智能制造的本质

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。

宁振波
研究员，中国航空工业集团信息技术中心原首席顾问，工信部首批两化融合专家，国家复杂产品智能制造重点实验室学术委员会委员，曾任航空工业西安飞机设计研究所研究室主任、航空工业301研究所副总工程师、金航数码科技有限责任公司副总经理、西北工业大学兼职教授，2019年出任中国船舶独立董事。
多年来担任多个行业和企事业单位外聘专家，参与CCTV多个工业制造的电视片制作专访栏目。参加多型飞机研制，多次获科技进步奖，荣立多级别的一、二、三等功十余次。
2002年参与飞机制造业数字化工程并编制八册数百万字系列丛书。近15年来，发表有关制造业数字化设计、制造、试验、管理以及智能制造的学论文数百篇，被国家图书馆收录多篇。2017年参与编写中国工程院周济院长主持的《中国智能制造发展战略研究》。著作有：《三体智能革命》（2016年）、《智能制造术语解读》（2018年）、《铸·魂：软件定义制造》（2020年）。2004年获国家科技进步二等奖，2019年12月12日在人民大会堂获“2019第15届光华龙腾奖·中国设计贡献奖金质奖章—新中国成立70年·中国设计70人”。

自 序
章 制造技术的发展、演化、进步和变革
节 秦始皇一统天下的秘密
第二节 蒸汽机：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
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
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
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
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

工业革命是人类永远的话题。作为一个飞机设计工程师，我对工业和制造业有着常人难以想象的关心和热爱。近几年我发现了一本好书，这本书就是2017 年上海社会科学院出版社出版的《拼实业：美国是怎样赢得二战的》，作者是美国的阿瑟·赫尔曼。这本书的内容让我极受感动，因此我也推荐给了很多关心工业和制造业的好朋友，得到了一致的好评。这里我把这本书前言中的部分内容和大家共享：“这本书是有关第二次世界大战中那些被遗忘的美国英雄们的故事，在战争之中，这些英雄们并没有身穿军装，他们身上穿戴的是职业正装，是粗布工作服和法兰绒上衣，是眼镜和阔边高顶毡帽，是小礼帽和安全帽，是白大褂，是电焊皮手套，是带有图案的头巾。”
“他们是美国的工业界人士、工程师、生产经理和产业工人，这些平凡的男男女女，装备了有史以来令人敬畏的战争机器。这样一支产业联军武装了同盟国的军队，击败了轴心国的大军。生产了8.6 万辆坦克、250 万辆卡车和50 万辆吉普车、28.6 万架军用飞机、8.8 万艘海军舰艇、5600 条商船、4.34 亿吨钢铁、260 万挺机枪和410 亿枚各式炮弹子弹；当然还包含了原子弹。”“许多人为此付出了极为沉重的代价。在涉及战争方面的产业就业的美国工人伤亡很大，其数字是同时期美国军方人士伤亡数字的20 倍。为保证美国赢得战争的后胜利，仅通用汽车公司一家企业就有189 名高管在战争期间以身殉职。”工业和制造业是国家命脉，“工业强则国家强”是人类的共识。
次工业革命发生在18世纪的英国，英国发明了蒸汽机，经过不断的改进完善，加上珍妮纺纱机，奠定了次工业革命的机器基础，以此带动西欧国家进入了工业革命时代。随着欧洲大量人口移民北美，美洲大陆的开发拓展以及欧洲和北美的交通需求促成了第二次工业革命。这一次工业革命发生在美国，是以电力革命为代表的。第三次工业革命也发生在美国，是以计算机为代表的一系列的技术如航空、航天、核工业、生物医学、激光等技术进步为标志的。这些多学科的学术、多门类的技术进步，引领并持续带动人类踏入了新一代的工业革命的大门。第二次世界大战后，随着日本、韩国工业和制造业崛起，中国自1978 年改革开放、2001 年加入世贸组织后，2010 年工业增加值超越美国，成为世界制造大国。随着中国的崛起，继西欧、北美之后，东亚成为世界工业化和制造业大发展的第三极。
2021 年3 月1 日，在国务院新闻办公室举办的新闻发布会上，工业和信息化部部长肖亚庆称：“回顾过去5 年，中国工业增加值由23.5 万亿元增加到31.3 万亿元，我国连续11 年成为世界的制造业国家。制造业的占比比重对世界制造业贡献的比重接近30%。”
中国工业和制造业的快速发展，逐步形成了全球的三大工业区：西欧、北美、东亚。有意思的是这三大工业区都处于地球上的北温带。近十多年的数据表明，工业化国家也面临着极大的挑战：工业国家人口持续的老龄化；制造业持续的创新和技术进步，带来了难以消化的产能过剩；加速融合的全球化也促进了竞争加剧；各工业化国家普遍面临经济增长乏力的困境。这一切都亟待新一代创新和技术革命加以解决。不约而同地，全球都把眼光盯在了数字化转型这个大方向上来，德国于2013年在汉诺威工业博览会上发布的“工业4.0”、美国的“工业互联网”、中国于2015年提出的“中国制造2025”等工业体系转型升级规划都是为了解决以上难题提出的解决方案，这就是数字化转型的“为什么”。
数字化转型“是什么”？2016年9月出版的《三体智能革命》一书中，作者群体在世界上次明确提出了“物理实体、意识人体、数字虚体”的概念以及内涵解读，2017年中国工程院《智能制造发展战略研究》中提出“从智能制造的二元论CPS走向智能制造三元论HCPS”，也把人类创造的“数字虚体”作为重要的研究对象。我们认为：数字化转型不是简单地把电子计算机技术和工业软件应用到传统的工业管理模式和产品研发体系中，严格地说它应该是一场彻头彻尾的革命。
为了说清楚这个问题，我们以网约车打车为例：过去我们出行，站在路边等候出租汽车，一直等到有空车驶过我们身边才可以上车，然后告诉出租车司机目的地的地址。现在整个游戏规则变了，打车者要在自己的手机上进入打车App，确定上车地点、到达地点，发出呼叫，附近的空车得到指令，司机师傅就会赶到叫车的地点接指定的客人。如果别人在路上拦这辆车，是不可能成功的。实际上这就是数字化转型的典型案例。以前，出租车公司也会用计算机和软件来实现人事管理、财务管理、车辆管理、维修管理等各项事务性工作，但那些仅仅是计算机技术的简单应用而已。
作为数字化转型的体现，网约车打车实际上是我们人类重新构建的一个基于计算机和通信技术、软件技术、AI技术的虚拟数字空间，所有车辆、司机、顾客都在这个数字空间的控制下运行。从这个案例我们可以看到：系统性的数字虚拟空间建设才是数字化转型的核心。
回到我们制造业，数字化转型“转什么”？我们就是要构建一个虚拟的数字空间，具体来说对离散制造业就是构造完整的数字样机（DMU），以此来指导我们的产品设计、工艺设计

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，*后完成传统制造业的升级改造。这也是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