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      智能制造:四個智能范式的共存與進階

      第一范式:“人智”轉“機智”


      2.1 人類智慧主導著智能源頭


      走向智能研究院九位創始研究員從2015年開始撰寫“走向智能叢書”第一本《三體智能革命》,對形形色色、大大小小的各種人造系統的智能現象進行了橫向比較和打通研究,認為:以人為代表的生物體有智能;電腦里的“數字虛體”有智能;物理實體有智能。三種“體”交匯融合,發展出豐富多彩、無以計數的人造智能系統。


      人造智能是人造系統所具有的一種模仿、拓展和超越人類智能的能力。目前在市場上能夠看到的各種各樣的智能,如工業智能、人工智能、認知計算和人造大腦等,都是人造智能的子集。人造智能的形成,是由“意識人體”在長期與自然界的物理實體交互過程中,不斷探尋、發現、創新、應用和主導的。其總體智能水平目前大約相當于5~10歲的孩子。



      在《三體智能革命》中,以人為代表的生物體被命名為“意識人體”,這是一個具有開創意義的命名。意識人體,首先具有自我意識,其次具有直覺和第六感,另外人類還具有創造力、知行合一能力。筆者認為,這四種能力是人類智慧與人造智能的極其重要的區別。人類智慧是高維度能力,目前看來只為人類所獨具,其他的生物系統、人造系統、復合系統等,都無法達到這種能力。諸如計算能力、學習能力、感知能力和資源協調能力等,則是人類和人造智能系統所共有的能力。換句話說,是人可以通過各種技術手段而賦予人造系統的智能能力[1]。



      從高維人類智慧系統向低維人造智能系統輸送、傳遞、構建智能機理、智能體系和知識內容,是第三次工業革命之前就已經在做的事情。自從有了電腦,伴隨著計算能力(芯片算力)的增強,人類一直在試圖把自己用人腦思考問題、解決問題的模式和過程,復制到電腦(如CAX、MES)或機載電腦(如PLC、DCS、SCADA)中的軟件和算法中去。筆者在參撰的《機·智:從數字化車間走向智能制造》《鑄魂:軟件定義制造》這兩本書中都做了預測和闡述。



      在《機·智》中預測:“出現大規模的'勞動力轉型',即人體、人腦離開系統回路,基于'人智'的數字化勞動力(智能機器)大規模登場,真正實現機器換人,以泛在聯接、自主自治的智能機器來拉動經濟的徹底轉型?!盵2]



      在《鑄魂》中寫到:“通俗地說,所謂智能制造就是一個'人智變機智'的過程——即把人的智能(簡稱'人智')以顯性知識的形式提煉出來,進行模型化、算法化處理,再把各種模型化(機理模型、數據分析模型等)的知識嵌入軟件,軟件嵌入芯片,芯片嵌入某個數字裝置/模塊,再把該數字裝置/模塊嵌入到物理設備中,由此而賦予機器一定的自主能力,讓機器具有一定程度的'智能'(簡稱'機智'),我們將這個過程稱為'賦能'?!盵3]



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      人造系統的智能由人賦予和掌控,源頭是人智,形式是知識,載體是軟件和芯片,作用是讓人造系統按照人的意愿實現更高水平的智能(控制)行為。




      2.2 無價“人智”超越時空永存




      數字孿生是一個含義廣泛的概念。不僅把物理實體的形、態、演變規律和內涵映射到數字空間,同樣的操作也可以用于意識人體,即將人腦中的“碳基知識”,映射/轉變為數字空間的“硅基知識”,把人的思考過程映射/轉變為數字過程,把世間萬物之間的概念互聯關系映射為數字互聯關系,把“人智”映射/轉變為“機智”。




      在上述至關重要的數字映射過程中,產生了兩個意義深遠的產品——包含“人智”的工業軟件,因為嵌入了包含“人智”的工業軟件而具備了“機智”的智能機器。人類的智慧、智力思考方式、智能原理、訣竅和最佳數據等,以模型、算法和推理機制等知識形式,映射/轉換到工業軟件和包含工業軟件的機器中,完成了人類歷史上最偉大的事業——在數字空間永久保存人類各種智力成果,讓人類智慧超越生命周期、超越時代而獲得永生。




      對于這一點,工信部原副部長楊學山教授在為《機·智》所作序中寫到:“生物智能基于遺傳基因而延續,人類智能的各種產物和成果基于各種工具和記錄的信息而傳承。智能時代的傳承和延續,與生物智能和人類智能的結晶相比有何特征?如果超越產品的生命周期,這個特征就是數字孿生,數字孿生是智能時代智能的遺傳基因。顯然,數字孿生是可以跨越產品的生命周期的?!?/p>



      筆者認為,在數字孿生技術的高級階段:更高水平的數字技術徹底穿透數、物兩界,生成豐富的、無處不在的虛擬數字制造資源(產品、人、機、料、法、環、測),并隨時把它們疊加到現實的工業場景中,數字虛體機器與物理實體機器相互配合運轉,數字虛體人配合人類同時觀察和監控虛、實兩種機器,數字虛體物料與實體物料同時與虛、實兩種機器交互作用等,可以發展和想象的空間無比巨大。數據無處不在,知識無處不在,人智無處不在,機智無處不在,虛實交互融合無處不在。其實這些內涵已經完全包含了當前社會熱議的“元宇宙”概念。



      第二范式:“機智”群自治


      3.1 智能機器群體越來越龐大



      智能機器是工業互聯網中的一個極其重要的組成部分。在英文中,諸如Smart Machine、Intelligent Machine、Brilliant Machine這幾個詞組都有“智能機器”的意思;智能機器包括但是并不限于傳統的物理實體機器的智能化,也包括諸如軟件機器人這樣的軟件系統;數字勞力“Digital Labor”經過轉譯之后,也帶有一定的“智能機器”的含義;在GE公司給出的工業互聯網定義中,將軟件定義的機器視為智能機器。




      在《三體智能革命》書中給出了智能系統的五個基本特征:“狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升”,這是對智能系統進行普適性判斷的“20字箴言”。符合前四個特征是恒定智能系統,符合第五個特征則是具有學習能力的開放式智能系統。



      伴隨著數字化ICT技術與工業實體的不斷融合,符合上述五個基本特征的機器設備越來越多。智能機器的另外一個顯著特征是彼此聯網,在“工業4.0”定義中,機器要像社交網絡終端一樣,彼此之間會相互傳輸數據、溝通信息、分享知識、報告現狀。




      海量智能節點的聯接,如同大腦神經元的聯接一樣,讓工業互聯網展現出更多的智能屬性,如人離開系統回路、機器自主運行、機器引導機器(M2M或MxM)及超大范圍與尺度的“陸、海、空、天、賽”五域終端智能協同等。



      3.2 多種“M2M”技術共存



      以“機器引導機器”為例,闡述如下?!叭嗽诨芈贰钡摹坝腥藱C器引導無人機”。例如,美國一家創業公司Peloton做了一個L4級的“自動列隊跟馳”系統,可以有效地讓一個人同時駕駛兩輛卡車,前車是有人駕駛卡車,后面跟隨無人駕駛卡車,形成了“有人車引導無人車”的智能模式,顯著降低油耗[4]?!叭穗x開回路”的“智能機器引導智能機器”。當無人機技術發展到高度智能狀態時,由“數字智能駕駛員”來替代人駕駛飛機,目前已有的“有人機+無人機”編組方案,將進化成為“智能無人機+半智能無人機”編組方案,智能無人機替代原來的有人駕駛飛機成為空戰主導。當所有無人機都在技術上進化到智能無人機時,智能無人機群的整體作戰能力將會有飛躍式提升,因為這種智能無人機群不存在中心控制,完全是對等的分布式控制,可以利用“涌現”的場景,隨時自主指定任何一架智能無人機來擔任整個無人機群指揮者,形成強大的群體智能。




      第三范式:“機智”哺“人智”


      4.1 智能軟件輔助人思考決策




      工業軟件是一種工業化的頂級產物,如容器一般盛裝了包括但是并不限于工業知識的一個集大成的知識體系。這些裝進容器的各種知識,不僅盡量趨于體系化和完整化,而且還會在工業軟件這個知識大熔爐、工具魔法器里,在人機交互使用軟件的過程中,不斷發生知識的交叉與融合、解構與重構,既發生物理反應,也發生化學反應,在原有存量知識的基礎上,生成增量知識,持續豐富、補充著容器的知識體系。



      筆者把人機交互使用軟件的過程,稱作“集智應用”。集智的意思是,在工業軟件這個超級容器中,集中了海量的前人智慧。當用戶進入軟件使用界面時,用戶始終不是獨自一人在使用軟件,而是如同有千千萬萬個數理化先賢、領域專家、行業翹楚和專業能人站在他的身后,在每一次點擊菜單、每一次模型計算、每一次控制指令傳輸中,都在出手扶助、指點迷津、啟智開慧。



      人類智能最好的容身場所是軟件,而軟件的最佳作用是像“軟件機器人”一樣,以“機智”反哺“人智”。



      4.2 智能裝置助人成專業高手




      投籃百發百中是所有打籃球人的心愿。但是誰也不能真正做到百發百中。即使是經過刻苦訓練的美國職業籃球運動員,在比賽中最好成績也只能達到67%投中率。



      美國3D打印技術開發商和制造商福姆實驗室首席工程師謝恩·威頓的想法是,研制一個智能籃板,只要投籃者能把球砸到籃板上,就能做到“百發百中”。智能籃板的機電結構如圖1所示。



      圖1 智能籃板的機電結構



      他設計的智能籃板是多軸動態運動的,即籃板固定在萬向節上,可以前后伸縮、上下和左右擺動。而且,這個籃板必須具有自主觀察能力和思考能力,它知道籃球的出手角度、飛行軌跡以及即將碰到籃板的時間,然后快速分析計算出籃板該以什么樣的策略來反彈這個球,并給籃板發出最佳動作指令,確?;@球入筐[5]。



      由于從籃球出手到碰籃板只有約600ms,因此對于這款智能籃板來說,設計要點在于:計算時間盡量短,結果盡量準確,籃板盡可能輕,動作盡快完成。前面提到的描述智能系統的“20字箴言”適用于該場景。



      1)狀態感知:使用微軟為XBOX360制造的3D體感相機Kinect作為高靈敏度傳感器,它可以精準地跟蹤目標,并提供帶有視頻輸入的軟件,其中包含深度信息,并且可以指示目標和相機之間的三維坐標。



      2)實時分析:寫了控制籃板動作的專用軟件程序,并利用Kinect傳感器提供的三維坐標數據作為計算籃球時空位置和狀態的依據。



      3)自主決策:通過分析計算,在實時數據的支持下,做出籃板動作決策。



      4)精準執行:給籃板的控制器發出最佳動作指令,指示致動器精準動作,讓籃板瞬間旋轉到位,反彈籃球入筐。



      5)學習提升:如果打算持續改進智能籃板,較好方式是在籃板不斷反彈籃球入筐的過程中,積累大數據,通過數據分析,找到更好的改進方向,不斷優化智能籃板這個“機智”系統,讓每一個出手投籃的人,都成為百發百中的投籃高手?;诖朔妒?,未來智能設備可以助力普通人成為專業高手。



      第四范式:雙智共融惠人


      人智和機智之間,盡管早期存在著“人智”轉“機智”的初始規律,但二者相對來說還是在各自獨立發展,交集極少。但是自從新一代信息通信技術與工業實體交匯融合之后,人智和機智已經開始逐漸交匯和融合,原本清晰的邊界開始變得模糊。



      《三體智能革命》書中前瞻性展望:“自然物理實體,孕育意識人體,打造數字虛體。三體交匯,認知互動,協同發展,共軛進化。三體交匯的中心就是智能。三個界面不斷模糊邊界并且擴大范圍,最終界面消失,歸為一統?!?/p>



      在歐盟要發布“工業5.0”文件中寫到,“工業5.0的以下特點得到了特別強調:將人類和技術技能的優勢結合起來,使工業和工業人互惠互利,不全、更令人滿意、更符合人體工程學,在這種環境中,人類可以利用自己的創造力解決問題,扮演新角色,提高技能?!盵6] 



      日本也提出了應對老齡社會的“社會5. 0”戰略,核心思想是讓人與界面友好、善解人意的服務機器人共生共融,細分需求,定制服務,改善生活品質,預測潛在需求,消除由于地區和年齡等造成的服務差異。技術路線是聯網并協調不同領域的獨立系統,以群智的方式提高自律化和自動化程度,做到人智與機智共融共存。



      無論是人智還是機智,無論是分立還是協同,其目的都是人智與機智共融,以人為本,利人賦能,為人服務,造福社會。



      結束語


      本文所闡述的四個智能范式,既在現有的智能制造、工業互聯網實踐中共存,又按照范式順序逐漸進階:“人智”轉“機智”是最初的樣本,已經持續了幾十年;進入新世紀后,智能機器的群體越來越龐大和互聯,越來越自主和自治;機器智能達到一定程度后開始反哺人類,利人賦能;未來,人智和機智融為一體,形成高度智能、高度發達的數字工業,推動中國乃至全球知識經濟的發展,繁榮人類的數字文明。


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