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关于制造哲理的沉思

关于制造哲理的沉思 2011： 摘要：从工业经济两百年的利害得失中剖析传统制造模式的弊端，从今天制造系统与制造过程的复杂性说明制造模式变革的必要性；比较了人造系统中传统的“他组织”模式与自然系统的自组织模式的优劣，论述了自组织的特点和机制；指出从“他组织”走向自组织乃是制造业走出后工业时期的困境的必由之路，自组织将是下一个世纪的制造哲理，也是新一代制造系统的重要特征；探讨了自组织过程对于环境的影响，导出了“熵污染”的概念，指出了减轻“熵污染”的途径；列出了与自组织制造模式有关的研究课题及待解决的关键问题，并提出了从有序度和熵的角度来认识、构造和运行制造系统的思路。关键词：制造模式，自组织，熵污染。一、工业经济两百年反思在两百多年前，发生了工业革命。此后，以电力、石油为代表的能源工业和以钢铁为代表的材料工业得以飞速发展。同时，交通运输与通讯等基础设施也发展起来。在此基础上，制造工业获得突飞猛进的发展，劳动力大批地从农业转向工业，人口集中，建筑工业飞快发展，大城市开始形成。商业开始与生产分离，健全的市场经济与完善的金融体系逐步形成。庞大的现代工业体系和工业经济得以确立。与数千年漫长的农业经济时代相比较，历时仅两百余年的工业经济发挥出了远为巨大的开发与利用自然资源的能力，创造出了惊人的社会财富和高度的现代物质文明。可是，隐藏在这些辉煌成就背后的代价却是对于自然资源的穷尽式的消耗和对于生态环的严重破坏。人类本来是自然进化的产物，可是，当人类进化到工业经济时代以后，却以一个人造的“文明”将自己包围起来，使自己与大自然隔离，远离自然，甚至站到与自然为敌的地位。人类大规模的制造活动对于其自身的生存环境造成了不可逆转的影响，使物质与能量的品质降低，而低品质的物质和能量是无法再加以利用的。工业经济的行为模式是对于自然过程的人为的、强制性的干预。这种模式的典型代表是制造业中的“福特模式”，其特点可以归纳为：标准化产品的大量生产、互换性原理的应用、流水作业和精细分工、刚性生产设备、专业分化和顺序决策、集中领导与分级管理。福特模式是一种“机械的模式”，它把整个企业组织得象一架机器，而每个工作人员，无论是技术人员或操作工人，都像一台机器中的零件，齿轮或螺丝钉，在那里机械地运转。这种模式将制造系统及其组成单元视为“死的”、没有任何主动性的东西，强调从制造系统外部来对之加以设计、组织和控制。这种模式适应了当时的技术水平和经济发展的需要，可是却泯灭个性，以牺牲个体的独立自主性来成全整体的协调一致性。二、急剧膨胀的复杂性众所周知，现代制造系统和制造过程日趋复杂。导致今天的制造系统复杂化的因素主要有三：其一，现代产品的结构愈来愈复杂、功能越来越多样，而制造工艺也要求越来越精细。复杂的产品、精细的工艺极大地提高了制造系统和制造过程的复杂程度。其二，消费日趋个性化、多样化。大批大量制造的标准化的、规格划一的产品不再为顾客所青睐。制造企业不得不转向多品种小批量的生产模式，而且必须加快产品更新换代的速度。“以产品为中心”的生产正在转变为“以顾客为中心”的生产。这些要求都极大地增加了制造系统和制造过程的组织、运行与调度的复杂程度；第三，在全球经济一体化的形势下，跨行业、跨地区、乃至于跨国的制造企业和制造资源正在集结成一个庞大的、复杂的制造网络。这个网络每时每刻都在遭受动态的扰动，经历着动态的调整。这么一个庞大、复杂的系统，其组织和运行的复杂性是可想而知的。以上是就制造业内部来说。从外部环境来看，世界正在进入知识经济时代。在知识经济成长的过程中，制造业面临着严峻的挑战，经历着十分深刻的变化。其中最突出的变化是知识化、服务化及网络化。同时，我国的制造业正在经历着从计划经济向市场经济转变和从粗放型经营向集约经营经营转变。所有这些变化都促进了制造系统复杂化的进程。现代制造系统的复杂性首先表现在它的固有的非线性上；其次，表现在多自律单元的协同及其突现行为上；第三，表现在它的开放性上；第四，是它的非平衡性；最后，制造系统是生存在一个随机变化、难以预测的环境中，它必须具备“随机应变”的能力。对于如此复杂的系统，以任何传统的运行模式与控制方法都是绝对无法驾驭的，而必须更新思想方法与行为模式，寻求新的途径与手段。三、自组织的概念、特征和机制许多天然的或人造的复杂系统都是由大量的单元构成的,例如：生命系统、生物群落、生态系统、人类社会、消费市场以及制造系统等等。在如何组织、运行和优化这类由大量单元所构成的系统上，自然造化与人工经营之间存在明显的分野：前述从外部来对系统加以设计、组织和控制的模式可称为是“他组织”的模式，迄今包括人类的制造系统在内的几乎所有的人造系统都是采用“他组织”的模式；而以生命现象为代表的自然系统则采取了完全不同的路线——自组织的路线。1．自组织的概念“自组织”是现代非线性科学和非平衡态热力学的最令人惊异的发现之一。基于对物种起源、生物进化和社会发展等过程的深入观察和研究，一些新兴的横断学科从不同的角度对“自组织”的概念给予了界说：从系统论的观点来说，“自组织”是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断地提高自身的复杂度和精细度的过程；从热力学的观点来说，“自组织”是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息，而不断地降低自身的熵含量，提高其有序度的过程；从统计力学的观点来说，“自组织”是指一个系统自发地从最可几状态向几率较低的方向迁移的过程；从进化论的观点来说，“自组织”是指一个系统在“遗传”、“变异”和“优胜劣汰”机制的作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从而不断提高其对于环境的适应能力的过程。C. R. Darwin的生物进化论的最大功绩就是排除了外因的主宰作用，首次从内在机制上、从一个自组织的发展过程中来解释物种的起源和生物的进化。2．自组织的特征自组织现象是包括生命系统在内的许多天然系统中，最引人入胜而又发人深思的一种行为。与“他组织”相比较，自组织系统的行为模式具有以下突出的特征：信息共享 系统中每一个单元都掌握全套的“游戏规则”和行为准则，这一部分信息相当于生物DNA中的遗传信息，为所有的细胞所共享；单元自律 自组织系统中的组成单元具有独立决策的能力，在“游戏规则”的约束下，每一个单元有权决定决定它自己的对策与下一步的行动；短程通讯 每个单元在决定自己的对策和行为时，除了根据它自身的状态以外，往往还要了解与它临近的单元的状态，单元之间通讯的距离比起系统的宏观特征尺度来，要小得多，而所得到的信息往往也是不完整的、非良态的；微观决策 每个单元所作出的决策只关乎它自己的行为，而与系统中其它单元的行为无关；所有单元各自的行为的总和，决定整个系统的宏观行为；自组织系统一般并不需要关乎整个系统的宏观决策；并行操作 系统中各个单元的决策与行动是并行的，并不需要按什么标准来排队，以决定其决策与行动顺序；整体协调 在诸单元并行决策与行动的情况下，系统结构和游戏规则保证了整个系统的协调一致性和稳定性；迭代趋优 自组织系统的宏观调整和演化并非一蹴而就，而是在反复迭代中不断趋于优化；事实上，这类系统一般无法达到平衡态，而往往处在远离平衡态的区域进行永无休止的调整和演化；一旦静止下来，就表示这类系统的“死亡”。3．自组织的机制物种起源、生物进化和社会发展等自组织过程的发展方向是从混乱走向有序，可是热力学第二定律却断言一个孤立系统必然从有序走向混乱。这曾经是一个长期使人困惑的问题，在学术界引发过激烈的争论。宗教界人士甚至据以“证明”上帝这一角色的必要性。本世纪最后30年对关于自组织机制的研究从不同的角度对于这一使人困惑的问题给出了理论上的解释：耗散结构理论 认为一个远离平衡态的非线性、开放系统通过与外界交换物质和能量，可以提高自身的有序度，降低熵含量。这一理论认为“非平衡”是有序之源。协同学 认为由大量微小单元组成的系统，在一定的外部条件下，通过各单元的相互作用，可以自发地协调各个单元的行为，从而产生宏观的空间结构、时间结构与功能结构。这一理论认为在临界状态（分叉点）上，偶然的涨落经过放大，将起到推进有序化的作用。元胞自动机 以计算机建模和仿真的方法，研究由类似于生物细胞的大量并行个体所组成的系统的宏观行为与规律。在研究方法上多采用离散的空间布局和时间间隔。一个典型的元胞自动机是所谓“生命游戏”，它形象地表明，随机的初始布局是如何经过单元之间的短程通讯、微观决策、并行协调和反复迭代，最后演化成为稳定、有序的空间结构。人工生命 以计算机建模和仿真的方法研究生命或生态系统的组织结构、功能及其主要的行为特征，包括遗传、个体复制、发育和自组织等等。人工生命的研究认为生命的真谛在于其组织结构和行为特征，而不必拘泥于这些结构与特征所依托它的物质材料。人工生命的研究表明，在秩序与混沌的边沿存在一片孕育生命的神奇的绿洲，自组织现象就在此发生。四、新的哲理与新的制造体系如何适应经济发展和社会进步的需要，如何驾御后工业时期制造系统和制造过程的不断膨胀的复杂性，作为万物之灵的人类从他们自己身上找到了解决问题的钥匙——从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是解决今天制造业所面临的种种难题的一条有效的、甚至是必然的出路。这是因为，地球上的生物在漫长的进化岁月中所积累的种种优良品性,为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。生物系统,从细胞到组织、到个体、直到群体(社会),都具有极其复杂的结构。一个小小细胞的复杂程度甚至也不亚于一个社会。大自然却自有一套绝妙的方法来组织与运行生命系统，这就是自组织的方法。今天,人们所正在研究与推行的分布式网络化制造系统、Multi-Agent系统、敏捷制造系统和仿生制造系统等等,其实,是在不同程度上、有意或无意地学习与借鉴他们自身内秉的自组织的结构与运行模式。人类的制造系统正在从传统的“他组织”走向自组织。其中当然包含技术上的进步与升级，但首先是一种观念上的转变、哲理上的转变，这是一种世纪性的转变。下一个世纪的制造必然是自组织的。自组织的制造系统将不再是一堆死的、被动的设备和物料的集合，而是由一系列具有自身利益界定和自主决策能力的单元（Agent）所组成的整体。生产设备将不再是被动地被操作、被调度，而能够按照其所采集到的周围的信息，根据当时的实际情况，自主地采取正确的对策与行动。在“游戏规则”许可的限度内，每一台设备都最大限度地争取其自身的“利益”，同时，也为整体作出一份贡献。物料或毛坯也不再是简单地被加工，而能够根据零件或产品生产的要求，主动地选择最合适的加工路线、加工设备及工艺参数。生产任务与生产设备之间甚至还可以仿照人类的社会行为，举行“招标和投标”，签定“合作协议”。这种制造系统可以表现出极其复杂的行为和特性，但它们并不需要技术人员从外部来加以调度。人类专家所需要做的是设计好“游戏规则”，并准确定义每个单元的“自身利益”和行为策略。不能把“自组织”的概念与“自动化”或“智能化”混为一谈，后两者是对已经存在的、确定的系统而言的，而前者着眼的则是从无到有、从小到大、从粗到精和从劣到优的进化过程或各种复杂的突现（emerging）行为。与人为的“他组织”系统比较起来，按照自组织原则构建和运行的制造系统具有以下突出的优点：更强的驾驭复杂性的能力 非常复杂的行为模式可以由按自律原则组织起来的、大量相互作用的、相对简单的单元来实现；更强的适应环境的能力 各自律单元可以自作主张，见机行事，而不必待命于或听命于某个指挥中心，因此，对于环境的随机变化和突然扰动，具有更为灵活机动的响应特性；由于自组织系统的运行和演化是基于大量单元各自的微观决策，而少量单元的决策失误或者损毁，并无关宏旨，因而这类系统具有更强的鲁棒性和更强的适应环境扰动的能力；更强的自行趋优的能力 自组织系统一旦开始运行，它就具有一种“自提升”的功能，能够、而且必须在内部机制的作用下，不断地优化其组织结构，完善其运行模式。

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