新一代制造系统理论及建模 (2).doc

新一代制造系统理论及建模熊有伦吴波丁汉熊有伦院士摘要：提出了新一代制造系统的基本论点及需要解决的科学问题，指出制造信息学、计算制造、制 造智能以及制造系统的结构与建模是构成新一代制造系统的科学基础，并分别阐述了其中的 关键研究内容。关键词：制造系统；制造信息学；计算制造；制造智能；制造系统 建模中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：1004-132(2000)01-0049-04The Theory and Modeling for Next Generation Manufacturing SystemXIONG YoulunWU BoDING Han（Huazhong University of Science and Technology, Wuhan,China）Abstract：The basic concept of next generation manufacturing sys tem(NGMS) is introduced. The groundwork of NGMS is considered including followi ng topics:manufacturing informatics, computational manufacturing, manufacturing intelligence,the architecture of manufacturing system and modeling. The key pr oblems that should be investigated on these topics are presented respectively.Key words:manufacturing systemmanufacturing informatics computational manufacturingmanufacturing intelligencemanufacturing syste m modeling1问题的提出科学技术的发展、市场需求的快速变化和全球性的经济竞争，是制造环境正在发生根本性变 化的三个基本要素。当前，世界正处在由资源消耗型的工业经济向信息知识为基础的知识经 济转变的重要历史时期，知识经济在很大程度上是由高知识附加值的产品来体现，产品创新 是知识经济的一个重要标志。在这种情况下，组织结构相对固定、制造资源相对集中、以区 域性经济环境为主导、以面向产品为特征的传统的制造系统模式已与之不相适应，全球性的 、以灵活敏捷的组织形态与控制机制，快速响应市场需求变化的新一代制造系统模式正在形 成。 这已经成为各国政府及制造业研究人士的共识。新一代制造系统带来诸多需要解决的新的科 学问题，其突出表现在下列几个方面：（1） 制造已不再仅仅是传统意义上的制造行为，还包括社会、经济、人文等综合因素，因 此，必须将制造系统置于社会、经济和人文环境中，成为一个复杂的社会化大系统。（2） 新一代制造系统必须体现数字化、柔性化、敏捷化、客户化、网络化与全球化等基本 特征。数字化、柔性化与敏捷化是快速响应客户化需求的前提，这意味着新一代制造系统必 须具有动态易变性，能通过快速重组，快速响应市场需求的变化。由于制造资源与市场的全 球化，因此，这种快速重组必须建立在全球性的分布式网络化基础上。（3） 市场需求驱动的、建立在全球分布式网络化基础上的新一代制造系统，其本质上是一 个复杂的社会经济人文交互系统。市场需求的快速多变和不确定性决定了制造系统的暂时性 ，其生命周期取决于市场需求的存在，并随着市场需求的变化快速组建与撤销，快速进入 与退出市场。这就要求采用新的有效的组织与控制决策策略，能通过简单的控制规则来实现 复杂制造系统的动态重组与运行控制。这是迄今所取得的研究成果未能解决的“瓶颈”问题 之一。（4） 制造企业的组织形态、经营模式和管理机制需要有全方位的创新，使之满足新一代制 造系统模式要求。（5） 制造系统的信息及信息量急剧增长。柔性敏捷化要求、分布式网络化结构以及智能化 水平的提高，使制造过程中所需接收和处理的各种信息正在呈爆炸性增长，海量制造信息 成为制约系统效能的关键因素。（6） 制造系统和制造过程的复杂性问题变得十分突出。制造系统的复杂性一是来源于系统 的本质非线性；二是来源于分布式制造系统的自组织、自适应与多自主体在信息共享基础上 的分布式协同；三是来源于调度、排样与决策中的“组合爆炸”问题。所有这些都向支撑制造技术取得革命性进步的基础理论研究提出了严峻的挑战。有鉴于此， 各国政府出于增强国家经济实力与国防实力，提高市场竞争力和可持续发展等国家目标的需 要，无一例外地将新一代制造系统理论及其科学基础作为其先进制造技术发展规划的重要组 成部分14。2国内外概况近年来国际上对于制造科学的研究逐渐给予重视，国际杂志“Manufacturing Science & En gineering”的出版，相应的国际会议的召开均将制造系统、制造信息、计算制造和制造智 能列为主要论题。美国在实施先进制造技术发展规划过程中，首先建立了国家制造科学研究中心（NCMS），他 们将美国下一代制造（NGM）定义为“以制造科学为知识基础的可重组、规模可变、经济合 理和快速适应需要的工艺、装备及企业”。制造科学问题的研究已经广泛展开。1998年，美国NRC(National Research Council)组织了与制造相关的众多学科领域的专家， 对下一世纪制造业所面临的问题和发展趋势进行了研究，提出了10大优先研究的问题，其中 ，若干问题都是属于新一代制造系统的基础理论问题。美国NCMS于1993年启动一批基于分布式多 自主体制造的研究项目。这些研究工作的开展，导致美国的制造企业和政府部门认为，基于 多自主体的制造是美国制造的未来，是实现敏捷制造的基础。这些研究项目对于新一代制造 系统模式的形成具有重要的意义。1995年，日本东京大学成立了机械制造信息学系，开始重视制造信息学在制造系统中的地位 和作用，并开展了相关研究。国内新一代制造系统模式的研究已相继展开，在国家自然科学基金的资助下，相继对虚拟制 造、敏捷制造、快速制造、可重组制造和支持产品创新的先进制造技术基础进行了研究，探 索加工机理、关键技术和制造系统模式，在技术创新和工程应用诸方面取得了突出的成就。 基础理论问题正日益引起重视1。3新一代制造系统的科学基础制造技术的发展，离不开相应历史发展阶段的科技进步和基础科学理论的支撑。在大批量自 动化生产阶段，其基础理论是力学与统计学；多品种小批量生产方式下，其基础理论发展为 以离散事件动态系统(DEDS)为代表的系统控制理论；在以计算机集成制造系统(CIMS）、敏 捷制造(AM）、智能制造系统(IMS）为代表的制造系统模式中，基础理论则发展成为系统理 论、人工智能、知识工程等。制造技术的进一步向前发展，越来越多地依赖于基础科学理论的深化，依赖于不同领域、不 同学科的发展，越来越多地吸收数学、生物、材料、信息、计算机、系统论、信息论、控制 论等诸多学科的基本理论和最新成果。制造学科发展到今天已成为一门面向整个制造业，涵 盖整个产品和制造系统生命周期及其各个环节的“大制造、大系统、大科学”，即制造科学 ，其科学理论体系见图1，具有综合、交叉的特点。其中，制造机理、制造信息学、计算 制 造学、制造智能和制造系统的结构与建模等构成了新一代制造系统的科学基础3 。图121世纪的制造科学4制造信息学制造信息学是研究与制造活动有关的信息、信息驱动、人类运用制造信息的机制以及制造信 息体系结构的一门基础科学。新一代制造系统中，信息不仅成为主导性因素，而且还是 最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。制 造 信息的主要来源是知识，制造系统对信息的依赖也是对知识的依赖。制造经验、技能和知识 的信息化，特别是制造活动中人的经验、技能、诀窍和知识的表达、获取、传递、变换和保 真机制将是制造信息学的重要研究内容(见图2)，也是制造系统及制造单元智能化的基础。 另一方面 ，制造过程中所需接收和处理的各种信息正在爆炸性地增长，海量制造信息的规范、存储、 管理及制造信息系统等也是制造信息学研究中的关键问题，例如，超精密加工领域中可复用 知识的获取、知识供应链的建立、知识资源的量化管理等都是取得技术优势的关键。图2制造信息处理研究内容5计算制造计算制造是指利用计算机对制造过程和制造系统的表示、计算、推理和形式处理，包括制造 中的几何表示、计算、优化和推理，以及制造过程建模、控制、规划、调度和管理有关的计 算问题及其复杂性问题分析。目的是使制造系统中的种种问题归结为计算机可形式化的计算 模型，研究可计算性和复杂性。计算制造中存在三个典型问题，即调度、排样与对策。其中，调度问题包括组合爆炸、求解 速度与求解质量、问题规模与新型启发式算法等；排样问题包括几何表示、几何推理、几何 问题求解等，例如背包问题、机器人无碰路径规划问题；对策问题包括分布式控制与自主决 策、多自主体的合作与竞争等。计算机几何是计算制造的理论基础之一，它与代数几何、组合几何、凸分析、数据结构、复 杂性分析等都是实现制造中几何问题分析的基础。计算机几何已成为解决制造系 统中诸 多难题的有力工具，其理论框架包括几何模型、计算机表示与空间推理的理论与方法等。计算智能是计算制造的另一个重要的研究内容。计算智能是基于数值计算的智能方法，其灵 活性、通用性及严密性明显优于基于知识的人工智能技术。计算智能对提高制造系统和制造 单元的智能化水平有着重大的意义。计算智能主要包括进化计算、神经网络与模糊系统等。 其中，进化计算因其具有自组织、自适应、自学习和本质并行性等特点，与混沌理论与分形 几何一起，被认为是研究非线性和复杂系统的新的三大方法之一。进化计算基于自然突变、 自然选择的生物进化思想，将复杂的制造系统描述为生物进化模型，利用其自重组、自适应 与进化特性，研究制造系统的动态重组与自组织行为。这为解决分布式制造系统的自组织 行为能力与分布式协同这一“瓶颈”问题提供了新的思路和方法，有助于降低这一问题的复 杂性。进化计算在制造系统中的应用还包括系统建模、工程优化、最优控制、机器学习与制 造机器人等方面。计算制造的有关研究内容见图3。图3计算制造的有关研究内容6制造智能人工智能特别是计算智能在制造系统及其各环节的广泛应用，以及制造知识的获取、表示、 存贮 和推理成为可能，导致出现了制造智能与制造技术的智能化。制造智能主要表现在智能调度 、智 能设计、智能加工、智能操作、机器人、智能控制、智能工艺规划、智能测量和诊断等多方 面。基于制造智能的智能化制造系统是制造系统的发展方向，被称为21世纪的制造系统。智 能化制造系统即使对每个解过程没有详细、显示的算法得到，也没有可以求得问题的决定和 唯一解的完全形式的数学关系和模型描述，仍具有解决问题的能力。即使在不完全和不确定 信息的情形下，仍然能够对不曾出现和预见的问题作出解答。智能化制造系统需要大量的知 识。基于人工智能的方法通过计算机来获取、表示、组织和利用知识，在智能制造中将发挥 重要作用。生物智能、仿生制造系统的自组织机制与方法，基于信息模型的个体复制和通过 进化形成的自适应能力，是解决当今制造业面临的种种难题的一条有望的途径。制造智能及 其相关内容见图4。图4制造智能及其相关内容7制造系统和制造过程的建模和仿真新一代制造系统对建模与仿真提出新的要求，其模型具有多层次、多截面、多维、全息和多 学科等特点，例如丝杠磨削过程的几何模型表现为多维与多截面，物理模型表现为多层次， 信息模型表现为全息模型。(1)并行工程环境下制造系统的进化模型研究制造系统的进化模型是为了从总体上把握系统的可控性，分析和评估系统的功能柔性和 结构柔性，系统在运行中不断完善其结构与功能的进化能力和对环境的适应能力，以及系统 的可重组性、鲁棒性、可负担性和基于全球计算机互联网络的虚拟制造行为等。(2)开放式体系结构开放性表现为任务的开放性、系统的开放性、问题求解的开放性。系统应能容纳来自其内部 功能或外部环境的变化，能在动态变化的问题求解环境下，合理地组织和改变所拥有的资源 、知识和策略；合理地处理矛盾与冲突，完成不断变化的问题求解任务；其问题求解过程能 接受信息和知识的变化。(3)多智能体间的协商和仲裁个体的自律性与整体的自组织、自进化相结合的开放的智能制造系统将成为新一代制造系统 的基本组织形态。众多具有自律行为能力的独立的制造个体通过简单的控制规则相互作用， 形成系统整体的自组织、自适应与自进化行为能力，从而实现制造系统的快速重组与行为控 制。在开放的智能系统中，独立开发的智能体能随时动态地加入或离开系统；另一方面，智能体 内部的知识、能力和策略在问题求解过程中也会随时动态变化：这两方面因素不仅会增加系 统中智能体间知识不完全和不一致的可能性，而且会导致封闭系统中少见的知识不兼容和不 可公度性（incommensurability）。这些知识差异是产生矛盾，导致冲突的根源，其主要表 现形式有目标冲突、资源冲突和结果冲突。在封闭智能系统中采用的利用公共知识、标准化、仲裁与调停等以公共知识和演绎逻辑为基 础的矛盾处理方法，对于开放的智能系统已不成立，协商是处理开放智能系统中矛盾与冲突 的一种有效方法。(4)虚拟企业与网络化制造建立在全球网络化基础上的新一代制造系统反映在企业之间的集成上，其主要表现形式为虚 拟企业或动态企业联盟，目的是通过企业间的竞争与合作，通过快速动态重组，提高制造业 的整体柔性和对全球市场的快速响应能力