智能制造系统总体架构及发展趋势探讨.docx

智能制造系统总体架构及发展趋势探讨郑茂宽，明新国，李淼，何丽娜，历秀珍（上海市推进信息化与工业化融合研究中心；上海市网络化制造与企业信息化重点实验室；上海交通大学 机械与动力工程学院；计算机集成制造研究所 上海200240）摘要：随着第三次工业革命的兴起，智能制造成为典型的新一代制造模式。智能制造自 20 世纪 80 年代已来，得到了学术界的广泛重视和深入研究，然而却难以得到工业界的广泛应用和推广，其问题在于智能制造系统的体系架构尚未研究透彻，同时对于智能制造系统的发展趋势没有比较好的掌控。本文从智能生产线入手，通过研究智能生产线的总体架构，分析目前智能生产线的发展趋势，得出的结论可以向智能制造系统的研究进行推广。关键词：智能制造系统，智能生产线；总体架构；发展趋势researchontheframework and development trends of intelligentmanufacturing systemzheng maokuanming xinguoli miao, he linali xiuzhen(shanghai research center for industrial informatics； shanghai key lab of advanced manufacturing environment； school of mechanical engineering, shanghai jiao university；institute of computer integrated manufacturing，shanghai , 200240)abstract: as long as the development of the third industrial revolution, intelligent manufacturing is becomingthe typical manufacturing mode of new era. intelligent manufacturing has gottenthe attention and extensiveresearch of academia all over the world since the 1990s. however, it hardly got widely application and promotionof the industry. the problem mainly results from the lack of an explicit overall solution intelligent manufacturingsystem. in the meantime, it is hard to handle the developing trend of intelligent manufacturing system. in thispaper, a framework of intelligentproduction line isproposed, and the development trends of production line arediscussed. relatedconclusionscan be extended to the whole intelligent manufacturing system.keywords: intelligent manufacturing system; intelligent production line; framework; development trends0.研究背景近 30 年，随着网络技术、信息技术、自动化控制等现代化技术的快速发展，制造技术、 制造系统与制造模式也得到了极大的提升和演进，随之而来的是目前第三次工业革命的悄然兴起。2011 年美国学者 jeremy rifkin 出版第三次工业革命：新经济模式如何改变世界一书，指出第三次工业革命是互联网技术与可再生能源相融合而催生的一种新的经济模式，并详细介绍了第三次工业革命的五大支柱1。2012 年英国经济学人杂志发表题为第三次工业革命的专刊，定义第三次工业革命为数字化革命，软件更加智能化，机器人更加巧手，网络服务更加便捷2。第三次工业革命的发展，依托于主要技术基础的提升、生产方式的转变、产业组织方式的转变以及产业竞争优势的重构3。在这样的大背景下，智能制造作为推动第三次工业革命快速发展的重要驱动力，智能制造系统及相关技术再一次引起了全世界范围内的研究热潮。1. 国内外研究现状自 20 世纪 80 年代以来，全世界范围内展开了对于智能制造系统（ims）及智能制造技 术（imt）等相关内容的研究与应用，日本于 1989 年首先提出并推动了国际 ims 研究计划， 美国和欧盟紧随其后参与其中4。而我国在 20 世纪 80 年代末也将“智能制造”列入国家科技 发展规划的主要课题。20 世纪 90 年代关于智能制造的研究，主要集中于智能制造底层的自 动化技术以及分布式控制理论，对于智能制造系统学术界中以 agent 技术的研究为主，并由 此促进了多智能体（multi-agent）系统、整子系统（holonic system）等相关智能制造系统模式的研究5。2010 年 8 月美国时代杂志刊登了一篇名为什么是智能制造的文章，由罗克韦尔公司首席技术官 sujeet chand 和加利福尼亚大学信息技术学院副教务长 jim davis 联合撰 写，文章中介绍了智能制造发展演变的三个步骤6。此外，智能制造领导联盟（smlc）联合 世界各国的知名高校、研究机构、企业单位，发起了多次关于智能制造发展的研讨会，提出了 21 世纪智能制造发展的应对策略与技术路线图，并研究了一些相关的应用案例7-8。结合国际上的一些前沿研究，近些年我国也提出了“工业智能”工程，并先后出台了智能制造装 备产业“十二五”发展规划及智能制造科技发展“十二五”专项规划等国家方针政策。智能制造的应用正在世界范围内兴起，它是制造技术发展，特别是制造信息技术发展的必然，是自动化和集成技术向纵深发展的结果。然而，虽然智能制造得到了学术界的广泛重视和深入研究，然而却难以得到工业界的广泛应用和推广，同时近几年关于智能制造系统新理论方面的研究遇到了瓶颈，其问题在于智能制造系统的体系架构尚未研究透彻，同时对于智能制造系统的发展趋势没有比较好的掌控。智能生产线是智能制造系统的基础构成部分，本文通过研究智能生产线的总体架构，分析得出目前智能生产线柔性化、可重构、数字化、精益化、敏捷化的发展趋势，相关结论对智能制造理论的进一步研究具有一定的指导意义。2. 智能制造系统总体架构根据现代智能制造的理论，智能生产线（智能制造工厂）是智能制造系统的核心环节6，本文从智能生产线入手，展开对智能制造系统的研究。智能生产线作为一套生产系统，应用系统工程的分析理论，对智能生产线的系统构成及内在逻辑关系进行一个自上而下的综合的梳理和分析，并总结出一套适用性比较广泛的智能生产线的总体架构，如图 1 所示。该架构自下而上包括业务层、运作层、功能系统、功能单元、支撑技术五个层次。智能生产线各个层次间相辅相成，联系密切，其中系统以需求订单为输入，以信息系统为核心，集成自动化上下料等多个子功能系统，以基本功能单元及支撑技术为依托，推动智能制造生产线的正常运作，实现大批量产品定制及个性化客户服务的目标，从而最大化地满足客户和市场需求。其中各个层次的内容及构成如下：l系统业务层：即系统目标，是为客户提供大批量定制产品及个性化的客户服务。系统运作层：应用柔性化、可重构、精益化、数字化及敏捷化等技术。ll功能系统层：包括自动化上下料、均衡化混流生产、加工参数优化、生产过程实时监控、数字化物流跟踪、在线高精度检测、设备故障预警等，并且通过信息系统（pdm、erp、mes 等）进行整体集成。l功能单元层：包括自动化设备、柔性化工装、智能化软件、传感网络、通信网络等。l支撑技术层：包括传感技术，模块化、嵌入式系统设计技术，先进控制与优化技术，系统协同技术，故障诊断与健康维护技术，高可靠实时通信网络技术，功能安全技术，特种工艺与精密制造技术，识别技术等。业务层运作层信息系统自动化 上下料均衡混 流生产加工参 数优化生产过程 实时监控pdm：数据管理 erp：生产计划 mes：生产控制功能系统数字化物 流跟踪在线高精 度检测设备故障 自动预警功能单元传感技术，模块化、嵌入式系统设计技术，先进控制与优化技术，系统协同技术，故障诊断与健 康维护技术，高可靠实时通信网络技术，功能安 全技术，特种工艺与精密制造技术，识别技术支撑技术图 1 智能生产线总体架构3. 智能制造系统的发展趋势结合智能制造的特点，本文总结出了智能制造系统数字化、柔性化、可重构、精益化、敏捷化等发展趋势。虽然每项单项技术都有相对较为成熟的理论和应用领域，然而其在智能制造中的综合应用还没有明确的方案。本文针对这一问题，对每个技术在智能制造系统中的应用和实施提出了相应的研究思路和方案。同时如何将这些发展趋势及相关技术进行有机结合，也是智能制造系统发展趋势中需要重点解决的问题。3.1 智能制造系统的柔性化关于智能制造系统的柔性化，以智能制造系统的柔性装配为切入点展开研究，基本研究思路及框架如图 2 所示。智能制造系统的柔性装配系统能够处理装配线上随机出现的不同产品。针对柔性装配对象、工艺流程和生产节拍的可变特征，柔性工装设计、柔性工艺规划及柔性车间调度是需要解决的重点问题。自动化柔性化设备工装通信 网络传感 网络智能化 软件柔性化敏捷化数字化精益化可重构订单个性化客户服务大批量产品定制图 2 智能制造系统的柔性装配3.2 智能制造系统的可重构智能制造系统的可重构按照重构粒度分为设备层重构和系统层重构，相关研究应从这两方面进行展开。设备层重构涉及机床模块化设计、设备故障诊断；系统层重构涉及可重构布局、系统仿真模型及适合可重构制造系统的控制结构。其研究方法及实现路径如图 3 所示。产生驱 动图 3 智能制造系统的可重构制造技术研究框架3.3 智能制造系统的精益化支持重构的方法、智能制造系统的重构层次 技术和机制可重构机床模块化设计 技术设备故障诊断技术布局规划与优化技术系统的建模技术模块化控制器设计技术可拼接物流技术构件集成和整合技术设备级重构支持柔性装配的方柔性装配层次法 、技术和机制柔性 工装结构优化设计技术工装驱动数据生成技术装配顺序规划方法装配任务分配方法基于智能的调度方法柔性工装图 4 智能制造系统精益化研究方案智能制造系统精益化的研究方案如图 4 所示。其基本研究内容包括四个方面：（1）智能制造环境下基于智能装备和柔性工装的自适应 smed 技术（快速换模）；（2）基于设备自诊 断、自修复、自维护的 tpm 技术（全员设备维护）；（3）通过基于流程自动化的 3p（生产 准备流程）优化技术将浪费消除在产品和工艺流程设计等源头环节；（4）通过生产计划的合 理配置、生产现场动态调度等实现智能制造生产线的均衡化混流生产。在这些研究的基础之上，使智能制造系统实现基于“看板拉动原理”的精益化生产。3.4 智能制造系统的数字化通过构建智能制造系统数字化平台，建设包括 pdm、erp、mes 及均衡化混流生产系统， 其中 erp、pdm 的基础数据为各个系统提供共享，数字化服务平台框架如图 5。应用生产现 场数据分类统计与数据挖掘技术实现数据统计、分析，基于 pdm 的系统集成模式与接口技 术实现设计与工艺数据向生产、仿真等环节传递，研究数据一致性保证技术实现制造过程管理与优化、质量问题追溯。生产排程 冲突判断 动态调度工艺优化 流程优化 生产准备设备自诊断 设备自修复 设备自维护智能化设备 柔性化工装 智能化软件基于生产排程、 动态调度均衡 化混流生产基于工艺、流 程、生产优化 的3p技术基于设备自诊 断、自修复功 能tpm基于智能化和 柔性化技术的 smed基于“看板拉动”原理的智能制造系统精益化生产图 5 智能制造系统数字化平台框架.5 智能制造系统的敏捷化车问加工现场数字化物赢镕踪善3提高智能制造系统对订单变化的响应速度智能制造系统对订 单变化的 响应规律柔性功能单元的设 计和配置曲线 拟 合响应 分 析预测 函 数优化 算 法要素 分 类模块 划 分单元 设 计配置 算 法图 6 智能生产线敏捷化研究方案统如图 6 所示，智能制造系统的敏捷化重点从以下两个方面进行研究，包括：（1）智能制造系统对客户订单变化的响应规律：以数据调研分析为生基p过础程，使宴用时神监经控网系统络等算法对智能制造系统对客户订单快速变化的响应曲线进行拟合，得到基础响应函数，同在线高精度检删磊统时针对关键生产要素进行重点优化，提高系统整体的响应速度。（2）功能单元的设计和配置：对智能制造系统的各种生产要素按照硬件、软件、工艺流程等方面进行归类，并对每个类别进行详细模块化划分，形成一系列独立的功能单元，对这些单元进行接口、内部结构或流程进行设计，并研究功能单元的配置算法，以提高智能制造系统的柔性化和重构性能。3.6 智能制造系统发展趋势融合通过前面对智能制造系统各发展趋势的研究，对各个方面的特点总结如下：（1）柔性化：利用人工智能、自动控制、现代管理与决策技术等技术实现工装、装配工艺规划、生产调度的柔性化。（2）可重构：通过对工件、机床、物流、控制以及工艺规划等基本数据的管理，分别实现设备层、系统层可重构。（3）精益化：研究智能制造环境 smed 技术（快速换模）、tpm 技术（全员设备维护）、3p（生产准备流程）优化技术、均衡化混流生产，实现基于“看板拉动原理”的精益化生产。（4）数字化：综合先进技术及设备，从不同方面和层次构建所有环节的各类模型，将 各个节点有机结合，实现数据和文档的有效管理及软件间的数据共享。（5）敏捷化：研究智能制造系统对于客户订单快速变化情况下的响应规律；研究智能制造柔性生产系统的功能单元设计方法，以及功能单元的优化配置技术。智能化稳 定高 效图 7 智能制造系统发展趋势融合方法然而只有将上述 5 个方面的趋势进行有机结合，才能发挥各自最大的功效和作用。本文提供了智能制造系统发展趋势及相关技术融合的一种方法，按照图 7 所示的层次关系，依次 构建和实现智能制造系统的柔性化、可重构、精益化、数字化、敏捷化，同时在稳定与高效的运作环境下，最终将可以实现制造系统的智能化。敏捷化数字化精益化可重构柔性化4. 结论（1）本文通过对国内外在智能制造系统的研究现状的梳理，分析目前世界范围内关于智 能制造系统研究遇到的瓶颈。认识到目前智能制造系统的体系架构尚未研究透彻，同时对于智能制造系统的发展趋势没有比较好的掌控。（2）本文从智能生产线入手，通过研究智能生产线的总体架构，分析目前智能生产线数字化、柔性化、可重构、精益化及敏捷化等技术发展趋势及其融合方法，相关结论对智能制造系统下一步的研究提供一定的指导。参考文献the economist manufacturing ： the third industrial revolution eb/ol 2012-04-21 http ：//node/21553017-htmljeremy rifkin. the third industrial revolution: how lateral power is transforming energy, the economy, and the world m. new york: palgrave macmillan, 2011.中国社会科学院工业经济研究所课题组. 学习与探索j. 2012（9）：93-98.杨叔子，丁洪. 智能制造技术与智能制造系统的发展与研究j. 中国机械工程，1992，3（2）：15-18.赵福民，王治森，高锷，张勇. agent 技术在智能制造系统中的应用研究j. 机械工程学报，2002，38（7）：140-144.sujeet chand, jim davis. what is smart