郭朝晖:宁振波新著《智能制造的本质》读后感

2021/11/13 0:22:50 人评论 次浏览 分类:自动化书籍  文章地址:/servicecentre/4028.html


最近,我国智能制造领域的著名专家宁振波先生新著《智能制造的本质》出版。宁振波先生长期在中航工业从事飞机设计工作,参与了多款飞机的研制,具有丰富的工作经验。在他的坚持和努力下,我国成功研制成第一架数字化样机,极大地推进了我国飞机设计技术的发展。


从某种意义上说,数字化样机是飞机的数字化模型。凑巧的是:在宝钢工作时,我的主要工作也是研究模型、特别是生产过程的控制模型。离散制造行业的设计模型和流程行业的生产控制模型有所不同。但正是这个原因,这本书给了我很大的启发,弥补了我知识上的短板,让我有机会从另一个角度对模型进行较为深入的思考,从而扩大我的视野。


模型最初的概念,是依照实物的形状和结构,按一定比例制成的物品。很早之前,人们就把这种模型用于工程活动中。建筑师在造房子之前,需要准备长短合适的材料。古代的木匠往往先用做一个小的木头模型。准备材料时,按一定的比例把模型放大,就知道材料的尺寸了。从这种意义上说,模型是一种知识,是人们获取信息、承载信息的手段。


我们注意到,模型有一个重要特点:可以方便地提供各种各样的信息需求。打个比方:建房子的时候,主人想知道能否放入某套家具。这其实就是一个随机的信息需求。只要有了模型,就可以很容易地给出答案。这样的一个特点,对设计师特别重要:设计过程可能会遇到各种意外和问题,事先并不确知自己需要什么信息。


模型的作用是获得信息,但建立模型不一定需要物理模型。


过去曾经有个电影,讲的是年轻建筑工人搞技术革新。电影中的老师傅按照先做模型再放大的办法盖房子。年轻工人觉得制作模型太麻烦、费时又费力。于是,通过学习数学知识,用几何方法正确地计算出了实物尺寸,并取得了成功。


这个故事引出了一个新的概念:数学模型。有了数学模型,人们只需要在纸上算一算,就不必制作实物模型了。这样,获取信息的成本就更低、效率就更高了。


恩格斯曾经指出,一门学科只有与数学相结合,才能成为真正的科学。20多年前,笔者读博士时,班里的同学们来自不同领域和专业。但大家却不约而同地都在搞数学模型。这其实并不奇怪:人类发现的自然科学规律,都是能用数学来描述。仔细想来,这其实是个令人震惊的结论。


随着计算机技术的发展,人们又发现:原来木头做的模型,可以搬到计算机里面。人们可以对一台设备、一架飞机建立整体的三维数字化模型。人类生活在一个三维世界中。世界上每一个实物的物体,都可以用三维模型描述。除了几何属性,物质对象还会有其他的物理属性,如强度、质量、温度、导电性等等。把这些物理属性与三维空间的属性结合在一起,就可以完整地描述人们的设计目标了。


于是,智能化进入了一个新的阶段。


从控制论的角度看,智能是信息感知、决策和执行的统一。一般情况下,决策时需要的信息,并不都是决策时获得的,许多信息需要事先准备好。当模型能够完整地描述对象的空间和物理特征时,决策所需要的特殊信息,可以随时计算出来、供决策者参考。


过去的模型用木头做、写在纸上,由人来完成计算。信息的载体和处理信息的机构是分开的。所以,机器决策就无法实现。现在,计算所需要的信息都存在计算机中,计算过程也是由计算机来完成。这样,信息和信息的处理机构就融合起来了。这意味着,人可以从计算过程中脱离出来了,并充分发挥计算机计算能力强、不出错的优势。这样,智能决策就进入了一个新的高度。于是,一个伟大的时代悄悄地开始了,计算机决策就具有了无限的潜力。我们最近所看到的技术进步,正是这个逻辑。


这种潜力的发挥,还需要人们进一步的努力。


工程师在设计飞机、汽车、飞船、火箭、工厂设备时,需要非常复杂的数学计算,花费大量的时间和精力。计算机在计算效率和准确度方面,远远超出人的能力。如果这些工作可以让计算机去做,计算效率将会大大地提高。事实上,人们发明计算机的目的,就是帮助人们完成这种计算。


几十年前,人类进行这种计算时,需要针对某个特定的问题进行独立的编程。虽然计算机的运算能力很强、计算速度很快,但编程的过程却非常耗时、也容易出错。要解决这个问题,就要有通用的程序。


工业软件的诞生,恰恰解决了这个问题。把物理对象的模型用标准化的格式统一表示,就可以用通用程序解决各种计算问题了。这样,人们就不再需要针对每个具体对象编程。这不仅大大提高了效率,也显著地降低了计算出错的概率。于是,数字化研发产生了革命性的变化。


若干年前,宁振波先生看到了数字化设计巨大的潜力,全力推进飞机的全数字化设计。那时,他遇到了巨大的困难和阻力,许多人都反对他。但他仍然坚持自己的观点,直至成功。我曾扪心自问:如果我当年处在他的位置,会如何处理?我很可能会生一顿气,然后拂手而去了。我想,一定是巨大的责任心,才能支撑他做下去。现在回首再看:如果现在仍然无法用数字化技术设计飞机,我们的研发能力就会落后国外一个时代。我们与国外的竞争,就像用大刀长矛对人家的洋枪洋炮。


当然,智能化的脚步并没有在设计研发领域止住,而是迈向了更加广阔的空间。


多年前,专家系统曾经是众人关注的焦点。但随着时间的推移,却逐渐冷寂下去了。笔者曾经非常困惑:导致这种现象的原因何在呢?


后来才意识到:过去的一些系统往往缺乏足够好的应用场景,沦为屠龙之技。人类面临的决策问题,往往是需要实时完成的。如果没有实时信息的驱动,智能化的场景就要少得多;如果需要人类输入实时数据,效果就会差得多。过去的专家系统往往并不强调联网,系统不能自动地获取实时数据,有价值的场景就少得多了。由此观之,互联网、物联网技术的发展,让智能化的场景极大丰富。同时,借助互联网,计算机能够在广阔的物理空间内促进多方协同、资源共享、知识复用。智能化的价值就大大提升了。


智能化发展到今天,刚刚是个开始,可谓方兴未艾。宁振波先生的《智能制造的本质》这本书,不仅能够促进我们思考过去,更能帮助我们更加清晰地洞悉未来。

作者:郭朝晖(工学博士,教授级高工。企业研发一线工作20年;优也科技信息公司首席科学家;东北大学、上海交大等多所院校兼职教授。国内知名智库、走向智能研究院的发起人之一。原宝钢研究院首席研究员)

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