智能制造概述

1、智能制造概述 摘要：介紹了智能制造提出的背景、 主要研究內(nèi)容和目標(biāo) , 人工智能與 I M T、 I M S 的關(guān)系, I M S 和 C I M S, 智能制造的物質(zhì)基礎(chǔ)及理論基礎(chǔ) , 智能制造系統(tǒng) 的特征及框架結(jié)構(gòu) , 并簡要介紹了智能加工中心 IMC, 智能制造技木的發(fā)展趨 勢，以及智能制造系統(tǒng)研究成果及存在問題。 關(guān)鍵詞：智能制造， IMS, IMC, IMT 。Abstract：IntelligentManufacturing introduced the background,main contents and objectives, Artificial Intelligence

2、 and IMT, IMS relations, IMS and CIMS, intelligent manufacturing and the materialbasis ofthe theoreticalbasis of thecharacteristics of intelligent manufacturingsystem and theframework structure, and gave a briefing on intelligence Machining Center IMC, intelligent manufacturing technology developmen

3、t trend of wood, as well as the Intelligent Manufacturing Systems research results and problematic.Key words: Intelligent Manufacturing,IMS, IMC, IMT 。一 . 智能制造提出的背景制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)部門 , 是決定國家發(fā)展水平的最基本因素之 一。 從機械制造業(yè)發(fā)展的歷程來看 , 經(jīng)歷了由手工制作、 泰勒化制造、 高度 自動化、 柔性自動化和集成化制造、 并行規(guī)劃設(shè)計制造等階段。 就制造自動化 而言，大體上每十年上一個臺階：5060年代是單機

4、數(shù)控，70年代以后則是 CNC 機床及由它們組成的自動化島 , 80 年代出現(xiàn)了世界性的柔性自動化熱潮。 與此同時 , 出現(xiàn)了計算機集成制造 , 但與實用化相距甚遠(yuǎn)。隨著計算機的問世與 發(fā)展 , 機械制造大體沿兩條路線發(fā)展 ： 一是傳統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展 , 二是借助計算 機和自動化科學(xué)的制造技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展。 80 年代以來 , 傳統(tǒng)制造技術(shù)得到了 不同程度的發(fā)展 ,但存在著很多問題。 先進(jìn)的計算機技術(shù)和制造技術(shù)向產(chǎn)品、 工 藝和系統(tǒng)的設(shè)計人員和管理人員提出了新的挑戰(zhàn) , 傳統(tǒng)的設(shè)計和管理方法不能 有效地解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)中所出現(xiàn)的問題 , 這就促使我們借助現(xiàn)代的工具和方 法, 利用各學(xué)科最新研究

5、成果 , 通過集成傳統(tǒng)制造技術(shù)、 計算機技術(shù)與科學(xué)以及 人工智能等技術(shù) , 發(fā)展一種新型的制造技術(shù)與系統(tǒng) , 這便是智能制造技術(shù) ( Intelligen t M anufactu r ingTechno logy, I M T ) 與智能制造系統(tǒng) ( In telligen tM anufactu r ing System , I M S)1 。90年代以后，世界各國競相大力發(fā)展I M T和I M S的深層次原因有：(1) 集成化離不開智能制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng) , 其中有多年積累的生產(chǎn)經(jīng)驗, 生產(chǎn)過程中的人機交互作用 , 必須使用的智能機器 (如智能機器人 )等。 脫離了智能化 , 集

6、成化也就不能完美地實現(xiàn)。(2) 機器智能化比較靈活 可以選擇系統(tǒng)智能化 , 也可以選擇單機智能化 ; 單機 可發(fā)展一種智能 ,也可發(fā)展幾種智能 ; 無論在系統(tǒng)中或單機上 , 智能化均可工作 , 不像集成制造系統(tǒng) , 只有全系統(tǒng)集成才可工作。(3) 智能化的經(jīng)濟(jì)效益較高現(xiàn)有的計算機集成制造系統(tǒng) (Compu ter In tegratedManufactu r ingSystem , C I M S)少則投資數(shù)千萬元,多則投資數(shù)億元乃至數(shù)十億元 很少有企業(yè)能承擔(dān)得起 , 而且投入正常運行的很少 , 維護(hù)費用也高 , 還要廢棄原 有的設(shè)備 , 難以推廣。(4) 白領(lǐng)化使得有豐富經(jīng)驗的機械工人和技術(shù)

7、人員日益缺少，產(chǎn)品制造技術(shù)越來 越復(fù)雜 , 促使使用人工智能和知識工程技術(shù)來解決現(xiàn)代化的加工問題。(5) 工廠生產(chǎn)率的提高更多地取決于生產(chǎn)管理和生產(chǎn)自動化人工智能與計算機管理相結(jié)合 , 使得不懂計算機的人也能通過視覺、 對話等智能手段實現(xiàn)生產(chǎn)管 理的科學(xué)化?？傊?，以計算機信息技術(shù)為基礎(chǔ)的高新技術(shù)得到迅猛發(fā)展 ,為傳統(tǒng)的制造業(yè) 提供了新的發(fā)展機遇。 計算機技術(shù)、 信息技術(shù)、 自動化技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相 結(jié)合 ,形成了先進(jìn)制造技術(shù)概念。冷戰(zhàn)結(jié)束以后,國際間競爭的重點由單純的軍事實力較量轉(zhuǎn)向以發(fā)展經(jīng)濟(jì)和提高國民生活水平的綜合國力較量,隨之而來的這種國際間高新技術(shù)領(lǐng)域的競爭愈演愈烈 ,且其發(fā)展形式由最

8、初的僅依托本國 的人力、 物力和財力 ,發(fā)展到國際間的大規(guī)模合作。近年來由發(fā)達(dá)國家倡導(dǎo)的 面向 21 世紀(jì)的 “智能制造系統(tǒng)” 、 “信息高速公路” 等國際研究計劃 ,無 疑是該背景下的產(chǎn)物 ,也是國際間進(jìn)行高科技研究開發(fā)的具體表現(xiàn)和積極占領(lǐng) 21 世紀(jì)高科技制高點的象征。二. 主要研究內(nèi)容和目標(biāo)智能制造在國際上尚無公認(rèn)的定義目前比較通行的一種定義是 , 智能制造技術(shù)是指在制造工業(yè)的各個環(huán)節(jié) , 以一種高度柔性與高度集成的方式 ,通過計 算機來模擬人類專家的制造智能活動。 因此 , 智能制造的研究開發(fā)對象是整個機 械制造企業(yè) , 其主要研究開發(fā)目標(biāo)有二 : 整個制造工作的全面智能化 , 它在實

9、 際制造系統(tǒng)中首次提出了以機器智能取代人的部腦力勞動作為主要目標(biāo) , 強調(diào) 整個企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程大范圍的自組織能力 ; 信息和制造智能的集成與共享 , 強調(diào)智能型的集成自動化。目前 , I M T 和 I M S 的研究方向已從最初的人工智 能在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用 （A i M ） 發(fā)展到今天的 I M S, 研究課題涉及的范圍由最初 僅一個企業(yè)內(nèi)的市場分析、 產(chǎn)品設(shè)計、 生產(chǎn)計劃、 制造加工、 過程控制、 信 息管理、 設(shè)備維護(hù)等技術(shù)型環(huán)節(jié)的自動化 , 發(fā)展到今天的面向世界范圍內(nèi)的整 個制造環(huán)境的集成化與自組織能力 , 包括制造智能處理技術(shù)、 自組織加工單元、 自組織機器人、 智能生產(chǎn)管理信息

10、系統(tǒng)、 多級競爭式控制網(wǎng)絡(luò)、 全球通訊與 操作網(wǎng)等。由日本提出的 I M S 國際合作研究計劃對 I M S 的解釋可以看出 , I M S 的 研究包括智能活動、 智能機器以及兩者的有機融合技術(shù) , 其中智能活動是問題 的核心。在 I M S 研究的眾多基礎(chǔ)技術(shù)中 , 制造智能處理技術(shù)是最為關(guān)鍵和迫切 需要研究的問題之一 , 因為它負(fù)責(zé)各環(huán)節(jié)的制造智能的集成和生成智能機器的 智能活動。在一個國家甚至世界范圍內(nèi) , 企業(yè)之間有著密切的聯(lián)系 , 譬如 , 采用 相同的生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng) , 有著類似的生產(chǎn)控制與管理方式 ,上下游產(chǎn)品之間的聯(lián) 系 , 等等。其間存在的突出問題是產(chǎn)品和技術(shù)的規(guī)范化、 標(biāo)

11、準(zhǔn)化和通用化、 信 息自動交換形式與接口以及制造智能共享等。國際I M S計劃的基本觀點如下：I M S是21世紀(jì)的制造系統(tǒng)，必須開發(fā) 與之相適應(yīng)的制造技術(shù) ; 應(yīng)對這些技術(shù)進(jìn)行組織化和系統(tǒng)化 ; 加強技術(shù)的標(biāo) 準(zhǔn)化; 考慮人的因素 ; 保護(hù)環(huán)境。 該計劃由已有生產(chǎn)技術(shù)的體系化和標(biāo)準(zhǔn) 化、 21 世紀(jì)生產(chǎn)技術(shù)的研究與開發(fā)兩大部分構(gòu)成。1992 年 4 月在日本召開的第一次國際技術(shù)委員會 , 確定了 4 個主題： 技 術(shù)課題；選擇原則；評價程序；執(zhí)行準(zhǔn)則。由國際I M S中心成員提出的 首批 10 項研究課題是企業(yè)集成 ; 全球制造 ; 系統(tǒng)單元技術(shù) ; 清潔制造 技術(shù) ； 人與組織研究 ； 先

12、進(jìn)的材料加工技術(shù) ； 全球并行工程 （評估和實施 ） ； 自主模塊的系統(tǒng)設(shè)備與分布控制 ； 快速產(chǎn)品開發(fā) ； b k 知識系統(tǒng)化 （設(shè)計與制造)。美國國家科學(xué)基金會(N SF)已連續(xù)數(shù)年重點資助了與智能制造有關(guān)的研究項 目 , 這些項目覆蓋了智能制造的絕大部分技術(shù)領(lǐng)域, 包括制造過程中的智能決策、基于多施主(mu It i- age nt)的智能協(xié)作求解、智能并行設(shè)計、 物流傳輸?shù)闹?能自動化、 智能加工系統(tǒng)和智能機器等。日本提出的智能制造系統(tǒng)國際合作計劃 , 以高新計算機為后盾、 深受其 “真 空世界” 計算機研究計劃的影響。其主要研究內(nèi)容如下 : 強調(diào)部分代替人的 智能活動 , 實現(xiàn)部分人

13、的技能 ; 使用智能計算機技術(shù)來集成設(shè)計制造過程 , 使 之一體化 , 以虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)虛擬制造 , 以多媒體的人機接口技術(shù)、 虛擬現(xiàn)實 技術(shù), 實現(xiàn)職業(yè)教育 ; 強調(diào)全球制造網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)制造技術(shù) , 通過衛(wèi)星、 In ternet 和數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全球制造 ; 強調(diào)智能化與自律化的智能加工系統(tǒng)以及智 能化CNC、智能機器人的研究。重視分布式人工智能技術(shù)的應(yīng)用，強調(diào)自律協(xié)作代替集中遞階控制。I M T 與 I M S 的研究與開發(fā)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、 生產(chǎn)效率和降低成本 , 提高國家制造業(yè)響應(yīng)市場變化的能力和速度 , 以及提高國家的經(jīng)濟(jì)實力和國民 的生活水準(zhǔn) , 均具有重大的意義。其研究目標(biāo)是

14、要實現(xiàn)將市場適應(yīng)性、 經(jīng)濟(jì)性、 人的重要性、 適應(yīng)自然和社會環(huán)境的能力、 開放性和兼容能力等融合在一起的 生產(chǎn)系統(tǒng)：使整個制造過程實現(xiàn)智能化，并具有自組織能力；IMS是一個 集成許多工廠和多種機器設(shè)備的混合系統(tǒng) ; 具備滿足各種社會需求的柔性 ; 能充分發(fā)揮人的作用 ； 易于操作 ； 總效率高 ； 能避免重復(fù)投資等。人工智能的目的是為了用技術(shù)系統(tǒng)來突破人的自然智力的局限性 ,達(dá)到對人 腦的部分代替、 延伸和加強的目的 ,使那些單靠人的天然智能無法進(jìn)行或帶有 危險性的工作得以完成 ,從而使人類的智慧能集中到那些更富于創(chuàng)造性的工作 中去。人是制造智能的重要來源 ,在制造業(yè)走向智能化過程中起著決定性

15、作用。 目前在整體智能水平上 ,與人工系統(tǒng)相比 ,人的智力仍然是遙遙領(lǐng)先的。人工智 能模擬的藍(lán)本主要是人類的智能 ,但人類的智能是隨時間不斷變化的 ,而這種變 化又是無止境的 ,只有人與機器有機高度結(jié)合,才能實現(xiàn)制造過程的真正智能化。智能制造被稱為新世紀(jì)的制造技術(shù) ,目前之所以還不能實現(xiàn) ,是由于要受到 目前科學(xué)技術(shù)、 人以及經(jīng)濟(jì)等諸多方面的制約。智能與思維智能 ,就是在各種 環(huán)境和目的的條件下正確制定決策和實現(xiàn)目的的能力。 在這里 ,給定的環(huán)境和目 的是問題的約束條件 ,制定正確的決策是智能的中心環(huán)節(jié) ,而有效地實現(xiàn)目的 , 則是智能的評判準(zhǔn)則。從信息處理的角度講 ,智能可以看成是獲取、 傳

16、遞、 處 理、 再生和利用信息的能力。而思維能力是整個智能活動中最復(fù)雜、最核心的 部分 ,主要指處理和再生信息的能力。 這種信息處理的過程是十分復(fù)雜和多樣化 的 ,歸納起來 ,大體可分為 3 種基本的類型 ,即 :經(jīng)驗思維、 邏輯思維和創(chuàng)造性 思維。在工藝設(shè)計過程中 ,這三種類型的思維都存在 ,在不同層次的決策中起著 重要作用?？傊悄苤圃旒夹g(shù)是制造技術(shù)、 自動化技術(shù)、 系統(tǒng)工程與人工智能等學(xué) 科互相滲透、 互相交織而形成的一門綜合技術(shù)。其具體表現(xiàn)為 :智能設(shè)計、 智 能加工、 機器人操作、 智能控制、 智能工藝規(guī)劃、 智能調(diào)度與管理、 智能 裝配、 智能測量與診斷等。它強調(diào)通過“ 智能設(shè)備

17、 ” 和“ 自治控制 ” 來 構(gòu)造新一代的智能制造系統(tǒng)模式。 智能制造系統(tǒng)具有自律能力、 自組織能力、 自 學(xué)習(xí)與自我優(yōu)化能力、 自修復(fù)能力 ,因而適應(yīng)性極強 ,而且由于采用 VR 技術(shù) , 人機界面更加友好。因此 , I M 技術(shù)的研究開發(fā)對于提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品品質(zhì)、 降低成本 ,提高制造業(yè)市場應(yīng)變能力、 國家經(jīng)濟(jì)實力和國民生活水準(zhǔn) ,具有重要 意義。智能制造是制造系統(tǒng)柔性自動化和集成自動化的新發(fā)展和重要組成部分 , 因此未來智能制造將向智能集成的方向發(fā)展,未來智能制造的研究將著重于智能傳感與檢測 （如智能傳感器、 智能傳感與檢測技術(shù)、 光纖傳感技術(shù)等 ）。三 .人工智能與 I M T 、

18、I M S人工智能的研究 , 一開始就未能擺脫制造機器生物的思想 , 即 “機器智能 化” 。這種以 “自主” 系統(tǒng)為目標(biāo)的研究路線 , 嚴(yán)重地阻礙了人工智能研究 的進(jìn)展。許多學(xué)者已意識到這一點 , Feigenbaum、 N ew ell 、 錢學(xué)森從計算機角 度出發(fā) , 提出了人與計算機相結(jié)合的智能系統(tǒng)概念。目前國外對多媒體及虛擬技術(shù)研究進(jìn)行大量投資 , 以及日本第五代智能 計算機研制計劃的擱淺等事例 , 就是智能系統(tǒng)研究目標(biāo)有所改變的明證。人工智能技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用涉及市場分析、 產(chǎn)品設(shè)計、 生產(chǎn)規(guī) 劃、 過程控制、 質(zhì)量管理、 材料處理、 設(shè)備維護(hù)等諸方面。 結(jié)果是開發(fā)出 了種

19、類繁多的面向特定領(lǐng)域的獨立的專家系統(tǒng)、 基于知識的系統(tǒng)或智能輔助系 統(tǒng) , 形成一系列的 “智能化孤島” 。隨著研究與應(yīng)用的深入 , 人們逐漸認(rèn)識到 , 未來的制造自動化應(yīng)是高度集成化與智能化的 人機系統(tǒng)的有機融合 , 制造自動化程度的進(jìn)一步提高要依賴于整個制造系統(tǒng) 的自組織能力。 如何提高這些 “孤島” 的應(yīng)用范圍和在實際制造環(huán)境中處理 問題的能力 , 成為人們的研究焦點。 在 80 年代末和 90 年代初 , 一種通過集成 制造自動化、 新一代人工智能、 計算機等科學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來的新型制造工程 I M T 和新代制造系統(tǒng) I M S 便脫穎而出。人工智能在制造領(lǐng)域中的應(yīng)用與 I M T

20、和 I M S 的一個重要區(qū)別在于 , I M S 和 I M T 首次以部分取代制造中人的腦力勞動為研究目標(biāo) , 而不再僅起 “輔助 和支持” 作用 , 在一定范圍還需要能獨立地適應(yīng)周圍環(huán)境 , 開展工作。四M S和C I M SC I M S 發(fā)展的道路不是一帆風(fēng)順的。今天 ,C I M S 的發(fā)展遇到了不可逾越 的障礙 , 可能是剛開始時就對 C I M S 提出了過高的要求 , 也可能是 C I M S 本 身就存在某種與生俱來的缺陷 , 今天的 C I M S 在國際上已不像幾年前那樣受到 極大的關(guān)注與廣泛地研究。從 C I M S 的發(fā)展來看 , 眾多研究者把重點放在計算 機集成上

21、 , 從科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀看 , 要完成這樣一個集成系統(tǒng)是很困難的。C I M S 作為一種連接生產(chǎn)線中的單個自動化子系統(tǒng)的策略 , 是一種提高制 造效率的技術(shù)。它的技術(shù)基礎(chǔ)具有集中式結(jié)構(gòu)的遞階信息網(wǎng)絡(luò)。 盡管在這個遞 階體系中有多個執(zhí)行層次 , 但主要控制設(shè)施仍然是中心計算機。 C I M S 存在的 一個主要問題是用于異種環(huán)境必須互連時的復(fù)雜性。 在 C I M S 概念下 , 手工 操作要與高度自動化或半自動化操作集成起來是非常困難和昂貴的。在C I M S深入發(fā)展和推廣應(yīng)用的今天 , 人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到 , 要想讓 C I M S 真正發(fā)揮效 益和大面積推廣應(yīng)用 , 有兩大問題需要解決 :

22、 人在系統(tǒng)中的作用和地位 ; 在 不作很大投資對現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行技術(shù)改造的情況下亦能應(yīng)用C I M S。現(xiàn)有的C I MS 概念是解決不了這兩個難題的。今天 , 人力和自動化是一對技術(shù)矛盾 , 不能集 成在一起 , 所能做的選擇 , 或是昂貴的全自動化生產(chǎn)線 , 或是手工操作 , 而缺乏 的是人力和制造設(shè)備之間的相容性 ,人機工程只是一個方面的考慮 , 更重要的相 容性考慮要體現(xiàn)在競爭、 技能和決策能力上。人在制造中的作用需要被重新定義和加以重視事實上 , 在 70 年代末和 80 年代初 , 人們已開始認(rèn)識到人的因素在現(xiàn)代工 業(yè)生產(chǎn)中的作用。 英國出版公司 ( IFS) 于 1984 年就首次發(fā)

23、起了第一屆“制造 中人的因素” 研討會 , 目的在于提高人們對制造環(huán)境中人的因素及其所起作用 的認(rèn)識。事實證明 , 人是 I M S 中制造智能的重要來源。值得指出的是 , C I M S 和 I M S 都是面向制造過程自動化的系統(tǒng) , 兩者密切相關(guān)但又有區(qū)別。C I M S 強調(diào)的是企業(yè)內(nèi)部物料流的集成和信息流的集成 ; 而 I M S 強調(diào) 的則是更大范圍內(nèi)的整個制造過程的自組織能力。 從某種意義上講 , 后者難度更 大, 但比 C I M S 更實用、 更實際。 C I M S 中的眾多研究內(nèi)容是 I M S 的發(fā) 展基礎(chǔ), 而 I M S 也將對 C I M S 提出更高的要求。集成

24、是智能的基礎(chǔ) , 而智能 也將反過來推動更高水平的集成。 I M T 和 I M S 的研究成果將不只是面向 21 世紀(jì)的制造業(yè) , 不只是促進(jìn) C I M S 達(dá)到高度集成 , 而且對于 FM S、 M S 、CNC 以至一般的工業(yè)過程自動化或精密生產(chǎn)環(huán)境而言 , 均有潛在的應(yīng)用價值。 有識之士對人工智能技術(shù)、 計算機科學(xué)和 C I M S 技術(shù)進(jìn) 行了全面的反思。 他們在認(rèn)識機器智能化的局限性的基礎(chǔ)上 , 特別強調(diào)人在系統(tǒng) 中的重要性。如何發(fā)揮人在系統(tǒng)中的作用 , 建立一種新型的人機的協(xié)同關(guān)系 , 從而產(chǎn)生高效、 高性能的生產(chǎn)系統(tǒng) , 這是當(dāng)前眾多學(xué)者都會提出的問題 , 也正是 C I M

25、 S 所忽視的關(guān)鍵因素 , 這一因素導(dǎo)致了 C I M S 發(fā)展中不可逾越的障礙。 值得一提的是有的學(xué)者特別強調(diào) “人件 (Humanw are)” 在系統(tǒng)中的重要性 , 提 出 C I M S 的開放結(jié)構(gòu)體系思想。最引人注目的是歐共體的 ESPR IT 計劃中單 獨列出的一個研究子項 , 即 “以人為中心的 C I M S” 。甚至有人索性稱以人 為中心的 C I M S 為 H I M S (HumanIn tegrated M anufactu r ing System ) , 指出 集成制造系統(tǒng)首先是 “人的集成” 。耐人尋味的是 , 目前研究的 “精良生產(chǎn)” 與 “敏捷制造” 等新型

26、制造系統(tǒng)的主要出發(fā)點也是強調(diào) “人” 的作用 , 即 “以 人為中心”。五智能制造的物質(zhì)基礎(chǔ)及理論基礎(chǔ) 1.智能制造系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)主要有 :(1) 數(shù)控機床和加工中心美國于 1952 年研制成功第一臺數(shù)控銑床 ,使機械 制造業(yè)發(fā)生一次技術(shù)革命。數(shù)控機床和加工中心是柔性制造的核心單元技術(shù)。(2) 計算機輔助設(shè)計與制造提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期,改變了傳統(tǒng)用手工繪圖、依靠圖紙組織整個生產(chǎn)過程的技木管理模式。(3) 工業(yè)控制技術(shù)、 微電子技術(shù)與機械工業(yè)的結(jié)合 機器人開創(chuàng)了工 業(yè)生產(chǎn)的新局面 ,使生產(chǎn)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化 ,使制造過程更富于柔性擴展了人類 工作范圍。(4) 制造系統(tǒng)為智能化開發(fā)了面

27、向制造過程中特定環(huán)節(jié)、 特定問題的 “智能化孤島” ,如專家系統(tǒng)、 基干知識的系統(tǒng)和智 能輔助系統(tǒng)等。(5) 智能制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)用 計算機一體化控制生產(chǎn)系統(tǒng) ,使生產(chǎn)從概念、 設(shè)計到制造聯(lián)成一體 ,做到直接面 向市場進(jìn)行生產(chǎn) ,可以從事大小規(guī)模并舉的多樣化的生產(chǎn) ;近年來 ,制造技術(shù)有 了長足的發(fā)展和進(jìn)步 ,也帶來了很多新問題。數(shù)控機床、 自動物料系統(tǒng)、 計算 機控制系統(tǒng)、 機器人等在工業(yè)公司得到了廣泛的應(yīng)用,越來越多的公司使用了“計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)” 、 “柔性制造系統(tǒng) ( FMS)” 、 “工廠自動化 ( FA) ” 、 “多目標(biāo)智能計算機輔助設(shè)計 (M1CAD

28、) ” 、 “模塊化制造與工廠 (MXMF)、并行工程(CE)”、“智能控制系統(tǒng)(ICS)”以及“智能制造(IM) ”、“智能制造技術(shù) ( IMT)” 和 “智能制造系統(tǒng) ( IMS)” 等等新術(shù)語。先進(jìn)的計算 機技術(shù)、 控制技術(shù)和制造技術(shù)向產(chǎn)品、 工藝和系統(tǒng)的設(shè)計師和管理人員提出了 新的挑戰(zhàn) ,傳統(tǒng)的設(shè)計和管理方法不能再有效地解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)提出的問題 了。要解決這些問題、需要用現(xiàn)代的工具和方法，例如人工智能(AI)就為解決復(fù) 雜的工業(yè)問題提出了一套最適宜的工具。2.智能制造技術(shù)的理論基礎(chǔ) 智能制造技術(shù)是采用一種全新的制造概念和實現(xiàn)模式。其核心特征強調(diào)整個 制造系統(tǒng)的整體“智能化” 或 “自

29、組織能力” 與個體的 “自主性” ?！爸悄?制造國際合作研究計劃 J IRPIMS” 明確提出 : “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(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)” ?；谶@個觀點 ,在智能制造的基礎(chǔ)理論研究中 ,提出了智能制造系統(tǒng)及其環(huán)境的一種實現(xiàn)模式,這種模式給制造過程及系統(tǒng)的描述、 建模和仿真研究賦予了全新的思想和內(nèi)容 ,涉及制造過程和系統(tǒng)的計劃、 管理、 組織及運行各個環(huán)節(jié) ,體現(xiàn)在制造系統(tǒng)中制造智能知識的獲取和運用,系統(tǒng)的智能調(diào)度等 ,亦即對

30、制造系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)流、 信息流、 功能決策能力和控 制能力提出明確要求。作為智能制造技術(shù)基礎(chǔ),各種人工智能工具 ,及人工智能技術(shù)研究成果在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用 ,促進(jìn)了智能制造技術(shù)的發(fā)展。 而智能制造 系統(tǒng)中 ,智能調(diào)度、 智能信息處理與智能機器的有機融合而構(gòu)成的復(fù)雜智能系 統(tǒng) , 主要體現(xiàn)在以智能加工中心為核心的智能加工系統(tǒng)的智能單元上。 作為智能 單元的神經(jīng)中樞智能數(shù)控系統(tǒng) ,不僅需要對系統(tǒng)內(nèi)部中各種不確定的因素 如噪聲測量、 傳動間隙、 摩擦、 外界干擾、 系統(tǒng)內(nèi)各種模型的非線性及非預(yù) 見性事件實施智能控制 ,而且要對制造系統(tǒng)的各種命令請求做出智能反應(yīng)。 這種 功能已遠(yuǎn)非傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)

31、構(gòu)所能勝任,這是一個具有挑戰(zhàn)性的新課題。對此有待研究解決的問題有很多 ,其中包括智能制造機理、 智能制造信息、 制 造智能和制造中的計算幾何等?？傊?,制造技術(shù)發(fā)展到今天 ,已經(jīng)由一種技術(shù)發(fā) 展成為包括系統(tǒng)論、 信息論和控制論為核心的、 貫穿在整個制造過程各個環(huán)節(jié) 的一門新型的工程學(xué)科 ,即制造科學(xué)。 制造系統(tǒng)集成與調(diào)度的關(guān)鍵是信息的傳遞 與交換。從信息與控制的觀點來看 ,智能制造系統(tǒng)是一個信息處理系統(tǒng) ,由輸入、 處理、 輸出和反饋等部分組成。輸入有物質(zhì) （原料、 設(shè)備、 資金、 人 員 ） 、 能量與信息 ; 輸出有產(chǎn)品與服務(wù) ;處理包括物料的處理與信息處理 ;反饋有 產(chǎn)品品質(zhì)回饋與顧客反

32、饋。 制造過程實質(zhì)上是信息資源的采集、 輸入、 加工處 理和輸出的過程 ,而最終形成的產(chǎn)品可視為信息的物質(zhì)表現(xiàn)形式。六智能制造系統(tǒng)的特征及框架結(jié)構(gòu)1.為了提出有我國特色的智能制造模式 ,首先要搞清智能系統(tǒng)應(yīng)具有什么特 征。當(dāng)前對智能系統(tǒng)的理解有兩種不同的意見 :一種是從科學(xué)的角度來看這個問 題的意見 ,即認(rèn)為只有具備下列特征的系統(tǒng)才能稱為智能系統(tǒng) :一個系統(tǒng)既具有 人類智能 （或部分地 ） ,又具有與人類實現(xiàn)其智能相似的過程與途徑。另一種是從 工程的角度來看這個問題的意見 ,即認(rèn)為一個系統(tǒng)只要具有 （或部分具有 ）人類智 能就稱為智能系統(tǒng) ,而不管實現(xiàn)其智能的過程與途徑。 我們這里所討論的問題

33、是 關(guān)于智能制造系統(tǒng)的問題 ,也就是從工程角度來討論智能系統(tǒng)的問題。 我們認(rèn)為 : 在工程上 ,智能系統(tǒng)的特征有以下幾個方面 ,具有下列特征之一的系統(tǒng) ,從工程 角度看 ,就可稱為智能系統(tǒng)：(1) 多信息感知與融合 ;(2) 知識表達(dá)、 獲取、 存儲和處理 (主要是識別、 設(shè)計、 計算、 優(yōu)化、 推理 與決策 ) ;(3) 聯(lián)想記憶與智能控制 ;(4) 自治性 自相似、 自學(xué)習(xí)、 自適應(yīng)、 自組織、自維護(hù) ;(5) 機器智能的演繹 (分解)與歸納(集成) ;(6) 容錯。2.智能制造系統(tǒng)模式的框架結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)是一個多智能體分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ,分成四個部分 :中心層、 管理層、 計劃層和生產(chǎn)層。

34、每個層由具有自治性的多智能體組成 ,這種多智能體具有相似 的結(jié)構(gòu) ,但根據(jù)任務(wù)的不同而有不同的自學(xué)習(xí)、 自適應(yīng)、 自組織、 自維護(hù)功 能。智能系統(tǒng)有一定的容錯能力 ,可以在不完整的信息或偶然誤差出現(xiàn)時正常地 工作。系統(tǒng)與因特網(wǎng)兼容 ,可以進(jìn)行企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟、 招標(biāo)、 投標(biāo)及電子商務(wù) , 還可形成虛擬制造的支持環(huán)境。七 智能加工中心 IMC1.智能加工中心是智能制造系統(tǒng)中一種典型的智能加工機器。作為以IMC為主的智能加工單元 ,其任務(wù)為感知、 決策、 加工、 控制與學(xué)習(xí)。智能加工 中心既是智能制造過程和系統(tǒng)的實驗和應(yīng)用對象,也是智能制造技術(shù)的縮影和實現(xiàn)通道。它與普通的加工中心 (MC) 有著本質(zhì)的

35、區(qū)別 ,除了完成數(shù)控代碼規(guī)定的 加工任務(wù)外 ,能夠根據(jù)信息的綜合進(jìn)行自主決策 ,實時調(diào)整自身行為 ,適應(yīng)環(huán)境 和自身的不確定性變化 ,即應(yīng)具有 “自主性” 和 “自組織” 能力 ,實現(xiàn)對 IMC 的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實時干預(yù)與智能控制。 數(shù)控加工中心的實時智能控制 ,表現(xiàn)為三 個方面 :第一是遠(yuǎn)程控制 ,通過通信線路對加工現(xiàn)場進(jìn)行控制 ,對加工中心的加 工操作和加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視 ; 第二是故障識別與處理 ,如刀具磨損識別與自動更換備用刀具、 自激振動識別與自動抑制或消除等 ;第三是自適應(yīng)控制 ,根據(jù)檢測 到的過程控制信息自適應(yīng)地改變加工參數(shù)。 而智能加工中心對信息的獲取與處理 表現(xiàn)在對加工環(huán)境和加工

36、狀態(tài)的自主響應(yīng)能力,其中對刀具狀態(tài)的監(jiān)測是評判加工狀態(tài)的重要依據(jù)。 加工中心刀具狀態(tài)實時在線智能監(jiān)測系統(tǒng) ,及基于神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)與模糊識別模式的多傳感器融合技術(shù)的刀具磨、 破損監(jiān)測 系統(tǒng)的成功開發(fā) ,為智能制造信息的自動獲取 ,成功提供了有力的保證。2. 智能加工中心的主要功能在智能加工中心中 ,智能數(shù)控系統(tǒng)是 IMC 的神經(jīng)中樞 ,其智能化程度直接 決定了整個智能制造系統(tǒng)的智能水平。 智能數(shù)控系統(tǒng)具有高級的自主控制功能 , 能將任務(wù)請求、 作業(yè)規(guī)劃、 軌跡控制、過程監(jiān)視與控制、 錯誤自修復(fù)等功能 有機結(jié)合起來。面向制造系統(tǒng) ,它是任務(wù)驅(qū)動的柔性規(guī)劃學(xué)習(xí)系統(tǒng) ,而面對復(fù)雜 的物流加工環(huán)境 ,它又是

37、 “刺激一反應(yīng)” 型的再勵系統(tǒng) ,能對來自內(nèi)部和外界 環(huán)境的多種刺激做出理智的決策 ,從而以最優(yōu)策略完成目標(biāo)任務(wù)。 通過對智能制 造環(huán)境下的加工過程進(jìn)行分析 ,確定加工中心應(yīng)具備的主要功能有 :(1) 感知功能 ,根據(jù)多種傳感器信號的收集、特征提取和信息融合,實現(xiàn)加工對象感知和系統(tǒng)狀態(tài)感知。(2) 決策功能 ,在感知的基礎(chǔ)上通過決策 ,明確其在整個制造系統(tǒng)中的作用、 與 其它智能機器的關(guān)系 ,并確定自身的行為方式。(3) 控制功能 ,智能加工中心根據(jù)決策結(jié)果進(jìn)行處理,采用最優(yōu)化的方式完成加工任務(wù) ,并保證加工過程得到可靠的監(jiān)視和維護(hù)。(4) 通信功能 ,包括與 CAD/ CAM 系統(tǒng)的智能通信

38、 ,實現(xiàn)數(shù)據(jù)與知識的交流 ,支 持并行工程策略 ;與其它智能加工機器的智能通信,交流狀態(tài)信息 ,協(xié)調(diào)加工負(fù)荷 ;與人類專家和操作人員的智能通信 ,提供良好的人機交互環(huán)境 ,為智能機器 提供知識單元 ,做出相應(yīng)決策。(5) 學(xué)習(xí)功能 ,依據(jù)決策、 控制和加工指令 ,以及由此引起的狀態(tài)變化和最終加 工任務(wù) ,學(xué)習(xí)和積累相關(guān)知識 ,改進(jìn)決策和控制策略。此外 ,還包括從人類專家 和其它智能機器直接獲取知識。八智能制造技木的發(fā)展趨勢智能制造是從 80 年代末發(fā)展起來的 ,最旱的幾本有關(guān)智能制造及系統(tǒng)方 面的專著是在 1988年由 Wrightfg MilaciC 等人編寫的 ,隨后、 Kusiak 和

39、Pain 也相繼出版了這方面的研究著作。這些專著所描述的 IMS 仍基于設(shè)計與制造技 術(shù)所提出的問題和解決的工具與方法。 在許多工業(yè)化國家、 人工智能已被當(dāng)作求 解現(xiàn)代工業(yè)提出的問題的工具和方法。 因此 ,這些專著僅著力于人工智能在制造 業(yè)中的應(yīng)用和智能系統(tǒng)研究與應(yīng)用中提出的問題的求解、 使用基于知識的系統(tǒng) （如級聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng) ）和優(yōu)化方法來解決自動化制造環(huán)境中零件、產(chǎn)品、 系統(tǒng)的設(shè)計與制造 ,以及自動制造系統(tǒng)的規(guī)劃與調(diào)度 （管理 ）問題。先進(jìn)的工業(yè)化國家在研 究 FMS、 CIMS、 FA 及 AI 籌的基礎(chǔ)上 ,為了進(jìn)行國際間制造業(yè)的共同協(xié)作研 究、 開發(fā)、 設(shè)計、 生產(chǎn)、 物流、 信息流、

40、 經(jīng)營管理乃至制造過程的集成化 與智能化等而提出來的智能制造系統(tǒng),也是為了解決各發(fā)達(dá)國家面臨的企業(yè)活動全球化、 重復(fù)投資增大、 現(xiàn)場熟練技術(shù)工人不足和社會對產(chǎn)品的需求變化等 因素而倡導(dǎo)的國際制造業(yè)的合作。 在迸行智能制造及其相關(guān)技術(shù)與系統(tǒng)的研究方 面、 首推日本在 1990 年提議和倡導(dǎo)的日、 美、 歐之間建立的國際運營委員 會、 國際技術(shù)委員會和附屬機構(gòu) IMS 中。大有主宰未來制造技術(shù)的趨勢。19911993年Barschdor汀和 Monostori等應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNS）到 智能制造中進(jìn)行加工過程的建模、 監(jiān)測、 診斷、 自適應(yīng)控制 ;通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 知識表示和學(xué)習(xí)能力 ,縮短

41、CIMS 的反應(yīng)時間 ,提高產(chǎn)品的質(zhì)量 ,使系統(tǒng)更可 靠。而 Furukawa 則對智能機器的設(shè)計程序及它在自動導(dǎo)引車中的應(yīng)用作了介 紹。被稱為是二十一世紀(jì)的制造技術(shù)的智能制造系統(tǒng),目前國內(nèi)外已相繼開展了國際聯(lián)合研究計劃。 智能制造系統(tǒng)與當(dāng)前任何制造系統(tǒng)相比,在體系結(jié)構(gòu)上有著根本意義上的不同 ,具體體現(xiàn)在 :一是采用開放式系統(tǒng)設(shè)計策略。 通過計算機網(wǎng)絡(luò) 技術(shù) ,實現(xiàn)共享制造數(shù)據(jù)和制造知識 ,以保證系統(tǒng)質(zhì)量。這是將計算機界先進(jìn)的 設(shè)計和開發(fā)思想融入到制造系統(tǒng)的結(jié)果,因而使制造系統(tǒng)向擬人化的方向進(jìn)一步發(fā)展。二是采用分布式多自主體智能系統(tǒng)設(shè)計策略,其基本思想是 :賦予制造系統(tǒng)中各組成部分或子系統(tǒng)一定

42、的自主權(quán),使其形成一個封閉的具有完整功能的自主體 ,這些自主體以網(wǎng)絡(luò)智能結(jié)點的形式聯(lián)接在通訊網(wǎng)絡(luò)上 ,各個智能結(jié)點在 物理上是分散的 ,在邏輯上是平等的。通過各結(jié)點的協(xié)同處理與合作 ,共同完成 制造系統(tǒng)任務(wù) ,實現(xiàn)人與人的知識在制造中的核心地位。此外 ,生物制造與仿生機械的科學(xué)與技術(shù)、生物自生長成形制造、 綠色制造的科學(xué)與技術(shù)包括產(chǎn)品與人類和自然的協(xié)調(diào)理論,產(chǎn)品綠色工藝 ( 如 Near2ZeroWaste等也極大地豐富了智能制造的范疇,促進(jìn)了智能制造系統(tǒng)的發(fā)展。目前,我國一些高等院校也在進(jìn)行智能制造技術(shù)的研究 ,如南京航空航天大學(xué)機電學(xué) 院朱劍英教授成立的智能制造科研組 ,一方面跟蹤國際智能

43、制造的最新研究動 態(tài) ,另一方面從事智能制造關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)的預(yù)研工作 ,為地區(qū)及我國智能制造技 術(shù)的發(fā)展做出了一定貢獻(xiàn)。遺憾的是 ,由于種種原因 ,我國政府主管部門和有關(guān) 大公司、 廠家并無跡象表明對智能制造已引起足夠的重視 ,至今也未得到我國 機械學(xué)科的普遍關(guān)注。 相信隨著人們對智能制造系統(tǒng)認(rèn)識的逐步深入 ,智能制造 系統(tǒng)必將得以迅猛發(fā)展 ,迎頭趕上世界先進(jìn)發(fā)展水平。九智能制造系統(tǒng)研究成果及存在問題目前對分布式制造系統(tǒng)的研究雖然還處于初期階段,但已在不同層次、 不同側(cè)面上取得了大量令人振奮的基礎(chǔ)理論研究成果和應(yīng)用成果,如制造 Agent 的個體目標(biāo)機制 (如獎懲機制、 市場機制、 目標(biāo)函數(shù)等

44、)等。這些研究成果奠定了 MAS 在制造控制中應(yīng)用的基礎(chǔ)。但是,由于制造 Agent 在信息、 知識和控制上的完全分布 ,每個 Agent 對環(huán)境、 對整個問題求解活動及其他 Agent 的意圖 只有部分的、 不完全的知識 ,并且擁有的知識可能互相不一致,各個 Agent 只能根據(jù)不完備的知識與不完整、 不同步的信息做出局部決策。又由于整個系統(tǒng) 缺乏類似中央控制的機制 ,因而整個系統(tǒng)的控制和決策往往不能達(dá)到最優(yōu)效果 , 而且不可避免地存在大量難以解決的決策沖突(C onflict)和死鎖(Deadlock)。因此 ,對分布式自治制造系統(tǒng)中異構(gòu)Agent 間的相互合作以及全局協(xié)調(diào)機制的研究 ,是

45、分布式自治制造系統(tǒng)最重要,也是最基本的問題 ,更是其走向?qū)嵱盟酱鉀Q的核心問題。協(xié)調(diào)是指一組 Agent 完成一些集體活動時相互作用的性質(zhì)。 在分布式制造系統(tǒng)中 ,全局協(xié)調(diào)和優(yōu)化是一個在多目標(biāo)動態(tài)約束下,各類活動和資源的最佳組合和排序的動態(tài)求取過程,它可以描述為兩個子問題 ,即局部調(diào)度決策和全局資源協(xié)調(diào)。由于 “組合爆炸” 現(xiàn)象的存在 ,當(dāng)前采用的普遍方法是 談判和投標(biāo)(Neg otiation and Bidding)。談判被定義為：在開放的、 動態(tài)的制造控 制環(huán)境下，擁有任務(wù)訂單的Age nt(協(xié)調(diào)者),及欲參與任務(wù)執(zhí)行的 Age nt (投標(biāo)者)之間傳遞各自的資源、 愿望和能力信息 ,

46、反復(fù)進(jìn)行協(xié)商 ,直到其中一個 Agent 或 一組 Agent 被選出組成執(zhí)行該任務(wù)的隊列的過程。在這個過程中出現(xiàn)的沖突和 死鎖或者由協(xié)調(diào)者來解決,或者由沖突中的 Agent 自行解決。為了加快談判過程 , 許多研究工作致力于改進(jìn)談判策略和開發(fā)支持協(xié)商的協(xié)議和語言,目前已提出了諸如一步談判、 多步談判、 合同網(wǎng)等多種談判策略和協(xié)議。 分析這種談判 過程 ,可以看出 :（1）在當(dāng)前所采用的模型中 ,談判是基于對談判者的知識與能力、 討價還價過 程、 收益計算 ,以及子系統(tǒng)的影響 （或能力 ）的平衡的顯式表達(dá) ,以可計算的迭代 模型模擬社會或生物界的組織形式和進(jìn)化過程的協(xié)調(diào)和協(xié)作方法 ;（2）各個

47、 Agent 總是將其他 Agent 的局部調(diào)度作為其預(yù)測信息 ,以計算其自己 的局部調(diào)度決策。依次地，又將決策結(jié)果傳遞給其他 Age nt。宏觀上看，這是一 個串行過程。當(dāng)一個 Agent 產(chǎn)生的結(jié)果不可接受時 ,又需要進(jìn)行反復(fù)通信和迭 代。因而 ,各個 Agent 的內(nèi)部可以看作是一個局部閉環(huán)反饋控制系統(tǒng) ,而沖突則 是其外部擾動 ;（3）全局協(xié)調(diào)的目標(biāo)是要完全消解沖突 ,因而各 Agent 總是要利用最新的信 息來處理沖突。因此 ,談判實際上是一種外部合作機制。這種方法在一定程度上 解決了開放環(huán)境中的 Agent 協(xié)調(diào)和協(xié)作的組合優(yōu)化問題 ,但是該方法的一個固 有缺陷是它只是對社會市場或

48、生物界的組織形式和進(jìn)化過程的直覺模仿 1 ,尚 缺乏對其基本原理、 機制和限制條件的深刻認(rèn)識和理論上的證明,例如 ,在什么條件下談判的過程是收斂的、 穩(wěn)定的。如何得到期望的結(jié)構(gòu)或功能等。尤其當(dāng) 系統(tǒng)規(guī)模較大 ,而且 Agent 處于信息連續(xù)變化的高度紊亂的環(huán)境中 （如由于市 場的快速變化 ,經(jīng)常會有一些短期的、 緊急的訂單需要及時處理 ）時 ,有可能引 起沖突的傳播 （即任何兩個實體間沖突的解決會觸發(fā)其他沖突的出現(xiàn)） 。這種特性類似于自催化過程 ,各個制造 Agent 間正向 - 反向交換局部解答的動態(tài)迭代 過程使得全局問題求解的復(fù)雜性成倍增長,有可能達(dá)到不可控制的程度。 甚至出現(xiàn)混沌,其后果帶來了大量的通信和控制的不確定性,造成系統(tǒng)異步 （即通信的延遲沒有上界 ） ,并由此導(dǎo)致各制造 Agent 常常處于等待 ,或開環(huán)運行狀態(tài)。特別 是，由于信息的不精確和延遲，各個Age nt可能總是跟不上環(huán)境信息的變化。因 此 ,這種將全局問題簡化為局部控制與調(diào)度而帶來的系統(tǒng)建模的簡單性往往被解決沖突、 協(xié)調(diào)和為了維護(hù)全局優(yōu)化的一致性而進(jìn)行的大量信息交互問題所抵 消。十結(jié)語制造業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)和綜合國力的基礎(chǔ) ,被稱為“立國之本 ” 。而我國的制 造工業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比 ,差距很大 ,主要表現(xiàn)為自主開發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能