1.2 面向智能制造的HCPS的进化过程

1.2.1 制造系统发展的第一阶段：基于人-物理系统的传统制造

200多万年前，人类就会制造和使用工具[25]。从石器时代到青铜器时代，再到铁器时代，这种主要以人力和畜力为主要动力并使用简易工具的生产系统持续了上百万年。以蒸汽机的发明为标志的动力革命引发了第一次工业革命，以电机的发明为标志的动力革命引发了第二次工业革命，人类不断发明、创造与改进各种动力机器并使用它们来制造各种工业品[13]，这种由人和机器所组成的制造系统大量替代了人的体力劳动，提高了制造的质量和效率，社会生产力得以极大提高。

制造系统由人和物理系统（如机器）两大部分组成，因此称为人-物理系统（Human-Physical Systems，HPS），基于HPS的传统制造系统如图1-1所示。其中，物理系统（Physical Systems，P）是主体，工作任务通过物理系统完成；而人（Human，H）则是主宰，人是物理系统的创造者，同时又是物理系统的操作者，完成工作任务所需的感知、学习认知、分析决策与控制等均需由人完成。例如，在传统手工操作机床上加工零件时，需由操作者根据加工要求，通过手眼感知、分析决策并操作手柄控制刀具相对工件按希望的轨迹运动而完成加工任务。HPS的原理简图如图1-2所示。

1.2.2 制造系统发展的第二阶段：基于HCPS 1.0的数字化制造

二十世纪中叶以后，随着制造业对技术进步的需求不断增加，以及计算机、通信和数字控制等信息化技术的发明和广泛应用，制造系统进入数字化制造时代[26-28]，以数字化为标志的信息革命引领和推动了第三次工业革命[29，30]。

与传统制造相比，数字化制造最本质的变化是在人和物理系统之间增加了信息系统（Cyber System，C），从原来的人-物理二元系统发展成为人-信息-物理三元系统，HPS进化成HCPS（见图1-3）。信息系统由软件和硬件组成，主要作用是对输入的信息进行各种计算分析，并代替操作者去控制物理系统并完成工作任务。例如，与上述传统手工操作机床加工系统对应的是数控机床加工系统，它在人和机床之间增加了计算机数控系统，操作者只需根据加工要求，将加工过程中需要的刀具与工件的相对运动轨迹、主轴速度、进给速度等按规定的格式编成加工程序，计算机数控系统即可根据该程序控制机床自动完成加工任务[31]。

数字化制造可定义为第一代智能制造，故而面向数字化制造的HCPS可定义为HCPS 1.0。与HPS相比，HCPS 1.0集成人、信息系统和物理系统的各自优势，其能力尤其是计算分析、精确控制和感知能力等都得以极大提高，其结果是：一方面，制造系统的自动化程度、工作效率、质量与稳定性、解决复杂问题的能力等方面均显著提升；另一方面，不仅使操作者的体力劳动强度得到进一步降低，更重要的是，人类的部分脑力劳动也可由信息系统完成，知识的传播利用和传承效率都得以有效提高。HCPS 1.0的原理简图如图1-4所示。

从二元系统HPS到三元系统HCPS，由于信息系统的引入，使制造系统同时增加了人-信息系统（Human-Cyber Systems，HCS）和信息-物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）[22，32-34]。美国学术界在二十一世纪初提出了CPS的理论[35，36]，德国工业界将其作为工业4.0的核心技术[37，38]。

此外，从机器的角度看，信息系统的引入也使机器的内涵发生了本质变化，机器不再是传统的一元系统，而变成了由信息系统与物理系统构成的二元系统，即信息-物理系统（智能机器），因此，第三次工业革命可以看作是第二次机器革命的开始[13]。

在HCPS 1.0中，物理系统仍然是主体；信息系统是主导，信息系统在很大程度上取代了人的分析决策与控制工作；而人依然起着主宰的作用[39]。物理系统和信息系统都是由人设计制造出来的，其分析决策与控制的模型、方法和准则等都在系统研发过程中，由研发人员通过综合利用相关理论知识、经验、实验数据等来确定，并通过编程等方式固化到信息系统中；这种HCPS 1.0的使用效果在很大程度上依然取决于操作者的知识与经验。例如，对于数控机床加工系统，操作者不仅需要预先将加工工艺知识与经验编入加工程序中，同时还需要对加工过程进行监控和必要的调整优化。

1.2.3 制造系统发展的第三阶段：基于HCPS 1.5的数字化网络化制造

二十世纪末，互联网技术快速发展并得到广泛普及和应用，推动制造业从数字化制造向数字化网络化制造（Smart Manufacturing）转变[16，40，41]。数字化网络化制造本质是“互联网+数字化制造”，可定义为“互联网+”制造，亦可定义为第二代智能制造。数字化网络化制造系统仍然是由人、信息系统、物理系统三部分组成的HCPS（见图1-5），但这三部分相对于面向数字化制造的HCPS 1.0均发生了根本性的变化，故而面向数字化网络化制造的HCPS可定义为HCPS 1.5。其最大的变化在于信息系统，工业互联网和云平台成为信息系统的重要组成部分，既连接信息系统，又连接物理系统，还连接人，是系统集成的工具；信息互通与协同集成优化成为信息系统的重要内容。同时，HCPS 1.5中的人已经延伸成为由网络连接起来的共同进行价值创造的群体，涉及企业内部、供应链、销售服务链和客户，使制造业的产业模式从以产品为中心向以客户为中心转变，产业形态从生产型制造向生产服务型制造转变。

数字化网络化制造的实质是有效解决“连接”问题，通过网络将相关的人、流程、数据和事物等连接起来，通过企业内、企业间的协同和各种资源的共享与集成优化，重塑制造业的价值链。例如，数控机床的设计制造商及其关键零部件供应商均可通过网络对自己的产品进行远程运维服务，与数控机床应用企业共同创造价值；数控机床应用企业也可以通过网络实现其加工过程与工艺设计、生产调度、物流管理等的信息互通与集成优化[31，42，43]。

1.2.4 制造系统发展的第四阶段：基于HCPS 2.0的新一代智能制造

当今世界，各国制造企业普遍面临着进一步提高质量、增加效率、快速响应市场的强烈需求，制造业亟需一场革命性的产业升级。从技术上讲，基于HCPS 1.5的数字化网络化制造还难以克服制造业发展所面临的巨大问题。解决问题，迎接挑战，制造业对技术创新、智能升级提出了迫切要求。

二十一世纪以来，互联网、云计算、大数据等信息技术日新月异、飞速发展，并极其迅速地普及应用，形成了群体性跨越[12，44-46]。这些历史性的技术进步，集中汇聚在新一代人工智能的战略性突破，新一代人工智能已经成为新一轮科技革命的核心技术。

新一代人工智能技术与先进制造技术的深度融合，形成了新一代智能制造技术，成为新一轮工业革命的核心驱动力[1]。新一代智能制造的突破和广泛应用将重塑制造业的技术体系、生产模式、产业形态，以人工智能为标志的信息革命引领和推动着第四次工业革命。

面向新一代智能制造系统的HCPS如图1-6所示，与面向数字化网络化制造的HCPS 1.5相比，面向新一代智能制造系统的HCPS发生了本质性变化，因此，面向新一代智能制造的HCPS可定义为HCPS 2.0。最重要的变化发生在起主导作用的信息系统，HCPS 2.0中的信息系统增加了基于新一代人工智能技术的学习认知部分，不仅具有更加强大的感知、分析决策与控制的能力，更具有学习认知的能力，即拥有了真正意义上的“人工智能”；信息系统中的“知识库”是由人和信息系统自身的学习认知系统共同建立，它不仅包含人输入的各种知识，更重要的是包含信息系统通过自身学习得到的知识，尤其是那些人类难以描述的知识，知识库可以在使用过程中通过不断学习而不断积累、不断完善、不断优化。人和信息系统的关系发生了根本性的变化，即从“授之以鱼”变成了“授之以渔”[1，2，6]。HCPS 2.0的原理简图如图1-7所示。

面向新一代智能制造的HCPS 2.0不仅使制造知识的产生、利用、传承和积累效率发生革命性变化，而且大大提高制造系统处理不确定性和复杂性问题的能力，极大改善制造系统的建模与决策效果。对于智能机床加工系统，在感知与机床、加工、工况、环境有关的信息基础上，通过学习认知建立整个加工系统的数字孪生模型，并通过其进行分析决策与控制，实现加工过程的优质、高效和低耗运行[42，43]。

新一代智能制造进一步突出了人的中心地位[24，50-56]，智能制造将更好地为人类服务；同时，人作为制造系统的创造者和操作者的能力和水平将得以极大提高，人类智慧的潜能将得以极大释放，社会生产力将得以极大解放。知识工程将使人类从大量脑力劳动和更多体力劳动中解放出来，人类可以从事更有价值的创造性工作。

面向智能制造的HCPS随着信息技术的不断进步而不断发展，而且呈现出发展的层次性和阶段性（见图1-8），从最早形态的HPS到HCPS 1.0，再到HCPS 1.5和HCPS 2.0，这种从低级到高级、从局部到整体的发展趋势将永无止境。