北航李伯虎院士任磊教授团队 | 工业大模型IFMsys架构，打造智能制造新范式-优快云博客

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工业大模型已成为国内外产学研各界关注的前沿焦点方向。然而，工业大模型并不是通用大语言模型在工业的简单落地应用，其底层架构和应用逻辑存在本质差异。在李伯虎院士、国际建模仿真学会原主席张霖教授指导下，北京航空航天大学任磊教授带领青年教师和研究生自2022年起开始探索这一前沿方向，当前在《IEEE Transactions on Cybernetics》提出工业大模型体系架构IFMsys，提出工业大模型应用框架，并推出工业大模型原型系统MetaIndux。

摘要

近年来，大模型（如 ChatGPT**）凭借强大的学习、理解和泛化能力崭露头角，在推动现代工业发展方面展现出巨大潜力。尽管在各个领域都取得了重大进展，但现有的通用大模型在处理专业模式的数据、多流程变化场景的任务以及可信输出的要求时，仍面临着工业领域的挑战，这使得工业大模型（IFM）成为一种必然。本文提出了一种称为** IFMsys 的工业大模型系统架构，包括模型训练层、模型适应层和模型应用层。具体来说，在模型训练中，通过对多模态工业数据进行预训练并结合基本工业机理进行微调，构建大模型。在模型适配层中，通过利用代表性任务和领域知识进行微调，将大模型发展为一系列面向任务和特定领域的综合框架模型。在模型应用方面，提出了以工业智能体为中心的协作系统和应用框架，以加强工业产品生命周期的应用。此外，还提出了 IFM 的原型系统，即 MetaIndux**，并介绍了典型工业任务中的应用实例。最后，展望了** IFM 的未来研究方向和有待解决的问题。

工业场景的四大挑战

1.*高可信输出难***：**工业任务容错率极低，现有大模型的概率性输出难以满足高精度需求（如零件质检误差需控制在微米级）。

2.*多模态协同难***：**传感器时序数据、CAD图纸等工业特有模态与文本、图像数据时空异构，对齐难度大。

3.*多场景泛化难***：**研发、制造、测试等场景差异显著，单一模型难以泛化。

4.*多流程关联难***：**复杂工艺流程依赖长程上下文记忆，现有模型缺乏深度语义关联能力。

IFMsys工业大模型体系架构：三阶段驱动工业大模型

IFMsys是一个面向智能制造的工业大模型架构，涵盖模型训练、模型适配、模型应用三个阶段。

工业大模型体系架构****IFMsys

1. 模型训练：构建工业基座模型

该层的目标是通过多模态预训练和工业机理嵌入微调，构建一个通用的工业基座模型，为后续任务适配和应用提供支撑。

**• 数据制备：**工业数据具有多样性和异质性，包括CAX文件（CAD/CAE/CAM）、传感器时序数据、工业文档、机器指令等，这些数据在结构、格式、时间维度等方面存在较大差异。工业大模型的数据制备旨在构建一个涵盖多模态工业数据的高质量训练集，并通过工业仿真生成来扩充数据，同时保护数据隐私和安全。

**• 工业多模态预训练：**通过编码器-主干网络-生成器架构，基于预训练实现跨模态对齐，让模型具备处理和理解不同工业数据模态的能力，并建立跨模态的统一表示，以支持下游任务（如智能问答、工艺优化、设备控制等）。

**• 工业机理嵌入微调：**将物理机理、行业规范和制造规则嵌入到大模型中，确保其输出符合工业要求。

2. 模型适配：打造垂域任务专用模型和行业专用模型

**任务导向适配：**指以工业基座大模型为基础, 经过多任务指令微调, 在保留通用任务能力的基础上使其在特定任务上的表现更加优秀，包括智能问答、场景认知、工艺决策、终端控制、内容生成、科学发现等六大任务能力

**行业领域适配：**针对航空、汽车、电子、冶金、钢铁等行业，通过行业领域知识嵌入和适配器微调，嵌入领域知识，提升行业特异性推理能力。

3. 模型应用：智能体协同赋能工业产品全生命周期

**• 工业智能体协作系统：**构建“人-IT系统-环境-机器-物料”五维协同框架，使得智能制造系统能够自主感知、规划、记忆和执行任务。

工业智能体协作系统：五维协同框架

***•* *应用框架：*工业大模型应用框架，涵盖了工业产品全生命周期应用，从对研发设计、生产制造、试验测试、经营管理、运维服务。

工业大模型应用框架

MetaIndux****原型系统：六大能力实测

智能问答：针对220kV变电站接地刀闸故障，MetaIndux精准定位原因并提供维修方案，而通用模型仅能被动询问信息。

研发设计：上传刀具边界模型，系统自动解析几何特征并推荐用途。

过程决策：输入零件3D模型，通过决策能力推荐加工工艺链与生成三维模型。

**终端控制：**具身智能驱动机械臂抓取零件，实现物理世界交互。

内容生成：嵌入航空发动机物理约束，生成高保真工业时序数据。

科学发现：设计C2H4生产催化剂时，推荐铜纳米颗粒-氮掺杂碳基质方案，性能优于传统方法。

未来方向：工业大模型的十大突破点

**1. 新型神经网络架构：**突破Transformer局限，构建工业领域专用架构。

**2. 工业多模态统一表示：**攻克异构工业数据对齐难题。

**3. 高可信工业内容AIGC生成：**确保工业AIGC生成内容的高可靠、高可信、准确性。

**4. 工业知识自适应推理：**动态调用领域知识与机理模型。

**5. 工业具身智能交互：**打造工业具身智能体与具身交互新范式。

**6. 工业多智能体认知与决策：**构筑多场景大规模复杂任务动态思维与协同决策大脑。

**7. 工业大小/通专模型协同：**构建混合推理框架，兼顾通用性与专业性。

**8. 高实时工业边缘推理：**平衡模型压缩与精度损失，满足工业毫秒级响应。

**9. 工业大模型安全：**构筑工业领域行业大模型立体安全保障体系。

**10. 工业大模型数据训练场：**构建大规模跨行业跨领域高质量数据集，搭建工业数据训练场。

如何学习大模型 AI ？

由于新岗位的生产效率，要优于被取代岗位的生产效率，所以实际上整个社会的生产效率是提升的。

但是具体到个人，只能说是：

“最先掌握AI的人，将会比较晚掌握AI的人有竞争优势”。

这句话，放在计算机、互联网、移动互联网的开局时期，都是一样的道理。

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