智能制造应当包含智能制造技(intelligent manufacturing technology，IMT )和智能制造系统( intelligent manufacturing system ，IMS) 。
智能制造技术是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动, 并将这些智能活动与智能机器有机地融合起来, 将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统(如经营决策、采购、产品设计、生产计划、制造、装配、质量保证和市场销售等), 以实现整个制造企业经营运作的高度柔性化和集成化, 从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动, 并对制造业专家的智能信息进行收集、存储、完善、共享、继承和发展的一种极大地提高生产效率的先进制造技术。
智能制造系统是指基于IMT, 利用计算机综合应用人工智能技术(如人工神经网络、遗传算法等) 、智能制造机器、代理(agent)技术、材料技术、现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、并行工程、生命科学和系统工程理论与方法, 在国际标准化和互换性的基础上, 使整个企业制造系统中的各个子系统分别智能化, 并使制造系统形成由网络集成的、高度自动化的一种制造系统。
IMS 是智能技术集成应用的环境, 也是智能制造模式展现的载体。IMS 理念建立在自组织、分布自治和社会生态学机制上, 目的是通过设备柔性和计算机人工智能控制, 自动地完成设计、加工、控制管理过程,旨在解决适应高度变化的环境制造的有效性。
由于智能制造模式突出了知识在制造活动中的价值地位, 而知识经济又是继工业经济后的主体经济形式, 所以智能制造就成为影响未来经济发展过程的制造业的重要生产模式。
2 研究内容及方向
根据国内现有的工作基础和国家的需要, 以及IMT&IMS研究与开发工作的特点, 我们认为近期的研究点应该放在IMT&IMS的关键基础技术上, 它主要智能制造系统理论基础与设计技术、制造智能理论及处理技术、智能制造单元技术的集成等。
2.1 智能制造系统理论基础与设计技术
2.11 体系结构与发展战略
需要继续完善发展IMS概念体系, 继续研究IMS的系统组成和发展方向以及跟踪国际上该领域的研究前沿。
2.12 开发环境与设计方法学
IMS的开发与设计方法将有别于现有任何制造系统的设计方法, 因为IMS是面向整个制造过程的系统和各个环节的“智能化” 的。因此, 有必要研究IMS的设计策略和开发环境(包括开发语言、操作系统、开发工具等)。必须强调IMS设计过程的标准化、模块化和通用化。
2.13 评价技术
研究制造过程中的设计评价、生产评价、材料评价、管理评价、市场评价、经济评价、报价评价和功能评价等问题。
2.2 制造智能理论及处理技术
现代工业生产作为一个有机整体不仅是指各制造环节之间存在的技术型联系, 而且还表现在人类专家的制造智能的统一体特性方面。制造智能理论及处理技术就是要研究整个制造环境中的各种智能源的开发、描述、集成、共享与处 理, 最后生成智能机器的智能活动, 具体研究内容包括:
2.21 制造环境的描述与建模
研究描述制造环境的一致性概念体系、制造过程建模, 影响制造过程的多因素分析与不确定性处理。
2.22 制造智能处理技术重点研究制造智能源的开发与获取、制造智能的表示、制造智能的集成与共享。
2.23 智能活动的生成与融合研究智能活动的生成策略, 智能活动的机器化技术。
2.3 智能制造单元技术的集成
近10年来, 人工智能在制造领域中的应用研究取得较大进展, 建立了一些智能制造单元技术。为了应用于实际制造过程和面向21世纪制造工业, 这些单元技术除了需要进一步完善与发展外, 更重要的是研究如何集成这些单元技术。
2.31 并行智能设计
并行工程方法学这一概念是1986年由美国国防部定义, 并首先应用于美国军事武器系统开发计划DOS CALS的。为了制造过程的设计阶段能有效地模仿由来自各环节制造专家组成的专家组的智能行为, 集成和共享各环节与各方面的制造智能, 并行地开展产品环节的设计工作, 必须研究并行智能设计的支撑环境、产品描述的统一模型、设计智能交互和并行智能设计方法学。
2.32 生产过程的智能调度、规划、仿真与优化
现代生产过程要面临多信息源、多因素、多对象的及时处理问题, 生产过程的调度与规划中的智能决策问题的研究是迫在眉睫的。仿真与优化是实现设计和过程评估的有效途径。目前, 更强调对设计、制造、装配、使用、维修等过程的优化与动态仿真。
2.33 产品质量信息的智能处理系统
研究整个制造过程的“全质量”模型和建立相应的质量数据库, 研究质量状态的智能决策和质量过程的智能控制。
2.34 制造过程与系统的智能监视、诊断、补偿与控制
研究面向在强干扰、多因素条件下监视与诊断模型, 研究制造过程的动态辨识与自适应技术。
2.35 生产与经营竹理的智能决策系统
研究多因素、多目标智能决策模型, 研究生产过程的实时跟踪技术, 研究产品市场评估与预测模型。
2.4 知识库系统与网络技术
知识库系统与信息网络技术是制造过程的系统与各环节“集成智能化” 的支撑, 在IMT&IMS研究中占有垂要地位。
2.41 分布式异构联想知识库
系统研究知识库异构、知识库分布式策略与维修、知识库联想和分布数据库技术。
2.42 信息控制与网络通讯技术
研究IMS中各种信息的交换接口、网络通讯技术、系统操作控制策略。
2.5 智能机器的设计
智能机器是IMS中模仿人类专家智能活动的工具之一, 是新一代的制造工具, 因而, 研究智能机器的设计方法及其相关技术将有划时代的意义。
2.51 机器人智能技术
智能机器人将在IMS中占有重要的地位,主要体现在机器的视觉和机器人控制两个方而、有必要研究智能机器眼(视觉)、信声仓感知与钾能传感器、智能机器手(控制)和智能机器的自适应定位与夹具设计等技术。
2.52 机器自学习与自维护技术
研究智能机器的自适应学习模型, 系统误差的自动恢复与维护技术。
2.53 智能制造单元机的设计与制造
研究智能制造单元机的结构组成与设计方法、新型材料的应用技术。
2.6 制造中人的因素
IMS的宗旨之一就是减轻人类制造专家的艰苦的脑力劳动负担, 因此, 与脑力劳动有密切联系的制造中人的因素理应受到充分的重视, 研究内容包括：
2.61 人一系统柔性交互技术
研究人一系统柔性、联想、容错交互模型以及交互环境。
2.62 未来制造环境的设计
研究人在未来制造环境中的地位和作用以及未来舒适、友好的制造环境的设计。
2.63 人才培养与教学系统研究面向IMT&IMS的人才培养计划, 研制教学示范系统。
3 智能制造系统的构成及典型结构
由于IMS 结构体系尚处于研究阶段, 在此只作简单探讨。从智能组成方面考虑, IMS 是一个复杂的智能系统, 它是由各种智能子系统按层次递阶组成, 构成智能递阶层次模型。该模型最基本的结构称为元智能系统(Meta - Intelligent Manufacturing System，M-IS)。其结构如图所示, 大致分为三级：学习维护级、决策组织级和调度执行级。
图1 M-IS 结构图
学习维护级, 通过对环境的识别和感知, 实现对M-IS进行更新和维护, 包括更新知识库、更新知识源, 更新推理规则以及更新规则可信度因子等; 决策组织级, 主要接受上层M-IS下达的任务, 根据自身的作业和环境状况, 进行规划和决策, 提出控制策略。在IMS中的每个M-IS的行为都是上层M-IS的规划调度与自身自律共同作用的结果, 上层M-IS的规划调度是为了确保整个系统能有机协同地工作,而M-IS自身的自律控制则是为了根据自身状况和复;M-IS是智能系统的基本框架,各种具体的智能系统;从智能制造的系统结构方面来考虑,未来智能制造系统;4智能制造系统的特点;和传统的制造系统相比,IMS具有以下几个特征:;(1)自组织能力;IMS中的各种组成单元能够根据工作任务的需要,自;(2)自律能力;IMS具有搜集与理解环境信息及自身的信息,并进行;(3)而M-IS自身的自律控制则是为了根据自身状况和复杂多变的环境, 寻求最佳途径完成工作任务。因此, 决策组织级要求有较强的推理决策能力;调度执行级, 完成由决策组织级下达的任务, 并调度下一层的若干个M-IS并行协同作业。
M-IS是智能系统的基本框架, 各种具体的智能系统是在此M-IS基础之上, 对其扩充。具备这种框架的智能系统具有以下特点：①决策智能化;②可构成分布式并行智能系统 ;③具有参与集成的能力 ; ④具有可组织性和自学习、自维护能力。
从智能制造的系统结构方面来考虑, 未来智能制造系统应为分布式自主制造系统(Distributed Autonomous Manufacturing System)。该系统由若干个智能施主(Intelligent Agent)组成。根据生产任务细化层次的不同, 智能施主可以分为不同的级别。如一个智能车间可称为一个施主, 它调度管理车间的加工设备, 它以车间级施主身份参与整个生产活动 同时对于一个智能车间而言, 其间的智能加工设备也可称为智能施主, 它们直接承担加工任务。无论哪一级别的施主, 它与上层控制系统之间通过网络实现信息的联接, 各智能加工设备之间通过自动引导小车(AGV)实现物质传递。在这样的制造环境中, 产品的生产过程为 通过并行智能设计出的产品, 经过IMS智能规划, 将产品的加工任务分解成一个个子任务, 控制系统将子任务通过网络向相关施主“广播”。若某个施主具有完成此子任务的能力, 而且当前空闲, 则该施主通过网络向控制系统投出一份“标书” 。“标书”中包含了该施主完成此任务的有关技术指标, 如加工所需时间, 加工所能达到的精度等内容。如果同时有多个施主投出“标书” , 那么, 控制系统将对各个投标者从加工效率、加工质量等方面加以仲裁, 以决定“ 中标”施主。“中标”施主若为底层施主(加工设备), 则施主申请, 由(AGV)将被加工工件送向“中标”的加工设备, 否则,“中标”施主还将子任务进一步细分, 重复以上过程, 直至任务到达底层施主。这样, 整个加工过程, 通过任务广播、投标、仲裁、中标, 实现生产结构的自组织。
4智能制造系统的特点
和传统的制造系统相比, IMS具有以下几个特征:
( 1) 自组织能力
IMS中的各种组成单元能够根据工作任务的需要, 自行集结成一种超柔性最佳结构, 并按照最优的方式运行。其柔性不仅表现在运行方式上, 还表现在结构形式上。完成任务后, 该结构自行解散, 以备在下一个任务中集结成新的结构。自组织能力是IMS的一个重要标志。
( 2) 自律能力
IMS具有搜集与理解环境信息及自身的信息, 并进行分析判断和规划自身行为的能力。强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。IMS能根据周围环境和自身作业状况的信息进行监测和处理, 并根据处理结果自行调整控制策略, 以采用最佳运行方案。这种自律能力使整个制造系统具备抗干扰自适应和容错等能力
( 3) 自学习和自维护能力
IMS能以原有的专家知识为基础, 在实践中不断进行学习, 完善系统的知识库, 并删除库中不适用的知识, 使知识库更趋合理; 同时, 还能对系统故障进行自我诊断、排除及修复。这种特征使IMS能够自我优化并适应各种复杂的环境。 ( 4) 整个制造系统的智能集成IMS在强调各个子系统智能化的同时, 更注重整个制造系统的智能集成。这是IMS 与面向制造过程中特定应用的“智能化孤岛”的根本区别。IMS包括了各个子系统, 并把它们集成为一个整体, 实现整体的智能化。
( 5) 人机一体化智能系统
IMS不单纯是 “人工智能”系统, 而是人机一体化智能系统, 是一种混合智能。人机一体化一方面突出人在制造系统中的核心地位, 同时在智能机器的配合下, 更好地发挥了人的潜能, 使人机之间表现出一种平等共事、相互 “理解”、相互协作的关系, 使两者在不同的层次上各显其能, 相辅相成。因此, 在IMS 中, 高素质、高智能的人将发挥更好的作用, 机器智能和人的智能将真正地集成在一起。
( 6) 虚拟现实
这是实现虚拟制造的支持技术, 也是实现高水平人机一体化的关键技术之一。人机结合的新一代智能界面, 使得可用虚拟手段智能地表现现实, 它是智能制造的一个显著特征。综上所述, 可以看出IMS作为一种模式, 它是集自动化、柔性化、集成化和智能化于一身, 并不断向纵深发展的先进制造系统。
