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1、一 智能制造提出背景随着产品性能的完善化及其结构的复杂化、精细化，以及功能的多样化，促使产品所包含的设计信息和工艺信息量猛增，随之生产线和生产设备内部的信息流量增加，制造过程和管理工作的信息量也必然剧增，因而促使制造技术发展的热点与前沿，转向了提高制造系统对于爆炸性增长的制造信息处理的能力、效率及规模上。先进的制造设备离开了信息的输入就无法运转，柔性制造系统（FMS）一旦被切断信息来源就会立刻停止工作。专家认为，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出智能，否则是难以处理如此大量而复杂的信息工作量的。其次，瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂
2、环境，也要求制造系统表现出更高的灵活、敏捷和智能。因此，智能制造越来越受到高度的重视。虽然，智能制造尚处于概念和实验阶段，但各国政府均将智能制造模式列为国家发展计划,大力推动实施。智能制造是制造技术的发展，特别是信息技术发展的必然，是自动化和集成技术向纵向发展的结果。21世纪，基于信息和知识的产品设计、制造和生产管理将成为知识经济和信息社会的重要组成部分，是制造科学和技术最重要和最基本的特征之一，智能制造正是在这一背景下提出并得到学术界和工业界的广泛关注。二、什么是智能制造智能制造是基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自
3、执行等功能的一种全新制造方式。智能制造的特点在于其深度融合了信息技术等高新技术和传统制造技术，将信息化、智能化渗透到了生产制造的整个过程中，从而实现工厂的完全自动化、智能化、高效高质生产。智能制造不仅采用新型制造技术和设备，而且将迅速发展的信息通信技术(物联网和服务互联网)渗透到工厂，在制造业领域构建信息物理系统，从而彻底改变制造业生产组织方式和人机关系，并带来商业模式的变革。因此，智能制造不是某个领域的技术突破，也不是简单地用信息技术改造传统产业，而是信息通信技术(ICT)与制造业的融合发展和集成创新。(即：新一代信息技术+制造技术=智能制造。)智能制造源于人工智能的研究。工业机器人的产生是
4、智能化迈向制造业的第一步，之后随着信息技术等的高速发展，引发了人们对制造业生产模式的思考，意识到制造不应该是独立的工艺过程而应该与设计、管理、服务等制造活动各个环节相协调交互并构成整体，从而产生了智能制造的概念。智能制造的组成：要理解智能制造，首先了解智能制造技术和智能制造系统这两个概念。一种制造模式的实现，离不开与之相匹配的基本制造技术的支持。智能制造技术(Intelligent manufacturing technology，IMT )：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
5、(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。其具体包括了当前先进自动化技术、传感技术、控制技术、数字制造技术以及物联网、大数据、云计算等新一代信息技术。除了制造技术的更新，智能制造一个更值得我们关注的就是其独特的、基于信息技术的系统架构。我们将之称为智能制造系统。智能制造系统（Intelligent Manufacturing System-IMS）：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、
6、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。智能制造系统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。智能制造系统是智能制造的核心，它带来了我们对制造这一词的全新理解。智能制造是将先进制造技术和新一代信息技术相结合，实现工厂和企业内部、企业之间和产品全生命周期的实时管理和优化的新型制造系统，能最大限度地降低生产成本、减少能源资源消耗、缩短产品开发周期，有效提高生产效率，推动生产方式向定制化、分散化、服务化转变。智能制造涵盖以智能互联为特征的智能
7、产品、以智能工厂为载体的智能生产、以信息物理系统为关键的智能管理以及以实时在线为特征的智能服务。智能制造系统涵盖了产品设计、生产规划、生产执行、售后服务等制造业的全部环节。信息物理系统是智能制造的基础，智能工厂则是实现智能制造的关键。三 信息物理系统信息物理系统是智能制造的基础支撑，其在环境感知的基础上实现了人、机、物的互联和深度融合。信息物理系统的定义：信息物理系统（CPS ）是在环境感知的基础上，深度融合计算、通信和控制(computing,communication, control，3C)能力的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环，实现现实世界与信息世界的协同
8、和实时交互，以增加或扩展新的功能，提供实时感知、动态控制和信息反馈等服务。信息物理系统(cyber physical systems,简称CPS)作为计算进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。信息物理系统包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物理资源的紧密结合与协调，主要用于一些智能系统上如机器人，智能导航等。信息物理系统的架构：CP
9、S是由众多异构元素组成的复杂系统，从其技术实现的角度来考虑，一般可将其分为物理层（PL）、网络层(NL)和应用层(AL)这三个层次。这样的结构仅仅反映了实现技术的层次关系，实践中要包含的组成元素可能千差万别，层间的联系和信息传递关系也可能相当复杂。物理层是cps系统的基础，是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带，它是直接与物理世界交互的部分，cps通过物理层感知环境，反之又是通过物理层作用于环境改变环境。如传感器就是构成物理层的一个基本cps单元。网络层将物理层的大量异构成cps单元实现互联互通，并支持cps单元之间的互操作。网络层是实现资源共享的基础。网络层是由大量的中间件服务器组成的，这里的中
10、间件主要用于不同网络协议和网络体系结构的转换，相当于异构网络的中间转换服务器。应用层是面向用户的一个一体化平台，该层将网络层和物理层的详细信息封装成为不同的应用模块，使用户不用关心底层细节而直接进行业务处理。Cps的最终目标是实现信息世界与物理世界的完美融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的cps网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式。信息物理系统的应用，体现了智能制造不单纯是“人工智能”系统，而是人机一体化智能系统，是一种混合智能。基于人工智能的智能机器只能进行机械式的推理、预测、判断，它只能具有逻辑思维（专家系统），最多做到形象思维（神经网络），完全做不到灵感（顿悟）思
11、维，只有人类专家才真正同时具备以上三种思维能力。因此，想以人工智能全面取代制造过程中人类专家的智能，独立承担起分析、判断、决策等任务是不现实的。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，更好地发挥出人的潜能，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，使二者在不同的层次上各显其能，相辅相成。因此，在智能制造系统中，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，互相配合，相得益彰。四 智能制造装备及智能柔性化生产线 一个智能制造系统具有什么样的特征才称得上智能制造?至少有五点:人机一体化,虚拟现实, 具有学习能力和自我维护
12、能力,有自律的能力，具有自组织和超柔性的能力。 人机一体化、虚拟现实是构成cps的基本特征，、自学习、自维护和自律能力体现在制造装备的智能化上，自组织和超柔性的能力则反映在智能制造系统的另一个重要方面上智能柔性化生产线。柔性自动化生产线来的概念源于柔性制造系统。柔性制造系统（FMS）是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量生产。相比于当前的自动化柔性生产线而言，智能柔性生产线的特点在于其更加智能化和有组织化。这一特点的重要体现就是机器人、智能机床等智能机器的应用。智能化工业机器人作为
13、基本组成元件，在未来将广泛应用于工厂的柔性生产线中。虽然自动化生产线早就被应用在制造业中，不过智能工厂中的机器人生产线将与传统的生产线有很大区别。智能机器人生产线将以智能化和柔性作为其主要特点。智能化体现在每一个机器人都是一个完整的智能体，具有进行基本的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动的能力，即思考能力；同时还能与人和机器进行交互和协同，即社交能力；通过思考和社交，机器人就能实现自我调节和完善，这便是“智能化”的概念。与自动化生产不同的是，自动化是工人通过电脑程序控制机器，完成自动生产，是一种单向的指令。而智能化是一种多向“交流”，工人、机器、产品、原料、物流、用户等等与生产、供应和使用
14、有关的各个环节之间，始终保持着双向的信息互换，使生产和服务实现最优化组合。“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产，其优点是生产率很高，设备利用率高，但只能加工一个或几个相类似的零件，难以应付多品种、变批量可变生产的需要。随着批量生产时代逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否具有柔性，即能在很短的周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。机器人柔性生产线的柔性主要包括：生产柔性：是随产品变化和加工批量的变化，生产系统也能经济地运行的能力。工艺柔性：是工艺流程、工序和工艺参数适应
15、产品或原材料变化的能力。产品柔性：是产品结构性能的可变性及新产品对老产品特性的继承能力和兼容能力。具备了智能化和柔性的机器人生产线将能根据用户要求，高效率的完成复杂产品的加工过程，并能够利用自身的检测系统对产品进行检测和修正，从而保证产品的最终质量。智能机床和智能加工中心(IMC)是智能制造系统中的另一种典型的智能加工机器。智能加工中心中，智能数控系统是IMC的神经中枢，其智能化程度直接决定了整个智能制造系统的智能水平。智能数控系统具有高级的自主控制功能，能将任务请求、作业规划、轨迹控制、过程监视与控制、错误自修复等功能有机结合起来。面向制造系统，它是任务驱动的柔性规划学习系统，而面对复杂的物
16、流加工环境，它又是“刺激一反应”型的再励系统，能对来自内部和外界环境的多种刺激做出理智的决策，从而以最优策略完成目标任务。 五 第四次工业革命：全面的智能化工厂第四次工业革命即“工业4.0”是德国人提出的概念，其在2013年的汉诺威工业博览会上正式推出并已发展成为国家战略。它描绘了制造业的未来愿景，并提出了以信息物理融合系统为基础的，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。“工业4.0”其特征是基于信息物理系统、物联网和互联服务，通过大数据分析和云计算，以预测技术为核心来指导高效高品质生产的智能制造和应用，目的是大幅度地提高产品生产、运行的质量和效率，实现信息技术、物联网、智能生产和流通消费相融合的革命性方法，将彻底推动传统制造工业的服务化转型升级。工业4.0的基础，是已经实现的前三次工业革命。
