智能制造技術(shù)基礎(chǔ) 第五章 智能制造系統(tǒng)

第5章 智能制造系統(tǒng)智能制造系統(tǒng)的定義及特征智能制造系統(tǒng)體系架構(gòu)智能制造系統(tǒng)調(diào)度控制智能制造系統(tǒng)供應(yīng)鏈管理智能管理與服務(wù)5.1智能制造系統(tǒng)的定義及特征1）智能制造系統(tǒng)的產(chǎn)生背景智能制造系統(tǒng)（Intelligent

Manufacturing

System，簡(jiǎn)稱IMS）是適應(yīng)傳統(tǒng)制造領(lǐng)域以下幾方面的情況需要而發(fā)展起來(lái)的，一方面是制造信息的爆炸性的增長(zhǎng)，以及處理信息的工作量猛增，這些要求制造系統(tǒng)表現(xiàn)出更大的智能；另一方面是專業(yè)人才的缺乏和專門(mén)知識(shí)的短缺，嚴(yán)重制約了制造工業(yè)的發(fā)展，在發(fā)展中國(guó)家是如此，而在發(fā)達(dá)國(guó)家，由于制造企業(yè)向第三世界轉(zhuǎn)移，同樣也造成本國(guó)技術(shù)力量的空虛；第三是多變的激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求制造企業(yè)在生產(chǎn)活動(dòng)中表現(xiàn)出更高的敏捷性和智能化；第四是CIMS、ERP及PDM的實(shí)施和制造業(yè)的全球化的發(fā)展，遇到的“自動(dòng)化孤島”的聯(lián)接和全局優(yōu)化問(wèn)題，以及各國(guó)，各地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)和人機(jī)接口的統(tǒng)一問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決依賴于智能制造技術(shù)的發(fā)展。。2）智能制造系統(tǒng)的定義智能制造系統(tǒng)的定義是：在制造過(guò)程中，采用高度集成且柔性的方式，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)人腦的分析、判斷、思考和決策等行為進(jìn)行模擬，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造環(huán)境中部分腦力勞動(dòng)的延伸或取代。據(jù)此定義，智能制造系統(tǒng)由智能制造模式、智能生產(chǎn)和智能產(chǎn)品組成。其中，智能產(chǎn)品可在產(chǎn)品生產(chǎn)和使用中展現(xiàn)出自我感知、診斷、適應(yīng)和決策等一系列智能特征，且其實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的主動(dòng)配合制造；智能生產(chǎn)是組成智能制造系統(tǒng)最為核心的內(nèi)容，其是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝和生產(chǎn)的智能化；智能制造是通過(guò)將智能技術(shù)和管理方法引入制造車(chē)間，以優(yōu)化生產(chǎn)資源配置、優(yōu)化調(diào)度生產(chǎn)任務(wù)與物流、精細(xì)化管理生產(chǎn)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)智慧決策。加快推進(jìn)智能制造，是實(shí)施中國(guó)制造2025的主攻方向，是落實(shí)工業(yè)化和信息化深度融合，打造制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略舉措，更是我國(guó)制造業(yè)緊跟世界發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵所在。為解決標(biāo)準(zhǔn)缺失、滯后以及交叉重復(fù)等問(wèn)題，指導(dǎo)當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工作，根據(jù)《中國(guó)制造2025》的戰(zhàn)略部署，工業(yè)和信息化部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同組織制定了《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》。該指南重點(diǎn)研究了智能制造在兩個(gè)領(lǐng)域的幅度與界定，一方面是指基于裝備的硬件智能制造，即智能制造技術(shù)，另一方面，是基于管理系統(tǒng)的軟件智能制造管理系統(tǒng)，即：智能制造系統(tǒng)。3、智能制造系統(tǒng)的特征與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比智能制造系統(tǒng)具有以下特征：自組織能力自組織能力是指IMS中的各種智能設(shè)備，能夠按照工作任務(wù)的要求，自行集結(jié)成一種最合適的結(jié)構(gòu)，并按照最優(yōu)的方式運(yùn)行。完成任務(wù)以后，該結(jié)構(gòu)隨即自行解散，以備在下一個(gè)任務(wù)中集結(jié)成新的結(jié)構(gòu)。自組織能力是IMS的一個(gè)重要標(biāo)志。自律能力IMS能根據(jù)周?chē)h(huán)境和自身作業(yè)狀況的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理，并根據(jù)處理結(jié)果自行調(diào)整控制策略，以采用最佳行動(dòng)方案。這種自律能力使整個(gè)制造系統(tǒng)具備抗干擾、自適應(yīng)和容錯(cuò)等能力。自學(xué)習(xí)和自維護(hù)能力IMS能以原有專家知識(shí)為基礎(chǔ)，在實(shí)踐中，不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)，完善系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，并刪除庫(kù)中錯(cuò)誤的知識(shí)，使知識(shí)庫(kù)趨向最優(yōu)。同時(shí)，還能對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行自我診斷、排除和修復(fù)。整個(gè)制造環(huán)境的智能集成IMS在強(qiáng)調(diào)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)智能化的同時(shí)，更注重整個(gè)制造環(huán)境的智能集成。這是IMS與面向制造過(guò)程中的特定環(huán)節(jié)、特定問(wèn)題的“智能化孤島”的根本區(qū)別，IMS涵蓋了產(chǎn)品的市場(chǎng)、開(kāi)發(fā)，制造，服務(wù)與管理整個(gè)過(guò)程，并把它們集成為一個(gè)整體，系統(tǒng)地加以研究，實(shí)現(xiàn)整體的智能化。5.2.2

IMS涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)1、無(wú)線射頻技術(shù)（RFID）近年來(lái)，趨于成熟的RFID技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別制造車(chē)間中的移動(dòng)對(duì)

象，如物料、運(yùn)輸小車(chē)、機(jī)器人等。RFID從其讀取方式、讀取范圍、信息儲(chǔ)量及工作環(huán)境等方面，可取代傳統(tǒng)的條形碼技

術(shù)。RFID可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速、高效、安全的信息識(shí)別和存儲(chǔ)，其在制造業(yè)中應(yīng)用較廣泛。2、智能機(jī)床智能機(jī)床就是對(duì)制造過(guò)程能夠做出決策的機(jī)床。它通過(guò)各類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制造的整個(gè)過(guò)程，在知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)的支持下，進(jìn)行分析和決策，控制、修正在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各類偏差。數(shù)控系統(tǒng)具有輔助編程、通信、人機(jī)對(duì)話、模擬刀具軌跡等功能。未來(lái)的智能機(jī)床都會(huì)成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上的一個(gè)終端，具有與信息物理系統(tǒng)CPS聯(lián)網(wǎng)的功能。對(duì)機(jī)床故障能進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，能為生產(chǎn)提供最優(yōu)化方案，并能實(shí)時(shí)計(jì)算出所用切削刀具、主軸、軸承和導(dǎo)軌的剩余壽命。3、智能機(jī)器人1）智能機(jī)器人定義智能機(jī)器人是智能產(chǎn)品的典型代表。智能機(jī)器人至少要具備以下3個(gè)要素：感覺(jué)要素，用來(lái)認(rèn)識(shí)周?chē)h(huán)境狀態(tài);二是運(yùn)動(dòng)要素，對(duì)外界做出反應(yīng)性動(dòng)作:三是思考要素，根據(jù)感覺(jué)要素所得到的信息，思考采用什么樣的動(dòng)作。4、常用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議在智能制造系統(tǒng)環(huán)境中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不可缺少，智能功能的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)幾乎應(yīng)用于系統(tǒng)層級(jí)的各個(gè)層次中，它通過(guò)有線、無(wú)線等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間、設(shè)備與控制系統(tǒng)之間、企業(yè)之間的互聯(lián)互通。在網(wǎng)絡(luò)層中，設(shè)備與設(shè)備的通信存在兩類協(xié)議。第一類協(xié)議是接入?yún)f(xié)議（也稱傳輸協(xié)議），負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間的組網(wǎng)及通信，這類協(xié)議包括：ZigBee，WiFi，藍(lán)牙；第二類協(xié)議是通信協(xié)議，負(fù)責(zé)通過(guò)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器、APP或設(shè)備進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，包括

HTTP，MQTT，WebSocket、XMPP、COAP。5.3智能制造系統(tǒng)調(diào)度控制智能制造系統(tǒng)的調(diào)度控制是一個(gè)基于狀態(tài)反饋的自動(dòng)控制系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)涉及調(diào)度的場(chǎng)合一般都具備動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性、離散事件、具有強(qiáng)烈的隨機(jī)擾動(dòng)性，因此調(diào)度控制問(wèn)題一直沒(méi)有得到最優(yōu)的解決方案。在經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量學(xué)術(shù)研究和生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，對(duì)于一般性的調(diào)度控制問(wèn)題已找到許多求可行解的方法。如基于排序理論的調(diào)度方法、基于規(guī)則的調(diào)度方法、基于離散事件系統(tǒng)仿真的調(diào)度方法、基于人工智能的調(diào)度方法等。目前幾種流行的調(diào)度方法從簡(jiǎn)單性、智能性、實(shí)用性、準(zhǔn)確性和可實(shí)現(xiàn)性等方面進(jìn)行了比較，如表5-2所示：智能制造系統(tǒng)供應(yīng)鏈管理制造業(yè)供應(yīng)鏈管理概念1）供應(yīng)鏈的定義制造業(yè)供應(yīng)鏈?zhǔn)且环N將供應(yīng)商、制造商、分銷商、零售商、直至最終客戶（消費(fèi)者）連成一個(gè)整體的功能網(wǎng)鏈模式，在滿足一定的客戶服務(wù)水平的條件下，為使整個(gè)供應(yīng)鏈系統(tǒng)成本達(dá)到最小，而將供應(yīng)商、制造商、倉(cāng)庫(kù)、配送中心和渠道商有效地組織在一起，共同進(jìn)行產(chǎn)品制造、轉(zhuǎn)運(yùn)、分銷及銷售的管理方法。通過(guò)分析供應(yīng)鏈的定義，供應(yīng)鏈主要包括以下三個(gè)方面的內(nèi)容：供應(yīng)鏈的參與者：主要包括供應(yīng)商、制造商、分銷商、零售商、最終客戶（消費(fèi)者）供應(yīng)鏈的活動(dòng)：原材料采購(gòu)、運(yùn)輸、加工在制品、裝配成品、銷售商品、進(jìn)入客戶市場(chǎng)供應(yīng)鏈的四種流：物料流、信息流、資金流及商流供應(yīng)鏈不僅是一條資金鏈、信息鏈、物料鏈，而且還是一條增值鏈。物料因在供應(yīng)鏈上加工、運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)而增值，給供應(yīng)鏈上的全體成員都帶來(lái)了收益，制造業(yè)供應(yīng)鏈原理描述如圖5-6所示。2）制造業(yè)供應(yīng)鏈的特征供應(yīng)鏈定義的結(jié)構(gòu)決定了它具有以下主要特征：動(dòng)態(tài)性因核心企業(yè)或成員企業(yè)的戰(zhàn)略及快速適應(yīng)市場(chǎng)需求變化的需要,供應(yīng)鏈網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)企業(yè)經(jīng)常進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整（新加入、退出或調(diào)整層次），因而供應(yīng)鏈具有明顯的動(dòng)態(tài)特性。復(fù)雜性供應(yīng)鏈上的節(jié)點(diǎn)往往由多個(gè)不同類型、不同層次的企業(yè)構(gòu)成，因而結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。面向用戶性供應(yīng)鏈的形成、運(yùn)作都是以用戶為中心而發(fā)生的。用戶的需求拉動(dòng)是供應(yīng)鏈中物流、資金流以及信息流流動(dòng)的動(dòng)力源。跨地域性供應(yīng)鏈網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)成員超越了空間的限制，在業(yè)務(wù)上緊密合作,在信息流和物流的推動(dòng)下，可進(jìn)一步擴(kuò)展為全球供應(yīng)鏈體系。結(jié)構(gòu)交叉性某一節(jié)點(diǎn)企業(yè)可能分屬為多個(gè)不同供應(yīng)鏈的成員，多個(gè)供應(yīng)鏈形成交叉結(jié)構(gòu)，這無(wú)疑增加了協(xié)調(diào)管理的復(fù)雜度。借助于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、信息化等技術(shù)，供應(yīng)鏈正向敏捷化、智能化方向快速發(fā)展。5.4.2智能供應(yīng)鏈管理針對(duì)制造業(yè)供應(yīng)鏈的現(xiàn)狀及問(wèn)題，企業(yè)必須對(duì)自身的組織機(jī)構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)支持基礎(chǔ)上，建立供應(yīng)鏈科學(xué)的管控體系及協(xié)同商務(wù)系統(tǒng)，并建立全價(jià)值鏈的集成平臺(tái)。智能供應(yīng)鏈管理是一種以多種信息技術(shù)、人工智能為支撐和手段的先進(jìn)的管理軟件和技術(shù)，它將先進(jìn)的電子商務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘、協(xié)同技術(shù)等緊密集成在一起，為企業(yè)產(chǎn)品策略性設(shè)計(jì)、資源的策略性獲取、合同的有效洽談以及產(chǎn)品內(nèi)容的統(tǒng)一管理等過(guò)程提供了一個(gè)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)雙贏的解決方案。智能供應(yīng)鏈系統(tǒng)（包括ERP、CRM、SCM、SRM、PM）與協(xié)同商務(wù)及全價(jià)值鏈集成平臺(tái)組成智能經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖5-7所示。5.4.3多智能體在供應(yīng)鏈中的應(yīng)用隨著企業(yè)信息化和業(yè)務(wù)數(shù)字化應(yīng)用的日益深入，特別是線上業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營(yíng)范圍的不斷擴(kuò)大，信息的處理規(guī)模、關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及供需的動(dòng)態(tài)特征等因素已經(jīng)成為供應(yīng)鏈管理的難題。多智能體（Multi-Agent，MA）技術(shù)具有分布性、自治性、移動(dòng)性、智能性和自主學(xué)習(xí)性等優(yōu)點(diǎn)比較適用于跨越企業(yè)邊界的、處于復(fù)雜環(huán)境的供應(yīng)鏈管理，進(jìn)而滿足企業(yè)間可整合、可擴(kuò)展的需求，集成供應(yīng)鏈上各個(gè)節(jié)點(diǎn)企業(yè)的核心能力和價(jià)值創(chuàng)造能力，強(qiáng)化供應(yīng)鏈的整體管理水平和競(jìng)爭(zhēng)力。因此基于MA技術(shù)構(gòu)建的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，能充分發(fā)揮其在鏈網(wǎng)式組織模式中的經(jīng)營(yíng)管理、輔助決策和協(xié)同優(yōu)化功效，具有智能化效用。5.5智能管理與服務(wù)在全球經(jīng)濟(jì)一體化的今天，國(guó)際產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和分工日益加劇，新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命正在興起，客戶對(duì)產(chǎn)品及服務(wù)的要求越來(lái)越高。中國(guó)已經(jīng)是制造業(yè)大國(guó)，但仍不算是制造強(qiáng)國(guó)。因?yàn)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國(guó)掌握著產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)技術(shù)及核心零部件的制造技術(shù)并提供相應(yīng)的服務(wù)，依靠強(qiáng)大的營(yíng)銷網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)體系，占領(lǐng)著價(jià)值鏈的高端，在這個(gè)全球化的價(jià)值鏈中，我國(guó)處于價(jià)值鏈的低端，位于價(jià)值鏈高端的制造業(yè)企業(yè)，其服務(wù)型收入已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)產(chǎn)品的銷售收入。因此，要想實(shí)現(xiàn)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)夢(mèng)，提升制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，必須從傳統(tǒng)的生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型。5.5.1智能服務(wù)系統(tǒng)本節(jié)以提高產(chǎn)品效能的增值服務(wù)為例，提出在線智能服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)思路。在線智能服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的支撐下，將遠(yuǎn)程終端設(shè)備通過(guò)感知設(shè)備進(jìn)行物物互聯(lián)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將客戶、服務(wù)提供商及供應(yīng)商集成在一起，使用維修服務(wù)知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)，構(gòu)建在線服務(wù)體系，提供遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、診斷、在線、及時(shí)、周到的高質(zhì)量服務(wù)?；谠朴?jì)算平臺(tái)的在線智能服務(wù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖5-12所示。5.5.2智能管理系統(tǒng)智能管理（Intelligent

Management,IM）是人工智能與管理科學(xué)、知識(shí)工程與系統(tǒng)工程、計(jì)算技術(shù)與通信技術(shù)、軟件工程與信息工程等多學(xué)科、多技術(shù)相互結(jié)合、相互滲透而產(chǎn)生的一門(mén)新技術(shù)、新學(xué)科。它研究如何提高計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)的智能水平及應(yīng)用智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論、方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。該定義是從管理科學(xué)與工程角度出發(fā)，以智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為核心內(nèi)容。智能管理是現(xiàn)代管理科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向。智能管理系統(tǒng)是在管理信息系統(tǒng)（Management

Information

System,MIS）、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（Office

AutomationSystem，OAS）、決策支持系統(tǒng)（Decision

Support

System,DSS）的功能集成、技術(shù)集成的基礎(chǔ)上，應(yīng)用人工智能專家系統(tǒng)、知識(shí)工程、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法和技

術(shù)，進(jìn)行智能化、集成化、協(xié)調(diào)化、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的新一代的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，智能管

理正逐步在企業(yè)管理中發(fā)揮應(yīng)有的作用，如制造企業(yè)車(chē)間級(jí)的制造生產(chǎn)管理系統(tǒng)、智

能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)、車(chē)間智能調(diào)度系統(tǒng)、智能物流管理系統(tǒng)、商務(wù)智能系統(tǒng)等，顯然智能管理的核心是智能決策。此外智能管理強(qiáng)調(diào)“人因素”和“人機(jī)協(xié)調(diào)”的高效整合和實(shí)現(xiàn)“人機(jī)協(xié)調(diào)”。很多企業(yè)信息管理、商務(wù)智能失敗