系。因此，在智能制造系统当中，高素质、高智能的人将发挥更好的作用。机器智能和人的智能能真正的集成在一起，相互配合、相得益彰，永远是人机一体化的。
最近一段时间以来，我国浙江、江苏、广东都提出了机器换人，由于劳动力紧张，招工困难，劳动力成本上升，他们提出了机器换人。政府拿出大量资金来补贴企业，如果你实施机器换人，政府补贴30%。这样做之后发现，引进一些装备机器人来之后会操作了，他要的人的素质完全变了。原来是普通劳动者，农民工经过训练就可以做了，机器人来之后，人反而不适应了。具有编程的人要让机器人为你服务，要维护机器人，人跟不上了。所以我们在装备不断改进的同时，其实工作环境、工作条件对人的要求也都发生了变化。
虚拟现实，实现虚拟现实技术也是实现高水平的人机一体化的关键技术之一，虚拟现实技术是以计算机为基础，融合信号处理、动画技术、智能推理、预测、反真多媒体技术为一体，借助多种音像和传感器，虚拟展示现实生活当中各种过程、部件，因而能够模拟制造过程和未来的产品。从感官和视觉上给人获得完全如真实的感受，它的特点是可以按照人的意志、意念来变化，这种人机结合的新一代的智能界面是智能制造的显著特征。
我们搞自动化工厂，物流自动化也可以利用虚拟现实的技术，我给你设计一条生产线，这个生产线未来是什么样的，机器是怎么样的动作？我可以通过我的设计，通过虚拟现实给你展示出来，机器还没出来，但我可以给你提供未来整个生产线是什么样的，机器装备是怎么样的动作，物流是如何搬运的活动都可以让你事先看到。我们面对虚拟现实来讨论这个方案，你认为哪个地方还不合适需要改进？
自组织和超融性，在智能制造系统当中，各组成单元能够根据任务的需要自行的组成一种结构，它的容性不仅表现在运行方式，而且表现在结构形式上，所以称这种融性叫超融性。就好像一群人类专家组成的群体，它具有一种生物的特征。根据环境的变化，它可以有自组织的能力。
学习能力和自我恢复能力。智能制造系统里能够在实践当中不断充实知识库，具有自学习能力。在运行当中能进行故障诊断，并对故障进行排除，自行恢复能力。这种特征是智能制造系统能够自我优化，适应各种复杂的环境。作为智能制造，应具有这样的特征。
智能制造系统基础要素智能制造系统架构通过生命周期、系统层级和智能功能三个维度构建完成，主要解决智能制造标准体系结构和框架的建模研究。
生命周期是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。
系统层级包括设备层、控制层、车间层、企业层和协同层，共五层。智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议（IP）化，以及网络的扁平化趋势。
智能功能包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态五层。
（1）资源要素包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体，也包括电力、燃气等能源。此外，人员也可视为资源的一个组成部分。
（2）系统集成是指通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂乃至智能制造系统的集成。
（3）互联互通是指通过有线、无线等通信技术，实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。
（4）信息融合是指在系统集成和通信的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现信息协同共享。
（5）新兴业态包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式。
把握智能制造发展的趋势与重点
作者：郧彦辉
智能制造是先进制造技术和新一代信息技术的深度融合，代表着我国制造业高质量发展的主要方向。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。”
智能制造发展的新趋势
经过多年培育，我国智能制造已经取得长足进展。总体上看，我国智能制造发展从初期的理念普及、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，通过深入推进数字化转型行动、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，当前规模以上工业企业关键工序数控化率和数字化研发设计工具普及率分别达到55.7%、75.1%。智能制造成为推动我国制造业高质量发展的强劲动力。
当前，随着人工智能、数字孪生等新一代信息技术的发展，我国智能制造发展呈现出以下三个新趋势。
智能制造的人本化。人本智能制造是智能制造发展的新理念，智能制造的发展开始重点考虑社会的制约因素，智能制造系统设计正在纳入人的因素，人的利益和需求日益成为生产过程的核心。譬如，人机合作设计和人机协作装备的推出，使人从许多机械化生产中解脱出来，人与机器可以发挥各自优势，协作完成各项工作，推动产业模式的变革。
智能制造的多领域集成发展。在早期，智能制造主要侧重于物理系统的感知与集成，随后开始与信息系统进行深度融合，近年来则进一步与社会系统进行融合。在多领域集成发展的过程中，智能制造通过不断融入更多的制造资源、信息资源和社会资源，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。
企业组织形态发生较大改变。随着智能制造技术的日趋复杂，传统产业链的模式正在被打破，终端客户倾向于选择完整的解决方案。相应地，制造企业的生产组织和管理方式也正在发生重大变革，以客户为中心和数据驱动更为普遍，企业组织架构正在向扁平化、平台化方向转变。
智能制造发展存在的突出问题
我国制造业正在积极适应智能制造发展的新趋势，并且在一些关键领域和技术上抢占了优势地位。但同时也存在着一些突出的问题。
制造业企业智能化水平“参差不齐”，使智能制造的人本化推进缓慢。近年来，我国积极开展智能制造应用试点工作，推进示范项目、推广典型经验。截至2021年底，我国工业互联网的应用已经覆盖45个国民经济大类，工业APP数量突破60万个，建成了700多个数字化车间、智能工厂，培育较大型的工业互联网平台超过150家，连接工业设备超过7800万台（套）。但企业智能化转型尤其是实现人机协同是一项系统工程，当前我国许多企业仍处于工业2.0、工业3.0阶段，对生产设备、业务流程等进行全面更新或者改造升级，对工人进行新技能培训，需要大量的资源投入，但资金等要素短缺严重限制了企业的人本化改造。
智能制造的一些基础性技术存在短板，使多领域集约发展的根基不牢。目前，我国已经掌握了长期制约产业发展的部分智能制造技术，包括机器人技术、感知技术、复杂制造系统、智能信息处理技术等。以智能控制系统、工业机器人、自动化成套生产线为代表的智能制造装备产业体系初步形成。但智能制造的共性技术、关键技术仍存在短板。比如，我国工业软件实力较弱，工业仿真设计软件基本被国外垄断，高档数控机床、智能传感器等对进口的依赖程度较大，很大一部分新材料处于实验室研究阶段无法开展应用转化，等等。
企业生产管理模式智能化转型存在明显的弱项。以客户为中心和数据驱动的企业生产和管理模式需要以新型管理技术人才队伍和全新的行业标准为支撑。从人才队伍来看，我国智能制造人才存在结构式缺口。据人力资源和社会保障部统计，2020年我国智能制造领域的人才需求为750万人，而缺口为300万人；到2025年，人才缺口预计达到450万人。从标准体系来看，我国正在逐步构建智能制造标准体系，已经发布国家标准285项，牵头制定国际标准28项，石化、建材、纺织等14个细分行业构建了智能制造标准体系，但大多行业领域智能制造标准体系仍不健全。长期以来，我国处于全球产业价值链的低端位置，在国际制造标准领域中的话语权和影响力较弱，在国内智能制造标准与国外标准体系对接与互认方面仍然有待加强。
智能制造发展的突破重点
未来一段时期是我国智能制造发展的关键时期。习近平总书记强调：“我们要顺应第四次工业革命发展趋势，共同把握数字化、网络化、智能化发展机遇。”应抢抓这一历史性契机，通过一系列政策创新积极引领我国智能制造进行战略性的重点突破，实现我国制造业的“换道超车”、跨越发展。
筑牢技术底基，夯实智能制造发展核心动力。强化人工智能、认知科学、仿生制造等基础研究，推动制造技术、信息技术在智能制造中深度融合发展。聚焦制造业企业生产全过程，以“揭榜挂帅”方式集中资源，攻克一批共性和关键技术，突破精密加工等先进工艺技术。围绕工业母机、智能传感等关键领域，整合资源力量建设智能制造领域制造业创新中心、技术创新中心、工程研究中心等创新载体。
深化推广人本化的应用，拓展需求侧拉动作用。智能制造技术重在应用，因此，应根据人的特性和需求，打造出可供选择的多元化应用场景，培育推广智能化设计、网络协同制造、大规模个性化定制等新模式新业态。聚焦企业、行业等转型升级需求，打造典型应用场景，推动企业各环节智能化改造，探索有效推广路径，实现智能制造从点到线到面的系统发展。
加快中小企业智能化转型，实现大中小企业融合发展。中小企业是智能制造升级的最大短板，也是最大潜力所在。要完善“政府—平台企业—行业龙头企业—服务机构—中小微企业”多级联动的推进机制，搭建融合发展生态。通过推进“虚拟”产业园和产业集群建设，以信息流推动供应链、产业链上下游企业间的数据贯通、资源共享和业务协同，提升产业链资源优化配置和动态协调水平，带动中小企业智能化升级。
强化支撑体系建设，为智能制造发展提供重要保障。加强标准体系建设，包括加强基础共性、关键技术和行业应用标准制修订和试验验证，积极推广标准的实施和标准应用试点示范。积极参与国际标准合作，参与国际标准的制定。加强数字化人才培养，深化产学研协同发展机制，构建体系化的培养方案，依据行业应用需求，提升教学内容与行业应用契合度，培养出一支规模庞大的智能制造人才队伍。
[责编：王晓秋]国家智能制造标准体系建设指南（2023版）
工信部联科〔2021〕187号
各省、自治区、直辖市及计划单列市、新疆生产建设兵团工业和信息化主管部门、通信管理局、市场监管局（厅、委），有关行业协会、中央企业、标准化技术组织、标准化专业机构：
为贯彻落实《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》和《国家标准化发展纲要》，切实发挥标准对推动智能制造高质量发展的支撑和引领作用，工业和信息化部、国家标准化管理委员会组织编制了《国家智能制造标准体系建设指南（2021版）》。现印发你们，请各地区、各行业结合实际，抓好贯彻落实。
工业和信息化部
国家标准化管理委员会
2021年11月17日