面向21世纪的智能制造

文章介绍了智能制造的产生背景、概念、特点、支撑技术、研究内容和发展简况，并对智能制造与人工智能和计算机集成制造系统的关系作了简介。

1 智能制造产生的背景

    自20世纪80年代以来，随着产品性能的完善化及其结构的复杂化、精密化，以及功能的多样化，促使产品所包含的设计信息量和工艺信息量猛增，随之而来的是生产线及生产设备内部的信息量增加，制造过程和管理工作的信息量也必然剧增，因而推动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。目前，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)和计算机集成制造系统(CIMS)的信息来源一旦被切断就会立刻瘫痪。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，而且还要具有智能，否则是难以处理如此大量、多样化及复杂化(残余和冗余信息)的信息工作量的。

    当前和未来企业面临的是一个瞬息多变的市场需求和激烈的国际化竞争环境。社会的需求使产品生产正从大批量产品生产转向小批量、客户化单件产品的生产。企业欲在这样的市场环境中立于不败之地，必须从产品的时间、质量、成本、服务和环保(T、Q、C、S、E)等方面提高自身的竞争力，以快速响应市场频繁的变化。为此，企业的制造系统应表现出更高的灵活性和智能性。

    过去由于人们对制造技术的注意力偏重于制造过程的自动化，从而导致在自动化水平不断提高的同时，产品设计及生产管理效率提高缓慢。生产过程中人们的体力劳动虽然获得了极大解放，但脑力劳动的自动化程度(即决策自动化程度)却很低，各种问题的最终决策或解决在很大程度上仍依赖于人的智慧；并且随着市场竞争的加剧和信息量的增加，这种依赖程度将越来越大。为此，要求未来制造系统具有信息加工能力，特别是信息的智能加工能力。

    从20世纪70年代开始，发达国家为了追求廉价的劳动力，逐渐将制造业移向了发展中国家，从而引起本国技术力量向其他行业的转移，同时发展中国家专业人才又严重短缺，其结果制约了制造业的发展。因此，制造业希望减少对人类智慧的依赖，以解决人才供应的矛盾。智能制造正是适应这种情况而得以发展的。

    当今世界各国的制造业活动趋向于全球化，制造、经营活动、开发研究等都在向多国化发展。为了有效地进行国际间信息交换及世界先进制造技术共享，各国的企业都希望以统一的方式来交换信息和数据。因此，必须开发出一个快速有效的信息交换工具，创建并促进一个全球化的公共标准来实现这一目标。

    先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺及系统的设计和管理人员提出了新的挑战，传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出现的问题，这就促使我们通过集成传统制造技术、计算机技术与人工智能等技术，发展一种新型的制造模式——智能制造。

    智能制造正是在上述背景下孕育而产生的。

2 智能制造的概念

    智能制造应当包含智能制造技术(IMT)和智能制造系统(IMS)，因本文不涉及智能制造技术本身，只侧重于论述制造模式，故重点讨论智能制造系统。

    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。

3 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。

4 智能制造的支撑技术

    (1)人工智能技术IMT的目标是利用计算机模拟制造业人类专家的智能活动，取代或延伸人的部分脑力劳动，而这些正是人工智能技术研究的内容。因此，IMS离不开人工智能技术(如专家系统、人工神经网络、模糊逻辑)。IMS的智能水平的提高依赖于人工智能技术的发展。同时，人工智能技术是解决制造业人才短缺的一种有效方法。当然，由于人类大脑活动思维的复杂性，人们对其的认识还很片面，人工智能技术目前尚处于低级阶段。目前IMS中的智能主要是人(各专业领域专家)的智能，但随着人们对生命科学研究的深入，人工智能技术一定会有新的突破，最终在IMS中取代人脑进行智能活动，并将IMS推向更高阶段。

    (2)并行工程就制造业而言，并行工程(concurentenginering，CE)是指产品概念的形成和设计，与其生产和服务系统的实现相平行，即在制造过程的设计阶段就考虑到产品整个生命周期的各个环节(包括质量、成本、进度计划、用户要求及报废处理)，集成并共享各个环节的制造智能，并行地开展产品制造各环节的设计工作。CE作为一门重要的技术方法学，应用于IMS中。将最大限度地提高产品质量、降低生产成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。

    (3)虚拟制造技术虚拟制造技术(virtualmanufacturingtechnology，VMT)是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实(virtualreality，VR)，在计算机支持的协同工作环境中，实现产品的设计、工艺过程编制、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力，以此达到产品开发周期最短、成本最低、质量最优、生产效率最高。VMT应用于IMS，为CE的实施提供了必要的保证。

    (4)信息网络技术信息网络技术是制造过程的系统和各个环节“智能集成”化的支撑。信息网络是制造信息及知识流动的通道。因此，此项技术在IMS运用和研究中占有重要地位。

5 智能制造主要研究内容及目标

5．1 智能制造主要研究内容

    (1)智能制造理论和系统设计技术IM概念的正式提出至今时间还不长，其理论基础与技术体系仍在形成过程中，它的精确内涵和支撑设计技术仍需进一步研究。其研究内容包括：IM的概念体系，IMS的开发环境与设计方法，以及制造过程中的各种评价技术等。

    (2)智能制造单元技术的集成在以往的工作中，人们以研究人工智能在制造领域中的应用为出发点，开发出了许多面向制造过程中特定环节、特定问题的智能单元，形成了一个个“智能化孤岛”。它们是智能制造研究的基础。为使这些“智能化孤岛”面向智能制造，使其成为IM的单元技术，必须研究它们在IMS中的集成，并进一步完善和发展这些智能单元，从而形成智能型的集成自动化。它们包括：

    ·智能设计 应用并行工程和虚拟制造技术，实现产品的并行智能设计；

    ·智能工艺过程编制 在现有的检索式、半创成式CAPP系统的基础上，研究、开发创成式CAPP系统，使之面向IMS；

    ·生产过程的智能调度；

    ·智能监测、诊断及补偿；

    ·加工过程的智能控制；

    ·智能质量控制；

    ·生产与经营的智能决策。

    (3)智能机器的设计智能机器是IMS中模拟人类专家智能活动的工具之一，因此．对智能机器的研究在IMS研究中占有重要的地位。IMS常用的智能机器包括智能机器人、智能加工中心、智能数控机床和自动引导小车(AGV)等。

5．2 智能制造主要研究目标

    (1)整个制造过程的全面智能化，在实际制造系统中，以机器智能取代人的部分脑力劳动作为主要目标，强调整个企业生产经营过程大范围的自组织能力。

    (2)信息和制造智能的集成与共享，强调智能型的集成自动化。

    总之，IM的研究与开发目标是要实现将市场适应性、经济性、人的重要性、适应自然和社会环境的能力、开放性和兼容能力等融合在一起的生产系统。

6 IM与AI、CIMS的关系

6．1 IM与人工智能(AI)

    人工智能的研究，一开始就未能摆脱制造机器生物的思想，即“机器智能化”。这种以“自主”系统为目标的研究路线，严重地阻碍了人工智能研究的进展。许多学者已意识到这一点，Feigenbaum、Newel、钱学森等从计算机角度出发，提出了人与计算机相结合的智能系统概念。目前国外对多媒体及虚拟技术研究进行了大量投资，这就是智能系统研究目标有所改变的明证。

    IMS的研究是从AI在制造中的应用开始的，但又有所不同。AI在制造领域中的应用，是面向制造过程中特定对象的，研究结果导致了“自动化孤岛”的出现，这时AI在其中仅起辅助和支持的作用。而IMS是首次以部分取代制造中人的脑力劳动为研究目标的，而不再仅起“辅助和支持”作用，并且要求系统能在一定范围内独立地适应周围环境，开展工作。

6．2 IM与计算机集成制造系统(CIMS)

    CIMS发展的道路不是一帆风顺的。在CIMS深入发展和推广应用的今天，人们已经逐渐认识到，要想让CIMS真正发挥效益和大面积推广应用，需要解决两大问题：人在系统中的作用和地位；在对现有设备不作很大投资进行技术改造的情况下也能应用CIMS。但是，现有的CIMS概念是解决不了这两个难题的。今天，人力和自动化是一对技术矛盾，不能集成在一起，所能做的选择，或是昂贵的全自动化生产线，或是手工操作，而缺乏的是人力和制造设备之间的相容性。人在制造中的作用需要被重新定义和加以重视。

    应当指出的是，CIMS和IMS都是面向制造过程自动化的系统，但两者又有区别：CIMS强调的是企业内部物流的集成和信息流的集成；而IMS强调的则是更大范围内的整个制造过程的自组织能力。虽然后者难度更大，但比CIMS更实际、更实用。CIMS中的众多研究内容是IMS的发展基础，而IMS也将对CIMS提出更高的要求。集成是智能的基础，而智能也将反过来推动更高水平的集成。有人预言，21世纪的制造业将以双I(Inteligent和Integration)为标志。集成化反映了自动化的广度，而智能化则体现了自动化的深度。IM的研究成果将不只是面向21世纪的制造业，不只是促进CIMS达到高度集成，而是对于FMS、CNC以及一般的工业过程自动化或精密生产环境来说，均有潜在的应用价值。有识之士对人工智能、计算机科学和CIMS技术进行了全面的反思。他们在认识机器智能化的局限性的基础上，特别强调人在系统中的重要性。如何发挥人在系统中的作用，建立一种新型的人机协同关系，从而产生高效、高性能的生产系统，这是当前众多学者都面临的问题，也正是CIMS所忽略的关键因素。

7 智能制造的发展简况

7．1 国外发展简况

    自20世纪80年代美国提出IM概念以来，IMS一直受到众多国家的重视和关注。在IM领域中，最具有影响和代表性的当属日本的IMS国际合作计划，它是迄今为止已启动的制造领域内最大的一项国际合作计划。

    日本、美国、加拿大、澳大利亚、瑞士和欧洲自由贸易协定国(韩国正在申请加入)在1991年1月联合开展了由日本首先于1990年4月提出的为期10年的IMS国际合作计划。这是为了克服FMS(柔性制造系统)、CIMS的局限性，把日本工厂和车间的专业技术与欧盟的精密工程技术、美国的系统技术充分地结合起来，开发出能使人和智能设备都不受生产操作和国界限制、彼此合作的高技术生产系统。该计划鼓励工业界、学术界和政府在现代制造技术领域里进行广泛的研究与合作。该计划的目标是全面展望21世纪现代制造技术的发展趋势，先行开发下一代的制造技术，以解决全球制造业面临的共同问题，改善地球环境(包括生产环境)，提高资源有效利用率，提高产品质量和性能，促进现代制造技术成果向生产力的转化，积极推动全球制造信息、制造技术的体系化和标准化，快速响应制造业全球化的发展趋势。

    从1995年开始，IMS计划进入全面实施阶段，总投资达40亿美元，至今共批准了12个项目：

    (1)面向21世纪的全球制造业的企业集成；

    (2)具有分布、自律、敏捷、仿生、分形等特点的下一代制造系统(NGMS)；

    (3)全能制造系统(HMS)；

    (4)知识系统化；

    (5)变结构物料储运系统；

    (6)快速产品开发(RPD)；

    (7)人机共存系统的组织问题；

    (8)创新型和智能型现场工厂建设研究；

    (9)数字化模具设计系统；

    (10)智能复合产品；

    (11)人的感觉因素对产品生命周期的影响；

    (12)适用于全球分布式企业设计、规划、运行的建模与仿真环境。

    IMS的国际合作研究开发一般分为3个层次：

    (1)将各国独自开发的制造技术(主要是产品设计和加工装配技术)体系化及完整化；

    (2)将现有技术及未来要开发的技术(主要是物流管理技术和制造信息数据的压缩、传送和存储技术)标准化；

    (3)面向21世纪的新型、高性能制造系统技术(主要包括系统管理技术与机械加工、设计、装备及制造过程相关技术)的研究和开发。

    这3个层次的内容在每一层内又分为5个研究内容：

    (1)系统构筑技术；

    (2)生产、控制和加工技术；

    (3)与生产相关的信息、通信技术；

    (4)新材料应用技术；

    (5)制造系统中人的因素。纵览全球，虽然总体而言IM尚处于概念和实验阶段，但各国政府均将其列入国家发展计划，大力推动实施。

    1992年美国执行被总统称之为“关键重大技术”(criticaltechnology)的新技术政策，其中包括信息技术和新的制造工艺，IM技术也在其中。美国政府希望借此改造传统工业并启动新产业。

    加拿大制定的1994-1998年战略发展规划中，认为未来知识密集型产业是驱动全球经济和加拿大经济发展的基础，发展和应用智能系统至关重要，并将具体研究项目定为智能机器人、人机界面、机器人控制、新装置、动态环境下系统集成。

    欧盟的信息技术相关研究有ESPRIT项目，该项目大力资助有市场潜力的信息技术。1994年又启动了新的R&D项目，选择了39项核心技术，其中3项(信息技术、分子生物学和先进制造技术)突出了智能制造的位置。

7．2 国内发展简况

    我国20世纪80年代末也将“智能模拟”列入国家科技发展规划的主要课题，已在专家系统、模式识别、机器人方面取得了一批成果。此后，国家科技部正式提出了“工业智能工程”，IM是该项工程中的重要内容。

    1993年，中国国家自然科学基金会重点项目“智能制造技术基础的研究”获准设立。1994年开始实施。由华中理工大学、南京航空航天大学、西安交通大学和清华大学联合承担。研究内容为IM基础理论、智能化单元技术(智能设计、智能工艺规划、智能制造、智能数控技术、智能质量保证等)、智能机器(智能机器人、智能加工中心)等。至今，已取得了不少可喜的研究成果。

8 结束语

    综上所述，可以看出IM是一种集自动化、柔性化、集成化和智能化于一身的制造模式，具有不断向纵深发展的高技术和高水平的先进制造系统。同时也是需要投入巨大科研力量去突破一个个技术难点的先进制造系统。目前研究的重点为虚拟企业、分布式智能系统、并行工程和基于代理(agent)的IMS。同时也应看到，这是一个人机一体化智能系统，只要努力追求人的智能和机器智能的有效结合，这样的系统就有可能实现。当然，这种实现是一个从初级到高级的发展过程。总之，随着智能产品价值日益攀升，在可以预见的未来，IM模式将成为下一代重要的生产模式。