智能制造的內(nèi)涵和特征

智能制造的內(nèi)涵和特征摘要一、制造與智能智能制造（IM，IntelligentManufacturing）通常泛指智能制造技術(shù)和智（，beng，beg人工智能（AI，ArtificialIntelligence）是智能機器所執(zhí)行的與人類智能將人工智能技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)智能制造，通常有如下好處：工件（信息驅(qū)動型轉(zhuǎn)變。制造企業(yè)能擁有的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)可能是非常豐富5二、智能制造概念的產(chǎn)生與發(fā)展國際上智能制造的研究始于20世紀七八十年代，智能制造領(lǐng)域的首本研究專著[1]19881989年，Kusiak出版專著《IntelligentManufacturingSystems》[2]，并于次年創(chuàng)辦智能制造領(lǐng)域著名的國際學(xué)術(shù)期刊《JournalofIntelligentManufacturing》[3]。90IMS”國際合作研究計1992年執(zhí)行新技術(shù)政策，大力支1994年啟動新研發(fā)項目，在其中的信息技術(shù)、分子生物學(xué)和先進制造技1年62年23月，建立全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，其中智能制造的框架和方法、數(shù)字化工廠、3D各州政府合作投資于數(shù)控機床、制造和工程自動化行業(yè)的智能制造研究。02（uln）[4、思科、通用電氣、IBM和英特爾隨后在美國波士頓成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟[5]，以期打破技術(shù)壁壘，促200個。在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上，德國政府宣布啟動“工業(yè)4.0（ury44.0”通過利用信息-物理系統(tǒng)（CPS，-l轉(zhuǎn)變，其目標(biāo)是建立高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，推動現(xiàn)有制造業(yè)向智能化方向轉(zhuǎn)型。8（3C201020152025縱觀智能制造概念與技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了興起和緩慢推進階段，直到2013CPS三、智能制造的定義關(guān)于“智能制造”一詞的定義非常多，下面列舉了其中一些定義：（1）1991年，日、美、歐共同發(fā)起實施的“智能制造國際合作研究計劃”中定義“智能制造系統(tǒng)是一種在整個制造過程中貫穿智能活動，并將這種智能活動與智能機器有機融合，將整個制造過程從訂貨、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)到市場銷售等各個環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來的能發(fā)揮最大生產(chǎn)力的先進生產(chǎn)系統(tǒng)”。（[66ManufacturingLeadershipCoalition）21世紀智能制造》報告。定義智能制造201512（2015年版5個部分。973為對智能制造的狹義理解。雖然“工業(yè).04.0”中強調(diào)智能生產(chǎn)（SmartPoucon）和智能工廠（SartFacory，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”強調(diào)智能設(shè)備（ngntvnntngntg）05”把智能制造作為兩化深度融本書從智能制造的本質(zhì)特征出發(fā)，嘗試給出智能制造較為普適的定義，2-1、各種過程活動（設(shè)計、制造、管理、服務(wù)等）以及運行與管理模式。圖2-1智能制造系統(tǒng)的層次“智能”的制造系統(tǒng)，必須具備一定自主性的感知、學(xué)習(xí)、分析重要，一個只具有優(yōu)化計算能力的系統(tǒng)和一個智能的系統(tǒng)是不同的。四、智能制造的目標(biāo)“智能制造”概念剛提出時，其預(yù)期目標(biāo)是比較狹義的，即“使智能機82025”4個方面對智能制造的目標(biāo)特征作歸納闡述。滿足客戶的個性化定制需求打印設(shè)備）（20153實現(xiàn)復(fù)雜零件的高品質(zhì)制造3m，其外表面分布有安裝發(fā)動機附件的凸臺、加強筋、減重保證高效率的同時，實現(xiàn)可持續(xù)制造可持續(xù)發(fā)展定義為從環(huán)境方面考慮，可持續(xù)制造首先要考慮的因素是能源和原材料消耗。這是因為制造業(yè)能耗占全球能量消耗的33%，CO2排放的38%[7]。當(dāng)前許多制造企業(yè)通常優(yōu)先考慮效率、成本和質(zhì)量，對降低能耗認識不夠。然而實際情況是不僅化工、鋼鐵、鍛造等流程行業(yè)，而且在汽車、電力裝備等離散制造行業(yè)，對節(jié)能降耗都有迫切的需求。以離散機械加工行業(yè)為例，我8005千瓦～104000萬千瓦～8000萬22501.8～3.6術(shù)能夠有力地支持高效可持續(xù)制造，首先，通過傳感器等手段可以實時掌握能源利用情況；其次，通過能耗和效率的綜合智能優(yōu)化，獲得最佳的生產(chǎn)方案并進行能源的綜合調(diào)度，提高能源的利用效率；最后，通過制造生態(tài)環(huán)境的一些改變，比如改變生產(chǎn)的地域和組織方式，與電網(wǎng)開展深度合作等，可以進一步從大系統(tǒng)層面實現(xiàn)節(jié)能降耗。提升產(chǎn)品價值，拓展價值鏈五、智能制造的技術(shù)體系2-2圖2-2智能制造技術(shù)體系的總體框架智能產(chǎn)品（控制系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)接口等，在其制造、物流、使用和服務(wù)過程中，能夠體下面從使用、制造和服務(wù)三個環(huán)節(jié)對智能產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。面向使用過程的產(chǎn)品智能化技術(shù)（控制算法及策略等、面向制造過程的產(chǎn)品智能化技術(shù)（含在制品、4.0”中描述了這樣一FrequencyIdentification）等自動識別技術(shù)、CPS技術(shù)、移動定位技術(shù)等。面向服務(wù)過程的產(chǎn)品智能化技術(shù)50GE燃氣輪機的數(shù)據(jù)，智能制造過程作為制造過程創(chuàng)新的重要手段，智能制造過程包括設(shè)計、工藝、生產(chǎn)和服務(wù)過程的智能化。1．智能設(shè)計面向多源海量數(shù)據(jù)的設(shè)計需求獲取技術(shù)設(shè)計概念的智能創(chuàng)成技術(shù)識工程的最新成果與設(shè)計概念形成原理相結(jié)合來形成有效的知識載體實現(xiàn)基于模擬仿真的智能設(shè)計技術(shù)ComputationalMaterialsEngineering）面向“性能優(yōu)先”的智能設(shè)計技術(shù)D2．智能裝備與工藝/虛實制造等也21表2-1從“數(shù)字裝備與工藝”到“智能裝備與工藝”數(shù)字裝備與工藝智能裝備與工藝數(shù)控機床按照預(yù)先給定的指令進行加工機床自動采集工況信息，根據(jù)實時狀態(tài)優(yōu)化調(diào)整加工參數(shù)，設(shè)備自律執(zhí)行工業(yè)機器人在固定位置按照預(yù)先設(shè)定的程序自動進行重復(fù)式工作機器人和人協(xié)同工作，其位置不再固定，行為不再預(yù)設(shè)，能自適應(yīng)環(huán)境變化制造工藝的驗證基本在物理環(huán)境中完成在虛擬環(huán)境或者虛實結(jié)合環(huán)境中完成全部制造工藝的驗證的智能加工過程為例對3．智能生產(chǎn)2-3所示。圖2-3生產(chǎn)過程的主要智能手段及其價值回報制造工廠或車間的智能特征體現(xiàn)為三方面，一是制造車間具有自適應(yīng)制造系統(tǒng)的適應(yīng)性技術(shù)是制造工廠智能特征的重要體現(xiàn)。2-4從柔性制造系統(tǒng)到適應(yīng)性制造系統(tǒng)2-4所示，制造系統(tǒng)的適應(yīng)性表現(xiàn)為三個層次。柔性制造系統(tǒng)（FMS，F(xiàn)lexibleManufacturingSystem）主要通過設(shè)打印設(shè)備、柔性工裝、自動換刀裝置、自動檢測設(shè)備（比如機器視覺、（AGV，AutomatedGuided可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS，ReconfigurableManufacturingSystem）更（產(chǎn)品與產(chǎn)量。RMS除了包含生產(chǎn)單元的可重構(gòu)性（FMS、物理或邏輯布局調(diào)（標(biāo)準化、模塊化等。Manufacturing是對RMS在跨企業(yè)層面，企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟與虛擬制造組織是系統(tǒng)適應(yīng)性的表現(xiàn)形擬動態(tài)分組（或稱虛擬制造單元，通過充分合理地規(guī)劃分配設(shè)備資源組間在制造執(zhí)行管控階段，其適應(yīng)性通過“智能計劃—智能感知—決策指ofConstraint)的推拉結(jié)合的生產(chǎn)計劃控制技（包括異常基于實時反饋信息的智能動態(tài)調(diào)度技術(shù)具有邏輯思維（專家系統(tǒng)，最多做到形象思維，完全做不到靈感思維，只以及業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)（物料數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、人力數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)、計劃數(shù)據(jù)等。智能數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)：對獲取的海量數(shù)據(jù)進行實時處理、分析和挖預(yù)測性制造技術(shù)（fw（rdvefrg）[8。）多變量統(tǒng)計過程控制（MSPCMultivariateStatisticaloono工裝進一步通過模式識別等手段，還可以辨識失控模式并進行失控根原因分析。（P，vnvennn/刀具的失效是連續(xù)劣化和隨機沖擊共同作用的結(jié)（隨機因素4．智能服務(wù)智能物流與供應(yīng)鏈管理技術(shù)AGV蹤、控制。IT系統(tǒng)，還包括各個部件、產(chǎn)品和其智能能源管理技術(shù)能源供給、調(diào)配、轉(zhuǎn)換、使用等重點環(huán)節(jié)的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)。產(chǎn)品智能服務(wù)技術(shù)（產(chǎn)品）運行數(shù)據(jù)與用戶使用習(xí)慣數(shù)據(jù)進行采集，并建模分析。健康狀態(tài)評價等增值服務(wù)。智能制造模式3D之內(nèi)，都可以參與到網(wǎng)絡(luò)化制造的任務(wù)節(jié)點中去，實現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)協(xié)同。新模式下，智能制造系統(tǒng)將演變?yōu)閺?fù)雜的“大系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)更加動態(tài)，轉(zhuǎn)變，企業(yè)之間的邊界逐漸變得模糊，而制造生態(tài)系統(tǒng)（Manufacturing2015年技術(shù)展望報告《數(shù)字商業(yè)[9針對上述變化，工信部電子信息司副司長安筱鵬提出[10]“要掌握智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主導(dǎo)權(quán)”，主要包括：的產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)。智能制造基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)（先進制造基礎(chǔ)技術(shù)（，dldnoMBD技術(shù)進而演進成基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE，ModelBasedSystemsEngineering）和基于，ldnPSPTC等公司正在倡glwPL（（E）新一代信息技術(shù)智能感知技術(shù)：傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、圖像識別等；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：泛在感知、網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等；云計算技術(shù)：分布式存儲、虛擬化、云平臺等；人工智能技術(shù)本環(huán)節(jié)，其中知識的獲取、表達和利用是關(guān)鍵。分布式人工智能（DAI，DistributedArtificial（MAS，MultiAgentSystem）DAI4.0”強調(diào)以信息物理融合系統(tǒng)（CPS）為核心，CPS可視為依附于物理對象（小到設(shè)備、產(chǎn)品，大到車間、企業(yè)）并具備感知、計算、是分布式制造智能的一種體現(xiàn)。智能優(yōu)化技術(shù)NP-hard問題，不可能找到精確求得最優(yōu)解的多項式時間算5．大數(shù)據(jù)分析與決策支持技術(shù)六、智能制造的系統(tǒng)特征1．大系統(tǒng)（特別是車間級以上的系統(tǒng)信息驅(qū)動下的“感知→分析→決策→執(zhí)行與反饋”的大閉環(huán)系統(tǒng)進化和自學(xué)習(xí)集中智能與群體智能相結(jié)合（P5．人與機器的融合6．虛擬與物理的融合智能制造系統(tǒng)蘊含了兩個世界，一個是由機器實體和人構(gòu)成的物理世100%七、關(guān)于智能制造的一些思考也有低級和高級之分。制造系統(tǒng)根據(jù)人類預(yù)定義的一些規(guī)則和模型進行計（比如機器人和視覺檢測設(shè)備，提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量，是智能制造的“點”應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的終端可以是人（互聯(lián)網(wǎng)，也可以是機器、產(chǎn)品、工具等物體（物聯(lián)“自動化”作為一種常見的效率提升手段，是智能制造的有益支撐，但非必要條件。在許多行業(yè)，過度追求自動化可能會導(dǎo)致建設(shè)成本的激增和柔性的降低。IT應(yīng)用技術(shù)，參考文獻Wright,K.,Bourne,D.A.,ManufacturingIntelligence[M].Addison-1988.Andrew1990./journal/10845,主編：AndrewKusiakC.,Evans,MarcoAnnunziata.IndustrialInternet:PushingtheBoundariesofMindsandMachines./docs/chapters/Industrial_Internet.pdf/index.htm路甬祥．中國創(chuàng)新論壇之從制造到創(chuàng)造——裝備制造業(yè)振興專家論壇,2009,12.trendsinenergyuseandkeyinsightsfromIEAindicatoranalysis[R].Paris：International