製造業(ye) 是現代社會(hui) 賴以生存與(yu) 發展的基石。中國的製造業(ye) （即第二產(chan) 業(ye) ）占國家生產(chan) 總值的一半，其重要性顯而易見。

近年來的國際形勢撲朔迷離，不少國家設置了各種政治與(yu) 經濟的籬藩，原材料與(yu) 零部件的供應隨時可能短缺，市場與(yu) 服務也可能難以持續。另一方麵，由於(yu) 社會(hui) 發展加速，產(chan) 品的生命周期不斷縮短，策劃不當就會(hui) 導致產(chan) 能過剩，造成很大浪費。此外，為(wei) 了提高質量與(yu) 效率，製造工程中所用到的機器的精度與(yu) 速度不斷提高，經常被推到其能效的極致，所以故障在所難免。故障發生時機器的快速修複，以及製造生產(chan) 的不停頓十分重要。今年年初的新冠病毒在全球大流行，更使得製造業(ye) 雪上加霜。因此有遠見的公司都在考慮製造係統的韌性，即韌性製造。

韌性製造是一些美國學者最先提出的。它與(yu) 近年來興(xing) 起的韌性係統理論相關(guan) 。韌性係統理論與(yu) 可靠性理論不同，它主要是審視當係統受到外部攻擊或內(nei) 部損壞時的應對方法。目前韌性係統的理論還不成熟，但應用範圍卻很廣，包括地區經濟的韌性、運輸係統的韌性、食物供應係統的韌性、生態係統的韌性及心理韌性等，但國內(nei) 對此關(guan) 注度不高。例如，洛克菲勒基金會(hui) 資助了一個(ge) 叫做百座韌性城市（100 Resilient Cities）的計劃，許多國際大都會(hui) 如紐約、倫(lun) 敦、巴黎、洛杉磯都參與(yu) 了，而國內(nei) 隻有湖北黃石、四川德陽兩(liang) 個(ge) 城市參與(yu) ，重視度明顯不夠。

筆者認為(wei) ，韌性製造包括三方麵：創新、布局、控製。

第一個(ge) 方麵是創新。創新包括材料創新、設計創新、製造技術創新及產(chan) 品服務創新。根據摩爾定律，計算機的能力每18個(ge) 月就會(hui) 翻一翻，隨之帶動各種產(chan) 品的更新換代。陳舊的產(chan) 品很快就會(hui) 被更好、更廉價(jia) 的新產(chan) 品所取代，所以必須創新。一個(ge) 好的創新產(chan) 品將為(wei) 公司乃至社會(hui) 帶來福祉。

由於(yu) 製造業(ye) 的涉及麵非常廣，一個(ge) 公司不論大小都不可能囊括其業(ye) 務所涉及的所有技術。因此，安排好創新的人力資源最為(wei) 重要。創新的人力資源包括本公司的研發隊伍以及外協單位，利用外協單位的資源是重要的杠杆。

我們(men) 注意到美國公司特別是美國高科技公司，常用並購、聘用、挖人等方法獲取新技術。日本公司則注重長期合作、步步為(wei) 營。前者見效快，後者質量高。我國的製造業(ye) 起步晚，中小企業(ye) 特別缺乏創新人才。但國家重視理工科教育，近年來在大學和研究所集聚了不少人才。政府還設立了獎勵政策，鼓勵公司與(yu) 大學及研究所合作。我們(men) 建議學習(xi) 日本的經驗，注重長期合作，把創新與(yu) 質量同時做好，以保障創新成果能夠得到社會(hui) 的認可。

第二個(ge) 方麵是布局。 要使製造係統具有韌性，布局十分重要。布局包括原材料與(yu) 零部件供應鏈布局、製造係統布局、產(chan) 品銷售與(yu) 服務網絡布局。我們(men) 研究了製造係統的布局，發現要提高製造係統的韌性除了傳(chuan) 統的方法，如增加備用設備、增加堆棧外，還有三個(ge) 方法。

（1）平衡製造係統的節拍。製造係統通常由多個(ge) 工作站組成，每個(ge) 工作站有一台或多台機床，用特定節拍完成特定的工作。要提高製造係統的韌性，各工作站的節拍必須平衡。否則就會(hui) 產(chan) 生瓶頸，製約整個(ge) 製造係統的生產(chan) 效率。此外，在故障發生時，瓶頸會(hui) 特別脆弱，很容易導致整個(ge) 製造係統停頓。

（2）使用可重構機床。所謂可重構機床是指通過簡單操作即可改變其功能的機床。這類機床首先是由美國密歇根大學提出的。他們(men) 設計了一台機床，通過簡單的操作即可把機床變成車床或銑床。可重構機床比一般機床要貴，但在其他機床發生故障時其可以重構，從(cong) 而保證整個(ge) 製造係統的不停頓運行。

（3）使用可移動堆棧。可移動堆棧由AGV（Automated Guided Vehicle）、機械臂及堆棧所組成。與(yu) 傳(chuan) 統的機械臂—堆棧組合相比，費用增加不多，但堆棧的容量可大大增加，從(cong) 而提高製造係統的韌性。

此外，對於(yu) 生產(chan) 多種類型產(chan) 品的複雜製造係統，在一台機床發生故障時，還可以通過調度，先行加工不需使用這一機床的產(chan) 品，從(cong) 而減少損失。

我們(men) 認為(wei) 上述的方法也適用於(yu) 其他係統，如運輸係統。

第三個(ge) 方麵是控製。控製有三個(ge) 層次。第一個(ge) 層次是將製造係統中的各個(ge) 設備分別控製，目前大部分公司都是這樣做的。第二個(ge) 層次是將製造係統中的各個(ge) 設備連接起來，經過數據處理、數據分析及邏輯編程器（PLC）進行集中控製。目前有部分公司已經開始實施，有些公司還加入了數字孿生軟件，使整個(ge) 製造係統的運作可視化。第三個(ge) 層次是在第二個(ge) 層次的基礎上引入智能控製。智能控製分三步：監控、診斷及控製。監控是快速地檢測出故障，診斷是找到故障原因，控製是采取措施，對係統進行調節。智能控製的關(guan) 鍵技術是人工智能。

在製造係統中，經常會(hui) 遇到“數據孤島”的問題：首先，由於(yu) 傳(chuan) 感器昂貴或難以安裝，數據采集能力有限，無法獲得製造係統的完整信息。其次，隻有大量係統正常運行時的數據，故障數據很少。此外，許多故障數據無法獲得。所以，數據雖多，有用的信息卻不夠。為(wei) 了解決(jue) 這一問題，智能控製必須有好的算法。我們(men) 的研究結果表明，對抗神經元網絡（Generative Adversarial Network）行之有效。對抗神經元網絡由兩(liang) 個(ge) 神經元網絡組成。一個(ge) 用於(yu) 描述被控製係統的特征。它與(yu) 傳(chuan) 統的神經元網絡相似，可以根據已有的數據建立模型，並對新的數據所對應係統狀態進行預測。另一個(ge) 神經元網絡則結合已有的數據及預先設計好的輸入自舉(ju) 生成各種故障數據。對抗神經元網絡算法將同時訓練這兩(liang) 個(ge) 神經元網絡，最後構造出完整的控製算法。我們(men) 把這一方法用在機器人焊接係統。實驗證明其實時監控能力可達97%，比傳(chuan) 統的方法提高12%。

韌性智能製造是一個(ge) 大課題，它會(hui) 直接影響到一個(ge) 公司甚至一個(ge) 地區製造業(ye) 的興(xing) 亡。它涉及的技術多，包括材料工程、機械工程、電氣工程、工業(ye) 工程、計算機工程、網絡技術、人工智能技術等。我們(men) 建議有需求的公司及早開始，通過創新、布局及控製，建立起自己的韌性智能製造係統。

（作者單位分別為(wei) 中科健齒科技有限公司、華南理工大學吳賢銘智能工程學院）