智能制造概論

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6智能制造概

論劉 強(qiáng)

編著珠穆朗瑪峰By

漫步天涯1【內(nèi)容簡介】2本書首先介紹制造技術(shù)和智能制造的發(fā)展歷程，討論了智能制造的內(nèi)涵與特征、構(gòu)成要素和參考架構(gòu)模型等智能制造技術(shù)基礎(chǔ)，介紹了智能感知、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算和邊緣計算、虛擬現(xiàn)實/增強(qiáng)現(xiàn)實、人工智能和數(shù)字孿生等新一代智能制造支撐技術(shù)；以智能工廠和智能生產(chǎn)為主題，并結(jié)合實際案例，討論了橫向集成、縱向集成和端到端集成等3大集成技術(shù)，以及動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行4項功能應(yīng)用使能技術(shù)；最后闡述了推進(jìn)和實施智能制造的基本原則、發(fā)展階段、演進(jìn)范式和具體步驟，展望了智能制造的未來?！颈緯攸c】3本書以作者多年研究構(gòu)建的“智能制造理論體系架構(gòu)”為指導(dǎo)[參見：劉強(qiáng).智能制造理論體系架構(gòu)研究(J).

中國機(jī)械工程，2000.31(1):24-36]，內(nèi)容系統(tǒng)、視角獨特、圖例豐富但又深入淺出。各章內(nèi)容有機(jī)地參考和融合了作者及其研究團(tuán)隊、國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的著作、論文和研究成果，并通過實例、圖例和應(yīng)用案例等多種形式呈現(xiàn)，具有新穎性、可讀性和指導(dǎo)性。本書主要讀者對象為智能制造工程、機(jī)械工程及其相關(guān)專業(yè)本科生等，可用作智能制造概論、智能制造導(dǎo)論以及智能制造工程基礎(chǔ)等課程的教材，也可用作為其它有關(guān)智能制造的教學(xué)和培訓(xùn)參考書。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將了解智能制造發(fā)展的歷程，理解和掌握智能制造的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，了解智能工廠和智能生產(chǎn)的構(gòu)建及實現(xiàn)場景，并探討智能制造的未來發(fā)展方向和技術(shù)路線?！咀髡吆喗椤俊?劉強(qiáng)，

1963

年3

月生于湖南，

工學(xué)博士，

現(xiàn)任北京航空航天大學(xué)二級教授、北航江西研究院院長、高效數(shù)控加工技術(shù)創(chuàng)新中心主任；

2000

年~2007

年任機(jī)械工程及自動化學(xué)院院長。兼任全國數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)委會副主任委員、全國金屬切削機(jī)床標(biāo)委會智能化數(shù)控機(jī)床創(chuàng)新工作組首席專家、《機(jī)械工程學(xué)報》、《計算機(jī)集成制造》、《中國機(jī)械工程》編委等，還曾兼任“863計劃”先進(jìn)制造技術(shù)主題專家、04

重大科技專項監(jiān)督評估組專家、“

科技創(chuàng)新-2030智能制造與機(jī)器人重大項目總體組專家、中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械工業(yè)自動化分會/中國自動化學(xué)會制造技術(shù)專委會主任委員等。研究方向為智能加工與先進(jìn)數(shù)控技術(shù)。主持包括04重大專項、國家重點研發(fā)計劃、NSFC等各類科研項目和課題30

余項，

發(fā)表論文150

余篇，

獲專利和軟件著作權(quán)60余項，出版著作4

部。主講機(jī)電控制工程基礎(chǔ)、智能制造工程基礎(chǔ)、智能加工與先進(jìn)數(shù)控技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)建模及智能控制等課程，已培養(yǎng)博士/碩士研究生100余名。獲中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎特等獎、國防科學(xué)技術(shù)獎二等獎等獎勵，獲機(jī)械工業(yè)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、智造名家、泰山學(xué)者、北京市優(yōu)秀教師、北航十佳教師等稱號?！綞-mail】qliusmea@第1章

概述【導(dǎo)讀】本章概要介紹了制造技術(shù)發(fā)展歷史，分析了從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0不同發(fā)展階段之間制造技術(shù)變遷的特點，提出制造業(yè)在工業(yè)4.0時代“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色、安全”

的總體目標(biāo)及其新的內(nèi)涵，

介紹了智能制造不同階段的發(fā)展特點和主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家關(guān)于智能制造發(fā)展的國家戰(zhàn)略，

闡述了現(xiàn)代意義上的“

制造”

一詞的定義和智能制造的基本概念，

對德國、美國、日本和中國在智能制造發(fā)展方面的特點和優(yōu)勢進(jìn)行了分析比較，

最后介紹了本課程的教學(xué)目標(biāo)與主要教學(xué)內(nèi)容安排。5第1章

概述671.1.1

人類文明、工業(yè)革命與制造技術(shù)直立行走+使用火+制造和使用工具，南方古猿>>能人>>直立人>>智人人類文明的進(jìn)程，與制造密不而分。8工業(yè)1.0工具時代鉆木取火原始狩獵打制石器原始工具吳王夫差劍司母戊鼎農(nóng)業(yè)時代鐵制農(nóng)具/武器工業(yè)時代蒸汽機(jī)發(fā)明與應(yīng)用電力發(fā)明與應(yīng)用信息技術(shù)出現(xiàn)與應(yīng)用智能時代CPS/IoT/I-Internet工業(yè)2.0工業(yè)3.0工業(yè)4.0工業(yè)革命與制造技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)！9制造活動——人類生存、進(jìn)化、生活和生產(chǎn)活動中一個永恒的主題工業(yè)x.0 ——機(jī)械化、電氣化、信息化、智能化第1次工業(yè)革命(

工業(yè)1.0)——蒸汽機(jī)時代1785年瓦特對蒸汽機(jī)進(jìn)行重大改良，投入使用并迅速推廣應(yīng)用。以蒸汽機(jī)的問世為標(biāo)志，以紡織機(jī)械的革新為起點，實現(xiàn)了從采用手工工具的生產(chǎn)到機(jī)械化大生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了大工業(yè)生產(chǎn)，引領(lǐng)了人類社會的工業(yè)文明。1019世紀(jì)紡織生產(chǎn)車間19世紀(jì)機(jī)械加工車間[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]第一次工業(yè)革命后，產(chǎn)生了現(xiàn)代意義的“制造” 概念現(xiàn)代意義上的“

制造(Manufacturing)”

是指通過機(jī)器進(jìn)行制作或生產(chǎn)產(chǎn)品，特別是大批量地制作或生產(chǎn)產(chǎn)品。1120世紀(jì)初福特T型車生產(chǎn)線21世紀(jì)現(xiàn)代化汽車生產(chǎn)線[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]第2次工業(yè)革命(

工業(yè)2.0)——電氣時代19世紀(jì)后半葉和20世紀(jì)初，發(fā)電、照明、通訊等新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)、新發(fā)明層出不窮。電力技術(shù)主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)革命，以基于電力驅(qū)動為代表的自動化為特征，全面推動了化工、鋼鐵和冶金、內(nèi)燃機(jī)等技術(shù)發(fā)展，使汽車、機(jī)車、艦船、飛機(jī)制造等迅速興起，極大地提高了生產(chǎn)力并改變了人類的生活方式。1219世紀(jì)的發(fā)電機(jī)自動車床[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]第3次工業(yè)革命(

工業(yè)3.0)——信息化時代起始于20世紀(jì)40年代并持續(xù)影響至今，以核能、空間、計算機(jī)等技術(shù)應(yīng)用為代表，給信息技術(shù)、新能源、新材料、生物、空間和海洋等領(lǐng)域帶來了全新的發(fā)展。核心是以數(shù)字化為基礎(chǔ)的信息技術(shù)(Information Technology，

IT)，典型應(yīng)用實例：柔性制造系統(tǒng)FMS、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS。不僅帶來了生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的變革，也引起了人類生活方式和思維方式的重大變化。13柔性制造系統(tǒng)圖計算機(jī)集成制造系統(tǒng)[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]第4次工業(yè)革命(

工業(yè)4.0)——智能化時代以新一代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)融合應(yīng)用于制造業(yè)而引發(fā)新的工業(yè)革命。生產(chǎn)中的“人-

機(jī)-

物”互聯(lián)互通，機(jī)器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施將能夠感知、處理、共享和交換信息，進(jìn)行自主決策，對設(shè)備、生產(chǎn)過程實現(xiàn)最優(yōu)化控制或管控。人工智能(AI)

和新一代信息通信技術(shù)(ICT)

與制造技術(shù)高度融合，

構(gòu)建數(shù)字孿生和賽博物理系統(tǒng)CPS，形成“智能化”特征、虛實結(jié)合的全新生產(chǎn)方式。14工業(yè)4.0的生產(chǎn)場景數(shù)字孿生和CPS[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]1.1.2

制造技術(shù)的發(fā)展變遷15工業(yè)x.0時代劃分主要標(biāo)志生產(chǎn)模式制造技術(shù)特點制造裝備及系統(tǒng)工業(yè)1.0蒸汽時代蒸汽機(jī)動力應(yīng)用單件小批量機(jī)械化集中動力源的機(jī)床工業(yè)2.0電氣時代電能和電力驅(qū)動大規(guī)模生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化剛性自動化普通機(jī)床組合機(jī)床剛性生產(chǎn)線工業(yè)3.0信息化時代數(shù)字化信息技術(shù)柔性化生產(chǎn)柔性自動化數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控機(jī)床、復(fù)合機(jī)床FMS、CIMS工業(yè)4.0智能化時代新一代信息技術(shù)(I-Internet,IoT,

AI,BD,CC,

etc.)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同大規(guī)模個性化定制人-機(jī)-物互聯(lián)自感知、自分析自決策、自執(zhí)行智能化裝備、增材制造混合制造、云制造賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)1.1.2

制造技術(shù)的發(fā)展變遷16制造技術(shù)特點制造裝備及系統(tǒng)機(jī)械化集中動力源的機(jī)床工業(yè)2.0電氣時代電能和電力驅(qū)動大規(guī)模生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化剛性自動化普通機(jī)床組合機(jī)床剛性生產(chǎn)線柔性自動化數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控機(jī)床、復(fù)合機(jī)床FMS、CIMS定制人-機(jī)-物互聯(lián)自感知、自分析自決策、自執(zhí)行智能化裝備、增材制造混合制造、云制造賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)從作坊式機(jī)械化生產(chǎn)，走向標(biāo)準(zhǔn)化和自動化。工業(yè)x.

0標(biāo)準(zhǔn)時化代—劃—分零件設(shè)計的主標(biāo)要準(zhǔn)標(biāo)化志、制造步驟生的產(chǎn)模式標(biāo)準(zhǔn)化、檢驗和質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)化等；工業(yè)1.

0剛性蒸自汽動時化代——提高蒸制汽造機(jī)過動程力速應(yīng)度用、可重單復(fù)件小批量性。高級自動化——追求效率/質(zhì)量/柔性，以合理的工業(yè)3.0

響應(yīng)信能息力化和時精代度質(zhì)量，數(shù)適字應(yīng)化產(chǎn)信品息多技樣術(shù)性和批柔量性波化生產(chǎn)動(變批量柔性化制造)；數(shù)字化設(shè)計制造——各種CAX應(yīng)用，各種傳感器和儀表采集數(shù)據(jù)用于新監(jiān)一測代、信控息制技和術(shù)管理；網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同工業(yè)4

.0

網(wǎng)絡(luò)智化能支化持時—代—機(jī)-機(jī)(I-、In車ter間ne-車t,

I間oT、,

A企I業(yè), -企大業(yè)規(guī)之模個性化間能夠聯(lián)網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)B和D信,

C息C交,

e互tc和.)

共享。從工業(yè)3.0到工業(yè)4.0，制造技術(shù)發(fā)展將面臨的4個新的轉(zhuǎn)變17未來制造四大新的轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變一——從相對單一的制造環(huán)境到復(fù)雜混合制造環(huán)境18零件材料——金屬材料與復(fù)合材料混合對象尺度——宏觀與微納混合加工工藝——增材與減材混合轉(zhuǎn)變二——從基于經(jīng)驗的決策到基于證據(jù)的決策工作方式——機(jī)器人與人類融合變量形式——數(shù)字過程與模擬過程混合虛實結(jié)合——賽博空間與物理實體融合轉(zhuǎn)變?nèi)獜慕鉀Q可見的問題到避免不可見的問題傳統(tǒng)制造系統(tǒng)管理嚴(yán)重依賴經(jīng)驗豐富的人員，需要智能分析系統(tǒng)來將原來基于經(jīng)驗的知識轉(zhuǎn)化為可持續(xù)運行的基于證據(jù)的決策。轉(zhuǎn)變四——從基于控制的機(jī)器學(xué)習(xí)到基于豐富數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)通過對相互關(guān)聯(lián)的多維系統(tǒng)的智能分析，可對相關(guān)性和因果函數(shù)的進(jìn)行建模，獲得對運行過程不可見的問題的有意義的、可行的分析預(yù)測結(jié)果，給出預(yù)警和控制，避免不良的后果。復(fù)雜系統(tǒng)需要在一些未知條件下保持模型的魯棒性，賽博制造應(yīng)使用戶能夠理解不可見的因果關(guān)系并作出優(yōu)化的決策。工業(yè)4.0的制造技術(shù)將呈現(xiàn)出新的技術(shù)特征一是基于先驗知識和歷史數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)優(yōu)化將發(fā)展到基于數(shù)據(jù)分析、人工智能、深度學(xué)習(xí)的具有預(yù)測和適應(yīng)未知場景能力的智能優(yōu)化；二是面向設(shè)備、過程控制的局部或內(nèi)部的閉環(huán)將擴(kuò)展為基于泛在感知、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算的大制造閉環(huán)；三是大制造閉環(huán)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理不僅限于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，

而且包括大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理，如圖像、自然語言，甚至社交媒體中的信息等；四是基于設(shè)定數(shù)據(jù)的虛擬仿真、按給定指令計劃進(jìn)行的物理生產(chǎn)過程，

將轉(zhuǎn)向以不同層級的數(shù)字孿生、賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)的形式將虛擬仿真和物理生產(chǎn)過程深度融合，

從而形成虛實交互融合、數(shù)據(jù)信息共享、實時優(yōu)化決策、精準(zhǔn)控制執(zhí)行的生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)過程，

使之不僅滿足工業(yè)3.0時代的性能指標(biāo)(

如生產(chǎn)率、質(zhì)量、可重復(fù)性、成本和風(fēng)險)，

并且進(jìn)一步滿足諸如靈活性、適應(yīng)性和從失敗或人為干預(yù)中學(xué)習(xí)的能力等新指標(biāo)。19未來制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢——智能制造

20 具有預(yù)測和適應(yīng)未知場景能力的智能優(yōu)化自感知、自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)的大制造閉環(huán)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)+非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理不同層級CPS、DT將虛擬仿真和物理生產(chǎn)過程深度融合智能制造是制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢！通過機(jī)器進(jìn)行制作或生產(chǎn)產(chǎn)品，

特別是大批量地制作或生產(chǎn)產(chǎn)品傳統(tǒng)制造技術(shù)與迅猛發(fā)展的以IT為代表的新技術(shù)結(jié)合，形成了先進(jìn)制造技術(shù)。以智能化、綠色化和服務(wù)化為特征,重點實現(xiàn)從制造價值鏈低端邁向高端。第1章

概述21制造技術(shù)發(fā)展簡述制造的永恒主題智能制造的發(fā)展歷程關(guān)于智能制造發(fā)展的國家戰(zhàn)略本課程的目標(biāo)與內(nèi)容1.2.1

制造業(yè)的地位及作用制造業(yè)(ManufacturingIndustry)

是指對原材料（

采掘業(yè)的產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品）

進(jìn)行加工或再加工，以及對零部件進(jìn)行裝配的工業(yè)部門的總稱。也可以說，

制造業(yè)是將可用資源（

包括能源）

通過制造過程，

轉(zhuǎn)化為可供使用和利用的工業(yè)品或生活消費品的產(chǎn)業(yè)。22傳統(tǒng)制造業(yè)現(xiàn)代制造業(yè)消費品制造業(yè)資本品制造業(yè)輕型制造業(yè)重型制造業(yè)一般制造業(yè)裝備制造業(yè)民用制造業(yè)軍工制造業(yè)按制造技術(shù)和模式分類按最終產(chǎn)品特點分類制造業(yè)創(chuàng)造物質(zhì)財富的基礎(chǔ)國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新主體綜合實力國際競爭力國家安全特別是國防安全的重要保障安全1.2.2

“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色、安全”的永恒主題23制造的永恒主題——一般意義制造的產(chǎn)品具有符合設(shè)計要求的優(yōu)良質(zhì)量，

或提供優(yōu)良的制造服務(wù)，

或使制造產(chǎn)品和制造服務(wù)的質(zhì)量優(yōu)化24優(yōu)質(zhì)在保證質(zhì)量的前提下，

在盡可能短的時間內(nèi)，

以高的工作效率和快的工作節(jié)拍完成生產(chǎn)，向用戶提供產(chǎn)品和制造服務(wù)，快捷地響應(yīng)市場的需求。高效以盡可能低的經(jīng)濟(jì)成本和資源消耗，

制造產(chǎn)品或提供制造服務(wù)。其目標(biāo)是綜合制造成本最低，或制造能效比最優(yōu)。低耗，綜合考慮環(huán)境影響和資源效益的制造。其目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產(chǎn)品全生命周期中，

對環(huán)境的影響最小資源利用率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。綠色在生產(chǎn)過程中，

通過“人、機(jī)、物(

料)、環(huán)(

境)、(

方)

法”等方面的協(xié)同運作，保證生產(chǎn)者、技術(shù)裝備和生產(chǎn)設(shè)施(包括軟硬件資源)以及生產(chǎn)活動的安全性。安全1.

概述25制造技術(shù)發(fā)展簡述制造的永恒主題智能制造的發(fā)展歷程關(guān)于智能制造發(fā)展的國家戰(zhàn)略本課程的目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1

早期的研究與認(rèn)識261989年，Kusiak首次明確提出了“智能制造系統(tǒng)”(Intelligent

Manufacturing

System

，IMS)一詞。早期智能制造的定義通過集成知識工程、制造軟件系統(tǒng)和機(jī)器人控制來對制造技工們的技能與專家知識進(jìn)行建模，以使智能機(jī)器可自主地進(jìn)行小批量生產(chǎn)。早期智能制造概念的特點主要描述一種面向生產(chǎn)制造過程的工程技術(shù)。強(qiáng)調(diào)它是由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，在制造過程中能進(jìn)行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策，通過人與智能機(jī)器的合作共事，擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家制造過程中的腦力勞動。智能制造的內(nèi)涵和特征(I)智能制造(Intelligent

Manufacturing)智能制造是一種由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策，通過人與智能機(jī)器的合作共事，擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家

制造過程中的腦力勞動。智能制造包括智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)兩個方面。2728信

息通

信制 造 環(huán) 境傳感 儀器 控制 優(yōu)化 監(jiān)測能量生產(chǎn)率成本1.3.2

對智能制造內(nèi)涵和特征認(rèn)識的發(fā)展智能制造的內(nèi)涵和特征(II)智能制造是先進(jìn)傳感、儀器、監(jiān)測、控制和過程優(yōu)化的技術(shù)和實踐的組合，它們將信息和通信技術(shù)與制造環(huán)境融合在一起，實現(xiàn)工廠和企業(yè)中能量、生產(chǎn)率和成本的實時管理。

——美國智能制造創(chuàng)新研究院(2014)智能制造的內(nèi)涵和特征(III)29在美國國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中，由能源部資助的清潔能源智能制造創(chuàng)新研究院(CESMII)發(fā)布的智能制造2017-2018路線圖(Roadmap 2017-2018)指出，智能制造是2030年左右可以實現(xiàn)的制造方式，并對智能制造定義如下：智能制造(SM：Smart Manufacturing)是一系列涉及商務(wù)、技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施及勞動力的實踐活動，通過整合運營技術(shù)和信息技術(shù)(OT/IT)的工程系統(tǒng)，實現(xiàn)制造的持續(xù)優(yōu)化。該定義給出的四個維度——商務(wù)、技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、勞動力，并把“商務(wù)”放在第一位，把智能制造最終目的定位在持續(xù)優(yōu)化(optimizing)，強(qiáng)調(diào)了智能制造是為業(yè)務(wù)服務(wù)、智能化一定是和優(yōu)化同步并以此為目的的觀點。此外，該定義提到了“勞動力”的實踐活動，強(qiáng)調(diào)了人在智能制造中不可或缺的地位。智能制造的內(nèi)涵和特征(IV)——中國制造2025智能制造的內(nèi)涵智能制造是制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的融合，

是面向產(chǎn)品全生命周期的具有信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制功能的制造系統(tǒng)，旨在高效、優(yōu)質(zhì)、柔性、清潔、安全、敏捷地制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶。30——引自：制造強(qiáng)國戰(zhàn)略研究項目組，制造強(qiáng)國戰(zhàn)略研究

智能制造專題卷.

北京：中國工信出版集團(tuán)，電子工業(yè)出版社，2015.05智能制造的內(nèi)容制造裝備的智能化設(shè)計過程的智能化加工工藝的優(yōu)化管理的信息化服務(wù)的敏捷化/遠(yuǎn)程化智能制造的特征信息感知——智能制造需要大量的數(shù)據(jù)支持，通過有效利用高效、標(biāo)準(zhǔn)的方法實時進(jìn)行信息采集、自動識別，并將信息傳輸?shù)椒治鰶Q策系統(tǒng)。優(yōu)化決策——通過面向產(chǎn)品全生命周期的信息挖掘提煉、計算分析、推理預(yù)測，形成優(yōu)化制造過程的決策指令。執(zhí)行控制——根據(jù)決策指令，通過執(zhí)行系統(tǒng)控制制造過程的狀態(tài)，實現(xiàn)穩(wěn)定、安全的運行。智能制造的內(nèi)涵和特征(V)31工信部《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。1.3.3

工業(yè)4.0時代智能制造的內(nèi)涵32智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)、新一代人工智能等新技術(shù)深度融合形成的新型制造系統(tǒng)和制造技術(shù)，

它以產(chǎn)品全生命周期價值鏈的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化集成為主線，

以企業(yè)內(nèi)部縱向管控集成和企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同集成為支撐，

以實際生產(chǎn)系統(tǒng)及其對應(yīng)的各層級數(shù)字孿生映射融合構(gòu)建的賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)(CPPS)為核心，建立起具有動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行功能的智能工廠，

進(jìn)行虛實融合的智能生產(chǎn)，實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全的制造和服務(wù)。在工業(yè)4.0時代，“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色、安全”仍然是智能制造的主要目標(biāo)，但對其內(nèi)涵將賦予新的意義。第1章

概述331.4

關(guān)于智能制造發(fā)展的國家戰(zhàn)略34德國：工業(yè)4.0、國家工業(yè)戰(zhàn)略2030日本：工業(yè)價值鏈、超智能社會美國：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)力中國：中國制造2025、制造強(qiáng)國1.4.1

德國“工業(yè)4.0”和《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》2013年4月，德國在漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出了“工業(yè)4.0(Industrie

4.0)”?！肮I(yè)4.0”原本是一個由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)合資助研究項目，由德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等聯(lián)合建議和推動形成，由德國電氣和電子工業(yè)聯(lián)合會ZVEI、機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會VDMA和信息、通信與新媒體協(xié)會BITKOM共同發(fā)布?！肮I(yè)4.0”已上升成為德國的國家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，其目的是提高德國工業(yè)的競爭力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)，以確保德國工業(yè)的未來。“工業(yè)4.0”得到了德國科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛認(rèn)同，并在全球產(chǎn)生重大影響。35德國工業(yè)4.0核心內(nèi)容363.全面寬頻的基礎(chǔ)設(shè)施7.規(guī)章制度1.標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)8.資源利用效率4.安全和保障5.工作的組織和設(shè)計2.管理復(fù)雜系統(tǒng)6.培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化制造通過價值網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的橫向集成貫穿整個價值鏈的端到端工程數(shù)字化集成物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)一個核心賽博物理系統(tǒng)CPS智能生產(chǎn)兩大主題智能工廠智能物流智能服務(wù)八個領(lǐng)域三項集成德國：從“工業(yè)4.0”到“工業(yè)戰(zhàn)略2030”確?；蛑貖Z所有相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)技術(shù)實力、競爭力和工業(yè)領(lǐng)先地位。到2030年，將工業(yè)在德國和歐盟的增加值總額(GVA)中比重分別擴(kuò)大到25%和20%。實現(xiàn)方式：市場經(jīng)濟(jì)、私營部門等+國家行為(例外情況)。目標(biāo)(摘要)德國已經(jīng)或仍處于領(lǐng)先地位的關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域鋼鐵、銅及鋁工業(yè)；化工產(chǎn)業(yè)；設(shè)備和機(jī)械制造；汽車產(chǎn)業(yè)；光學(xué)產(chǎn)業(yè)；醫(yī)學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)；環(huán)保技術(shù)產(chǎn)業(yè)；國防工業(yè)；航空航天工業(yè)；增材制造。挑戰(zhàn)低工資、低生產(chǎn)成本；電信技術(shù)、計算機(jī)和消費電子(智能手機(jī)、平板電腦等)；創(chuàng)新型碳纖維材料；汽車(減排、替代性交通工具與電動汽車、自動駕駛、新營運模式)；平臺經(jīng)濟(jì)互聯(lián)網(wǎng)；人工智能應(yīng)用；新生物技術(shù)....擁有并掌握創(chuàng)新技術(shù)——數(shù)字化、人工智能、機(jī)器互聯(lián)(工業(yè)4.0)；納米技術(shù)和生物技術(shù)、新材料和輕量化建筑技術(shù)、量子計算保持閉環(huán)的工業(yè)增值鏈——材料生產(chǎn)、制造和加工、銷售、服務(wù)、研發(fā)來源：/dimern/translation371.4.2

美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略38美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是機(jī)器、物品、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、人之間互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，為智能制造提供信息感知、傳輸、分析、反饋、控制支撐。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)——GE倡議，與AT&T、思科、IBM和Intel等于2014年3月發(fā)起。再工業(yè)化本土發(fā)明本土制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵元素39、智能機(jī)器以全新的方法將物理世界中的機(jī)器、設(shè)備團(tuán)隊和網(wǎng)絡(luò)通過先進(jìn)的傳感器、控制器和軟件應(yīng)用程序連接起來。工作人員建立員工之間的實時連接，連接各種工作場所的人員，

以支持更為智能的設(shè)計、操作、維護(hù)以及高質(zhì)量的服務(wù)與安全保障。高級分析使用基于物理的分析法、預(yù)測算法、自動化和材料科學(xué)、電氣工程及其他關(guān)鍵學(xué)科的專業(yè)知識來理解機(jī)器設(shè)備與大型系統(tǒng)的運作方式?！叭?機(jī)-物”互聯(lián)數(shù)據(jù)流動(端到端、跨系統(tǒng))新模式和新業(yè)態(tài)從“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”到“先進(jìn)制造業(yè)美國領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略”40國家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(NAMII)(更名為America

Makes,2012年)數(shù)字化制造和設(shè)計創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(DMDII)(國防部，兩家，2013年、2014年)輕質(zhì)及現(xiàn)代金屬制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(LIFT)

(陸軍、海軍，2013年)下一代電力電子器件制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(能源部，2013年)先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(IACMI)(2014年)美國國家制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(2012~2016)集成光子制造計創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(AIM)

(國防部，2015年)柔性混合電子制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)

(能源部，2015年)清潔能源智能制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(能源部，2016年)革命性纖維和紡織品制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)(RFT)(2016年)從“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”到“先進(jìn)制造業(yè)美國領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略”41智能制造/數(shù)字制造先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人AI基礎(chǔ)設(shè)施制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)安全1.4.3

日本工業(yè)價值鏈和超智能社會5.02016年12月8日，日本工業(yè)價值鏈參考框架IVRA(Industrial

Value

Chain

ReferenceArchitecture)

正式發(fā)布，標(biāo)志著日本智能制造策略正式完成里程碑的落地。IVRA是日本智能制造獨有的頂層框架，相當(dāng)于美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的參考框架IIRA，和德國工業(yè)4.0參考框架RAMI

4.0，這是編織了日本制造優(yōu)勢的智能工廠得以互聯(lián)互通的基本模式。建立日本制造的聯(lián)合體王國日本：從IVI到“超智能社會5.0”超級智慧社會Super

IntelligentSociety2016

年日本政府推出“

超級智慧社會(

SuperI

n

t

e

l

l

i

g

e

n

t

S

o

c

i

e

t

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)

”

戰(zhàn)略，

又稱為社會5.0(Society

5.0)，提出人類社會由狩獵社會、農(nóng)耕社會、工業(yè)社會，逐漸變遷為信息社會，向超級智慧社會發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)安全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)大數(shù)據(jù)分析人工智能設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新邊緣計算43日本智能制造三大戰(zhàn)略一是推動工業(yè)價值鏈IVI的發(fā)展，建立日本制造的聯(lián)合體王國；二是通過機(jī)器人革命計劃協(xié)議會，以工業(yè)機(jī)械、中小企業(yè)為突破口，探索領(lǐng)域協(xié)調(diào)及企業(yè)合作的方式；三是利用IoT推進(jìn)實驗室加大與其他領(lǐng)域合作的新型業(yè)務(wù)。主線：信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化轉(zhuǎn)變一要素驅(qū)動

創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變二低成本優(yōu)勢

質(zhì)量效益優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?nèi)Y源消耗粗放制

綠色化制造轉(zhuǎn)變四生產(chǎn)型制造

服務(wù)型制造創(chuàng)新驅(qū)動質(zhì)量為先綠色發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化人才為本中國制造2025推行數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造

提高產(chǎn)品設(shè)計能力

完善制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系強(qiáng)化制造基礎(chǔ)

提升產(chǎn)品質(zhì)量

推行綠色制造培養(yǎng)具有全球競爭力的企業(yè)群體和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)中國夢從制造大國走向制造強(qiáng)國1.4.4

中國制造20254410個重點發(fā)展領(lǐng)域45“中國制造2025”三步走發(fā)展戰(zhàn)略461.4.5

各國智能制造發(fā)展特點比較47第1章

概述481.5

本課程的目標(biāo)與內(nèi)容491.5.1

教學(xué)目標(biāo)教學(xué)對象：智能制造工程、機(jī)械工程及其相關(guān)專業(yè)本科生主要內(nèi)容制造技術(shù)和智能制造的發(fā)展歷程智能制造技術(shù)基礎(chǔ)——智能制造的內(nèi)涵與特征、構(gòu)成要素和參考架構(gòu)模型等，新一代智能制造支撐技術(shù)——智能感知、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算和邊緣計算、虛擬現(xiàn)實/增強(qiáng)現(xiàn)實/混合現(xiàn)實、人工智能和數(shù)字孿生等；智能工廠和智能生產(chǎn)——結(jié)合實際案例，展開討論了橫向集成、縱向集成和端到端集成等3大集成技術(shù)，以及動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行4項功能應(yīng)用技術(shù)；智能制造演進(jìn)范式與發(fā)展路徑——基本原則、發(fā)展階段、演進(jìn)范式和具體步驟，展望了智能制造的未來。預(yù)期目標(biāo)通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將了解制造技術(shù)和智能制造發(fā)展的歷程，理解和掌握智能制造的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，了解智能工廠和智能生產(chǎn)的構(gòu)建及實現(xiàn)場景，并探討智能制造的未來發(fā)展方向和技術(shù)路線。1.5.2

各章內(nèi)容安排概要介紹制造技術(shù)發(fā)展歷史、制造的永恒主題、智能制造的發(fā)展歷程和主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家關(guān)于智能制造發(fā)展的國家戰(zhàn)略，

闡述了現(xiàn)代意義上制造的定義、智能制造的基本概念，

比較了德國、美國、日本和中國在智能制造發(fā)展方面的特點和優(yōu)勢，

最后給出智能制造工程概論的教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容。50在進(jìn)一步闡述智能制造概念的內(nèi)涵和特征后，

詳細(xì)介紹了當(dāng)前流行的智能制造5

種參考架構(gòu)模型：

工業(yè)

4

.

0

參考架構(gòu)模型、基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的智能制造體系架構(gòu)、智能制造生態(tài)系統(tǒng)模型、智能制造單元模型和智能制造三鏈模型，

分析了各個模型的特點以及相智能管理和智能服務(wù)5

個方面，

討論智能制造的核心構(gòu)成要素和基本內(nèi)容。重點介紹支撐智能制造發(fā)展的新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，

它們?yōu)橹悄苤圃鞂崿F(xiàn)動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行等功能提供了相關(guān)的方法和技術(shù)，

本章從基本概念及工作原理、核心算法或關(guān)鍵技術(shù)以及智能制造的應(yīng)用支撐等方面，

重點介紹互聯(lián)系，

從智能設(shè)計、

了傳感器、工業(yè)互聯(lián)云計算/

邊緣計算、虛擬現(xiàn)實/

增強(qiáng)現(xiàn)實/

混合現(xiàn)實、

人工智能和數(shù)字孿生等新一重點介紹支撐智能制造發(fā)展的新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，

它們?yōu)橹悄苤圃鞂崿F(xiàn)動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行等功能提供了相關(guān)的方法和技術(shù)，

本章從基本概念及工作原理、核心算法或關(guān)鍵技術(shù)以及智能制造的應(yīng)用支撐等方面，

重點介紹了傳感器、工業(yè)互聯(lián)云計算/

邊緣計算、虛擬現(xiàn)實/

增強(qiáng)現(xiàn)實/

混合現(xiàn)實、人工智能和數(shù)字孿生等新一代智能制造支撐技術(shù)。

代智能制造支撐技術(shù)。闡述了推進(jìn)和實施智能制造的“

三要三不要”

原則，

介紹了企業(yè)智能化發(fā)展的“

計算機(jī)化、連接、可視、透明

、

預(yù)測

、

自適應(yīng)”

6

個階段，

智能

制造從“

數(shù)字化制造”到“

網(wǎng)絡(luò)化制造”、再到“

新一代智能制造”

3

個演進(jìn)范式，提出了企業(yè)實施智能制造5

個具體步驟：需求分析、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)、

網(wǎng)/

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、

網(wǎng)/

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、

可視數(shù)字化、動態(tài)優(yōu)化、智能生產(chǎn)，

最后對未來制造的新形態(tài)和未來工廠模式進(jìn)行了展望。1.概述2.智能制造技術(shù)基礎(chǔ)3.新一代智能制造支撐技術(shù)4.智能工廠和智能生產(chǎn)5.

智能制造演進(jìn)范式與發(fā)展路徑第2章

智能制造技術(shù)基礎(chǔ)【導(dǎo)讀】本章在給出智能制造內(nèi)涵定義的基礎(chǔ)上，

分析了智能制造的關(guān)鍵特征，詳細(xì)介紹了當(dāng)前流行的智能制造5種參考架構(gòu)模型，即：工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型、基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造體系架構(gòu)、智能制造生態(tài)系統(tǒng)模型、智能制造單元模型和智能制造三鏈模型，

分析了各個模型的特點以及相互聯(lián)系，從智能設(shè)計、智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)、智能管理和智能服務(wù)等5個方面，討論了智能制造的核心構(gòu)成要素及其基本內(nèi)容。51第2章 智能制造技術(shù)基礎(chǔ)522.1

智能制造的內(nèi)涵與特征53制造系統(tǒng)及其構(gòu)成制造系統(tǒng)的概念制造系統(tǒng)是指為達(dá)到預(yù)定制造目的而構(gòu)建的物理的組織系統(tǒng)，是由制造過程、硬件、軟件和相關(guān)人員組成的具有特定功能的一個有機(jī)整體。制造過程包括產(chǎn)品的市場分析、設(shè)計開發(fā)、工藝規(guī)劃、加工制造以及控制管理等過程；硬件包括廠房設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)備、工具材料、能源以及各種輔助裝置；軟件包括各種制造技術(shù)和工藝方法、制造過程質(zhì)量控制技術(shù)、檢測測量技術(shù)、制造信息及其相關(guān)的工業(yè)軟件等；相關(guān)人員是指從事物料準(zhǔn)備、加工操作、質(zhì)量檢驗、信息監(jiān)控以及對制造過程決策和調(diào)度等作業(yè)的人員。離散型制造系統(tǒng)和連續(xù)型制造系統(tǒng)從制造的產(chǎn)品對象及其制造工藝特點，

可將制造系統(tǒng)分為離散型制造系統(tǒng)和連續(xù)型制造系統(tǒng)兩大類。54——指其產(chǎn)品由許多獨立加工的零部件構(gòu)成，通過零部件裝配成為產(chǎn)品，如機(jī)械制造、汽車制造、飛機(jī)制造、3C制造等?！干a(chǎn)對象按照固定的工藝流程連續(xù)不斷地通過系列設(shè)備和裝置，被加工處理成為產(chǎn)品，如冶金、化工、造紙等。離散型制造系統(tǒng)連續(xù)型制造系統(tǒng)55制造實例——

飛機(jī)制造一架現(xiàn)代大型民航客機(jī)零部件數(shù)量約100萬件[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]56物料流信息流資金流制造運營管理(MES、APC、SPC/SQC、OEE…)企業(yè)/商務(wù)管理(ERP、PDM、SCM、PLM…)產(chǎn)品設(shè)計服役與維護(hù)報廢與回收需求調(diào)研與分析ERP：企業(yè)資源計劃PDM：產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理SCM：供應(yīng)鏈管理PLM：產(chǎn)品全生命周期管理MES：制造執(zhí)行系統(tǒng)APC：先進(jìn)過程控制SPC：統(tǒng)計過程控制SQC：統(tǒng)計質(zhì)量控制OEE：綜合設(shè)備效率制造實例——

飛機(jī)制造制造實例——汽車制造57離散型制造系統(tǒng)實例——汽車制造[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]制造實例——汽車制造58沖壓焊裝涂裝總裝[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]59制造實例——鋼鐵軋制過程連續(xù)型制造系統(tǒng)實例——鋼鐵軋制[來源：SIAM

YAMATO

Steel]制造實例——尿素生產(chǎn)過程60連續(xù)型制造系統(tǒng)實例——尿素生產(chǎn)[來源：]2.

制造系統(tǒng)的縱向構(gòu)成——工廠自動化層級61工廠自動化金字塔(ANSI/ISA

95定義,對應(yīng)于IEC/ISO

62264)ISA——國際自動化協(xié)會(InternationalSociety

ofAutomation)工廠自動化金字塔的應(yīng)用層級[

來源：

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D

.]

62工廠自動化金字塔應(yīng)用層級結(jié)構(gòu)第1層——設(shè)備層級，與ISA-95的第0層級對應(yīng)，主要涉及現(xiàn)場設(shè)備(傳感器、作動器、機(jī)器設(shè)備等)產(chǎn)生的各種現(xiàn)場信號；第2層——控制層級，這一層級中，將ANSI/ISA

95中第1、2層級的“實時控制”和“高級控制”兩層，合并成為一個層級，主要由車間的各種機(jī)器設(shè)備控制器及控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；第3層級——制造運營管理層級MOM(Manufacturing

OperationManagement)

，主要涉及工廠的制造執(zhí)行和運行管控；第4層級——企業(yè)資源計劃層級ERP(Enterprise

Resource

Plan)

，主要涉及整個企業(yè)的各種資源計劃、商務(wù)管理和服務(wù)。633.

制造系統(tǒng)的價值鏈端到端構(gòu)成——PLM數(shù)字化工程64產(chǎn)品的生命周期PLC

(Product

Life

Cycle)——一種新產(chǎn)品從開始進(jìn)入市場到被市場淘汰的整個過程產(chǎn)品全生命周期管理PLM

(

Product

life-cycle

management)——指對產(chǎn)品從需求分析、規(guī)劃設(shè)計(概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品交付、使用維護(hù)和回收處理等階段的全生命周期信息與過程進(jìn)行管理。計算機(jī)輔助設(shè)計/制造CAD/CAM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM并行設(shè)計敏捷制造協(xié)同設(shè)計和制造數(shù)字化/網(wǎng)絡(luò)化制造4.

制造系統(tǒng)的橫向構(gòu)成——現(xiàn)代企業(yè)組織與網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同65企業(yè)內(nèi)部運營和執(zhí)行過程的集成4.

制造系統(tǒng)的橫向構(gòu)成——現(xiàn)代企業(yè)組織與網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同66企業(yè)外部的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同集成[來源：工業(yè)4.0工作組]企業(yè)與外部的設(shè)計人員、供應(yīng)商、銷售以及其它企業(yè)之間，需要按照敏捷制造的思想，充分利用互聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立靈活有效、互惠互利的動態(tài)聯(lián)盟，進(jìn)行企業(yè)之間的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同與橫向集成。2.1.2

智能制造的內(nèi)涵67在第一章，我們已闡述了工業(yè)4.0時代“智能制造”的基本概念。智能制造是先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)、新一代人工智能等新技術(shù)深度融合形成的新型制造系統(tǒng)和制造技術(shù)，它以產(chǎn)品全生命周期價值鏈的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化集成為主線，以企業(yè)內(nèi)部縱向管控集成和企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同集成為支撐，以實際生產(chǎn)系統(tǒng)及其對應(yīng)的各層級數(shù)字孿生映射融合構(gòu)建的CPPS為核心，建立起具有動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行功能的智能工廠，進(jìn)行虛實融合的智能生產(chǎn)，實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全的制造和服務(wù)。工業(yè)4.0時代智能制造內(nèi)涵中的關(guān)鍵詞

深度融合——先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)、新一代人工智能新型生產(chǎn)方式和制造技術(shù)；集成——全生命周期價值鏈的數(shù)字化/網(wǎng)絡(luò)化/智能化集成、企業(yè)內(nèi)部的縱向管控集成、企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同集成賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)——數(shù)字孿生、虛實融合映射智能工廠——動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行智能生產(chǎn)——虛實映射、賽博物理融合的生產(chǎn)制造和服務(wù)——高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全682.

智能制造是多技術(shù)深度融合的新一代制造技術(shù)(

技術(shù)視角)69產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)支持智能制造的工業(yè)基礎(chǔ)能力和基礎(chǔ)性設(shè)施條件等。技術(shù)基礎(chǔ)核心基礎(chǔ)零部件/元件先進(jìn)基礎(chǔ)工藝關(guān)鍵基礎(chǔ)材料工業(yè)四基基礎(chǔ)設(shè)施信息安全基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)設(shè)施支撐技術(shù)支撐智能制造發(fā)展的新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。傳工業(yè)大云虛擬人數(shù)感互聯(lián)數(shù)計現(xiàn)實工字器網(wǎng)/物聯(lián)據(jù)算//增強(qiáng)現(xiàn)智能孿生網(wǎng)邊實/緣混合計現(xiàn)實算使能技術(shù)實現(xiàn)智能制造的系統(tǒng)性集成和應(yīng)用使能關(guān)鍵技術(shù)。端到端集成縱向集成橫向集成動態(tài)感知實時分析自主決策精準(zhǔn)執(zhí)行3.

智能制造是一種賽博物理融合的新型制造系統(tǒng)(

系統(tǒng)視角)在3大集成的基礎(chǔ)上，借助于數(shù)字孿生技術(shù)和賽博物理融合技術(shù)，構(gòu)建出一種以CPS為核心的新型制造系統(tǒng)——賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS，這是未來智能工廠的新形態(tài)。智能生產(chǎn)將是一種真實物理對象與賽博(cyber)空間模型融合交互、實際生產(chǎn)與虛擬仿真孿生映射的新型生產(chǎn)方式。智能制造系統(tǒng)可動態(tài)感知和實時處理制造系統(tǒng)的實際狀態(tài)和運行參數(shù)，以賽博空間數(shù)字化模型對動態(tài)變化條件下制造系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真、優(yōu)化決策，并實現(xiàn)物理世界制造系統(tǒng)自主運行和自適應(yīng)調(diào)控，使其保持優(yōu)化運行。702.1.3

智能制造的特征71智能制造的五大關(guān)鍵特征一個核心——賽博物理系統(tǒng)CPS(

Cyber-Phyiscal

System)兩大主題——智能工廠、智能生產(chǎn)三項集成——橫向集成、垂直集成、端到端集成四類功能——動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行十字目標(biāo)——優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、綠色、安全72一個核心賽博物理系統(tǒng)兩大主題智能工廠智能生產(chǎn)三項集成橫向集成垂直集成端到端集成四類功能動態(tài)感知實時分析自主決策精準(zhǔn)執(zhí)行十字目標(biāo)優(yōu)質(zhì)高效低耗綠色安全1.

一個核心——CPS(

Cyber-Phyiscal

System)73賽博物理系統(tǒng)是在物理、生物和工程系統(tǒng)中，

其操作是相互協(xié)調(diào)的、互相監(jiān)控的和由計算核心控制著每一個聯(lián)網(wǎng)的組件，計算被深深嵌入每一個物理成分，

甚至可能進(jìn)入材料，

這個計算的核心是一個嵌入式系統(tǒng)，通常需要實時響應(yīng)，

并且一般是分布式的。(NSF,

2006)2007

年，

美國將CPS列為未來八大關(guān)鍵信息技術(shù)之首。[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]從工作機(jī)理上看CPSCPS是一種綜合了計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)，通過計算(Computing)、通訊(Communication)和控

制(

Contr

ol)

技術(shù)有機(jī)融合與深度協(xié)作，經(jīng)由人機(jī)交互接口使賽博空間里的虛擬計算仿真與實體空間里的真實物理進(jìn)程進(jìn)行交互，

并可在賽博空間以遠(yuǎn)程、可靠、實時、安全、智能化和協(xié)作的方式，操控實體空間里的物理實體。CPS包含了泛在環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，

它使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治等功能。74工業(yè)4.0中基于服務(wù)和實時保障的CPS平臺75該CPS平臺未來可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)務(wù)互聯(lián)網(wǎng)和人類互聯(lián)網(wǎng)三類網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，方便地把智能電網(wǎng)、智能工廠、智能建筑、智能家庭、智能物件、商業(yè)網(wǎng)站、社交網(wǎng)站等接入，還擁有如下特征：靈活、快捷和簡便的服務(wù)和應(yīng)用；提供綜合性強(qiáng)、安全可信的全商業(yè)進(jìn)程支持；保障所有環(huán)節(jié)的安全可靠系統(tǒng)；支持移動端設(shè)備；支持商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中互相協(xié)助的生產(chǎn)、服務(wù)、分析和預(yù)測。[來源：工業(yè)4.0工作組]一個基于數(shù)字孿生的CPPS生產(chǎn)場景[

來源：

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]762.

兩大主題——智能工廠和智能生產(chǎn)77智能工廠——基于賽博物理系統(tǒng)(CPS)平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)(物品的互聯(lián)網(wǎng))和務(wù)聯(lián)網(wǎng)(服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng))，將智能電網(wǎng)、智能移動、智能物流、智能建筑、智能產(chǎn)品等與智能工廠(智能車間、智能制造過程等)互相連接和集成，

實現(xiàn)對供應(yīng)鏈、制造資源、生產(chǎn)設(shè)施、生產(chǎn)系統(tǒng)及過程、營銷及售后等的管控?！?/p>

智能服務(wù)”也是智能工廠體系中的一項重要內(nèi)容。[來源：工業(yè)4.0工作組]2.

兩大主題——智能工廠和智能生產(chǎn)智能生產(chǎn)——生產(chǎn)資源(生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器人、傳送裝置、倉儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施等)

將通過集成形成一個循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，

具有自主、自適應(yīng)、自重構(gòu)等特性，生產(chǎn)的產(chǎn)品也是智能化產(chǎn)品，具有獨特的可識別性，

甚至產(chǎn)品本身就帶有整個制造過程中的細(xì)節(jié)?！?/p>

智能物流”

是智能生產(chǎn)中物流管理的一個重要方面，

主要通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)，

整合物流資源，

充分發(fā)揮現(xiàn)有物流資源供應(yīng)方的效率，

而需求方，

則能夠快速獲得服務(wù)匹配和物流支持。78[來源：圖片來自網(wǎng)絡(luò)]3.

三項集成——橫向集成、縱向集成和端到端集成79價值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成(Horizontalintegration

through

valuenetworks)——跨越企業(yè)邊界的一體化網(wǎng)絡(luò)，分享產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)字模型以及工藝細(xì)節(jié)?？v向集成和網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)(Vertical

integration

and

networkedmanufacturing

systems)——可根據(jù)產(chǎn)品特點不同，自動進(jìn)行調(diào)整的、有彈性的、可隨時重新編程構(gòu)建的生產(chǎn)場景。貫穿全價值鏈的端到端工程(Endtoenddigitalintegrationacrossthe

entire

valuechain)——實現(xiàn)從價值鏈上游的生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃到最終產(chǎn)品消費整個價值鏈的、端到端的數(shù)字化工業(yè)設(shè)計開發(fā).貫穿全價值鏈的端到端工程80(Endtoenddigitalintegrationacrosstheentirevalue

chain)核心——產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化管理和集成，實現(xiàn)價值鏈優(yōu)化方法——數(shù)字化設(shè)計制造、數(shù)字孿生等技術(shù)提供基于模型的開發(fā)方法和工具支持“打包”開發(fā)模式——涵蓋從客戶需求分析描述到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工制造、產(chǎn)品裝配、成品完成等各個方面，可對端到端所有的相互依存關(guān)系進(jìn)行定義和描述，通過個性化功能和組件的混合及匹配，滿足客戶自己的特定需求，從而開啟了個性化定制產(chǎn)品的可行性。[來源：工業(yè)4.0工作組]縱向集成和網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)81(Verticalintegrationandnetworkedmanufacturingsyst

ems)從信息流的角度，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的企業(yè)資源計劃(ERP)、產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)等信息化系統(tǒng)之間的深度集成和應(yīng)用；從物件對象的角度，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(i-Internet)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)，實現(xiàn)物理設(shè)備(主要是底層數(shù)字化設(shè)備)的集成管控、互聯(lián)互通和信息共享；信息化系統(tǒng)與物理設(shè)備的融合與集成，雙向打通IT系統(tǒng)與物理設(shè)備之間數(shù)據(jù)和信息通道，實現(xiàn)指令下達(dá)、信息感知、狀態(tài)反饋、動態(tài)調(diào)整等功能。[來源：工業(yè)4.0工作組]價值網(wǎng)絡(luò)的橫向集成(Horizontalintegrationthroughvalue

networks)82橫向集成是指將各種使用不同制造階段和商業(yè)計劃的IT系統(tǒng)集成在一起，這其中包括一個公司內(nèi)部的材料、能源和信息的配置(如入廠物流、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品外出物流、市場營銷等)，也包括不同公司間的配置(價值網(wǎng)絡(luò))。集成的目標(biāo)是提供端到端的解決方案，橫向集成的本質(zhì)是橫向打通企業(yè)與企業(yè)之間的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同及合作。不同企業(yè)(工廠)的價值網(wǎng)絡(luò)集成，使外部設(shè)計人員、管理和計劃、客戶之間也通過價值網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)集成。[來源：工業(yè)4.0工作組]4.

四類功能——狀態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行83狀態(tài)感知實時分析自主決策精準(zhǔn)執(zhí)行智能系統(tǒng)起點采集/轉(zhuǎn)換/傳輸/處理獲得制造大數(shù)據(jù)或工業(yè)大數(shù)據(jù)智能數(shù)據(jù)處理方法和手段數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘/

特征提取/

建模仿真/預(yù)測

預(yù)報......；支持洞察/決策智能制造的核心基于感知和分析自主判斷和選擇自學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)提升能力中的決策。智能制造的關(guān)鍵對需求和變化快速反應(yīng)/

對

決策指令準(zhǔn)確響應(yīng)和敏捷執(zhí)行運行最優(yōu)/自適應(yīng)性5.

十字目標(biāo)——”高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全”的新涵義84通過I-Internet和IoT協(xié)同交互，實現(xiàn)“人、機(jī)、物”互聯(lián)和信息共享，構(gòu)建多層級、多方面、多顆粒度的數(shù)字孿生體，支持和實現(xiàn)CPPS，以最優(yōu)的時間和節(jié)拍完成產(chǎn)品生產(chǎn)和提供制造服務(wù)，快捷響應(yīng)市場。以CPS為核心進(jìn)行智能生產(chǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用智能物流管理、人機(jī)互動以及3D技術(shù)等，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)及過程的網(wǎng)絡(luò)化和智能化，確保產(chǎn)品的精度、質(zhì)量和可靠性，或提供高質(zhì)量的制造服務(wù)。以CPS為核心進(jìn)行智能生產(chǎn)，在工業(yè)綜合應(yīng)用先進(jìn)傳感、儀器、監(jiān)測、控制和過程優(yōu)化的技術(shù)，實現(xiàn)制造過程能量、生產(chǎn)率和成本的實時管理與優(yōu)化，達(dá)到生產(chǎn)過程能效最佳，有效地控制和降低綜合成本，提高產(chǎn)品和企業(yè)的競爭力。智能制造將關(guān)注在產(chǎn)品全生命周期中綠色理念和綠色設(shè)計制造技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)降能節(jié)材、清潔生產(chǎn)、減少排放，可持續(xù)發(fā)展。不僅包括傳統(tǒng)的“安全”意義下注重的人身和財產(chǎn)安全(safty)，還進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)等資源的安全(security)。智能制造中的網(wǎng)絡(luò)和信息安全問題成為有別于傳統(tǒng)制造的一個新的重要問題，要通過綜合性的安全防護(hù)措施和技術(shù)，保障設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、控制、數(shù)據(jù)和應(yīng)用的安全。第2章 智能制造技術(shù)基礎(chǔ)852.2

智能制造的基本構(gòu)成要素86智能設(shè)計智能產(chǎn)品智能生產(chǎn)智能管理智能服務(wù)智能制造基本構(gòu)成要素2.2.1

智能設(shè)計871.

智能設(shè)計的概念本課程討論的“設(shè)計”是指在工業(yè)產(chǎn)品全生命周期價值鏈中，設(shè)計師有目的有計劃地進(jìn)行技術(shù)性的創(chuàng)作與創(chuàng)意活動，包括構(gòu)建對象、系統(tǒng)，或制訂用于活動、過程實現(xiàn)的規(guī)范或計劃等。本課程討論的“智能設(shè)計”僅涉及工業(yè)產(chǎn)品及其生產(chǎn)領(lǐng)域的設(shè)計活動，如各種工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝設(shè)計、生產(chǎn)線設(shè)計等方面，它是指應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，采用計算機(jī)模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的思維和創(chuàng)作活動，提高設(shè)計的智能水平，從而使計算機(jī)能夠更多、更好地承擔(dān)設(shè)計過程中各種復(fù)雜任務(wù)，成為設(shè)計人員的重要輔助工具。智能設(shè)計的特點88以現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)為指導(dǎo)。借助人工智能技術(shù)實現(xiàn)知識學(xué)習(xí)和處理等功能。采用CAD技術(shù)作為數(shù)值計算、圖形處理、分析和優(yōu)化等的工具。面向集成智能化，具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)交換接口。具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能。892.

設(shè)計過程及其智能化技術(shù)VDI

2222定義的設(shè)計階段與步驟90產(chǎn)品規(guī)劃階段：通過多種途徑(如市場需求問卷、互聯(lián)網(wǎng)等)收集與客戶產(chǎn)品需求有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，采用智能化數(shù)據(jù)分析手段和工具識別和分析客戶需求，設(shè)定產(chǎn)品目標(biāo)和規(guī)格，獲取設(shè)計要求。方案設(shè)計階段：在分析功能結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，確定產(chǎn)品原理方案和概念設(shè)計，可通過智能創(chuàng)新設(shè)計方法進(jìn)行概念抽取和篩選，確定具體任務(wù)需求；采用智能映射、智能決策、產(chǎn)品設(shè)計綜合評價等，優(yōu)選確定設(shè)計方案，并給出實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計等。結(jié)構(gòu)設(shè)計階段：應(yīng)用專業(yè)設(shè)計原理、方法和規(guī)則，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計、迭代和優(yōu)化。大量智能和虛擬工具，如設(shè)計知識表示/獲取/處理/推理、多專家系統(tǒng)協(xié)同、智能特征技術(shù)、智能裝配技術(shù)、虛擬仿真和試驗、快速原型和虛擬現(xiàn)實等。施工設(shè)計階段：基于全部設(shè)計，擬定出實現(xiàn)設(shè)計對象的制造工藝或建造過程，給出相關(guān)的工藝或施工指導(dǎo)文件。不同設(shè)計階段中的智能方法應(yīng)用2.2.2

智能產(chǎn)品91智能手機(jī)智能測溫儀智能機(jī)床具有人工智能的機(jī)器人1.

智能產(chǎn)品的特征與功能從功能角度，智能產(chǎn)品定義為一類具有感知、計算、數(shù)據(jù)存儲、通信和交互等智能化特征(部分或全部)的產(chǎn)品和裝備。從構(gòu)成角度，智能產(chǎn)品定義為一類由產(chǎn)品(物)、傳感器、通信單元、微處理器和控制器等組成的嵌入式系統(tǒng)。智能產(chǎn)品區(qū)別于傳統(tǒng)非智能產(chǎn)品的主要功能特征自感知功能——智能產(chǎn)品嵌入有各種傳感器，

通過對工作環(huán)境中溫度、壓力、振動、噪聲等物理量的檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品自身工作狀態(tài)、所處環(huán)境等的自感知；自診斷功能——

智能產(chǎn)品能夠?qū)ぷ鬟^程中感知的信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計算等處理，實時監(jiān)測工作環(huán)境和工作狀態(tài)，對故障進(jìn)行判別、診斷和報警；自適應(yīng)功能——智能產(chǎn)品能夠在辨識自身和環(huán)境狀態(tài)參數(shù)基礎(chǔ)上，

自適應(yīng)調(diào)整內(nèi)部算法和參數(shù)等，從而適應(yīng)產(chǎn)品自身和外部環(huán)境的變化；自決策功能——

智能產(chǎn)品可在使用和服務(wù)過程中，

根據(jù)自感知的信息和工作狀態(tài)自診斷的結(jié)果，自主