本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第6期
作者：王柏村，陶飞，方续东，刘超，刘宇飞，Theodor Freiheit
来源：Smart Manufacturing and Intelligent Manufacturing: A Comparative Review[J].Engineering,2021,7(6):738-757.
编者按
数字化、网络化、智能化技术在制造业的应用 ， 对于全世界科研人员以及制造业从业者来说，已成为一个热门话题 。“Smart manufacturing” (SM)和“Intelligent manufacturing” (IM)这两个名词作为专用术语已被广泛使用 。虽然SM和IM看起来是类似的，但两者既存在区别、也存在联系 。
中国工程院院刊《Engineering》2021年第6期刊发《智能制造——比较性综述与研究进展》一文 。为了对SM和IM两种术语进行辨析，消除智能技术在制造业应用中的一些误解，文章系统比较了SM与IM的研究领域与共现关键词、典型技术架构，分析了各自的特征，进一步提出了SM与IM融合发展的未来路径 。文章指出，随着新一轮工业革命的发展，人工智能迅速地应用在现代制造业与人-信息-物理系统(HCPS)当中，SM与IM这两个概念有合二为一的发展趋势，因此，深入理解SM和IM变得越越重要，期待本论文能为此提供参考 。
一、引言
信息和通信技术（ICT）在制造系统中发挥着重要的作用 。网络系统与相关智能技术的不断发展催生出了大数据、工业4.0、物联网（IoT）、云计算、信息物理系统（CPS）、数字孪生（DT）及新一代人工智能技术（AI），同时各种先进的生产模式被提出 ， 基于这些理念可以改良制造工艺、促进生产系统智能化的发展 。表1列出了几篇关联或比较分析这些理念及技术的文献 。
表1 对工业4.0中新兴理念/技术进行对比分析的相关文章
近几年，大多数国家已经意识到了制造业改造升级的重要性，全社会对制造业数字化、网络化、智能化的关注不断升温 。学术界与相关行业的研究人员为了描述制造业与先进信息技术的深度融合，提出了两种制造模式，即“Smart manufacturing” (SM)与“Intelligent manufacturing” (IM) 。
学者们对SM与IM的联系已经进行了初步研究 。Zhou等将IM的发展划分为三个阶段：2000年前为第一阶段，即数字化制造，使用计算机支持机器及系统层面的操作 ， 并在一定程度上应用了专家决策系统；2000 年之后为第二阶段 ， 即SM阶段，在这个阶段，数字化制造通过改进数字化模型、利用网络来适应动态环境和客户需求；2020年之后为第三阶段，即新一代智能制造阶段（NGIM），使用机器学习（ML）、大数据、物联网更好地实现人机系统融合 。Thoben等认为SM 与IM在有些时候虽然意义相同 ， 但是相对于组织管理理念 ， IM更多地侧重于技术 ， 而SM更多强调分析和控制 。Yao和Zhang等将SM看作IM的更新版本，再加以利用物联网、信息-物理系统、云计算、大数据等智能技术可使工业4.0成为可能 。
这些研究反映出关于SM与IM之间关系的一些早期观点 ， 然而并不能确定SM与IM之间是否真正存在差异，还是仅仅因为科研人员之间缺乏沟通和共识造成的术语差异 。此外，在SM与IM的发展中，各类文献也对SM与IM的定义、理念、内涵及技术发展缺乏考证 。“Smart”和“Intelligent”两个含义相近的形容词经常被用于描述聪明的人，而词典中对“Intelligence”的定义在智能程度上要高于“Smartness” 。在非英语国家，SM 与IM经常被翻译为同一个词，如果表示不同的含义时则可能会造成混淆 。例如 ， 在中国，SM与IM被经常翻译为同一个词“智能制造” 。
关于SM与IM之间关系的其他问题包括：
? SM与IM的起源与学术上的定义是什么？
? 它们与其他生产模式/范式（包括柔性制造和云制造等）的关系是什么？
? 它们的发展情况是否有所不同，特别是关键技术、框架架构等方面？
? SM与IM的发展趋势是相互融合还是相互背离？
为了对两种术语进行辨析，消除智能技术在现代制造业应用中的一些误解，本文系统地比较了SM与IM的研究领域、典型技术和架构，强调了各自的特征 ， 并进一步提出了SM与IM融合发展的未来路径 。
二、研究方法
本文研究内容包括了对SM与IM概念和定义的概述和比较，对两者研究内容及架构的讨论 。分析研究（图 1）按照下面的步骤展开 。
图1 研究范畴和章节划分
（1）通过对Web of Science (WoS) Core Collection和 Scopus数据库的文章标题、摘要及关键词进行文献计量学分析，然后通过网络分析对高频率关键词进行定量分析 。
（2）以高频率关键词为基础，从文献中回顾研究进展，并确定SM与IM的起源、发展、关键技术及实现架构等关键主题 。确定SM/IM发展时间顺序并定性分析常见定义、特征与原则 。
（3）评估SM、IM及其他模式/范式之间的关系，并且对SM和IM相关关键概念的共现关系进行量化 。
（4）通过计算关键词频率讨论共性关键技术并综述相关案例 。
（5）回顾SM和IM的实现构架和国家/地区的发展重点，并寻找其中典型的影响因素 。
三、文献计量学分析
文献计量学能分析评估当前文章研究的趋势，提供整个领域的框架结构和未来研究的指导方针和动机 。通过将“intelligent manufactur*”及“smart manufactur*”作为查询词条对标题、摘要和关键词进行检索，从WoS和Scopus中收集截至2019年的文献计量学数据 。在这一部分，我们比较了SM和IM的文献数量的增长、国家地区的分析与协作、顶级期刊及会议分布和关键词的共现频率 。
（一）每年文献发表量
从每年WoS（图2）和Scopus（图3）中SM与IM文献的发表量可以反映出学者们的研究兴趣 。在数据库中发现的第一篇有关SM的文章是Schaffer在1986 年写的，文中提出“人工智能是智能制造（SM）的一种工具” 。从1985年到2008年，关于IM的文献数量增长较缓慢，从WoS及Scopus数据库中得知从1991年到 2012 年IM文章年发表量大约在20~60篇 。在2008年，Scopus中有关SM的论文数量出现了一个小峰值，数量超过了100篇，实际他们主要来源于当年的智能制造应用国际会议（ICSMA），但这些文章只有极少数真正地讨论SM 。图2和图3都显示大约从2013年开始，学者们才在SM与IM上投入了更多的关注，在2015年开始变得更热 。
图2 在WoS数据库中，从1988年到2019年每年关于SM与IM的文献发表量 。其中，关于SM共1069篇，关于IM共1467篇
图3 在Scopus数据库中，从1985年到2019年每年关于SM与IM的文章发表量 。其中，关于SM共1968篇，关于IM共2297篇
（二）国家 / 地区及研究机构分析
表2为在WoS数据库中不同地区的文献发表数量 。发表SM相关文献最多的国家是美国，其次是中国、德国、韩国和英国；中国在IM相关文献发表数量上领先 ， 其次是美国、英国、加拿大和德国 。总的来说，美国、中国、德国所有关于SM和IM的文章占全球总量的 53%，这三个国家实际上也已经将SM与IM作为国家制造业计划或政策的核心 。其他国家或地区似乎更倾向于其中某一种术语 。例如 ， 日本、法国、加拿大、西班牙和葡萄牙总的来说在两种术语中更倾向于IM，发表关于IM和SM的文章数目比例是2 ∶ 1，罗马尼亚、斯洛伐克、墨西哥和匈牙利基本只使用IM 。相反地，意大利和韩国更倾向于使用SM，发表关于SM和IM的文章数目比例是1.6 ∶ 1，而澳大利亚、奥地利、新西兰和芬兰基本只使用SM 。英国、印度、瑞典和巴西使用两种术语的文献数目基本相同，偏差不超过15% 。
表2 发表SM/IM相关文章数量排名靠前的国家/地区
图4展示了国家地区间合作发表文章情况 。不同节点大小代表国家/地区的合作强度，线的粗细代表了两个国家或地区间的合作频率 。图中出现的较为清晰的国家的文章发表量均超过10篇 。在图4（a）中可以看到，美国、中国、英国和瑞典在SM领域的合作最多 ， 同时 ， 文章发表量较少的国家（如澳大利亚、巴西和加拿大）合作频率也很高 。在图4（b）中可以看到，中国、美国、英国、加拿大和德国在IM上的合作最多，同时，SM出版物较少的国家（如新西兰和芬兰），也有较高的合作频率 。
图4 SM（a）和IM（b）国际合作研究网络
表3是在WoS数据库中已发表与SM和IM有关论文的研究机构情况 。美国国家标准与技术研究院（NIST）已发表SM相关论文数量最多，大约是排名2~6的机构各自发表数目的6~7倍 。发表关于IM论文数目最多的都是高校，其中华中科技大学和北京航空航天大学的论文数目为后面五所大学的1.6~1.8倍 。在SM与IM相关文章发表机构中，北美洲、亚洲和欧洲的大学在其中都占有一席之地 。
表3 发表SM/IM相关文章最多的机构
NIST: US National Institute of Standards and Technology; HUST: Huazhong University of Science and Technology.
（三）排名靠前的来源期刊
表4是在WoS数据库收录SM和IM文章最多的期刊列表 。
