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智能制造系統的定義篇一

馮劍龍 1043115257 摘要

本文評述了智能制造技術與智能制造系統，指出了智能制造確系21世紀的制造技術，分析了智能制造在發展中的問題，提出我國智能制造的近期研究重點應為其關鍵基礎技術。

關鍵詞智能制造智能制造技術智能制造系統智能機器 集成化智能化 智能制造系統的研究背景與發展現狀

近來年，人們對制造過程的自動化程度賦予了極大的研究熱情，這是因為從1870年到1980年間，制造過程的效率提高了20倍，而生產管理效率只提高了1.8～2.2倍，產品設計的效率只提高了1.2倍。這表明體力勞動通過采用自動化技術得到了極大的解放，而腦力勞動的自動化程度(其實質是決策自動化程度)則很低，制造過程中人的因素尚未得到充分的認識，人尚未真正地從復雜的生產過程中解放出來，各種問題求解的最終決策在很大程度上仍依賴于人的智慧。因而，人類群體所面臨的眾多問題(包括社會問題、生理問題等)在制造過程中都有所反映。面對批量小、品種多、質量高、更新快的產品市場競爭要求以及各種社會因素的綜臺影響.制造過程的自動化程度的提高面臨眾多問題，譬如；(1)專家人才的短缺和轉移致使一些專門技能不能及時或長久地得到提供；(2)現代制造過程中信息量大而繁雜，傳統的信息處理方式已不能滿足要求，大量的信息資源需要開發與共享；(3)制造環境柔性要求更大，決策過程更加復雜，決策時問要求更短。各種跡象表明，“我們正處在制造歷史上的一個危險時期” 幸運的是，計算機與計算機科學以及其它高技術的發展，通過集成制造技術、人工智能等而發展起來的一種新型制造工程—— 智能制造技術(intelligent manufacturing technology，imt)與智能制造系統(inteliigent manufacturingsystem，ims)使我們有可能走出這個危機，“帶來真正的第二次工業革命”。這是因為，制造過程所面臨的眾多問題的核心是“制造智能(nlanufacturing iteliigence)”和制造技術的“智能化(intellecturallzation)。imt是指在制造工業的各個環節以一種高度柔性與高度集成的方式，通過計算機模擬人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，旨在取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動；并對人類專家的制造智能進行收集、存貯、完善、共享、繼承與發展。未來工業生產的基本特征應該是知識密集型.制造自動化的根本是決策自動化。目前，imt~ims的研究正迅速受到眾多國家的政府、工業界和科學家們的廣泛重視，研究方向從最初的“人工智能在制造領域中的應用”發展到今天的ims，研究課題涉及的范圍由最初僅一個企業內部的市場分析、產品設計、生產計劃、制造加工、過程控制、材料處理、信息管理、設備維護等技術型環節的自動化.發展到今天的面向世界范圍內的整個制造環境的集成化與自組織能力+包括制造智能處理技術、自組織加工單元、自組織機器人、智能生產管理信息系統、多級競爭式控制網絡、全球通訊與操作網等。總之，智能制造是21世紀的制造技術，作為其特征的雙i(integration＆ intelligence)將是21世紀制造業賴以行進的基本軌道。從更深刻的意義上講，智能制造是從信息時代走向智能時代面臨的第一個嚴重任務。存在的問題

總的說來，目前ims的研究仍處在人工智能在制造領域中應用的階段，研究課題涉及到市場分析、產品設計、制造過程控制、材料處理、信息管理、設備維護等眾多方面，取得了豐碩的成果.開發了種類繁多的面向特定領域的專家系統、基于知識的系統和智能輔助系統，甚至智能加工工作站(imw)，形成了一系列“智能化孤島”(islands of intelligence)。這中間包括cims研究中所取得的有關進展然而，隨著研究與應用工作的深入，人們逐漸地認識到自動化程度的進一步提高依賴制造系統的自組織能力，研究工作還面臨著一系列理論、技術和社會問題，問題的核心是“智能化”。一般說來，現代工業生產作為一個有機的整體要受技術(包括生產系統)、人(包括間接影響生產過程的社會群體)和經濟(包括市場競爭和社會競爭)-方面因素的制約。從技術的角度來看，對于一個企業來說，市場預測、生產決策、產品設計、原料訂購與處理、制造加工、生產管理、原料產品的儲運、產品銷售、研究與發展等環節彼此相互影響，構成產品生產的全過程。該過程的自動化程度取決于各環節的集成自動化(integrated automatlon)水平，而生產系統的自組織能力取決于各環節的集成智能(inte—grated intelligence)水平。目前，尚缺乏這種“集成”制造智能的技術，這也是目前“并行工程”的研究重點。由日本提出的國際合作研究計劃對ims的解釋可看出，ims的研究包括三個基本方面：智能活動、智能機器和兩者的有機融合技術，其中智能活動是問題的核心。在ims研究的眾多基礎技術中.制造智能處理技術(manufacturing in—telligence processing technology)是最為關鍵和追切需要研究的問題之一，因為它負責各環節的制造智能的集成和生成智能機器的智能活動。從人的因素方面來看，其一，企業內部負責各個環節的專家和技術人員有著各自不同的知識背景和解決問題的策略，他們應該“坐”在一起，通過相互之間充分的合作、協商與理解，“并行”地開睫制造過程中各環節的工作，把以后可能出現的“隱患”和“反復”降低到最低程度。其二，人們參與制造過程的智能行為和知識存在著多種層次水平、多種類型。因而要采用多種表示方式。其三，參與制造過程的群體，作為社會中的一子集，受社會發展變更的影響，這種影響都將對制造過程產生既有積極又有消極的作用 最后.人與人之間存在生活、語言、社會背景等方面的差別。總之，人的因素對現代生產的自動化程度有著關鍵作用。事實證明，人的因素是ims中制造智能的重要來源。從經濟因素來看，它包括三個方面：第一，ims系統的主要目標之一是全面提高制造過程的生產與經濟效益，它將把制造過程自動化的概念更新和拓寬到“集成化”和“智能化”的高度，從而具有更強的市場競爭能力 但如何設定和評價ims的各項經濟性指標和性能則是一個問題。第二，目前，在工業發達國家普遍存在著勞動力昂貴，所占生產成本的比例越來越高的問題。從當前的經濟利益出發，大量的制造企業被轉移至發展中國家，致使生產技術和勞動者因素等方面受到牽制，存在喪失他們產品市場競爭力的危險這也是智能制造國際合作研究計劃提出的重要原因之一。方向與課題

根據國內現有的工作基礎和國家的需要，以及imt＆ims研究與開發工作的特點，我們認為近期的研究點應該放在imt＆ims的關鍵基礎技術上，它主要包括以下內容：

3.1 智能制造系統理論基礎與設計技術ims的概念正式提出至今僅二三年時間。作為制造工程中的一個全新的概念，ims理論基礎與體系尚未完全形成.它的精確內涵和設計技術亟待進一步研究，具體研究內容應包括：

3.1.1 體系結構與發展戰略 需要建立ims統一的概念體系，研究ims的系統組成和發展方向以及跟蹤國際上該領域的研究前沿

3.1.2 開發環境與設計方法學ims的開發與設計方法將有別于現有任何制造系統的設計方法，因為ims是面向整個制造過程的系統和各個環節的“智能化”的 因此.有必要研究ims的設計策略和開發環境(包括開發語言、操作系統、開發工具等)必須強調ims設計過程的標準化、模塊化和通用化。

3.1.3 評價技術研究制造過程中的設計評價、生產評價、材料評價、管理評價、市場評價、經濟評價、報價評價和功能評價等問題。

3.2 制造智能理論及處理技術現代工業生產作為一個有機整體不僅是指各制造環節之間存在的技術型聯系，而且還表現在人類專家的制造智能的統一體特性方面。制造智能理論及處理技術就是要研究整個制造環境中的各種智能源的開發、描述、集成、共享與處理，最后生成智能機器的智能活動，具體研究內容包括： 3.2.1 制造環境的描述與建模研究描述制造環境的一致性概念體系、制造過程建模，影響制造過程的多因素分析與不確定性處理。

3.2.2 制造智能處理技術重點研究制造智能源的開發與獲取、制造智能的表示、制造智能的集成與共享

3.2.3 智能活動的生成與融合研究智能活動的生成策略，智能活動的機器化技術。3.3 智能制造單元技術的集成近10年來，人工智能在制造領域中的應用研究取得較大進展，建立了一些智能制造單元技術。為了應用于實際制造過程和面向21世紀制造工業，這些單元技術除了需要進一步完善與發展外，更重要的是研究如何集成這些單元技術。

3.3.1 并行智能設計并行工程方法學這一概念是1986年由美國國防部定義，并首先應用于美國軍事武器系統開發計剞dos cals的。.為了制造過程的設計階段能有效地模仿由來自各環節制造專家組成的專家組(expeit team)的智能行為，集成和共享各環節與各方面的制造智能，并行地開展產品環節的設計工作，必須研究并行智能設計的支撐環境、產品描述的統一模型、設計智能交互和并行智能設計方法學。

3.3.2 生產過程的智能調度、規劃、仿真與優化現代生產過程要面臨多信息源、多因素、多對象的及時處理問題，生產過程的調度與規劃中的智能決策問題的研究是迫在眉睫的。仿真與優化是實現設計和過程評估的有效途徑。目前，更強調對設計、制造、裝配、使用、維修等過程的優化與動態仿真。3.3 產品質量信息的智能處理系統研究整個制造過程的“全質量(total quality)模型和建立相應的質量數據庫，研究質量狀態的智能決策和質量過程的智能控制.3.3.4 制造過程與系統的智能監視、診斷、補償與控制研究面向在強干擾、多因素條件下監視與診斷模型，研究制造過程的動態辨識與自適應技術。

3.3.5 生產與經營管理的智能決策系統研究多因素、多目標智能決策模型，研究生產過程的實時跟蹤技術，研究產品市場評估與預測模型。

3.4 知識庫系統與網絡技術知識庫系統與信息網絡技術是制造過程的系統與各環節“集成智能化”的支撐，在imt＆ims研究中占有重要地位。

3.4.1 分布式異構聯想知識庫系統研究知識庫異構、知識庫分布式策略與維修、知識庫聯想和分布數據庫技術。

3.4.2 信息控制與網絡通訊技術研究ims中各種信息的交換接el、網絡通訊技術、系統操作控制策略。

3.5 智能機器的設計智能機器是ims中模仿人類專家智能活動的工具之一，是新一代的制造工具，因而，研究智能機器的設計方法及其相關技術將有劃時代的意義。

3.5.1 機器人智能技術智能機器人將在ims中占有重要的地位，主要體現在機器的視覺和機器^控制兩個方面。有必要研究智能機器眼(視覺)、信息感知與智能傳感器、智能機器手(控制)和智能機器的自適應定位與夾具設計等技術。

3.5.2 機器自學習與自維護技術研究智能機器的自適應學習模型，系統誤差的自動恢復與維護技術。

3.5.3 智能制造單元機的設計與制造研究智能制造單元機的結構組成與設計方法、新型材料的應用技術。

3.6 制造中人的因素ims的宗旨之一就是減輕人類制造專家的艱苦的腦力勞動負擔，因此.與腦力勞動有密切聯系的制造中人的因素理應受到充分的重視，研究內容包括：

3.6.1 人一系統柔性交互技術研究人一系統柔性、聯想、容錯交互模型以及交互環境。3 6.2 未來制造環境的設計研究人在未來制造環境中的地位和作用以及未來舒適、友好的制造環境的設計。

3.6.3 人才培養與教學系統研究面向imt＆ims的^才培養計劃.研制教學示范系統。

智能制造系統的定義篇二

智能制造系統

二、智能制造的發展歷史 和人類專家共同組成的人機一體化智能 智 能 制 造 系 統（intelligent 系統，它在制造過程中能進行智能活動，manufacture system，ms）由部分或全部具 諸如分析、推理、判斷、構思。和決策 有一定自主性和合作性的智能制造單元組 等。通過人與智能機器的合作共事，去 成的、在制造活動全過程中表現出相當智能 擴大、延伸和部分地取代人類專家在制 行為的制造系統。智能制造系統最主要的特 造過程中的腦力勞動。它把制造自動化 征是在工作過程中知識的獲取、表達與使 的概念更新，擴展到柔性化、智能化和 用。智能制造系統根據其知識來源的不同可 高度集成化。分為兩種類型：(1)以專家系統為代表的非 毫無疑問，智能化是制造自動化的 自主式的制造系統，其特點是系統的知識是 發展方向。在制造過程的各個環節幾乎 根據人類的制造知識總結歸納而來，系統知 都廣泛應用人工智能技術。專家系統技 識依賴于人工進行擴展，因而有知識獲取瓶 術可以用于工程設計，工藝過程設計，頸、適應性差、缺乏創新能力等缺陷；(2)生產調度，故障診斷等。也可以將神經 建立在系統自學習、自進化與自組織基礎上 網絡和模糊控制技術等先進的計算機智 的自主型的智能制造系

統，其特點是系統的 能方法應用于產品配方，生產調度等，知識可以在使用過程中不斷自動學習、完善 實現制造過程智能化。而人工智能技術 與進化，從而具有很強的適應性以及開放式 尤其適合于解決特別復雜和不確定的問 的創新能力。隨著以神經網絡、遺傳算法與 題。但同樣顯然的是，要在企業制造的 遺傳編程為代表的計算智能技術的發展，智 全過程中全部實現智能化，如果不是完 能制造系統正逐步從非自主式的向具有自 全做不到的事情，至少也是在遙遠的將 學習、自進化與自組織的具有持續發展能力 來。有人甚至提出這樣的問題，下個世

三、智能制造的發展現狀

生 產 線和 生 產 設 備 內 部的 信 息 流量增 加，制 造過 程 和 管 理 工 作的 信 息 量也必 然 劇 增，因 而 促 使 制 造 技術 發 展 的熱點 與 前 沿，轉 向 了 提 高 制 造系 統 對 于爆炸 性 增 長 的制 造 信息處理的能力、效率及規模上。目前，先 進 的 制 造設 備 離 開了信 息 的 輸 入就 無 法運轉，柔性制造系統（fms）一旦被切 斷 信 息 來 源就 會 立 刻停止 工 作。專家 認 為，制 造 系統 正 在 由原先 的 能 量 驅動 型 轉 變 為 信 息驅 動 型，這就 要 求 制 造系 統 不但要具備柔性，而且還要表現出智能，否 則 是 難 以處 理 如 此大量 而 復 雜 的信 息 工 作 量 的。其 次，瞬息萬 變 的 市 場需 求 和 激 烈 競 爭的 復 雜 環境，也 要 求 制造 系 統 表 現 出 更高 的 靈 活、敏 捷 和 智 能。因 此，智能制造越來越受到高度的重視。因此，它是制造技術發展，特別是 制 造 信 息 技術 發 展 的必然，是 自 動化 和 集成技術向縱深發展的結果

四、智能制造的優缺點 智能制造系統（intelligent manufacturing system---ims）是一種 由智能機器和人類專家共同組成的人機 一體化系統，它突出了在制造諸環節中，以一種高度柔性與集成的方式，借助計 算機模擬的人類專家的智能活動，進行 分析、判斷、推理、構思和決策，取代

智 能 技 術 ；從 系 統 活 動 角 度，神 經 網絡技 術 在 系 統控 制 中 已 開 始 應用，同 時應用 分 布 技 術和 多 元 代 理 技 術、全 能 技術，并 采 用 開放 式 系 統 結 構，使 系 統 活動并 行，解 決系 統 集成。智能制造的未來發展趨勢 五﹑智能制造的未來發展趨勢

1、人工智能技術。因為 ims 的目標 單是“人工智能系統，而且是人機一體 是計算機模擬制造業人類專家的智能活 化智能系統，是一種混合智能。想以人 動，從而取代或延伸人的部分腦力勞動，工智能全面取代制造過程中人類專家的 因此人工智能技術成為 ims 關鍵技術之 智能，獨立承擔分析、判斷、決策等任 一。ims 與人工智能技術（專家系統、人 務，目前來說是不現實的。人機一體化 工神經網絡、模糊邏輯）息息相關。突出人在制造系統中的核心地位，同時 在智能機器的配合下，更好的發揮人的 潛能，使達到一種相互協作平等共事的

2、并行工程。針對制造業而言，并 行工程是一種重要的技術方法學，應用 于 ims 中，將最大限度的減少產品設計 的盲目性和設計的重復性。

3、信息網絡技術。信息網絡技術是 制造過程的系統和各個環節“智能集成” 化的支撐。信息網絡同時也是制造信息 及知識流動的通道。

4、虛擬制造技術。虛擬制造技術可 以在產品設計階段就模擬出該產品的整 個生命周期，從而更有效，更經濟、更 靈活的組織生產，實現了產品開發周期 最短，產品成本最低，產品質量最優，生產效率最高的保證。同時虛擬制造技 術也是并行工程實現的必要前提。

5、自律能力構筑。即收集和理解環 境信息和自身的信息并進行分析判斷和 規劃自身行為的能力。強大的知識庫和 基于知識的模型是自律能力的基礎。

6、人機一體化。智能制造系統不單

7、自組織和超柔性。只能制造系統 中 的 各 組 成單 元 能 夠依據 工 作 任 務的 需 要，自 行 組成 一 種 最佳結 構，使 其柔 性 從智能制造的系統結構方面來考慮, 未來智能制造系統應為分布式自主制造系 統, 該系統由若干個智能施主組成, 根據 生產任務細化層次的不同, 智能施主可以 分為不同的級別。如一個智能車間稱為一個 施主, 它調度管理車間的加工設備, 它以 車間級施主身份參與整個生產活動;同時 對于一個智能車間而言, 它們直接承擔加 工任務。無論哪一級別的施主, 它與上層控 制系統之間通過網絡實現信息的連接, 各 智能加工設備之間通過自動引導小車實現 物質傳遞。在這樣的制造環境中產品的生產 過程為: 通過并行

智能制造系統的定義篇三

智能制造概述

摘要：介紹了智能制造提出的背景、主要研究內容和目標, 人工智能與 i m t、i m s的關系, i m s 和c i m s, 智能制造的物質基礎及理論基礎, 智能制造系統的特征及框架結構, 并簡要介紹了智能加工中心 imc, 智能制造技木的發展趨勢，以及智能制造系統研究成果及存在問題。關鍵詞：智能制造，ims, imc, imt。

abstract：intelligent manufacturing introduced the background, main contents and objectives, artificial intelligence and imt, ims relations, ims and cims, intelligent manufacturing and the material basis of the theoretical basis of the characteristics of intelligent manufacturing system and the framework structure, and gave a briefing on intelligence machining center imc, intelligent manufacturing technology development trend of wood, as well as the intelligent manufacturing systems research results and words: intelligent manufacturing, ims, imc, imt。

一.智能制造提出的背景

制造業是國民經濟的基礎工業部門, 是決定國家發展水平的最基本因素之一。從機械制造業發展的歷程來看, 經歷了由手工制作、泰勒化制造、高度自動化、柔性自動化和集成化制造、并行規劃設計制造等階段。就制造自動化而言, 大體上每十年上一個臺階: 50～ 60年代是單機數控, 70 年代以后則是cnc 機床及由它們組成的自動化島, 80 年代出現了世界性的柔性自動化熱潮。與此同時, 出現了計算機集成制造, 但與實用化相距甚遠。隨著計算機的問世與發展, 機械制造大體沿兩條路線發展: 一是傳統制造技術的發展, 二是借助計算機和自動化科學的制造技術與系統的發展。80年代以來, 傳統制造技術得到了不同程度的發展,但存在著很多問題。先進的計算機技術和制造技術向產品、工藝和系統的設計人員和管理人員提出了新的挑戰, 傳統的設計和管理方法不能有效地解決現代制造系統中所出現的問題, 這就促使我們借助現代的工具和方法, 利用各學科最新研究成果, 通過集成傳統制造技術、計算機技術與科學以及人工智能等技術, 發展一種新型的制造技術與系統, 這便是智能制造技術(in telligen t m anufactu r ingtechno logy, i m t)與智能制造系統(in telligen tm anufactu r ing system , i m s)[1 ]。

年代以后, 世界各國競相大力發展 i m t 和i m s 的深層次原因有:(1)集成化離不開智能 制造系統是一個復雜的大系統, 其中有多年積累的生產經驗, 生產過程中的人—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, 集成化也就不能完美地實現。

(2)機器智能化比較靈活 可以選擇系統智能化, 也可以選擇單機智能化;單機可發展一種智能,也可發展幾種智能;無論在系統中或單機上, 智能化均可工作, 不像集成制造系統, 只有全系統集成才可工作。

(3)智能化的經濟效益較高 現有的計算機集成制造系統(compu ter in tegratedm anufactu r ingsystem , c i m s)少則投資數千萬元, 多則投資數億元乃至數十億元, 很少有企業能承擔得起, 而且投入正常運行的很少, 維護費用也高, 還要廢棄原有的設備, 難以推廣。

(4)白領化使得有豐富經驗的機械工人和技術人員日益缺少，產品制造技術越來越復雜, 促使使用人工智能和知識工程技術來解決現代化的加工問題。(5)工廠生產率的提高更多地取決于生產管理和生產自動化 人工智能與計算機管理相結合, 使得不懂計算機的人也能通過視覺、對話等智能手段實現生產管理的科學化。

總之，以計算機信息技術為基礎的高新技術得到迅猛發展 ,為傳統的制造業提供了新的發展機遇。計算機技術、信息技術、自動化技術與傳統制造技術相結合 ,形成了先進制造技術概念。冷戰結束以后 ,國際間競爭的重點由單純的軍事實力較量轉向以發展經濟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領域的競爭愈演愈烈 ,且其發展形式由最初的僅依托本國的人力、物力和財力 ,發展到國際間的大規模合作。近年來由發達國家倡導的面向21世紀的 “智能制造系統”、“信息高速公路” 等國際研究計劃 ,無疑是該背景下的產物 ,也是國際間進行高科技研究開發的具體表現和積極占領 21 世紀高科技制高點的象征。二.主要研究內容和目標

智能制造在國際上尚無公認的定義。目前比較通行的一種定義是, 智能制造技術是指在制造工業的各個環節, 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對象是整個機械制造企業, 其主要研究開發目標有二: ①整個制造工作的全面智能化, 它在實際制造系統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, 強調整個企業生產經營過程大范圍的自組織能力;②信息和制造智能的集成與共享, 強調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域中的應用(a i m)發展到今天的i m s, 研究課題涉及的范圍由最初僅一個企業內的市場分析、產品設計、生產計劃、制造加工、過程控制、信息管理、設備維護等技術型環節的自動化, 發展到今天的面向世界范圍內的整個制造環境的集成化與自組織能力, 包括制造智能處理技術、自組織加工單元、自組織機器人、智能生產管理信息系統、多級競爭式控制網絡、全球通訊與操作網等。

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, 其中智能活動是問題的核心。在 i m s 研究的眾多基礎技術中, 制造智能處理技術是最為關鍵和迫切需要研究的問題之一, 因為它負責各環節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, 企業之間有著密切的聯系, 譬如, 采用相同的生產設備和系統, 有著類似的生產控制與管理方式,上下游產品之間的聯系, 等等。其間存在的突出問題是產品和技術的規范化、標準化和通用化、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: ①i m s 是21世紀的制造系統, 必須開發與之相適應的制造技術;②應對這些技術進行組織化和系統化;③加強技術的標準化;④考慮人的因素;⑤保護環境。該計劃由已有生產技術的體系化和標準化、21 世紀生產技術的研究與開發兩大部分構成。

1992 年4 月在日本召開的第一次國際技術委員會, 確定了4 個主題: ①技術課題;②選擇原則;③評價程序;④執行準則。由國際 i m s 中心成員提出的首批10 項研究課題是①企業集成;②全球制造;③系統單元技術;④清潔制造技術;⑤人與組織研究;⑥先進的材料加工技術;⑦全球并行工程(評估和實施);⑧自主模塊的系統設備與分布控制;⑨快速產品開發;b k知識系統化(設計與制造)。美國國家科學基金會(n sf)已連續數年重點資助了與智能制造有關的研究項目, 這些項目覆蓋了智能制造的絕大部分技術領域, 包括制造過程中的智能決策、基于多施主(mu lt i-agent)的智能協作求解、智能并行設計、物流傳輸的智能自動化、智能加工系統和智能機器等。

日本提出的智能制造系統國際合作計劃, 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。其主要研究內容如下: ①強調部分代替人的智能活動, 實現部分人的技能;②使用智能計算機技術來集成設計制造過程, 使之一體化, 以虛擬現實技術實現虛擬制造, 以多媒體的人機接口技術、虛擬現實技術, 實現職業教育;③強調全球制造網絡的生產制造技術, 通過衛星、in ternet 和數字電話網絡實現全球制造;④強調智能化與自律化的智能加工系統以及智能化cnc、智能機器人的研究。⑤重視分布式人工智能技術的應用, 強調自律協作代替集中遞階控制。

i m t 與 i m s 的研究與開發對于提高產品質量、生產效率和降低成本, 提高國家制造業響應市場變化的能力和速度, 以及提高國家的經濟實力和國民的生活水準, 均具有重大的意義。其研究目標是要實現將市場適應性、經濟性、人的重要性、適應自然和社會環境的能力、開放性和兼容能力等融合在一起的生產系統: ①使整個制造過程實現智能化, 并具有自組織能力;②i m s 是一個集成許多工廠和多種機器設備的混合系統;③具備滿足各種社會需求的柔性;④能充分發揮人的作用;⑤易于操作;⑥總效率高;⑦能避免重復投資等。人工智能的目的是為了用技術系統來突破人的自然智力的局限性 ,達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造性的工作中去。人是制造智能的重要來源 ,在制造業走向智能化過程中起著決定性作用。目前在整體智能水平上 ,與人工系統相比 ,人的智力仍然是遙遙領先的。人工智能模擬的藍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合 ,才能實現制造過程的真正智能化。智能制造被稱為新世紀的制造技術 ,目前之所以還不能實現 ,是由于要受到目前科學技術、人以及經濟等諸多方面的制約。智能與思維智能 ,就是在各種環境和目的的條件下正確制定決策和實現目的的能力。在這里 ,給定的環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節 ,而有效地實現目的 ,則是智能的評判準則。從信息處理的角度講 ,智能可以看成是獲取、傳遞、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雜和多樣化的 ,歸納起來 ,大體可分為 3 種基本的類型 ,即:經驗思維、邏輯思維和創造性思維。在工藝設計過程中 ,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。

總之，智能制造技術是制造技術、自動化技術、系統工程與人工智能等學科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術。其具體表現為:智能設計、智能加工、機器人操作、智能控制、智能工藝規劃、智能調度與管理、智能裝配、智能測量與診斷等。它強調通過“ 智能設備 ” 和“ 自治控制 ” 來構造新一代的智能制造系統模式。智能制造系統具有自律能力、自組織能力、自學習與自我優化能力、自修復能力 ,因而適應性極強 ,而且由于采用 vr技術 ,人機界面更加友好。因此 , i m技術的研究開發對于提高生產效率與產品品質、降低成本 ,提高制造業市場應變能力、國家經濟實力和國民生活水準 ,具有重要意義。智能制造是制造系統柔性自動化和集成自動化的新發展和重要組成部分 ,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、光纖傳感技術等)。

三.人工智能與 i m t、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” 系統為目標的研究路線, 嚴重地阻礙了人工智能研究的進展。許多學者已意識到這一點, feigenbaum、n ew ell、錢學森從計算機角度出發, 提出了人與計算機相結合的智能系統概念。目前國外對多媒體及虛擬技術研究進行大量投資, 以及日本第五代智能

計算機研制計劃的擱淺等事例, 就是智能系統研究目標有所改變的明證。

人工智能技術在機械制造領域中的應用涉及市場分析、產品設計、生產規劃、過程控制、質量管理、材料處理、設備維護等諸方面。結果是開發出了種類繁多的面向特定領域的獨立的專家系統、基于知識的系統或智能輔助系統, 形成一系列的 “智能化孤島”。隨著研究與應用的深入, 人們逐漸認識到, 未來的制造自動化應是高度集成化與智能化的

人—機系統的有機融合, 制造自動化程度的進一步提高要依賴于整個制造系統的自組織能力。如何提高這些 “孤島” 的應用范圍和在實際制造環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、計算機等科學技術而發展起來的新型制造工程—— i m t 和新——代制造系統—— i m s 便脫穎而出。

人工智能在制造領域中的應用與 i m t 和i m s 的一個重要區別在于, 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, 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周圍環境, 開展工作。

四.i m s 和c i m s c i m s 發展的道路不是一帆風順的。今天,c i m s 的發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注與廣泛地研究。從c i m s 的發展來看, 眾多研究者把重點放在計算機集成上, 從科學技術的現狀看, 要完成這樣一個集成系統是很困難的。

c i m s 作為一種連接生產線中的單個自動化子系統的策略, 是一種提高制造效率的技術。它的技術基礎具有集中式結構的遞階信息網絡。盡管在這個遞階體系中有多個執行層次, 但主要控制設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境必須互連時的復雜性。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 深入發展和推廣應用的今天, 人們已經逐漸認識到, 要想讓c i m s 真正發揮效益和大面積推廣應用, 有兩大問題需要解決: ①人在系統中的作用和地位;②在不作很大投資對現有設施進行技術改造的情況下亦能應用c i m s?，F有的c i m s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線, 或是手工操作, 而缺乏的是人力和制造設備之間的相容性,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, 人們已開始認識到人的因素在現代工業生產中的作用。英國出版公司(ifs)于 1984 年就首次發起了第一屆“制造中人的因素” 研討會, 目的在于提高人們對制造環境中人的因素及其所起作用的認識。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, 兩者密切相關但又有區別。

c i m s 強調的是企業內部物料流的集成和信息流的集成;而 i m s 強調的則是更大范圍內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 中的眾多研究內容是 i m s 的發展基礎, 而 i m s 也將對c i m s 提出更高的要求。集成是智能的基礎, 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 世紀的制造業, 不只是促進c i m s 達到高度集成, 而且對于fm s、m s、cnc 以至一般的工業過程自動化或精密生產環境而言, 均有潛在的應用價值。有識之士對人工智能技術、計算機科學和c i m s 技術進行了全面的反思。他們在認識機器智能化的局限性的基礎上, 特別強調人在系統中的重要性。如何發揮人在系統中的作用, 建立一種新型的人—機的協同關系, 從而產生高效、高性能的生產系統, 這是當前眾多學者都會提出的問題, 也正是c i m s 所忽視的關鍵因素, 這一因素導致了c i m s 發展中不可逾越的障礙。值得一提的是有的學者特別強調 “人件(humanw are)” 在系統中的重要性, 提出c i m s 的開放結構體系思想。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), 指出集成制造系統首先是 “人的集成”。耐人尋味的是, 目前研究的 “精良生產” 與 “敏捷制造” 等新型制造系統的主要出發點也是強調 “人” 的作用, 即 “以人為中心”。

五．智能制造的物質基礎及理論基礎 1.智能制造系統的物質基礎主要有:

(1)數控機床和加工中心 美國于 1952 年研制成功第一臺數控銑床 ,使機械制造業發生一次技術革命。數控機床和加工中心是柔性制造的核心單元技術。(2)計算機輔助設計與制造提高了產品的質量和縮短產品生產周期 ,改變了傳統用手工繪圖、依靠圖紙組織整個生產過程的技木管理模式。

(3)工業控制技術、微電子技術與機械工業的結合 — — — 機器人開創了工業生產的新局面 ,使生產結構發生重大變化 ,使制造過程更富于柔性擴展了人類工作范圍。

(4)制造系統為智能化開發了面向制造過程

中特定環節、特定問題的 “智能化孤島”,如專家系統、基干知識的系統和智能輔助系統等。

(5)智能制造系統和計算機集成制造系統用

計算機一體化控制生產系統 ,使生產從概念、設計到制造聯成一體 ,做到直接面向市場進行生產 ,可以從事大小規模并舉的多樣化的生產;近年來 ,制造技術有了長足的發展和進步 ,也帶來了很多新問題。數控機床、自動物料系統、計算機控制系統、機器人等在工業公司得到了廣泛的應用 ,越來越多的公司使用了 “計算機集成制造系統(cims)”、“柔性制造系統(fms)”、“工廠自動化(fa)”、“多目標智能計算機輔助設計(m1cad)”、“模塊化制造與工廠(mxmf)、并行工程(ce)”、“智能控制系統(ics)” 以及 “智能制造(im)”、“智能制造技術(imt)” 和 “智能制造系統(ims)” 等等新術語。先進的計算機技術、控制技術和制造技術向產品、工藝和系統的設計師和管理人員提出了新的挑戰 ,傳統的設計和管理方法不能再有效地解決現代制造系統提出的問題了。要解決這些問題、需要用現代的工具和方法 ,例如人工智能(ai)就為解決復雜的工業問題提出了一套最適宜的工具。2.智能制造技術的理論基礎

智能制造技術是采用一種全新的制造概念和實現模式。其核心特征強調整個制造系統的整體“智能化” 或 “自組織能力” 與個體的 “自主性”。“智能制造國際合作研究計劃j irpims” 明確提出: “智能制造系統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、產品設計、生產到市場銷售等各個環節以柔性方式集成起來的能發揮最大生產力的先進生產系統”?；谶@個觀點,在智能制造的基礎理論研究中 ,提出了智能制造系統及其環境的一種實現模式 ,這種模式給制造過程及系統的描述、建模和仿真研究賦予了全新的思想和內容 ,涉及制造過程和系統的計劃、管理、組織及運行各個環節 ,體現在制造系統中制造智能知識的獲取和運用 ,系統的智能調度等 ,亦即對制造系統內的物質流、信息流、功能決策能力和控制能力提出明確要求。作為智能制造技術基礎 ,各種人工智能工具 ,及人工智能技術研究成果在制造業中的廣泛應用 ,促進了智能制造技術的發展。而智能制造系統中 ,智能調度、智能信息處理與智能機器的有機融合而構成的復雜智能系統 ,主要體現在以智能加工中心為核心的智能加工系統的智能單元上。作為智能單元的神經中樞——智能數控系統 ,不僅需要對系統內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、系統內各種模型的非線性及非預見性事件實施智能控制 ,而且要對制造系統的各種命令請求做出智能反應。這種功能已遠非傳統的數控系統體系結構所能勝任 ,這是一個具有挑戰性的新課題。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?,制造技術發展到今天 ,已經由一種技術發展成為包括系統論、信息論和控制論為核心的、貫穿在整個制造過程各個環節的一門新型的工程學科 ,即制造科學。制造系統集成與調度的關鍵是信息的傳遞與交換。從信息與控制的觀點來看 ,智能制造系統是一個信息處理系統 ,由輸入、處理、輸出和反饋等部分組成。輸入有物質(原料、設備、資金、人 員)、能量與信息;輸出有產品與服務;處理包括物料的處理與信息處理;反饋有產品品質回饋與顧客反饋。制造過程實質上是信息資源的采集、輸入、加工處理和輸出的過程 ,而最終形成的產品可視為信息的物質表現形式。

六．智能制造系統的特征及框架結構

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應具有什么特征。當前對智能系統的理解有兩種不同的意見:一種是從科學的角度來看這個問題的意見 ,即認為只有具備下列特征的系統才能稱為智能系統:一個系統既具有人類智能(或部分地),又具有與人類實現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 ,即認為一個系統只要具有(或部分具有)人類智能就稱為智能系統 ,而不管實現其智能的過程與途徑。我們這里所討論的問題是關于智能制造系統的問題 ,也就是從工程角度來討論智能系統的問題。我們認為:在工程上 ,智能系統的特征有以下幾個方面 ,具有下列特征之一的系統 ,從工程角度看 ,就可稱為智能系統：(1)多信息感知與融合;(2)知識表達、獲取、存儲和處理(主要是識別、設計、計算、優化、推理與決策);(3)聯想記憶與智能控制;(4)自治性 自相似、自學習、自適應、自組織、自維護;(5)機器智能的演繹(分解)與歸納(集成);(6)容錯。

2.智能制造系統模式的框架結構

整個系統是一個多智能體分布式網絡結構 ,分成四個部分:中心層、管理層、計劃層和生產層。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構 ,但根據任務的不同而有不同的自學習、自適應、自組織、自維護功能。智能系統有一定的容錯能力 ,可以在不完整的信息或偶然誤差出現時正常地工作。系統與因特網兼容 ,可以進行企業動態聯盟、招標、投標及電子商務 ,還可形成虛擬制造的支持環境。

七． 智能加工中心 imc 1.智能加工中心是智能制造系統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 ,其任務為感知、決策、加工、控制與學習。智能加工中心既是智能制造過程和系統的實驗和應用對象 ,也是智能制造技術的縮影和實現通道。它與普通的加工中心(mc)有著本質的區別 ,除了完成數控代碼規定的加工任務外 ,能夠根據信息的綜合進行自主決策 ,實時調整自身行為 ,適應環境和自身的不確定性變化 ,即應具有 “自主性” 和 “自組織” 能力 ,實現對 imc的數控系統進行實時干預與智能控制。數控加工中心的實時智能控制 ,表現為三個方面:第一是遠程控制 ,通過通信線路對加工現場進行控制 ,對加工中心的加工操作和加工狀態進行監視;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;第三是自適應控制 ,根據檢測到的過程控制信息自適應地改變加工參數。而智能加工中心對信息的獲取與處理表現在對加工環境和加工狀態的自主響應能力 ,其中對刀具狀態的監測是評判加工狀態的重要依據。加工中心刀具狀態實時在線智能監測系統 ,及基于神經網絡與模糊識別模式的多傳感器融合技術的刀具磨、破損監測

系統的成功開發 ,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 ,智能數控系統是 imc 的神經中樞 ,其智能化程度直接決定了整個智能制造系統的智能水平。智能數控系統具有高級的自主控制功能 ,能將任務請求、作業規劃、軌跡控制、過程監視與控制、錯誤自修復等功能有機結合起來。面向制造系統 ,它是任務驅動的柔性規劃學習系統 ,而面對復雜的物流加工環境 ,它又是 “刺激一反應” 型的再勵系統 ,能對來自內部和外界環境的多種刺激做出理智的決策 ,從而以最優策略完成目標任務。通過對智能制造環境下的加工過程進行分析 ,確定加工中心應具備的主要功能有:(1)感知功能 ,根據多種傳感器信號的收集、特征提取和信息融合 ,實現加工對象感知和系統狀態感知。

(2)決策功能 ,在感知的基礎上通過決策 ,明確其在整個制造系統中的作用、與其它智能機器的關系 ,并確定自身的行為方式。

(3)控制功能 ,智能加工中心根據決策結果進行處理 ,采用最優化的方式完成加工任務 ,并保證加工過程得到可靠的監視和維護。

(4)通信功能 ,包括與 cad/ cam 系統的智能通信 ,實現數據與知識的交流 ,支持并行工程策略;與其它智能加工機器的智能通信 ,交流狀態信息 ,協調加工負荷;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境 ,為智能機器提供知識單元 ,做出相應決策。

(5)學習功能 ,依據決策、控制和加工指令 ,以及由此引起的狀態變化和最終加工任務 ,學習和積累相關知識 ,改進決策和控制策略。此外 ,還包括從人類專家和其它智能機器直接獲取知識。

八．智能制造技木的發展趨勢 智能制造是從 80 年代末發展起來的 ,最旱的幾本有關智能制造及系統方面的專著是在 1988年由 wrightfg milacic 等人編寫的 ,隨后、kusiak和 pain也相繼出版了這方面的研究著作。這些專著所描述的 ims仍基于設計與制造技術所提出的問題和解決的工具與方法。在許多工業化國家、人工智能已被當作求解現代工業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中的應用和智能系統研究與應用中提出的問題的求解、使用基于知識的系統(如級聯結構系統)和優化方法來解決自動化制造環境中零件、產品、系統的設計與制造 ,以及自動制造系統的規劃與調度(管理)問題。先進的工業化國家在研究 fms、cims、fa 及ai籌的基礎上 ,為了進行國際間制造業的共同協作研究、開發、設計、生產、物流、信息流、經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 ,也是為了解決各發達國家面臨的企業活動全球化、重復投資增大、現場熟練技術工人不足和社會對產品的需求變化等因素而倡導的國際制造業的合作。在迸行智能制造及其相關技術與系統的研究方面、首推日本在 1990 年提議和倡導的日、美、歐之間建立的國際運營委員會、國際技術委員會和附屬機構 ims中。大有主宰未來制造技術的趨勢。1991～ 1993 年 barschdor 汀和 monostori 等應用人工神經網絡(anns)到智能制造中進行加工過程的建模、監測、診斷、自適應控制;通過神經網絡的知識表示和學習能力 ,縮短 cims的反應時間 ,提高產品的質量 ,使系統更可靠。而 furukawa則對智能機器的設計程序及它在自動導引車中的應用作了介紹。被稱為是二十一世紀的制造技術的智能制造系統 ,目前國內外已相繼開展了國際聯合研究計劃。智能制造系統與當前任何制造系統相比 ,在體系結構上有著根本意義上的不同 ,具體體現在:一是采用開放式系統設計策略。通過計算機網絡技術 ,實現共享制造數據和制造知識 ,以保證系統質量。這是將計算機界先進的設計和開發思想融入到制造系統的結果 ,因而使制造系統向擬人化的方向進一步發展。二是采用分布式多自主體智能系統設計策略 ,其基本思想是:賦予制造系統中各組成部分或子系統一定的自主權 ,使其形成一個封閉的具有完整功能的自主體 ,這些自主體以網絡智能結點的形式聯接在通訊網絡上 ,各個智能結點在物理上是分散的 ,在邏輯上是平等的。通過各結點的協同處理與合作 ,共同完成制造系統任務 ,實現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與技術、生物自生長成形制造、綠色制造的科學與技術包括產品與人類和自然的協調理論 ,產品綠色工藝(如near2zero waste)等也極大地豐富了智能制造的范疇 ,促進了智能制造系統的發展。目前 ,我國一些高等院校也在進行智能制造技術的研究 ,如南京航空航天大學機電學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制造的最新研究動態 ,另一方面從事智能制造關鍵基礎技術的預研工作 ,為地區及我國智能制造技術的發展做出了一定貢獻。遺憾的是 ,由于種種原因 ,我國政府主管部門和有關大公司、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科的普遍關注。相信隨著人們對智能制造系統認識的逐步深入 ,智能制造系統必將得以迅猛發展 ,迎頭趕上世界先進發展水平。

九．智能制造系統研究成果及存在問題

目前對分布式制造系統的研究雖然還處于初期階段 ,但已在不同層次、不同側面上取得了大量令人振奮的基礎理論研究成果和應用成果 ,如制造 agent的個體目標機制(如獎懲機制、市場機制、目標函數等)等。這些研究成果奠定了mas在制造控制中應用的基礎。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。又由于整個系統缺乏類似中央控制的機制 ,因而整個系統的控制和決策往往不能達到最優效果 ,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中異構 agent 間的相互合作以及全局協調機制的研究 ,是分布式自治制造系統最重要 ,也是最基本的問題 ,更是其走向實用所亟待解決的核心問題。協調是指一組 agent 完成一些集體活動時相互作用的性質。在分布式制造系統中 ,全局協調和優化是一個在多目標動態約束下 ,各類活動和資源的最佳組合和排序的動態求取過程 ,它可以描述為兩個子問題 ,即局部調度決策和全局資源協調。由于 “組合爆炸” 現象的存在 ,當前采用的普遍方法是談判和投標(neg otiation and bidding)。談判被定義為:在開放的、動態的制造控制環境下 ,擁有任務訂單的 agent(協調者),及欲參與任務執行的 agent(投標者)之間傳遞各自的資源、愿望和能力信息 ,反復進行協商 ,直到其中一個agent 或一組agent 被選出組成執行該任務的隊列的過程。在這個過程中出現的沖突和死鎖或者由協調者來解決 ,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談判策略和開發支持協商的協議和語言 ,目前已提出了諸如一步談判、多步談判、合同網等多種談判策略和協議。分析這種談判過程 ,可以看出:

(1)在當前所采用的模型中 ,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 ,以及子系統的影響(或能力)的平衡的顯式表達 ,以可計算的迭代模型模擬社會或生物界的組織形式和進化過程的協調和協作方法;

(2)各個agent 總是將其他agent 的局部調度作為其預測信息 ,以計算其自己的局部調度決策。依次地 ,又將決策結果傳遞給其他 agent。宏觀上看 ,這是一個串行過程。當一個agent 產生的結果不可接受時 ,又需要進行反復通信和迭代。因而 ,各個 agent 的內部可以看作是一個局部閉環反饋控制系統 ,而沖突則是其外部擾動;

(3)全局協調的目標是要完全消解沖突 ,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境中的 agent 協調和協作的組合優化問題 ,但是該方法的一個固有缺陷是它只是對社會市場或生物界的組織形式和進化過程的直覺模仿[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、穩定的。如何得到期望的結構或功能等。尤其當系統規模較大 ,而且 agent 處于信息連續變化的高度紊亂的環境中(如由于市場的快速變化 ,經常會有一些短期的、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其他沖突的出現)。這種特性類似于自催化過程 ,各個制造agent 間正向先進制造技術的源泉.科學通報,1998 , 43-33727.[4 ] 史忠植.高級人工智能.北京: 科學出版社, 1998.[5]楊文通 ,王曹 劉志峰 ,等 數字化網絡化制造技術北京 電子工業出版社 , [6]王英林 ,劉敏 ,張申生 ,基于agent的敏捷供應鏈及相關技術 中國機械工程 , [7]張軍 ,趙江洪 網絡協同數控機床工業設計系統中的知識獲取與應用研究 〔機械工程學報 〕 ,

智能制造系統的定義篇四

智能制造是先進制造技術的最新的制造模式之一，智能制造系統是一個信息處理系統，它的原料、能量和信息都是開放的，因此智能制造系統是一個開放的信息系統。智能制造技術是制造技術、自動化技術、系統工程與人工智能等學科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術。智能制造是新世紀制造業的發展方向。由于其實施方案可以在整個制造的大系統(產品的全生命周期)進行，也可以在單元技術(例如模具設計專家系統、數控機床診斷專家系統、智能機器人等)上逐步推進，從經濟性、實用性講，也是我國實現制造業跨越發展的必經之路。引言

智能制造「‘」(工m:intelligent manufacturing)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。并對人類專家的制造智能進行收集、存儲、完善、共享、繼承和發展。1.1智能制造系統概述

智能制造系統「2」就是要通過集成知識工程、制造軟件系統、機器人視覺與機器人控制等來對制造技術的技能與專家知識進行模擬，使智能機器在沒有人工干預情況下進行生產。智能制造系統就是要把人的智力活動變為制造機器的智能活動。智能制造系統的物理基礎是智能機器，它包括具有各種程序的智能加工機床，工具和材料傳送裝置，檢測和試驗裝置，以及裝配裝置等。1.2智能化制造的特點

川智能化制造技術以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產，提高產品對動態多變市場的適應能力和競爭力為目標。

(2)智能化制造技術不局限于制造工藝，而是覆蓋了市場分析、生產管理、加工和裝配、銷售、維修、服務，以及回收再生的全過程。

(3)智能化制造強調技術、人、管理和信息的四維集成，不僅涉及到物質流和能量流，還涉及到信息流和知識流，即四維集成和四流交匯是智能化制造技術的重要特點:

(4)智能化制造技術更加重視制造過程組成和管理的合理化以及革新，它是硬件、軟件、智能(人)與組織的系統集成。

2.智能化制造數控設備的關鍵技術

機械制造設備的智能化、網絡化、以及對神經元網絡、云計算技術的研究與應用，使機械制造工)‘智能化技術得到了跨越式的發展，可以說這是又一次具有劃時代意義的工業技術革命。目前，智能化制造數控設備的關鍵技術，除了機械主體以外，主要是由智能數控系統技術、智能感知技術、智能自適應技術、智能神經元網絡技術、智能云計算技術和智能專家系統等主要技術構成。

(1>智能化數控系統數控設備智能化的發

展是以數控系統完善的軟硬件功能及高靈敏度、高精度感知檢測系統為基礎，以適應智能化、信息化、數字化集成技術發展的要求。為追求數控設備加工效率和加工質量，數控系統不但有自動編程、前饋控制、模糊控制、自學習控制、工藝參數自動生成、三維刀具補償、運動參數動態補償等智能化功能，并有故障診斷專家系統，使自診斷和故障監控功能更趨勢完善。伺服驅動系統智能化，能自動感知負載變化，自動優化調整參數。如發那科推出的hrv控制，通過共振追隨型hrv濾波器，可以避免因頻率變動而造成設備的共振。通過融合旋轉伺服電動機，高精度、高響應和高分辨率脈沖編碼器，實現高速和高精度的伺服控制，保證極其平穩 的進刀。

(2)智能自適應控制技術自適應控制分為 工藝自適應和兒何自適應。工藝自適應又分為

最佳自適應控制系統(aco)和約束式自適應(acc)。自適應控制自20世紀60年代已開始研究，但用于生產實踐尚不普遍。目前應用面較廣的還是結構簡單的acc系統，已用于銑、車、鉆、磨、電加工和加工中心等機床上;而aco多用于加工因素相對簡單的磨削和電火花加工(ed m)上。影響加工的因素很多很復雜，不僅建立數學模

型困難，而且要實時采集和實時調整參數也有很大難度，有待深入研究。(3)智能化神經元網絡技術最智能的莫過于人的大腦，人工神經元網絡

(ann)是一種模擬

人的神經結構，即類似人的大腦神經突觸連接的結構進行信息處理的復雜網絡系統。人工神經網絡具有自學習功能、聯想記憶功能、非線性映射功能和高速尋找優化解的功能等。目前，神經元網絡多用于數控設備可靠性預測和優化工藝參數方面，神經元網絡在機床數控系統方面的研究與應用尚不多見。隨著神經元網絡技術的發展，在數控機床方面的應用可能會有很好的前景，或許會把數控系統的智能化水平推向高級階段。未來兒年希望能有一個較快的發展。(4)智能專家系統專家系統是一個智能計算i機程序系統，其專家知識庫中含有某個領域大量的l專家知識與經驗，就是利用這些專家知識、經驗和土解決問題的方法來處理該領域的技術問題。它能夠f應用人工智能技術，根據該專家系統中的知識和經驗進行推理和判斷，模擬專家的決策過程，來解決·需要專家處理的復雜問題。目前，數控設備領域尚l缺乏這種專家系統。(5)云計算將把智能化制造推向更高級階右段國外工業技術發達國家的大型工業企業、研究機構和高等院校對云計算的研究和發展都極為重視，之認為這是一種具有劃時代意義的技術。如美國宇航!局和通用汽車公司都在研究和應用云計算技術;我1國北京建有云計算基地，華為技術有限公司和tcl集團也都特別關注云計算的發展、研究和應用。3.智能化工廠

智能化機械工)‘是以“智能化”為核心，以智能化、數字化、網絡化為主要特征的生產、經營實體。智能化工)‘將逐步分層次實現。智能工業機器人在智能自動化制造工)‘中扮演著重要角色。(1>智能工業機器人在智能化數控設備中

除了各種數控設備和相關數控配套設備以外，智能工業機器人在智能制造單元、智能制造系統和智能制造工)‘中具有重要作用。

(2)智能化自動化工)‘在各種智能化自動化數控設備的基礎上，智能化工)‘將由工廠‘局部智能自動化、逐步分層次地發展到全工)‘智能自動化和社會化智能制造。

第一層次:單機或單元智能自動化。

單機或單元智能自動化，可以實現長時間無人值守。國內外都有用于生產 的實例。

第二個層次:生產制造系統智能自動化。

在第三代“智能機器人化單元”的基礎上，實現計算機網絡控制生產車間全自動化系統。包括毛坯倉儲管理，再制品倉儲管理，成品零件倉儲管理及其搬運、裝卸、裝配作業和質量檢驗等。

第三個層次:智能化數字化網絡制造系統。

在第二層次生產制造系統智能自動化的基礎上，配置網絡綜合管理系統，來實現全工)‘的智能化數字化網絡制造。智能化工)‘的實現主要是靠信息通信技術(ict)和智能網絡的可靠運行加以保證。具有實時資料搜集與傳輸功能、高效能計算機與分析預測功能、遠程監控與診斷功能及模擬功能等。智能化工)‘最核心的部分是生產過程和全面經營運行的智能自動化，包括設計智能化，生產排序自動化，生產線自動化，測試檢驗自動化，倉儲自動化，電力管理智能自動化等等，進一步發展到自動化無人化工)‘(絕大多數設備可以無人值守)。

第四個層次:智能化社會化生產。

智能化網絡化社會化制造，將山企業內部局域網經因特網向企業外部傳輸。這就是所謂的internet/intranet。網絡可使企業與企業之間進行跨地區協同設計、協同制造、信息共享、遠程監控、遠程診斷和服務等。網絡能為制造提供完整的生產數據信息，可以通過網絡將加工程序傳給遠方的設備進行加工，也可遠程診斷并發出指令調整。網絡使各地分散的數控機床聯系在一起，互相協調，統一優化調整，使產品加工不局限于一個工)‘內而實現社會化生產。智能化社會化制造能夠借助internet網實現跨行業、跨國際智能化制造，進人internet/intranet時代。云計算借助internet網整合了計算機資源，為智能化制造開了先河。智能化網絡化社會化制造將引領社會和全球資源的整合與優化運用，同時將有效地提高人類的生活質量，逐步地減少人類的體力勞動而擴大腦力勞動的比重，進入知識社會，智能社會。

智能制造具有高科技高水平的先進制造系統，面臨一些極具挑 戰性的問題。當然也需要我們投入大量的研究去攻克這些技術難題。產品和制造過程的數字建模理論及混合約束求解方法，幾何表示與推理在運動規劃、抓取、夾持、裝配、nc加工、計算機視覺、測量中的應用，制造技能和制造知識的表示、獲取與推理。智能制造單元的agent建模及智能制造系統的多agent建模理論、多agent系統學>-j及重構理論、多agent系統動力學分析方法及性能評價標、多agent系統規劃、調度、控制與協調等。制造資源的holon模型holonic系統組成及其分別式協調與控制等。由于人類智能問題本身的復雜性，智能制造理論與技術的研究任重而道遠，上述問題的深入研究，不僅將促進智能制造理論與技術的發展與進一步完展具有積極的推動作用。不僅要提高機器設備的智商，更要協調好人與機器的關系，建立一種新型的人機一體化關系，從而產生高效高性能的生產系統。總之，隨著智能制造技術的普及以及其帶來的優勢愈發明顯，可以預見在不遠的將來，智能制造將成為下一代重要的生產模式。參考文獻：

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智能制造系統的定義篇五

現代制造技術

1142813203 吳文樂

摘要：現代制造技術是在傳統制造技術的基礎上, 不斷吸收和發展機械、電子、能源、材料、信息及現代管理技術的成果, 將其綜合應用于產品設計、制造、檢驗、管理服務等產品生命周 期的全過程, 以實現優質、高效、低耗、靈活、清潔的生產技術模式,取得理想的技術經濟效果的制造技術的總稱傳統的自動化生產技術可以顯著提高生產效率，然而其局限性也顯而易見，即無法很好地適應中小批量生產的要求。隨著現代制造技術的發展，特別是自動控制技術、數控加工技術、工業機器人技術等的迅猛發展，柔性制造技術(fmi)應運而生。

關鍵詞：現代制造技術；自動控制技術；柔性制造技術

1.現代制造技術發展綜述

現代制造技術在系統論、方法論、信息論和協同 論等的基礎上形成制造系統工程學，是一種廣義制造的概念，亦稱之為“大制造”的概念，它體現了制造概念的擴展。廣義制造概念的形成過程主要有以下幾方面原因[1]。

1).制造設計一體化。體現制造和設計的密切結合，形成了設計制造一體化，設計不僅是指產品設計，而且包括工藝設計、生產調度設計、質量控制設計等。

2).材料成形機理的擴展?，F在加工成形機理明確地將加工分為去除加工、結合加工和變形加工。

3).制造技術的綜合性。現代制造技術是一門以 機械為主體，交叉融合光、電、信息、材料等學科的綜合體，并與管理科學、社會科學、文化、藝術、人機工 程、生物工程和生命科學等相結合，拓展了新領域。現代制造技術應包括硬件和軟件兩大方面，硬／軟件工具、平臺和支撐環境有了很大的發展。

4).產品的全生命周期。制造的范疇從過去的設計、加工和裝配發展為產品的全生命周期，包括市場調研、設計、制造、銷售、維修和報廢處理等。

5).生產制造模式的發展。計算機集成制造技術 是制造技術與信息技術結合的產物，集成制造系統強 調信息集成，其后出現了柔性制造、敏捷制造、虛擬制 造、網絡制造、大規模定制、綠色制造、智能制造和協 同制造等多種制造模式，有效地提高了制造技術的水平，擴展了制造技術的領域[2]。

現代制造技術的發展主要沿著“廣義制造”或稱 “大制造”的方向發展，其具體的發展可以歸納為四個方面和多個大項目[3]，如圖1所示：

圖1：現代制造技術方向

針對現代制造技術，本文從柔性制造技術的角度對現代制造技術進行學習，對柔性制造在實際中的應用進行深入的研究；

2.柔性制造

2.1 柔性制造簡述

所謂“柔性”，是指制造系統(企業)對系統內部及外部環境的一種適應能力，也是指制造系統能夠適應產品變化的能力。柔性可分為瞬時、短期和長期柔性[4]。瞬時柔性是指設備出現故障后，自動排除故障或將零件轉移到另一臺設備上繼續進行加工的能力；短期柔性是指系統在短時期內，適應加工對象變化的能力，包括在任意時期混合進行加工2種以上零件的能力；長期柔性則是指系統在長期使用中，能夠加工各種不同零件的能力。迄今為止，柔性還只能定性地加以分析，尚無科學實用的量化指標。因此，凡具備上述3種柔性特征之一的、具有物料或信息流的自動化制造系統都可以稱為柔性制造系統。柔性制造技術是計算機技術在生產過程及其裝備上的應用，是將微電子技術、智能技術與傳統制造技術融合在一起，具有自動化、柔性化、高效率的特點，是目前自動化制造系統的基本單元技術[5]。

柔性制造技術是對各種不同形狀加工對象實現程序化柔性制造加工的各種技術的總和[6]。柔性制造技術是技術密集型的技術群，我們認為凡是側重于柔性，適應于多品種、中小批量(包括單件產品)的加工技術都屬于柔性制造技術。目前按規模大小劃分為[7]：

(1)柔性制造系統（fms）：關于柔住制造系統的定義很多，權威性的定義有：美國國家標準局把fms定義為：“由一個傳輸系統聯系起來的一些設備，傳輸裝置把工件放征其他聯結裝置上送到各加工設備，使工件加工準確、迅速和自動化。

(2)柔性制造單元（fmc）：m s是fms向廉價化及小型化方向發展的一種產物，它是由l～2臺加工中心、工業機器人。數控機床及物料運送存貯設備構成，其特點是實現單機柔性化及自動化，具有適應加工多品種產品的靈活性。迄今已進入普及應用階段。

(3)柔性制造線（fml):它是處于單一或少品種人批量非柔性自動線與中小批量多品種fms之間的生產線。其加工設備可以是通用的加工中心，cnc機床；亦可采用爭用機床或nc專用機床，對物料搬運系統柔性的要求低于fms，但生產率更高。它是以離散型生產中的柔性制造系統和連續生過程中的分散型控制系統(d c s)為代表，其特點是實現生產線柔性化及自動化，其技術已日趨成熟，迄今已進入實用化階段。

(4)柔性制造工廠(fmf):fmf是將多條fms連接起來，配以自動化屯體倉庫，用計算機系統進行聯系，采用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發貨的完整f m s。它包括了cad／cam，并使計算機集成制造系統(cims)投入實際，實現生產系統 柔性化及自動化，進而實現全廠范圍的生產管理、產品加工及物料貯運進程的全盤化。fmf是自動化生產的最高水平，反映出世界上最先進的自動化應用技術。它是將制造、產品開發及經營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質流的智能制造系統(ims)為代表，其特點是實現工廠柔性化及自動化[8]。

2.2柔性制造所采用的關鍵技術

1.計算機輔助設計未來cad技術發展將會引入專家系統，使之具有智能化，可處理各種復雜的問題。當前設計技術最新的一個突破是光敏立體成形技術，該項新技術是直接利用cad數據，通過計算機控制的激光掃描系統，將二維數字模型分成若干層二維片狀圖形，并按二維片狀圖彤對池內的光敏樹脂液面進行光學掃描，被掃描到的液面則變成固化塑料，如此循環操作，逐層掃描成形，并自動地將分層成形的各斤狀固化塑料粘合在一起，僅需確定數據，數小時內便呵制出精確的原型。它有助于加快開發新產品和研制新結構的速度。

2.模糊控制技術模糊數學的實際應用是模糊控制器。最近開發出的高性能模糊摔制器具有自學習功能，可在控制過程中不斷獲取新的信息井自動地對控制量作調整，使系統性能大為改善，其中尤其以基于人工神經網絡的自學方法更引起人們極大的關注。

3.人工智能、專家系統及智能傳感器技術迄今，柔性制造技術中所采用的人工智能大多指基礎規則的專家系統。專家系統利用專家知識和推理規則進行推理，求解各類問題（如解釋、預測，診斷、查找故障、設汁、計劃、監視、修復、命 令及控制等）。由于專家系統能簡便地將各種事實及經驗證過的理論與通過經驗獲得的知識相結合，因而專家系統為柔性制造的諸方面工作增強綜合性。展望未來，以知識密集為特征，以知識處理為手段的人工智能（包括專家系統）技術必將在柔性制造(尤其智能型)中起著非常重要的關鍵性的作用。目前對未來智能化柔性制造技術具有重要意義的一個正在急速發展的領域是智能傳感器技術。該項技術是伴隨計算機應用技術和人工智能產生的，它使傳感器具有內在的“決策”功能。

4.人工神經網絡技術人工神經網絡(ann)是模擬智能生物的神經網絡對信息進行并處理的一種方法。故人工神經網絡也就是一種人工智能工具。在自動控制領域，神經網絡不久將并列到專家系統和模糊控制系統，成為現代自動化系統中的一個組成部分[9]。

3.國內現代制造技術狀況

近年來，世界各國都投入了巨大的財力和物力，強化作為光機電一體化制造業基礎的先進制造業的技術和產業發展的戰略研究。美國、德 國、日 本 等 國 已 經 開 發 出 了 數 控（nc）、計算機數控（cnc）、直接數控（cam）、計算機集成制造系統（cims）、制造資源規則（mrp）、柔性制造單元（tmc）、柔性制造系統（fms）、機器人、計算機輔助設計／制造（cad／cam）、精益生產（lp）、智能制造系統（ms）、并行工程（ce）和敏捷制造（am）等多項現代制造技術與制造模式。這些技術的推廣與應用，不僅使本國企業的國際競爭力得到鞏固，也使得世界先進制造業發展迅猛[10]。我國制造業市場的巨大潛力，為現代制造技術發展提供了廣闊的市場空間。但是，與制造業發達國家和地區相比，國內的現代制造技術的研發與市場拓展還不均衡。其中，國內機械基礎件制造行業中的數控化率極低，不足1.6%，先進加工工藝、技術和裝備的普及程度不足10 % ；cad／cam 系統應用的普及率在國內骨干企業僅有35%，產業規模較小。另外，在相關行業中如印刷業、電力行業和醫療器械行業等，技術裝備的低數控化率也遠不能滿足市場對中高檔先進產品的需求。縱觀國際制造業的競爭與發展，面對國際、國內兩個制造業市場的日漸融合，如何立足國內制造業的市場需求，整合分散的科研與企業資源，盡快形成自己在先進制造產業競爭中的技術優勢，已經是擺在我國制造業面前的迫在眉睫的課題了[11]。

總之，重視制造業和現代制造技術已成為全球化的大趨勢。現代制造技術不是一項具體技術，而是利用系統工程技術將各種相關技術集成的一個有機整體；現代制造技術是一種動態技術，而不是一成不變的，它需要不斷吸收各種高新技術成果，并將其滲透到產品的所有領域，結合成一個有機整體，實現優質、高效、低耗、清潔和靈活的生產[12]；現代制造技術的目的是提高制造業的綜合效益，其不摒棄傳統技術，而是有賴于不斷用科技新手段去研究它和傳承它，并應用科技新成果去改造它和充實它；現代制造技術在強調環境保護的同時，還強調各專業學科之間的相互滲透、融合和淡化，并消除其間的界限。我國先進制造技術的發展應結合自身的特點，形成特色，大力發展一些關鍵前沿技術，比如新一代材料成型技術、微米及納米技術、快速原型制造以及智能制造等[13]。在不久的將來，現代制造技術將得到更大的發展和壯大，發展和應用先進制造技術是每個國家為提高企業的國際競爭力和技術創新能力的必然選擇。

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