【论文选刊】陈俊源 许锋华：杨叔子智能制造思想与实践研究

作者简介：陈俊源，华中师范大学教育学院博士研究生；许锋华，华中师范大学教育学院教授。

基金项目：中国科协老科学家学术成长资料采集工程杨叔子院士采集项目(CJGC2016-K-Z-HB03)

原文刊载于《高等工程教育研究》2021年第四期180-187页。

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智能制造是中国实现工业智能转型、进军制造强国的主攻方向。早在20世纪80年代末，智能制造就引起了我国科技工作者的关注，智能制造技术的转化性应用也随之获得逐步推进。“十二五”以来，我国对智能制造予以了战略性的高度重视。“十四五”时期，智能制造产业将继续作为中国工业发展的重点领域之一。^[1] 尽管我国在政策制定、企业转型、技术突破与人才培养等领域都将智能制造作为重点方向，但我国智能制造的发展现况依然是核心技术稍显薄弱^[2]，有关应用仍处于起步阶段。^[3] 因此，回溯与考察智能制造在我国兴起之初的时代背景和基本走向，对于中国智能制造科研与产业的未来发展具有重要借鉴意义。杨叔子院士是我国最早公开呼吁开展智能制造研究、发展智能制造产业的先行者之一，他的倡议与行动不仅有力地推动了中国智能制造的起步，而且为我国智能制造的研究与应用奠定了重要的思想基础与发展框架。^[4] 由此，把握杨叔子在此方面的思想与实践是我们深入理解中国智能制造起步与发展的一条重要线索。本研究对杨叔子关于智能制造的思想与实践做了较为系统的梳理，并基于此阐发了杨叔子对我国智能制造当下发展的重要启示。

一、杨叔子在我国倡导智能制造的时代背景

20世纪后半期，人类社会已历经三次以技术创新为核心驱动的工业革命，使人类不断从繁重的工业生产负荷中解放出来。然而，随着生产现代化水平的提升，制造过程中信息量不断加大，给相关从业人员增添了巨大的脑力负担。这种情况在产品的设计、管理与销售等高度依赖人类智慧的环节更为凸显。为了减轻工业生产中人类的脑力劳动负荷，工程专家开始求助诞生于20世纪中叶的人工智能，开发了以专家系统为代表的若干工业智能技术，一定程度上提升了制造过程中决策的自动化水平。但是，这些系统之间是相互孤立的，如何协调与整合这些系统的运行过程与结果，仍然有赖于人的智慧。在此背景下，以智能制造为核心的第四次工业革命开始兴起。20世纪80年代以来，关于智能制造的研究与实践在美国、英国、日本等发达工业国家迅速兴起。相较而言，中国拥有丰富的劳动力市场，但能够熟练掌握先进技术的高素质从业者却十分稀缺。一旦发达工业国家掌握了先进制造技术和决策自动化能力，我国不仅会失掉在劳动力丰富、廉价等方面的固有优势，而且会扩大与这些国家在经济和科技领域的差距。^[5] 为了扭转中国在制造领域的这种被动局面，我国科技工作者不甘落后，迎头直追国际先进水平。其中，杨叔子院士为我国制造业迈向先进、走向智能作出了基础性贡献。

二、杨叔子推动我国智能制造发展的关键举措

至20世纪80年代，我国在人工智能与机械制造的结合方面取得了一定成就，例如，开发了面向产品设计与设备诊断等环节的专家系统。其中，杨叔子通过在机械工程领域引入人工智能这一新兴学科，在智能监测、智能诊断与智能控制等多个方面结出硕果，对于推动我国机械制造的智能化进程起到了不容忽视的作用。通过广泛阅读国外文献^①，杨叔子及时地捕捉到了世界主要工业发达国家出现的智能制造发展动向，并从这些先行者身上深刻地意识到，当时国内尚处于“人工智能在制造领域中的应用”^[6]阶段，而要实现制造中人的全面解放，必须迈向制造环境的全面智能化。^[7] 自1988年起，他通过撰写论文、承担课题、组建实验室以及筹办会议等多种途径，推动着中国智能制造研究的起步与发展。

（一）构建智能制造理论基础

20世纪80年代后期，智能制造不仅在国内是一个较为陌生的概念，即使是国际上也难以就智能制造的内涵达成清晰共识。据此，杨叔子采取渐进式的建构路径，首先在重大会议上进行呼吁，而后在学术刊物上载文以详细阐述智能制造的基础理论问题。

1988年，受国家自然科学基金委员会材料与工程科学部委托，原华中理工大学（现华中科技大学）筹备召开“机械制造的未来”研讨会，会上杨叔子提出了机械制造自动化走向柔性化的四个层次，并指出“机械制造智能化是当前的主要趋势之一”。^[8] 1989年，杨叔子在“机械制造走向2000年——回顾、展望与对策”大会上提出了制造系统的集成化与智能化，这是国内首次集中探讨智能制造系统的问题。^[9] 会后，杨叔子更加坚定了在国内传播智能制造思想、开展智能制造研究的信念，因为他认为21世纪制造业必然走向智能制造。

考虑到智能制造在全球范围内刚刚兴起，概念界定与框架建构仍是研究的核心任务，杨叔子从一开始便紧抓智能制造的基础理论工作，并带领团队成员相继发表了《智能制造技术与智能制造系统的发展与研究》《智能制造工程的研究与发展现状》等多篇以“智能制造”为主题的学术论文。在这些论文中，他以智能制造的内涵、特征、关键技术以及框架体系等为立足点，全面建构智能制造研究与应用的理论基础。例如，杨叔子立足对智能制造发展趋势的总体把握，为我国智能制造研究勾勒出一个基本框架。^[10,11] 此框架将智能制造研究分解为三大部分：智能制造的研究内容、关键技术与支撑技术（见图1）。结合当时我国在此方面的已有基础与发展条件，他尤其重视基础理论与关键技术研究。^[12] 有研究认为，这对我国机械学科的发展与“九五”科技攻关立项具有重大且深远的意义。^[13,14] 原华中理工大学党委书记李德焕也指出，“杨叔子的学术研究顺应了国际学术发展的趋势，他的学问更有导向性，起到一种引领作用，因此杨叔子亲自撰写并为第一作者的文章可能不会是特别具体的东西，更多的是关于智能制造的现状、今后国家的重大装备和现代制造的前景等。他是先走出第一步，为后续的研究指明方向。这个是很重要的，能够为后续的研究起到一个很好的铺垫作用。”^②

（二）承担智能制造重点课题

“智能制造技术基础”项目是杨叔子推动智能制造科学研究的一项有力举措。在申请与承担这一项目之前，杨叔子进行了专门的团队建设，并与世界知名高校开展有关科研合作。

团队建设方面，以杨叔子为主导，1991年原华中理工大学组建了一支专门的智能制造科研团队^[15]，1992年成立智能与集成制造研究中心^[16]，由此开启了国内智能制造研究的早期探索。科研合作方面，1992年，杨叔子积极响应国家自然科学基金委员会的组织号召，带领团队访问新加坡，并与南洋理工大学签订了为期四年（1993—1996年）的“模具智能设计、制造及系统的开发”合作研究协议。在杨叔子的带领下，原华中理工大学机械工程一系工程测试教研室的吴雅、杜润生、吴波等人均成为这一课题的中坚力量。^③

在此基础上，杨叔子牵头向国家自然科学基金委员会提出了设立智能制造专项课题的建议。^[17] 1993年，我国首个智能制造国家级重大项目——“智能制造技术基础”国家自然科学基金重点项目成功立项。这一项目的设立亦引起了国家自然科学基金委员会对智能制造的重视，此后该机构每年都会资助相关的研究项目。^[18] 1994年，“智能制造技术基础”项目正式启动，除原华中理工大学之外，还有南京航空航天大学、西安交通大学和清华大学三所合作单位。项目主要包括智能制造基础理论、智能化单元技术与智能机器三个方面的研究（见图2）。其中，杨叔子团队承担了智能制造基础理论、智能设计等智能化单元技术与智能加工中心及其相关技术的研发任务。^[19]

图 2  “智能制造技术基础”项目构成与分工

然而，智能制造在当时属于科技界的“新事物”，大部分高校都缺乏专门的实验条件，原华中理工大学也面临着同样的困境。鉴于此，杨叔子充分发挥团队的科研优势，带头将智能加工、智能规划、智能检测等智能技术与算法融入已有设备，实现了旧设备的智能升级，同时积极研发新设备，将曾经单一的机床实验室逐步发展成了一个集制造、人工智能与智能制造于一体的多功能智能制造实验室^④，而今演化为华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，之后杨叔子团队在智能制造方面取得的诸多成果就是在这个逐渐发展起来的实验室诞生的。

“智能制造技术基础”项目于1997年12月顺利完成，1999年5月通过专家组验收。^[20] 在项目开展过程中，杨叔子不仅致力于构建智能制造基础理论，而且带领团队在知识表示与建模、智能控制、智能加工中心、IMS中的合作与协调以及分布式智能制造系统等方面做出切实成果。例如，开发了具有三个智能层级的分层智能集成数控系统，能够为IMS提供有效和强大的基础装备^[21]；研发了“基于Agent的分布式网络化IMS原型系统”，被认为是该项目在智能制造基础理论与技术两大方面科研成果的综合体现。^[22]

（三）促进智能制造学术交流

在推进智能制造相关研究的过程中，除了自身的刻苦钻研，杨叔子历来重视学术交流与合作。继1988年“机械制造的未来”、1989年“机械制造走向2000年——回顾、展望与对策”等重要会议之后，1993年8月，杨叔子作为大会主席之一，积极配合筹办将在北京召开的第一届全球华人智能控制与智能自动化大会。1995年6月，杨叔子在原华中理工大学组织召开首届国际智能制造会议，来自16个国家和地区的近百名专家围绕“智能制造技术最新成果”“制造的智能化、集成化和柔性化发展”等主题进行了热烈的讨论交流。^[23] 其中，杨叔子在会上作的重要报告《智能制造：21世纪中国制造战略面临的挑战及应对》^[24]，引起了与会专家的强烈共鸣。同时，杨叔子积极带领团队参加IEEE国际会议，并提交了多篇高水平的会议论文^[25,26]，不断向世界同行分享智能制造研究的中国智慧。

通过举办和参加相关会议，杨叔子不仅极大地推动了智能制造发展的国际交流，还看到了中国科技工作者向世界高科技领域最前沿进军的信心与实力。此外，他还通过派遣博士生赴日本学习智能制造^⑤、邀请知名学者开展专题讲座、推动成立中国人工智能学会智能制造专业委员会等举措，推动我国智能制造研究向纵深发展。对此，中国人工智能学科的主要奠基人涂序彦教授谈到：“杨叔子把机械制造和先进的人工智能理论、方法与技术结合起来，在智能制造方面取得成功，是国内率先开展智能制造研究的人。那时我也在大力推进人工智能研究，杨叔子就经常请我去他们学校做报告，介绍国内外人工智能科学技术。”^⑥

三、杨叔子关于智能制造的核心思想

杨叔子的智能制造思想始自国际方面的启示，但杨叔子对智能制造的研究绝非仅限于对国外学科前沿的简单引介，其中同样渗透了杨叔子对于自身科研实践的深度反思，有关论述涵盖了智能制造的内涵释义、特征分析以及关键技术等各项基本议题。

（一）智能制造是IMT与IMS的统称

杨叔子基于对孤立化智能技术的局限反思，融合国外已有研究，认为应该从两个角度来解析智能制造。一是智能制造技术（Intelligent Manufacturing Technology，简称IMT）。1992年，杨叔子在《智能制造技术与智能制造系统的发展与研究》一文中对IMT作出界定。他指出：“IMT是指在制造工业的各个环节以一种高度柔性与高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动；并对人类专家的制造智能进行收集、存贮、完善、共享、继承与发展。”^[27] 这也是国内首个关于“智能制造”的明确定义。二是智能制造系统（Intelligent Manufacturing System，简称IMS）。基于对IMT的内涵释义，杨叔子在随后撰写的多篇论文中逐步深化了对IMS的看法。例如，在1996年发表的《先进制造技术与系统第二讲 智能制造——21世纪的制造技术》一文中，杨叔子对IMS的定义为：“基于IMT的制造系统（IMS）则是一种借助计算机，综合应用人工智能技术、并行工程、现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术的系统工程技术。在国际标准化和互换性的基础上，使得制造系统中的经营决策、生产规划、作业调度、制造加工和质量保证等各个子系统分别智能化，成为网络集成的高度自动化制造系统。”^[28] 至今杨叔子仍然十分强调要用这种整体的视角看待智能制造：“从整体来看，制造过程一定要智能化，我们整个工业发展最后也要走向智能制造。智能制造是整个制造过程的智能化，涵盖了产品的市场、开发、制造、管理、销售与服务整个过程。从某种意义上，智能制造就是进一步的现代化的工业化。”^⑦此外，杨叔子也十分强调智能制造中人机柔性交互的特征^[29]以及知识的重要性。^[30]

（二）高度集成是智能制造的重要特性

杨叔子认为，智能制造对“人工智能在机械制造中的应用”的重要超越就在于它的高度集成性。他指出，智能制造的目标是制造环境“整体的智能化”。^[31] 在IMS中，即使是智能制造单元技术也兼具“系统组成环节的智能化技术”与“环节间相互作用过程中的智能化技术”两种含义^[32]，这意味着特定环节的IMT同时承担着与系统其他环节相互联通的使命。

进一步地，杨叔子探讨了智能制造集成性的两大根基。首先，智能制造的集成特性源自提升制造过程决策自动化水平的迫切需求。至20世纪80年代末，人类社会已在“人工智能在机械制造中的应用”方面取得显著成就。然而，这些智能化的单元技术虽然能够极大地减轻人的体力劳动，却依然无法将人类从脑力劳动的负荷中解放出来。杨叔子认为，要想解放人的脑力劳动，必须提升制造过程整体的自组织能力与决策自动化水平。而制造过程整体的自动化水平与组织能力则取决于各环节的集成自动化水平与集成智能水平^[33]，因此，集成技术是整个制造行业自动化水平实现质的飞跃的必要条件。其次，智能制造的集成性来源于制造过程各环节的紧密联系性。杨叔子认为，制造过程的各个环节是密切联系、彼此影响的。从技术的角度看，无论是产品生产的整个生命周期，还是其中特定环节的问题求解，决策工作所依据的制造知识不仅与特定环节有关，还将来源于与该求解问题相关的其它制造环节。^[34] 从人的因素看，情况同样如此。产品生产各环节所涉及的专家与技术人员，各有不同的文化、知识以及社会背景，他们各自对问题的判断与决策存在差异，而这些差异以及差异最终的表现形式也会对生产过程产生影响。因此，制造不仅仅关乎产品加工，制造中人、机器、原料以及产品之间均存在着难以割舍的联系，而且这种联系在知识经济时代将表现得更加紧密，且更为复杂。^[35] 基于此，杨叔子在20世纪80年代末至90年初就开始在国内倡议，机械制造要从“人工智能在机械制造中的应用”走向制造环境的全面智能化（即智能制造）。^[36] 从这一角度出发，智能制造在一定意义上就是“集成的智能”或“智能的集成”。

（三）分布式自治是智能制造的本质特征

在强调智能制造集成性的同时，杨叔子也指出了整个智能制造网络的分布式自治特征。这一特征既是对传统控制策略的超越结果，也与智能单元本身的自治性有关。

一方面，传统制造系统的控制与调度主要采用数据流自下而上、控制信息自上而下的递阶控制策略。这种控制策略尽管取得了一定成就，却并未考虑真实制造环境的不确定性与不可预见性。^[37] 并且，由于在分级递阶的控制方式中，每一级都由一个中心控制器对该级的各子系统进行统一调度，子系统自身的权力较小。杨叔子认为，制造系统的各功能实体在物理上是分布的，在数据上是独立的，而且没有按统一标准设计，很难用统一的模型描述^[38]，若继续沿用这种封闭的控制方式，制造系统整体的运转速率将受到严重制约。

另一方面，随着智能单元技术的不断发展与完善，各子系统本身的处理能力增强了，若在控制方式上也给予子系统更大的自主权，制造系统将获得较大的柔性，同时也可以极大地丰富各子系统的智能。^[39] 循此思路，杨叔子团队设计了一个“基于多自主体的分布式智能制造系统”，使得制造系统中各子系统（或智能自主体）的关系从之前的紧密耦合转变为松散耦合，系统的适应性和容错性均得以提高。^[40] 然而，松散耦合意味着每个智能自主体大部分时间将用于计算而不是通信^[41]，对此，杨叔子团队提出用谈判机制与任务分配相结合的方式促成分布式智能制造系统中各智能自主体之间的合作与协调。^[42] 随着研究的发展，杨叔子等人又提出了一种协作计划交换（CPE）的方法以改善合同网谈判方式，较好地提升了分布式制造系统的鲁棒性和性能。^[43] 在“智能制造技术基础”项目进行的过程中，杨叔子团队依据IMS的分布式自治特征及其对IMS中合作与协调机制的不断优化，杨叔子等人研发出了“基于Agent的分布式网络化IMS原型系统”，该原型系统已经可以作为全球网络化智能制造的局域实现形式。^[44]

（四）人总是智能制造中“最高的主角”

杨叔子深信，即使在融合了机器智能的智能制造中，人依然是最重要因素。关于这一点，杨叔子主要是从以下两方面展开论述的。

首先，人在智能制造中始终占据主导地位。面对人工智能对制造中人的价值与意义的消解态势，杨叔子坚定地指出，智能制造的提出不仅没有削弱人在现代化制造中的地位，反而强化了人的作用，因为“人工智能取代人的一部分工作，是人要他这么去干，是人赋予它这个能力，机器本身是没有生命、没有智慧的。所以，要想有一天全部用机器取代人，这是不可能的，人总是最高的主角。”^⑧杨叔子认为，在智能制造系统中，人与人工智能系统或智能机器为完成同一任务而相互协作，而人的社会责任决定了人必须处于主导地位。^[45] 他进一步指明IMS中人机协作的方式为高层次决策的人-机柔性交互与低层次决策的独立自主相结合。^[46] 从这一角度出发，杨叔子特别强调智能制造领域的人才培养问题，他认为人才是根本，教育是基础，要从根本、从长远着想。^[47]

其次，人的因素是智能制造研究的重要内容。杨叔子认为，人类专家也是智能制造系统中的智能结点。^[48] 不仅如此，制造环节涉及的所有专家与技术人员，其产生的与制造相关的具体行为或决策，都会对整个制造系统产生影响。因此，人对现代生产的自动化程度有着关键作用，人的因素必须作为智能制造研究的主要内容。进一步地，他列举了“制造中人的因素”方面的主要研究内容，如“未来制造环境的设计”“IMT&IMS人才培养与教学系统”“人—系统柔性交互技术”等。^[49] 可以说，杨叔子的这一判断是极有远见的，目前国外对人在制造系统中的重要性予以了高度重视，并强调智能制造需要“以人为本”。^[50] 国内也将人机交互，尤其是“人—信息—物理系统”^[51]的研究作为智能制造研究的发展趋势，同时也强调智能制造中的“人才培养”“社会关系”“技术合作”等研究的迫切性。^[52]

四、杨叔子智能制造思想与实践的当下启示

30多年前，杨叔子凭借其对新世纪机械制造发展趋势的战略预判，在国内大力倡导智能制造研究及应用，并通过系列举措深入推进人工智能与机械制造的全面深度融合。诚如熊有伦院士所说：“杨叔子院士通过将机械工程与控制工程、电子信息工程、人工智能等交叉融合，不仅在数控、数字制造、智能制造这些方面取得重大成就，而且对整个机械学科的发展都起到了很重要的作用。”^⑨通过系统梳理杨叔子院士在智能制造方面的重要举措与核心思想，研究发现杨叔子院士不仅促进了我国智能制造的起步与发展，其思想与实践对新时期智能制造的高水平自立自强也具有重要启示。

（一）立足全球视野，扎根中国实际

在推动中国智能制造研究起步与发展的过程中，杨叔子始终将关注国际前沿与扎根中国实际密切结合，这种做法至今仍然极富时代意义。一方面，我国智能制造研究水平在总体上依然与英国、美国、日本、德国等工业与科技强国存在较大差距。目前国外对智能制造的研究已经涵盖了从设计、生产到管理、服务的产品生产的整个生命周期，研究内容比较全面，且研究问题比较具体。我国此类研究还主要停留于理念探讨层面，如研究智能制造的概念、内涵、模式、发展路径、影响因素等，研究方法上以定性为主。^[53] 另一方面，我国智能制造研究与应用仍以借鉴国外为主，缺乏契合我国企业、制造业的“特殊性的中国特色方法”。^[54] 据此，我们既需要密切关注智能制造国际动态与研究前沿，更应该加强实地调研，全面把握我国企业与制造业的智能制造现状与需求，在此基础上走出一条智能制造的中国道路。

（二）集中优势力量，提升我国智能制造研究整体水平

20世纪末，在杨叔子的努力下，原华中理工大学、西安交通大学、清华大学与南京航空航天大学四所高校联合开展了国内最早的智能制造专项研究，为后续研究奠定了较好的前期基础。经过二十多年的发展，在智能制造研究方面，虽然出现了浙江大学之类的学术新星，但这四所高校仍是国内智能制造研究的领军者。^[55] 这反映出我国智能制造研究的四位先行者在此领域保持住了优势地位，也说明了国内智能制造研究的后劲略显不足。从智能制造相关论文在国内期刊上的分布来看，早期文献主要见诸理工科类期刊，近期也不断有研究出现在人文社科类刊物上，这一方面反映了我国智能制造的研究视角日益丰富，但另一方面也反映出目前国内有关研究力量不够集中的现象。^[56] 基于此，首先应科学整合智能制造研究优势力量，集中精力深化智能制造基础研究，发展智能制造关键技术，蓄积中国在智能制造方面的国际优势。与此同时，还应着力加强梯队建设，以优势高校或科研院所带动国内智能制造后发科研力量的协同发展，以此促进我国智能制造整体研究水平的提升。

（三）面向时代需求，构建智能制造人才培养科学体系

随着智能制造的发展，未来劳动力市场中一部分岗位不再需要“人”，一些新兴岗位则迫切需要具备全新素质的专业人才。^[57] 在此背景下，如何培养出具有多学科知识背景、学科交叉思维以及跨界交流能力的高层次应用型人才成为高校与企业必须予以正面回应的迫切问题。作为中国智能制造的先行者之一，杨叔子一直十分强调智能制造中人的主导性地位，强调人才培养的基础性与根本性。如今，国内关于智能制造人才培养的理论研究逐年攀升，有关问题也受到国家政策层面的高度重视，部分高校和企业亦开展了一些积极探索。例如，中山大学深圳校区将智能制造作为重点布局的学科之一^[58]，东南大学面向智能制造建设了我国首个“机器人工程”本科专业^[59]，上海电机学院成立了中德智能制造学院^[60]，南京航空航天大学与埃马克（中国）机械有限公司签署了共育智能制造专业人才的合作协议。^[61] 此外，我国自2016年起开始举办“西门子杯”中国智能制造挑战赛，旨在通过比赛促进学生工程实践能力的提升。^[62] 可见，加强专业教育、中外联合培养、校企合作指导和以赛促教是当下我国培育智能制造专业人才的主要路径。不过，我们还应清醒地认识到，我国的智能制造人才培养从政策规划走向普遍落实，从个别高校、企业的自主探索转化为系统、科学的智能制造人才培养体系还需相当长的一段经验积累期。因此，当下应立足智能制造政策契机，面向先进制造的时代发展需求，继续深化智能制造人才培养的路径探索、模式建构与体系形成，为我国智能制造向纵深发展提供源源不断的后备力量。

责任编辑：黄小青‍‍

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