智能制造自動化

　　智能制造源于人工智能的研究。一般認為智能是知識和智力的總和，前者是智能的基礎，后者是指獲取和運用知識求解的能力。智能制造應當包含智能制造技術和智能制造系統，智能制造系統不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能，還有搜集與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。

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）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。它把制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化。

談起智能制造，首先應介紹日本在1990年4月所倡導的“智能制造系統IMS”國際合作研究計劃。許多發達國家如美國、歐洲共同體、加拿大、澳大利亞等參加了該項計劃。該計劃共計劃投資10億美元，對100個項目實施前期科研計劃。

毫無疑問，智能化是制造自動化的發展方向。在制造過程的各個環節幾乎都廣泛應用人工智能技術。專家系統技術可以用于工程設計，工藝過程設計，生產調度，故障診斷等。也可以將神經網絡和模糊控制技術等先進的計算機智能方法應用于產品配方，生產調度等，實現制造過程智能化。而人工智能技術尤其適合于解決特別復雜和不確定的問題。但同樣顯然的是，要在企業制造的全過程中全部實現智能化，如果不是完全做不到的事情，至少也是在遙遠的將來。有人甚至提出這樣的問題，下個世紀會實現智能自動化嗎？而如果只是在企業的某個局部環節實現智能化，而又無法保證全局的優化，則這種智能化的意義是有限的。

2015年9月10日，工業和信息化部公布了2015年智能制造試點示范項目名單，全國范圍內遴選出的46個智能制造試點示范項目進入該名單，其涉及了38個行業、21個地區。

工信部在2015年啟動實施“智能制造試點示范專項行動”，主要是直接切入制造活動的關鍵環節，充分調動企業的積極性，注重試點示范項目的成長性，通過點上突破，形成有效的經驗與模式，在制造業各個領域加以推廣與應用。

工信部部長苗圩在會議上表示，智能制造日益成為未來制造業發展的重大趨勢和核心內容，也是加快發展方式轉變，促進工業向中高端邁進、建設制造強國的重要舉措，也是新常態下打造新的國際競爭優勢的必然選擇。而推進智能制造是一項復雜而龐大的系統工程，也是一件新生事物，這需要一個不斷探索、試錯的過程，難以一蹴而就，更不能急于求成。為此，“要用好試點示范這個重要抓手。”

DNC早期只是作為解決數控設備通訊的網絡平臺，隨著客戶的不斷發展和成長，僅僅解決設備聯網已遠遠不能滿足現代制造企業的需求。早在90年代初，美國Predator Software INC就賦予DNC更廣闊的內涵—生產設備和工位智能化聯網管理系統，這也是全球范圍內最早且使用最成熟的“物聯網”技術——車間內“物聯網”，這也使得DNC成為離散制造業MES系統必備的底層平臺。DNC必須能夠承載更多的信息。同時DNC系統必須能有效的結合先進的數字化的數據錄入或讀出技術，如條碼技術、射頻技術、觸屏技術等，幫助企業實現生產工位數字化。

DNC系統的基本功能既是使用1臺服務器，對企業生產現場所有數控設備進行集中智能化聯網管理（目前已能在64位機上實現對4096臺設備集中聯網管理）。所有程序編程人員可以在自己的PC上進行編程，并上傳至DNC服務器指定的目錄下，而后現場設備操作者即可通過設備CNC控制器發送“下載（LOAD）”指令，從服務器中下載所需的程序，待程序加工完畢后再通過DNC網絡回傳至服務器中，由程序管理員或工藝人員進行比較或歸檔。這種方式首先大大減少了數控程序的準備時間，消除了人員在工藝室與設備端的奔波，并且可完全確保程序的完整性和可靠性，消除了很多人為導致的“失誤”，最重要的是通過這套成熟的系統，將企業生產過程中所使用的所有NC程序都能合理有效的集中管理起來。

從廣義概念上來理解，CIMS（計算機集成制造系統），敏捷制造等都可以看作是智能自動化的例子。的確，除了制造過程本身可以實現智能化外，還可以逐步實現智能設計，智能管理等，再加上信息集成，全局優化，逐步提高系統的智能化水平，最終建立智能制造系統。這可能是實現智能制造的一種可行途徑。

共有幾種先進制造模式：

多智能體（Multi-Agent）系統

Agent原為代理商，是指在商品經濟活動中被授權代表委托人的一方。后來被借用到人工智能和計算機科學等領域，以描述計算機軟件的智能行為，稱為智能體。1992年曾經有人預言：“基于Agent的計算將可能成為下一代軟件開發的重大突破。"隨著人工智能和計算機技術在制造業中的廣泛應用，多智能體系統技術對解決產品設計、生產制造乃至產品的整個生命周期中的多領域間的協調合作提供了一種智能化的方法，也為系統集成、并行設計，并實現智能制造提供了更有效的手段。

整子系統（Holonic System）

整子系統的基本構件是整子（Holon）。Holon是從希臘語借過來的，人們用Holon表示系統的最小組成個體，整子系統就是由很多不同種類的整子構成。整子的最本質特征是：

●自治性，每個整子可以對其自身的操作行為作出規劃，可以對意外事件（如制造資源變化、制造任務貨物要求變化等）作出反應，并且其行為可控；

●合作性，每個整子可以請求其它整子執行某種操作行為，也可以對其他整子提出的操作申請提供服務；

●智能性，整子具有推理、判斷等智力，這也是它具有自治性和合作性的內在原因。整子的上述特點表明，它與智能體的概念相似。由于整子的全能性，有人把它也譯為全能系統。

整子系統的特點是：

●敏捷性，具有自組織能力，可快速、可靠地組建新系統。

●柔性，對于快速變化的市場、變化的制造要求有很強的適應性。

除此之外，還有生物制造、綠色制造、分形制造等模式。

制造模式主要反映了管理科學的發展，也是自動化、系統技術的研究成果，它將對各種單元自動化技術提出新的課題，從而在整體上影響到制造自動化的發展方向。

展望未來，21世紀的制造自動化將沿著歷史的軌道繼續前進。

智能制造的基本原理

從智能制造系統的本質特征出發，在分布式制造網絡環境中，根據分布式集成的基本思想，應用分

智能制造

智能制造

布式人工智能中多Agent系統的理論與方法，實現制造單元的柔性智能化與基于網絡的制造系統柔性智能化集成。根據分布系統的同構特征，在智能制造系統的一種局域實現形式基礎上，實際也反映了基于Internet的全球制造網絡環境下智能制造系統的實現模式。

分布式網絡化的基本構思

智能制造系統的本質特征是個體制造單元的“自主性”與系統整體的“自組織能力”，其基本格局是分布式多自主體智能系統。基于這一思想，同時考慮基于Internet的全球制造網絡環境，可以提出適用于中小企業單位的分布式網絡化IMS的基本構架。一方面通過Agent賦予各制造單元以自主權，使其自治獨立、功能完善；另一方面，通過Agent之間的協同與合作，賦予系統自組織能力。

基于以上構架，結合數控加工系統，開發分布式網絡化原型系統相應的可由系統經理、任務規劃、設計和生產者等四個結點組成。

系統經理結點包括數據庫服務器和系統Agent兩個數據庫服務器，負責管理整個全局數據庫，可供原型系統中獲得權限的結點進行數據的查詢、讀取，存儲和檢索等操作，并為各結點進行數據交換與共享提供一個公共場所，系統Agent則負責該系統在網絡與外部的交互，通過Web服務器在Internet上發布該系統的主頁，網上用戶可以通過訪問主頁獲得系統的有關信息，并根據自己的需求，以決定是否由該系統來滿足這些需求，系統Agent還負責監視該原型系統上各個結點間的交互活動，如記錄和實時顯示結點間發送和接受消息的情況、任務的執行情況等。

任務規劃結點由任務經理和它的代理（任務經理Agent）組成，其主要功能是對從網上獲取的任務進行規劃，分解成若干子任務，然后通過招標——投標的方式將這些任務分配個各個結點。

設計結點由CAD工具和它的代理（設計Agent）組成，它提供一個良好的人機界面以使設計人員能有效地和計算機進行交互，共同完成設計任務。CAD工具用于幫助設計人員根據用戶要求進行產品設計；而設計Agent則負責網絡注冊、取消注冊、數據庫管理、與其他結點的交互、決定是否接受設計任務和向任務發送者提交任務等事務。

生產者結點實際是該項目研究開發的一個智能制造系統（智能制造單元），包括加工中心和它的網絡代理（機床Agent）。該加工中心配置了智能自適應。該數控系統通過智能控制器控制加工過程，以充分發揮自動化加工設備的加工潛力，提高加工效率；具有一定的自診斷和自修復能力，以提高加工設備運行的可靠性和安全性；具有和外部環境交互的能力；具有開放式的體系結構以支持系統集成和擴展

智能制造淵于人工智能的研究。人工智能就是用人工方法在計算機上實現的智能。隨著產品性能的完善化及其結構的復雜化、精細化，以及功能的多樣化，促使產品所包含的設計信息和工藝信息量猛增，隨之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。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。 縱覽全球，雖然總體而言智能制造尚處于概念和實驗階段，但各國政府均將此列入國家發展計劃，大力推動實施。1992年美國執行新技術政策，大力支持被總統稱之的關鍵重大技術（Critical Techniloty），包括信息技術和新的制造工藝，智能制造技術自在其中，美國政府希望借助此舉改造傳統工業并啟動新產業。

加拿大制定的1994~1998年發展戰略計劃，認為未來知識密集型產業是驅動全球經濟和加拿大經濟發展的基礎，認為發展和應用智能系統至關重要，并將具體研究項目選擇為智能計算機、人機界面、機械傳感器、機器人控制、新裝置、動態環境下系統集成。

日本1989年提出智能制造系統，且于1994年啟動了先進制造國際合作研究項目，包括了公司集成和全球制造、制造知識體系、分布智能系統控制、快速產品實現的分布智能系統技術等。

歐洲聯盟的信息技術相關研究有ESPRIT項目，該項目大力資助有市場潛力的信息技術。1994年又啟動了新的R&D項目，選擇了39項核心技術，其中三項（信息技術、分子生物學和先進制造技術）中均突出了智能制造的位置。

中國80年代末也將“智能模擬”列入國家科技發展規劃的主要課題，已在專家系統、模式識別、機器人、漢語機器理解方面取得了一批成果。國家科技部正式提出了“工業智能工程”，作為技術創新計劃中創新能力建設的重要組成部分，智能制造將是該項工程中的重要內容。

由此可見，智能制造正在世界范圍內興起，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

智能裝備面向傳統產業改造提升和戰略性新興產業發展需求，重點包括智能儀器儀表與控制系統、關鍵零部件及通用部件、智能專用裝備等。它能實現各種制造過程自動化、智能化、精益化、綠色化，帶動裝備制造業整體技術水平的提升。

中國機械科學研究總院原副院長屈賢明指出，現今國內裝備制造業存在自主創新能力薄弱、高端制造環節主要由國外企業掌握、關鍵零部件發展滯后、現代制造服務業發展緩慢等問題。而中國裝備制造業“由大變強”的標志包括：國際市場占有率處于世界**，超過一半產業的國際競爭力處于世界前三，成為影響國際市場供需平衡的關鍵產業，擁有一批國際競爭力和市場占有率處于全球前列的***裝備制造基地，原始創新突破，一批**、原創裝備問世等多個方面。該領域的研究中心有國家重大技術裝備獨立第三方研究中心-中國重大機械裝備網。

在“十二五”期間，我國對智能裝備研發的財政支持力度將繼續增大，智能裝備產業發展重點將明確，“十二五”期間，國內智能裝備的重點工作是要突破新型傳感器與儀器儀表等核心關鍵技術，推進國民經濟重點領域的發展和升級。

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，取代或延伸制造環境中人的部分腦力勞動，同時，收集、存儲、完善、共享、繼承和發展人類專家的制造智能。由于這種制造模式，突出了知識在制造活動中的價值地位，而知識經濟又是繼工業經濟后的主體經濟形式，所以智能制造就成為影響未來經濟發展過程的制造業的重要生產模式。智能制造系統是智能技術集成應用的環境，也是智能制造模式展現的載體。

一般而言，制造系統在概念上認為是一個復雜的相互關聯的子系統的整體集成，從制造系統的功能角度，可將智能制造系統細分為設計、計劃、生產和系統活動四個子系統。在設計子系統中，智能制定突出了產品的概念設計過程中消費需求的影響；功能設計關注了產品可制造性、可裝配性和可維護及保障性。另外，模擬測試也廣泛應用智能技術。在計劃子系統中，數據庫構造將從簡單信息型發展到知識密集型。在排序和制造資源計劃管理中，模糊推理等多類的專家系統將集成應用；智能制造的生產系統將是自治或半自治系統。在監測生產過程、生產狀態獲取和故障診斷、檢驗裝配中，將廣泛應用智能技術；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。

由此可見，IMS理念建立在自組織、分布自治和社會生態學機理上，目的是通過設備柔性和計算機人工智能控制，自動地完成設計、加工、控制管理過程，旨在解決適應高度變化環境的制造的有效性。

智能制造和傳統的制造相比，智能制造系統具有以下特征：

自律能力

即搜集與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。具有自律能力的設備稱為“智能機器”，“智能機器”在一定程度上表現出獨立性、自主性和個性，甚至相互間還能協調運作與競爭。強有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎。

人機一體化

IMS不單純是“人工智能”系統，而是人機一體化智能系統，是一種混合智能。基于人工智能的智能機器只能進行機械式的推理、預測、判斷，它只能具有邏輯思維（專家系統），最多做到形象思維（神經網絡），完全做不到靈感（頓悟）思維，只有人類專家才真正同時具備以上三種思維能力。因此，想以人工智能全面取代制造過程中人類專家的智能，獨立承擔起分析、判斷、決策等任務是不現實的。人機一體化一方面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，更好地發揮出人的潛能，使人機之間表現出一種平等共事、相互“理解”、相互協作的關系，使二者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。

因此，在智能制造系統中，高素質、高智能的人將發揮更好的作用，機器智能和人的智能將真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。

虛擬現實（Virtual Reality）技術

這是實現虛擬制造的支持技術，也是實現高水平人機一體化的關鍵技術之一。虛擬現實技術是以計算機為基礎，融信號處理、動畫技術、智能推理、預測、仿真和多媒體技術為一體；借助各種音像和傳感裝置，虛擬展示現實生活中的各種過程、物件等，因而也能擬實制造過程和未來的產品，從感官和視覺上使人獲得完全如同真實的感受。但其特點是可以按照人們的意愿任意變化，這種人機結合的新一代智能界面，是智能制造的一個顯著特征。

自組織與超柔性

智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**結構，其柔性不僅表現在運行方式上，而且表現在結構形式上，所以稱這種柔性為超柔性，如同一群人類專家組成的群體，具有生物特征。

學習能力與自我維護能力

智能制造系統能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能。同時，在運行過程中自行故障診斷，并具備對故障自行排除、自行維護的能力。這種特征使智能制造系統能夠自我優化并適應各種復雜的環境。

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測控裝置