软件化的工业技术
软件定义的生产体系
生产关系的优化和重构
从源头到本质、从方法到实践系统论述智能制造的本质
中国工程院院士、华中科技大学原校长李培根；中国科学院院士、生物物理研究所研究员陈润生；中国工程院院士、中国航天科工集团科技委委员刘永才；中国船舶集团有限公司总经理杨金成；中国工程院制造业研究室主任、国家制造强国战略咨询委员会委员屈贤明；华为公司董事、首席信息官陶景文；中国工程院战略咨询中心制造业研究室外聘专家、国家智能制造标准化专家咨询组副组长董景辰；清华大学软件学院院长、教授王建民；哈尔滨工程大学党委副书记、教授夏桂华；一汽解放集团股份有限公司董事长胡汉杰；中国航空研究院科技委主任孙侠生；北京联讯动力咨询公司总经理林雪萍倾情推荐
本书对智能制造的定义进行了分级解读。制造是工业体系，隶属于自然科学领域；智能是人类的特有属性，隶属于社会科学领域。理解智能制造的本质，首先要解剖这四个字。“造”仅仅是生产的概念；“制”则含有系统的思想，也是制度、标准、规范、方法；制造不同于生产。制造包含了产品策划、概念设计、方案设计、产品设计、试制、试验、批生产、交付及交付后的运营、维护维修，以及管理和决策的方方面面，制造包含生产。人工智能是把人类已经拥有的、常年积累的算法、方法和知识，转变成软件和模型，由计算机执行的过程。人类通过工业革命积累了大量有关产品研制的设计知识、工艺知识、生产知识、设备维修知识、管理和决策知识等，而且这些知识经过反复验证被证明是成熟的。人类把这些知识转变成工业软件和数字化的产品模型，这些软件和模型在计算机上的执行，实现了对数字产品和物理产品更好的控制，对制造资源更优化的配置，形成了全新的产业形态，这就是智能制造的本质。
智能制造是国际公认的实现工业体系转型升级的新一代工业技术，能够从根本上提升我国复杂产品的创新能力和研制水平，因此正确理解、全面认识智能制造，对我国制造业乃至国民经济的发展具有极其重大的现实意义和历史意义。
现代工业体系可以分为39 个工业大类、151 个中类、525 个小类。中国是世界上唯一全部工业门类齐全的国家。但是，由于中国与第一次、第二次以及第三次工业革命的黄金时期失之交臂，使许多高端技术都掌握在西方国家手里，中国制造“大而不强”。第四次工业革命给了我们绝佳的机会，中国第一次可以和发达国家几乎在同一条起跑线上起跑。我国制造强国的国策就是以两化深度融合为主线，以智能制造为突破口。但是我国智能制造所存在的问题，简单来说就是“缺芯少魂”：集成电路芯片是“芯”，工业软件是“魂”。不能掌握核心技术，没有自己的集成电路和工业软件，我国的智能制造是难以实现的。
在过去很长一段时间里，许多人错误地认为智能制造就是自动化的生产方式。认为机器人换人、无人工厂、黑灯工厂就是智能制造的“代表”。实际上，这是对智能制造非常片面的认知：机器人换人，解决的是生产现场的手工劳动问题；无人工厂、黑灯工厂解决的是生产线的人工控制问题。类似的，无人仓储、无人物流也不能代表智能制造。
自动化设备在得到手动或自动输入的控制指令后，通过系统闭环，根据传感器所获取的反馈信号，就可以依照人的意愿自动执行一系列任务。在整个自动化系统中，最重要的依旧是控制端。它离不开人的控制，什么时候开始、什么时候结束，都需要由人来决定。自动化系统可以替代人完成繁重的体力劳动，甚至辅助人完成一些简单的脑力劳动，但终究无法替代人做出最终的决策。也就是说，无论是机器人换人、黑灯工厂还是无人仓储，都是在工作现场实现了无人化，并不是真正地实现了智能制造。要说清楚智能制造是什么，我们就必须从源头讲起。
什么是制造
要正确理解智能制造，首先必须理解什么是“制造”。制造，包含了“制”与“造”两层含义。“造”相对比较简单，就是生产。但制造不仅是生产，首先“制”在英文中有“系统”的含义，在中文释义中，也包含有制度、方法、标准和规范等意思。由于“制”的含义非常广泛，宏观的“制造”包括产品策划、方案设计、产品设计、工艺设计、生产过程、生产交付、运行、维护维修、管理、决策等重要环节和复杂管理体系。
改革开放初期，我国浙江、江苏、福建和广东沿海涌现出大量的“三来”加工，它们使用国外的设备、国外的原材料、国外的图纸和工艺进行产品加工，最后再销往国外。这里所说的“三来”加工，就是代生产，或者叫转包生产。在“三来”加工过程中，从原材料的采购、入库、出库、运输，到工人根据图纸和工艺手册操作相关的设备，把原材料加工成满足需求的各类产品，这个完整的过程都根据国外已经规定好的相关标准进行，所以只能称之为“造”，并不是严格意义上的“制造”。
制造并不等同于生产，两者不能混为一谈。生产仅仅解决产品生产过程中的具体问题，而制造涉及产品研发、产品设计、工艺设计以及生产过程，同时还涉及产品生产过程中的管理、产品的交付，以及交付之后的维护、维修和运行。除了产品的研发、生产、交付及服务，企业的运行也必须符合整个制造体系。
企业非常复杂，一个工业企业包括产品供销、财务管理、质量管理、生产管理等一系列流程。我国制造业大而不强，根本问题就出在研发能力不足上。而研发能力归根结底就是创新能力。
“智能”是什么
《三体智能革命》和《机·智》这两本书描述了人类智能、机器智能、人工智能。智能制造就是为传统的制造赋予智能，这里的“智能”就是指“人工智能”。传统的人工智能，通俗地讲就是将专家学者的知识、经验、方法等验证无误的内容编译成软件，由计算机执行的过程，也就是说人工智能是把人的知识转化为计算机的知识。计算机支持软件运行，生成模型，完成工业产品的研制、生产、运行、综合管理等复杂过程。
研发是产品创新的源泉，制造业过去是基于实物制造，也就是爱迪生的试错法，而今后的制造，实际上是在千百年来人类大量知识积累的基础上，进行的“智能制造”。如果没有实物产品制造的知识，就没有产品知识、工业知识、设计知识、工艺知识、生产制造知识、设备维护维修知识、管理知识和销售服务知识等，我们把人类经反复验证后成熟的知识编制成工业软件，由计算机来执行，这就是智能制造。
探讨知识管理和知识工程，我们需要学习西方提出的DIKW（D 即数据Data；I 即信息information；K 即知识knowledge；W 即智慧wisdom 或智能intelligence）模型，我的解读就是：把数据采集出来、提炼形成信息，信息关联起来形成知识，再优化迭代成了知识体系，知识升华就会产生智慧和智能（图2-2）。在智能制造体系建立过程中，工业软件是必不可少的一部分，是工业识的结晶。《铸魂：软件定义制造》（机械工业出版社，2020 年）就是从工业体系着手认识工业和工业软件的一本书。
所有的产品创新，首先是研发，然后才是生产，这是一个复合性的过程。生产能力必须要提高，才能够按照产品研发的思路，制造出符合研发过程所制定的质量标准的产品。这样才能形成一个完善的工业体系。
按照管理学的理论：企业可分为三层架构，第一层是决策层，第二层是管理层，第三层是执行层。一个工业企业，它的智能体现在决策层和管理层，而不是执行层。企业的执行层，包括库存、物流配送以及生产线在内，即便使用大量的机器人、数据采集分析设备，仍然属于自动化范畴，而非智能化范畴。
术语的解读非常重要，云计算、大数据、移动互联网、物联网和人工智能的基础都是集成电路和软件。首先我们要有大量的传感器来做状态感知的工作，采集的天量工业大数据通过工业互联网和物联网传递到云平台上做实时分析，实时分析的数据结果再通过由人的大脑和计算机相结合产生的人工智能做出决策，然后反馈到一线的执行层以实现精准执行。2016 年5 月17 号，中国工程院周济院长亲自主持了《三体智能革命》的院士和专家技术研讨会，其核心就2016 年我们撰写的《三体智能革命》中提到的智能制造的16 字箴言：“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”。
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自 序
第一章 制造技术的发展、演化、进步和变革
第一节 秦始皇一统天下的秘密
第二节 蒸汽机：第一次工业革命的基础
第三节 电力和流水线：第二次工业革命的进步
第四节 计算机与核能：第三次工业革命的起飞
第五节 走向智能：第四次工业革命的曙光
第二章 智能制造的本质
第一节 什么是智能制造
第二节 智能制造的体系和架构
第三节 软件化的工业技术
第四节 软件定义的生产体系
第五节 生产关系的优化和重构
第三章 智能制造溯源之路
第一节 深入认识BOM和BOP
第二节 从数字化产品定义（DPD）开始
第三节 嵌入式软件是产品构成
第四节 复杂产品的解耦与重构
第五节 企业流程与持续优化
第四章 打好基础，落地生根
第一节 PLM：产品全寿命周期概览
第二节 数字化：从工程研制阶段开始
第三节 上甘岭：从数字样机到MBD
第四节 提性能：用数字仿真指导试验
第五节 制产品：企业的MBD 战略转型
第六节 保运行：从MBD到IETM再到MRO
第五章 理清概念，轻装前行
第一节 模型及其演变过程
第二节 从CPS（赛博物理系统）到HCPS
第三节 数字孪生的过去与未来
第四节 数字化主线串起制造产品的整个流程
第五节 “两化融合”“工业互联网”和“智能制造”
附录
飞机设计技术的发展和展望
飞机研发全寿命周期简述
飞机设计的发展历程
先进飞机设计技术的发展
结束语
专业术语表
后记
参考文献
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宁振波先生在数字化、智能化设计与制造领域有很深的理论素养，且有丰富的实践经验。更难得的是，他在诸多问题上有自己的独到见解。《智能制造的本质》一书，总结了他学习智能制造的心得，也凝结了他在实践中的感悟。这本书值得广大从事智能制造相关工作的人士学习参考。
——华中科技大学原校长、中国工程院院士，李培根
数字化转型的显著特征，正给各行各业带来前所未有的变化。数字化技术和制造业的深度融合是进入智能制造大门的金钥匙。宁振波老师在本书中结合自身的深入研究思考和前瞻洞见，对智能制造的本质展开了一系列深入系统的论述，对广大制造企业的数字化转型和智能制造的进步有很强的指导性，值得一读。
——中国科学院院士、生物物理研究所研究员，陈润生
《智能制造的本质》一书是作者基于长期从事飞机设计制造的实践所积累的丰富、深刻认识，对智能制造的定义、内涵、本质、来源、演变、发展及落地实施进行了系统、精辟的论述，书末还附有作者对飞机设计技术发展的系统总结。该书对于当前数字经济发展、数字中国建设具有特别重要的意义，非常值得阅读、学习。
——中国航天科工集团科技委委员、中国工程院院士，刘永才
智能制造的本质一书解读了智能制造的内涵，对隶属于人文社会科学领域的智能和自然科学领域的工业和制造做了详细的解剖。从飞机这个复杂产品入手，从产品策划、概念设计、方案设计、产品设计、试制、试验、批生产、交付以及交付后的运营、维护维修，以及各类管理和决策等方面，系统性地分析了智能制造，是一本有自己独立思考和创新思想的好书，对当今中国工业和制造业的数字化转型有着深刻的意义，特此推荐。
——中国船舶集团有限公司总经理，杨金成
《智能制造的本质》一书，从工业革命历程开始，重点放在复杂产品研制流程的解析上，并把先进的数字化技术广泛应用于制造业，提升制造业的产品质量，提高企业效益，最后完成传统制造业的升级改造。这也是国家推动的数字化转型的内涵。因此，现阶段把智能制造的本质、实质和内涵定义为数字化是准确的。特别推荐从事工业和制造业的工程师、技术人员和管理人员学习。
——中国工程院制造业研究室主任、国家制造强国战略咨询委员会委员，屈贤明
智能制造通过引入数字技术，打破物理与数字空间边界，从而实现贯穿产品设计、制造和运行（维护）的产品全生命周期重定义，从设计态到运行态实现全要素的连接和实时反馈，加速围绕快速变化的用户需求和提升用户体验所做的创新，是制造业数字化转型的核心关键。本书结合作者在航空工业多年的实践经验，从源头到本质，从方法到实践，对智能制造进行了清晰和卓见的阐述。推荐此书给开展企业数字化转型的同仁们。
——华为公司董事、首席信息官，陶景文
什么是智能制造？这个问题从国内引入智能制造这个概念开始，一直是业内讨论的热点。作者长期从事航空工业的智能制造实践，有丰富的实战经验。现在将自己的切身体会上升到理论的高度，对智能制造的本质做了深入浅出的表述，必将对学术界和企业界起到很好的指导作用。
——中国工程院战略咨询中心制造业研究室外聘专家、国家智能制造标准化专家咨询组副组长，董景辰
本书从作者几十年飞机研制的实践出发，尤其围绕20多年前中国第一架全数字样机的研制工作，是攻坚克难后积累的经验和知识点的深刻总结。从飞机研制的设计、工艺、制造、试验、保障全过程的角度，对智能制造的定义、内涵、本质、架构、技术、未来等进行了系统、深入的论述。本书对于当前产业数字化转型、数字中国建设具有特别重要的意义，特别推荐从事工业和制造业、智能制造、工业互联网、数字化转型、工业软件开发的企业、研究机构、政府科技与产业管理部门以及理工科大学的相关老师和同学们研究学习。
——清华大学软件学院院长、教授，王建民
本书从飞机研制入手，深刻解读了智能制造一词的本质，是我看到的第一本从工程实践总结提升到如此理论高度的著作。中国工程院发布的中国智能制造的发展路径是“机械化-电气化-自动化-数字化-智能化”五部曲，本书深入浅出地阐述了为何必须打好企业数字化转型这一仗：企业数字化程度越高，就离智能制造越近。然而，智能制造的基础是工业软件的系统化应用，高端工业软件是国家间竞争的重要领域，作者的前一本书《铸魂：软件定义制造》对此有全面的论述。本书面向理工科大学的研究生和制造业企业技术人员，能够开阔视野、增长知识、提高能力，是一本难得的好书。
——哈尔滨工程大学党委副书记、教授，夏桂华
宁振波老师在本书中瞄准智能制造的起源、发展和未来， 结合自身在飞机设计制造行业的实践经验和对智能制造的深刻思考，对“数智转型”这一时代热点课题进行了精彩独到的回应，对智能制造的本质、核心、关键均做了系统阐述。在新一轮科技革命背景下，对于各企业转型转什么、如何转等都有很强的指导和借鉴意义， 是一本既有理论高度又有实践深度的好书，会给处于数字变革不同阶段的各企业提供很多新思路，十分推荐。
——一汽解放集团股份有限公司董事长，胡汉杰
以智能制造为主线的工业体系转型升级是全球大势。如何准确、全面、深入地理解智能制造？ 作者结合自身几十年来从事飞机研制的经历、长期思考与实践，给出了一个合理的答案；20 世纪80 年代以后，波音公司引领的飞机数字化研发体系的建设就是一个很好的案例，智能制造的本质就是数字化， 就是工业软件的大规模应用与推动。因此推荐本书给从事制造业的管理者、工程师以及理工科大学教师和学生学习。
——中国航空研究院科技委主任，孙侠生
智能制造是一个超越时代的热点话题。它在为工厂现场提供答案的同时，也抛出了很多棘手的问题。凭借多年的飞机制造经验与广泛调研的知识沉淀，宁老师以非凡的勇气和宽广的视角， 伸手接住并回答了这样的困惑， 从而让工厂的实践变得更加丰满。立体剖析，丝丝入扣，值得一阅。
——北京联讯动力咨询公司总经理，林雪萍