第3章 机械制造业智能工厂的总体框架

3.1　智能制造的通用定义和特征

1.智能制造的定义和内涵
智能制造系统（Intelligent Manufacturing System，IMS）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它对制造自动化的概念进行了更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。智能制造系统最终要从以人为主要决策核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行转变。
智能制造国际合作研究计划JIRPIMS明确提出：“智能制造系统是一种在整个制造过程中贯穿智能活动，并将这种智能活动与智能机器有机融合，将整个制造过程从订货、产品设计、生产到市场销售等各个环节，以柔性方式集成起来的、能发挥最大生产力的先进生产系统。”
毫无疑问，人工智能技术在企业价值链的各个环节中的应用，将极大地提高设计、产品、管理、制造、服务的水平。专家系统技术可以用于工程设计、工艺过程设计、生产调度、故障诊断等；神经网络和模糊控制技术可以应用于生产调度，实现制造过程智能化；而人工智能技术尤其适合于解决特别复杂和不确定的问题。
2.智能制造的特征
与传统的制造相比，智能制造主要具有以下5大特征，如图3.1所示。

（1）自律能力
智能制造过程具有能感知与理解环境信息和自身信息，以及进行分析判断和规划自身行为的能力。具有自律能力的设备称为“智能机器”，“智能机器”在一定程度上表现出独立性、自主性和个性，甚至相互间还能协调运作与竞争。值得注意的是，强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。即使有编程错误，数控机床能够感知并控制刀具与机床不能碰撞，机器人能够感知手臂的运动，并控制手臂在运动中不与障碍物相撞。
（2）人机一体化
目前IMS不单纯是“人工智能”系统，而是人机一体化智能系统，它不仅具有逻辑思维、形象思维，还具有灵感（顿悟）思维。只有人类专家才真正同时具备以上3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。人机一体化智能系统可以在智能机器的配合下，更好地发挥出人的潜能，使人机之间形成一种平等共事、相互“理解”、相互协作的关系。
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。
（3）虚拟现实
虚拟现实技术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。虚拟现实技术以计算机为基础，融信号处理、动画技术、智能推理、预测、仿真和多媒体技术为一体，借助各种音像和传感装置，虚拟展示现实生活中的各种过程、物件等，因而也能拟实制造过程和未来的产品，从感官和视觉上使人获得完全如同真实的感受。但其特点是可以按照人们的意愿任意变化，这种人机结合的新一代智能界面，是智能制造的一个显著特征。如在虚拟环境下设计的数字化样机，能进行模拟仿真。设计一条柔性制造系统，可以在电脑上进行模拟仿真，让人们看到未来的系统是如何工作的。
（4）自组织和超柔性
自组织和超柔性是指智能制造系统中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最佳结构，其柔性不仅表现在运行方式上，而且表现在结构形式上，所以称这种柔性为超柔性，如同一群人类专家组成的群体，具有生物特征。一条PLC的智能装配线，设计有10个装配工位，但是随着不同型号的PLC其装配需求不同，它可以自组织在其中某几个工位上进行装配。
（5）学习能力与自我维护能力
智能制造系统能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能。同时，在运行过程中还能自行进行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护的能力。这种特征使智能制造系统能够自我优化并适应各种复杂的环境。GE公司的航空发动机就具有远程在线监控、故障诊断、自维护和自学习的功能。特斯拉的无人驾驶汽车，在实验中有人参与处置自动驾驶的不足，自学习系统记录这些人为的纠正措施，使得无人驾驶系统越来越“聪明”。智能制造对于不同的行业其需求是不同的。
3.智能制造的基本技术
智能制造不同于一般制造，是因为它采用了一些基本的智能技术。这些技术举例如下（但不仅限于此）：
（1）传感器技术
智能制造的最大特征是要感知环境的变化，感知装备的运行状态。所以需要高灵敏度、精度、可靠性和环境适应性的传感技术，采用新原理、新材料、新工艺的传感技术（如量子测量、纳米聚合物传感、光纤传感等），微弱传感信号提取与处理技术。用于感知诸如：温度、压力、流量、物位、热量、运动参数、电参数、力学参数、光参数等。
（2）嵌入式控制系统
嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑的。嵌入式系统的核心由一个或几个预先编程好、用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。智能机器必然要用嵌入式控制系统。
（3）先进控制与优化技术
工业过程多层次性能评估技术、基于海量数据的建模技术、大规模高性能多目标优化技术，大型复杂装备系统仿真技术，高阶导数连续运动规划、电子传动等精密运动控制技术。
（4）故障诊断与健康维护技术
在线或远程状态监测与故障诊断、自愈合调控与损伤智能识别及健康维护技术，重大装备的寿命测试和剩余寿命预测技术，可靠性与寿命评估技术。
当然还有网络通信技术、信息安全技术、识别技术、特种工艺和精密制造技术等。