智能制造概论课件 项目7智能制造服务

项目7智能制造服务WINTER思维导图学习要点了解制造服务的定义、制造服务的共性技术以及智能制造的现状和未来。熟悉制造服务的基本概念体系和创新模式，智能制造服务的定义、基本概念体系和特点。掌握智能制造服务的技术、体系与知识工程。具体包括：基于3种类型了解制造服务的定义，了解4种支持制造服务的关键共性技术，4种制造模式下的现状与前景展望；从5个基本概念熟悉制造服务的基本概念体系，基于产品生命周期3个阶段的创新模式熟悉制造服务的创新模式，熟悉智能制造服务的概念、简介、3个基本概念体系和3个主要特点；掌握3种基础共性技术和1个技术体系框架，信息提取和知识获取的知识工程方法。本项目内容智能制造服务技术、体系与知识工程智能制造服务的发展趋势制造服务概述智能制造服务概述本项目内容制造服务概述任务7.1制造是指把原材料加工成产品的全生命周期各环节生产活动的集合，是有序的、支持产品生产和获取的一系列活动过程的总和。产品全生命周期的制造活动包括市场调研、服务用户需求分析、产品研发与设计、加工制造、装配、分销、物流运输、维修维护、回收再制造等环节。服务是用户与提供者之间共同实现价值增值的过程，是以满足用户需求为目标，以无形方式结合有形资源，在用户与服务提供商之间发生的一系列活动。制造与服务的定义7.1.1制造服务的概念体系制造服务的概念是针对产品生产企业向服务业拓展的需要而提出的。制造服务的主体是产品生产企业和第三方服务商。服务对象包括产品生产企业和最终消费者，一般称为客户。狭义客户是指产品的用户；广义客户还包括供应商。制造服务包括与产品关联的生产性服务和不与产品关联的生活性服务。诸如整体解决方案服务、配件供应服务、产品回收服务、产品维修服务等，都是制造服务的典型例子。与产品关联的服务基于服务的主体分为制造企业的与产品关联的服务和第三方服务商的与产品关联的服务，制造企业的与产品关联的服务又包括能力服务和产品服务。这些基本概念之间的关系左图所示。由左图可以看出，与制造服务相关的概念不少，如生产性服务、生活性服务、能力服务、产品服务等。它们从多个角度定义了制造服务的概念。7.1.1制造服务的概念体系制造服务有关概念之间的关系基于产品关联度的制造服务，包括制造企业提供的与产品关联的服务和第三方服务商提供的与产品关联的服务。生产性服务中有一些不与产品直接关联的服务，如企业的财务优化服务、资产管理服务、法律咨询服务等；生活性服务中也有许多服务不与产品直接关联，如文艺演出服务、旅游服务、法律咨询服务、餐饮服务等，不属于制造服务。基于产品关联度对制造服务的定义7.1.1制造服务的概念体系制造企业的与产品关联的服务可分为产品服务和能力服务，它们服务的对象都是产品生产企业和最终消费者。产品服务是制造服务的子集（制造商基于自己产品的延伸服务），服务的主体是制造企业，服务的阶段主要是产品售后阶段。能力服务也是制造服务的子集（制造商提供设计和制造服务），服务的主体是制造企业，服务的阶段是售前阶段。基于产品服务对制造服务的定义制造服务是在传统制造企业核心业务功能的基础上发展起来的一种盈利模式。传统制造企业核心业务功能要实现的是获得产品，而制造服务则是在产品完成后延伸的服务或是为供应商、其他合作伙伴（在服务过程中也视为客户）以及其他客户提供的服务。基于制造服务概念演变过程的定义服务企业是只提供中间性产品或服务的企业。服务企业的范畴应该限制在制造企业之间具有生产性服务的企业中，其他企业除外。例如，为制造企业提供零部件的配套企业，为手机制造企业提供外包加工配件的中间企业等。制造企业是从服务企业处获得生产性服务支持生产出最终性产品或服务，并将最终性产品或服务提供给终端用户的企业。制造企业在生产性服务中获得原材料、信息服务、设计方案等，在制造服务化中提供物流服务、销售服务、维修服务等；作为制造服务的中枢连接起服务企业和终端用户，形成完整的商业生态系统；并且具有扩展性，不断融入信息化技术。终端用户是制造企业提供最终产品或服务的终端消费者，在制造服务化中获得更好的用户体验，从单纯产品使用到产品服务系统使用，并且获得个性化需求的满足。服务企业制造企业终端用户制造服务的概念体系——相关概念体系7.1.1制造服务的概念体系生产性服务是服务企业和制造企业之间形成的一种制造服务关系。服务企业提供中间性产品或服务，制造企业利用中间性产品或服务进行最终产品或服务制造。生产性服务内涵广泛，不容易界定。制造服务化是制造企业和终端用户之间形成的一种制造服务关系。制造企业通过不断增强产品的服务特性来满足终端用户的个性化需求，最后形成产品服务系统。生产性服务制造化服务制造服务的概念体系——相关概念体系7.1.1制造服务的概念体系产品形成阶段的制造服务主要是企业内部人员利用已有的知识为其他客户服务，共有如下3个环节：在市场研究环节，提供客户需求调查服务、客户需求咨询服务、客户需求协同监控服务、客户产品体验服务和企业战略咨询服务；在产品开发环节提供群体协同开放式创新服务、专利转让服务、产品定制开发服务和用户参与研发的服务；在产品设计环节提供零部件快速重用服务、产品协同设计服务、整体解决方案服务和大众化设计服务。产品形成阶段的制造服务创新模式7.1.2制造服务的创新模式产品制造阶段的制造服务主要有如下4个环节：在外部采购环节有供货商供货信息服务、供货商供货平台服务、采购信息匹配服务、采购过程监控服务、供应商全面体验服务和供应商培养服务；在零件制造环节有制造能力服务、产品定制服务、加工的整体方案服务、可重构制造服务和加工质量监控服务；在产品装配环节有装配计划推送服务、模块组合装配服务、客户自主装配服务和智能远程装配服务；在产品销售环节有产品融资租赁服务、产品成套销售服务、用户体验营销服务、供应商库存管理服务和基于网络的销售服务。产品制造阶段的制造服务创新模式产品售后阶段的制造服务主要有如下4个阶段：在产品库存物流环节改善供应商管理库存服务、第三方物流服务、统一物流管理服务、主动物流服务和智能物流管理服务；在产品运行（使用）环节改善运行节能保障服务、远程监控运行服务、产品共享使用服务、产品增值服务和为客户的客户服务；在产品维护环节改善产品远程维护服务、零部件再制造服务、产品配件服务和产品智能维护服务；在报废回收环节改善生产者产品回收服务、零部件梯级重用服务和资源循环重用服务。产品售后阶段的制造服务创新模式制造服务感知技术制造服务管理技术制造服务专业技术制造服务社会化技术7.1.3制造服务的共性技术制造服务需要许多技术的支持。例如，某品牌服装公司开展西服量身定制服务。在公司的专卖店，服务员用一种专用工具测量顾客的身材尺寸。当顾客选择西服的面料与款式以后，服务员通过互联网将上述数据传送到服装厂。服装厂的工人接到这些信息以后，用服装变型设计系统进行变型设计，然后通过网络将变型设计结果进行计算机辅助排料，并将排料图传送到数据裁剪机进行裁剪，经人工缝纫、熨烫以后就可以将定制的成衣交送给顾客，整个过程只需一周的时间。这里涉及的技术和系统包括专用测量工具、计算机辅助排料系统、服装变型设计系统、顾客数据管理系统、数控裁剪机等。不同的产品有不同的服务内容，并往往有自己的专用技术。支持制造服务的4种关键共性技术是：智能制造服务概述任务7.27.2.1智能制造服务的定义智能制造服务是将互联网、大数据、智能计算等新一代信息技术应用到产品全生命周期制造服务各环节，实现制造服务的全方位智能化管控与优化的过程。智能制造服务的概念强调采用智能化的手段实现制造服务的设计、配置、决策、规划、运行、监控等。智能制造服务面向产品的全生命周期，依托于产品创造高附加值的服务，智能物流、产品跟踪追溯、远程服务管理、预测性维护等都是智能制造服务的具体表现。总的来讲，智能制造服务具有3个优势。智能制造服务综合运用现代信息技术，能够从根本上改变传统制造业产品研发、制造、运输、销售和售后服务等环节的运营模式。从智能制造服务环节得到的反馈数据，可以优化制造行业的全部业务和作业流程，实现生产力可持续增长与经济效益稳步提高的目标。实施智能制造服务的企业，可以通过捕捉客户的原始信息，在后台积累丰富的数据，以此构建需求结构模型，并进行数据挖掘和商业智能分析。优势一优势二优势三7.2.1智能制造服务的定义智能制造服务的优势智能制造服务是将制造服务扩展到工业互联网环境中的制造服务，智能制造服务具有制造服务的一般特征，更重要的是将制造服务资源虚拟化为智能制造服务，通过智能终端来运营制造服务。基于工业互联网的智能制造服务会更容易从技术上实现，而从制造服务到智能制造服务更多的是研究智能终端上智能制造服务主体的网络接入以及智能制造服务的应用。随着智能制造技术的发展，智能终端和网络接入会变得更加便捷，即插即用也会实现。将制造服务相关概念体系推广到工业互联网环境，则智能制造服务相关的概念体系如下。7.2.2智能制造服务的概念体系智能制造服务是将制造服务资源虚拟化为信息化软构件并发布在工业互联网上的Web服务，其内涵是Web服务背后的制造服务活动，即智能制造服务主体间基于工业4.0的智能制造服务关系。智能制造服务7.2.2智能制造服务的概念体系智能制造服务主体是指已经接入工业互联网环境的服务企业、制造企业和终端用户等。随着企业信息化不断深入，服务企业、制造企业和终端用户等可以通过智能终端方便地接入工业互联网。智能制造服务主体智能制造服务关系是指已经接入工业互联网的智能制造服务主体之间基于工业4.0形成的生产性服务和制造服务化，其本质和前面提到的制造服务关系无异。智能制造服务关系7.2.3智能制造服务的特点工业互联网环境中的服务资源可以被封装和虚拟化，进而聚类成为服务资源网络并集成到制造服务资源平台中。通过将分散的服务资源集中起来，便可形成逻辑上统一的制造服务资源池，配置相应的服务集成与管理功能。同时，服务提供商也可在平台上配置订单任务列表，由平台对各个服务用户的服务订单进行统一规划和管理，以保证每个服务用户都能按时得到服务交付。因此，通过对制造服务资源进行网络化集中管理与调度，可以提高制造服务资源利用率，高效、快速地响应市场和用户的动态制造服务需求。网络化和平台化的制造服务资源集成与管理制造服务将制造业价值链延长至产品全生命周期，内涵涉及制造过程服务化、制造产品服务化、制造业服务化等。同时，通过采用智能计算、大数据处理、互联网等技术，对产品战略研发、产品设计、知识产权保护、生产制造、现场管理、销售、安装调试、维护维修等各个服务环节中的信息服务、技术服务、人力资源服务、设备资源服务等进行智能化优化与管理。企业则需要不断地对产品全生命周期中的服务模式、能力和资源等进行迭代与升级，以实现制造业价值链上服务环节价值的拓展与延伸。面向产品全生命周期的制造服务协调和协作新一代信息技术使得高效且可靠地获取制造服务活动中的服务交互数据与信息成为可能。这些数据与信息支持着产品全生命周期各环节服务活动的智能化设计优化与决策。例如，CPS、物联网、大数据分析等技术可以高效、精准地获取服务用户个性化、多样化的服务需求信息；云计算模型框架可对制造服务资源平台上的服务资源进行集成封装、集中式调度与管理；社会计算技术则可推动社群化制造服务网络的建模、分析、评估与优化等；数据挖掘技术能够提取产品加工/生产过程质量描述、预测以及参数优化的相关信息；边缘计算技术可被用于工业互联网环境下制造服务数据的分布式运算与处理。智能化的服务设计优化与决策智能制造服务技术、体系与知识工程任务7.37.3.1智能制造服务技术服务状态感知技术是智能制造服务的关键环节，产品追溯管理、预测性维护等服务都是以产品的状态感知为基础的。服务状态感知技术包括识别技术和实时定位系统。服务状态感知技术数字化技术之所以能够推动制造业的发展，很大程度上得益于计算机网络技术的广泛应用，但这也对制造工厂的网络安全构成了威胁，如左图所示。想要解决信息安全问题，需要从两个方面入手。信息安全技术按协同制造的组织，协同制造分为企业内的协同制造（又称纵向集成）和企业间的协同制造；按协同制造的内容，协同制造分为协同设计、协同供应链、协同生产和协同服务等。协同服务是协同制造的重要内容之一。协同服务包括设备协作、资源共享、技术转移、成果推广和委托加工等模式的协作交互，通过调动不同企业的人才、技术、设备、信息和成果等优势资源，实现集群内企业的协同创新、技术交流和资源共享等。协同服务技术信息安全技术7.3.1智能制造服务技术确保服务器自主可控服务器作为国家政治、经济、信息安全的核心，其自主化是确保行业信息化应用安全的关键，也是构筑我国信息安全长城不可或缺的基石。只有确保服务器的自主可控，满足金融、电信、能源等对服务器安全性、可扩展性及可靠性有严苛标准行业的数据中心和远程企业环境的应用要求，才能建立安全可靠的信息产业体系。确保IT核心设备安全可靠目前，我国IT核心产品仍严重依赖国外企业，信息化核心技术和设备受制于人。只有实现核心电子元器件、高端通用芯片及基础软件产品的国产化，确保核心设备安全可靠，才能不断把IT安全保障体系做大做强。

智能制造服务的理论与技术主要包括智能制造服务知识的建模与演化理论、智能制造服务运作的企业与模式理论、智能制造服务模块的生产与集成技术、智能制造服务系统的设计与组建技术等。智能制造服务的运营模式是指基于智能制造服务平台随时随地地运作智能制造服务的商业模式，在此运营模式下，智能制造服务理论与技术的基本概念体系有：（1）智能制造服务知识。智能制造服务知识是在智能制造服务活动过程中涉及的生产性服务知识、制造服务化知识、服务型制造知识，以及支持智能制造服务主体的各种领域知识等。（2）智能制造服务运作。智能制造服务运作是以智能制造服务为运营商品，在工业4.0环境下组织产品生产、服务设计、产品服务系统集成，并销售产品服务系统实现价值创造的过程，它是以智能工厂实现运作环境，以智能生产实现运作方式的。（3）智能制造服务模块。智能制造服务模块是基于快速配置智能制造服务系统的目标，而创建的模块化的智能制造服务。这种模块是按照智能制造服务主体的核心产品或服务构建的，它可在工业互联网环境中动态调度，具有可配置等特性。（4）智能制造服务系统。智能制造服务系统是考虑智能制造服务主体的智能制造服务需求，设计出智能制造服务方案，再根据方案将若干智能制造服务模块集成演化的系统。智能制造服务系统是智能制造服务运营的核心商品。7.3.2智能制造服务体系智能制造服务框架7.3.2智能制造服务体系（1）目标层：在目标层提出智能制造服务的研究目的。为了实现制造与服务的融合总目标，研究技术体系实施方案，利用工业互联网技术，使得智慧服务企业、智能制造企业和终端用户的需求最大限度获得满足。（2）方法层：在方法层提出智能制造服务研究思路方法，主要是智能制造服务的运营模式，特别是针对生产性服务和制造服务化。生产性服务突出价值链形成行业特点，制造服务化突出产业链达到区域优势。智能制造服务框架7.3.2智能制造服务体系

（3）理论技术层：在理论技术层提出实现目标的关键理论技术。关键理论技术是智能制造服务知识的建模与演化理论、智能制造服务运作的企业与模式理论、智能制造服务模块的生产与集成技术、智能制造服务系统的设计与组建技术等。（4）基础层：在基础层主要提供智能制造服务研究的理论基础以及技术基础，包括工业4.0理论、智能制造技术、一切即服务、面向服务架构、云计算、物联网、大数据、ASP模式、Web服务技术、生产性服务、制造服务化等。与智能制造过程相比，智能制造服务更加注重对知识的利用，这些知识在制造服务活动中起到重要作用，其来源基础是智能制造服务过程产生的大数据。智能制造服务活动产生的数据是客观存在的，这些数据蕴含的知识需要通过信息技术来挖掘。在介绍智能制造服务的知识工程之前，首先介绍智能制造服务信息提取和知识获取。7.3.3智能制造服务知识工程（1）智能制造服务的信息提取首先用知识表示方法对智能制造服务知识进行规范化编码。将知识编码后，可从原始数据库中提取智能制造服务信息。可拓学是用形式化模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法，并用于解决矛盾问题的科学，流程如右图所示。与智能制造过程相比，智能制造服务更加注重对知识的利用，这些知识在制造服务活动中起到重要作用，其来源基础是智能制造服务过程产生的大数据。智能制造服务活动产生的数据是客观存在的，这些数据蕴含的知识需要通过信息技术来挖掘。在介绍智能制造服务的知识工程之前，首先介绍智能制造服务信息提取和知识获取。7.3.3智能制造服务知识工程（2）智能制造服务的知识获取从业务活动产生的大数据中提取出智能制造服务信息后，接着就可以获取智能制造服务知识。从智能制造服务信息中获取智能制造服务知识的过程就是从数据库中挖掘传导知识的过程，类比信息提取图从可拓学角度分析，获取的一般流程右图所示。智能制造服务属于典型的知识密集型服务，如何将制造服务过程中海量的知识进行有序表达、高效推理并系统存储，是解决制造服务领域中知识高效利用的关键问题，而知识工程则是解决该问题的有效途径之一。知识工程是一门以知识为研究对象的学科，研究如何将知识以计算机能识别的方式存储，并在此基础上对问题进行自动推理求解。知识工程的研究包括知识表示、知识存储、知识推理、知识重用、知识繁衍等，其中知识表示是知识工程的基础。近年来，知识图谱（KnowledgeGraph，KG）作为现代人工智能技术中的重要组成部分，能够在制造服务数据的存储、管理以及在此基础上的搜索、智能问答、情报分析等领域中发挥重要作用，因此知识图谱与知识工程密切相关。知识图谱构建技术中的专家构建方式，便是知识工程中专家知识获取与表示的具体实践。在应用层面，知识图谱基于知识工程所提供的推理机制，能够在制造服务数据的存储、管理基础上，实现高效搜索、智能问答和精准情报分析等功能。本小节将从以下3个方面介绍知识工程的方法。7.3.3智能制造服务知识工程知识是制造过程的智能化的载体，通过在制造过程中应用知识工程，可以快速实现制造过程的信息化、智能化。知识表示则是将知识以某种形式符号化的过程，便于计算机进行存储和管理，以及结合具体问题进行推理应用。同时，一种好的知识表示方法是知识库易于维护和知识推理高效的前提，更是知识系统能有效解决问题的决定性因素。因此，知识表示一直以来都是知识工程领域研究的热点与核心。目前，国内外学者已经提出多种知识表示方法，包括一阶谓词逻辑、语义网络、产生式规则、框架、实例、本体等，这几种知识表示方式的优缺点如左表所示。（1）全生命周期制造服务经验的知识化几种知识表示方法的优缺点知识表示法优点缺点一阶谓词逻辑接近于人类语言，易于接受事实较多时推理易出现组合爆炸语义网络反映人类思维联想过程，自然清晰形式多样导致处理复杂性大大提高产生式规则善于表示过程性知识和因果性知识不便于表示结构性和层次性知识框架善于表示结构性和层次性知识不便于表示过程性知识和因果性知识实例便于存储问题求解时的隐含经验具体表示形式和标准不统一本体便于描述事物之间的复杂联系关系描述过多时导致推理过程复杂7.3.3智能制造服务知识工程智能制造服务过程中所蕴含的知识的形式和结构各不相同，不便于统一描述、组织和管理。因此，为了对这些不同类型的知识进行统一表达，还需建立支持多种知识共存的智能制造服务的混合知识表示模型，采用思维导图来实现。基于思维导图的知识表示模型如左图所示，（1）全生命周期制造服务经验的知识化7.3.3智能制造服务知识工程在完成全生命周期制造服务经验的知识化后，需要借用知识工程工具解决实际制造服务问题。智能制造服务的知识工程主要分为知识存储和知识推理两部分。知识库是否易于维护、知识存取是否快捷是衡量一个知识系统效率高低的关键性因素。智能制造服务的计算与决策中包括框架、实例、产生式规则以及本体不同类型的知识。若将这些知识全部存放在一个知识库中，不仅会直接增加知识管理的难度，更会导致知识库的存取效率下降。针对智能制造服务的计算与决策的混合知识表示模型，知识库逻辑结构如右图所示。（2）智能制造服务的知识工程7.3.3智能制造服务知识工程广义上的推理是指人类根据既定的事实进行思维拓展、演绎推理出结论的过程，它是人类高级思维的一种重要体现。知识推理是指利用计算机模拟人类的思考推理方式，根据一定的求解策略，在已经建立的知识集合中自动推理搜寻问题解的过程。知识推理按照知识形式不同，相关方法也有所不同，主要包括：框架推理、实例推理、产生式规则推理。基于领域知识图谱的服务数据空间，可实现大规模的查询与自动推理。其利用语义本体对服务流为中心的相关概念进行形式化描述，并对涉及的服务约束知识进行建模，最终实现服务数据空间模式层的建模。同时，结合Datalog和R2RML，可把在领域知识图谱上的SPARQL查询转换为关系数据库的SQL查询，以构建基于查询重写的映射规则，实现服务数据空间实例层的映射。（3）智能制造服务中的知识图谱技术7.3.3智能制造服务知识工程智能制造服务的发展趋势任务7.47.4.1多种制造模式下智能制造服务发展概况目前，智能制造服务的制造模式有4种：面向服务型制造、面向社群化制造、面向云制造、面向产品服务系统。

（1）面向服务型制造的智能制造服务服务型制造更突出地强调服务对制造业的增值作用，通过在产品全生命周期的各个环节融合外包/众包/产品服务系统等高附加值的服务方案，重构与优化“服务发包方和接收方”的生产组织形式、运营管理方式和商业发展模式等，拓展和延伸制造产业链的价值链，实现制造服务双方的共赢局面。（2）面向社群化制造的智能制造服务

社群化制造是指专业化服务外包模式驱动的构建在社会化服务资源自组织配置与共享基础上的一种新型网络化制造模式。在社群化制造模式下，拥有不同制造服务资源类型的企业自组织、自适应地形成动态、复杂、多元拓扑资源网络。社群化制造下的智能制造服务模式，可看作以制造服务为核心的“制造+服务”网络的进一步发展和延伸。如何以制造服务为基础构建相应的制造服务网络是实现社群化制造模式背景下智能制造服务发展与应用的关键。7.4.1多种制造模式下智能制造服务发展概况目前，智能制造服务的制造模式有4种：面向服务型制