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【科技百科】智能制造(IM)

发布时间: 2017-09-13 11:12:47 来源:信息技术专业知识服务系统

一、概念

智能制造(Intelligent Manufacturing,IM)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。它把制造自动化的概念更新,扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

智能制造源于人工智能的研究。一般认为智能是知识和智力的总和,前者是智能的基础,后者是指获取和运用知识求解的能力。智能制造主要包含智能制造技术和智能制造系统,智能制造系统不仅能够在实践中不断地充实知识库,具有自学习功能,还有搜集与理解环境信息和自身的信息,并进行分析判断和规划自身行为的能力。

智能化是制造自动化的发展方向。在制造过程的各个环节几乎都广泛应用人工智能技术。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。也可以将神经网络和模糊控制技术等先进的计算机智能方法应用于产品配方,生产调度等,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。但同样显然的是,要在企业制造的全过程中全部实现智能化,如果不是完全做不到的事情,至少也是在遥远的将来。

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二、基本原理

智能制造的基本原理

从智能制造系统的本质特征出发,在分布式制造网络环境中,根据分布式集成的基本思想,应用分布式人工智能中多Agent系统的理论与方法,实现制造单元的柔性智能化与基于网络的制造系统柔性智能化集成。根据分布系统的同构特征,在智能制造系统的一种局域实现形式基础上,实际也反映了基于Internet的全球制造网络环境下智能制造系统的实现模式。

分布式网络化的基本构思

智能制造系统的本质特征是个体制造单元的“自主性”与系统整体的“自组织能力”,其基本格局是分布式多自主体智能系统。基于这一思想,同时考虑基于Internet的全球制造网络环境,可以提出适用于中小企业单位的分布式网络化IMS的基本构架。一方面通过Agent赋予各制造单元以自主权,使其自治独立、功能完善;另一方面,通过Agent之间的协同与合作,赋予系统自组织能力。

基于以上构架,结合数控加工系统,开发分布式网络化原型系统相应的可由系统经理、任务规划、设计和生产者等四个结点组成。

系统经理结点包括数据库服务器和系统Agent两个数据库服务器,负责管理整个全局数据库,可供原型系统中获得权限的结点进行数据的查询、读取,存储和检索等操作,并为各结点进行数据交换与共享提供一个公共场所,系统Agent则负责该系统在网络与外部的交互,通过Web服务器在Internet上发布该系统的主页,网上用户可以通过访问主页获得系统的有关信息,并根据自己的需求,以决定是否由该系统来满足这些需求,系统Agent还负责监视该原型系统上各个结点间的交互活动,如记录和实时显示结点间发送和接受消息的情况、任务的执行情况等。

任务规划结点由任务经理和它的代理(任务经理Agent)组成,其主要功能是对从网上获取的任务进行规划,分解成若干子任务,然后通过招标——投标的方式将这些任务分配各个结点。

设计结点由CAD工具和它的代理(设计Agent)组成,它提供一个良好的人机界面以使设计人员能有效地和计算机进行交互,共同完成设计任务。CAD工具用于帮助设计人员根据用户要求进行产品设计;而设计Agent则负责网络注册、取消注册、数据库管理、与其他结点的交互、决定是否接受设计任务和向任务发送者提交任务等事务。

生产者结点实际是该项目研究开发的一个智能制造系统(智能制造单元),包括加工中心和它的网络代理(机床Agent)。该加工中心配置了智能自适应。该数控系统通过智能控制器控制加工过程,以充分发挥自动化加工设备的加工潜力,提高加工效率;具有一定的自诊断和自修复能力,以提高加工设备运行的可靠性和安全性;具有和外部环境交互的能力;具有开放式的体系结构以支持系统集成和扩展。

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三、发展轨迹

智能制造渊于人工智能的研究。人工智能就是用人工方法在计算机上实现的智能。随着产品性能的完善化及其结构的复杂化、精细化,以及功能的多样化,促使产品所包含的设计信息和工艺信息量猛增,随之生产线和生产设备内部的信息流量增加,制造过程和管理工作的信息量也必然剧增,因而促使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。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)一旦被切断信息来源就会立刻停止工作。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,而且还要表现出智能,否则是难以处理如此大量而复杂的信息工作量的。其次,瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境,也要求制造系统表现出更高的灵活、敏捷和智能。因此,智能制造越来越受到高度的重视。 纵览全球,虽然总体而言智能制造尚处于概念和实验阶段,但各国政府均将此列入国家发展计划,大力推动实施。1992年美国执行新技术政策,大力支持被总统称之的关键重大技术(Critical Techniloty),包括信息技术和新的制造工艺,智能制造技术自在其中,美国政府希望借助此举改造传统工业并启动新产业。

加拿大制定的1994~1998年发展战略计划,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,认为发展和应用智能系统至关重要,并将具体研究项目选择为智能计算机、人机界面、机械传感器、机器人控制、新装置、动态环境下系统集成。

日本1989年提出智能制造系统,且于1994年启动了先进制造国际合作研究项目,包括了公司集成和全球制造、制造知识体系、分布智能系统控制、快速产品实现的分布智能系统技术等。

欧洲联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,其中三项(信息技术、分子生物学和先进制造技术)中均突出了智能制造的位置。

中国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、汉语机器理解方面取得了一批成果。国家科技部正式提出了“工业智能工程”,作为技术创新计划中创新能力建设的重要组成部分,智能制造将是该项工程中的重要内容。

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四、释义初探

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系统,它突出了在制造诸环节中,以一种高度柔性与集成的方式,借助计算机模拟的人类专家的智能活动,进行分析、判断、推理、构思和决策,取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动,同时,收集、存储、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。由于这种制造模式,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。智能制造系统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。

一般而言,制造系统在概念上认为是一个复杂的相互关联的子系统的整体集成,从制造系统的功能角度,可将智能制造系统细分为设计、计划、生产和系统活动四个子系统。在设计子系统中,智能制定突出了产品的概念设计过程中消费需求的影响;功能设计关注了产品可制造性、可装配性和可维护及保障性。另外,模拟测试也广泛应用智能技术。在计划子系统中,数据库构造将从简单信息型发展到知识密集型。在排序和制造资源计划管理中,模糊推理等多类的专家系统将集成应用;智能制造的生产系统将是自治或半自治系统。在监测生产过程、生产状态获取和故障诊断、检验装配中,将广泛应用智能技术;从系统活动角度,神经网络技术在系统控制中已开始应用,同时应用分布技术和多元代理技术、全能技术,并采用开放式系统结构,使系统活动并行,解决系统集成。

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五、综合特征

智能制造和传统的制造相比,智能制造系统具有以下特征:

自律能力

即搜集与理解环境信息和自身的信息,并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。强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。

人机一体化

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。基于人工智能的智能机器只能进行机械式的推理、预测、判断,它只能具有逻辑思维(专家系统),最多做到形象思维(神经网络),完全做不到灵感(顿悟)思维,只有人类专家才真正同时具备以上三种思维能力。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,更好地发挥出人的潜能,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,使二者在不同的层次上各显其能,相辅相成。

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。

虚拟现实(VR)技术

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。虚拟现实技术是以计算机为基础,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。

自组织与超柔性

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。

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,在运行过程中自行故障诊断,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。

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六、智能技术

1、新型传感技术——高传感灵敏度、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。

2、模块化、嵌入式控制系统设计技术——不同结构的模块化硬件设计技术,微内核操作系统和开放式系统软件技术、组态语言和人机界面技术,以及实现统一数据格式、统一编程环境的工程软件平台技术。

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、系统协同技术——大型制造工程项目复杂自动化系统整体方案设计技术以及安装调试技术,统一操作界面和工程工具的设计技术,统一事件序列和报警处理技术,一体化资产管理技术。

5、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以及健康维护技术,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。

6、高可靠实时通信网络技术——嵌入式互联网技术,高可靠无线通信网络构建技术,工业通信网络信息安全技术和异构通信网络间信息无缝交换技术。

7、功能安全技术——智能装备硬件、软件的功能安全分析、设计、验证技术及方法,建立功能安全验证的测试平台,研究自动化控制系统整体功能安全评估技术。

8、特种工艺与精密制造技术——多维精密加工工艺,精密成型工艺,焊接、粘接、烧结等特殊连接工艺,微机电系统(MEMS)技术,精确可控热处理技术,精密锻造技术等。

9、识别技术——低成本、低功耗RFID芯片设计制造技术,超高频和微波天线设计技术,低温热压封装技术,超高频RFID核心模块设计制造技术,基于深度三位图像识别技术,物体缺陷识别技术。

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七、测控装置

1、新型传感器及其系统——新原理、新效应传感器,新材料传感器,微型化、智能化、低功耗传感器,集成化传感器(如单传感器阵列集成和多传感器集成)和无线传感器网络。

2、智能控制系统——现场总线分散型控制系统(FCS)、大规模联合网络控制系统、高端可编程控制系统(PLC)、面向装备的嵌入式控制系统、功能安全监控系统。

3、智能仪表——智能化温度、压力、流量、物位、热量、工业在线分析仪表、智能变频电动执行机构、智能阀门定位器和高可靠执行器。

4、精密仪器——在线质谱/激光气体/紫外光谱/紫外荧光/近红外光谱分析系统、板材加工智能板形仪、高速自动化超声无损探伤检测仪、特种环境下蠕变疲劳性能检测设备等产品。

5、工业机器人与专用机器人——焊接、涂装、搬运、装配等工业机器人及安防、危险作业、救援等专用机器人。

6、精密传动装置——高速精密重载轴承,高速精密齿轮传动装置,高速精密链传动装置,高精度高可靠性制动装置,谐波减速器,大型电液动力换档变速器,高速、高刚度、大功率电主轴,直线电机、丝杠、导轨。

7、伺服控制机构——高性能变频调速装置、数位伺服控制系统、网络分布式伺服系统等产品,提升重点领域电气传动和执行的自动化水平,提高运行稳定性。

8、液气密元件及系统——高压大流量液压元件和液压系统、高转速大功率液力偶合器调速装置、智能润滑系统、智能化阀岛、智能定位气动执行系统、高性能密封装置。

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八、发展前景

1、人工智能技术。因为IMS的目标是计算机模拟制造业人类专家的智能活动,从而取代或延伸人的部分脑力劳动,因此人工智能技术成为IMS关键技术之一。IMS与人工智能技术(专家系统、人工神经网络、模糊逻辑)息息相关。

2、并行工程。针对制造业而言,并行工程是一种重要的技术方法学,应用于IMS中,将最大限度的减少产品设计的盲目性和设计的重复性。

3、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。信息网络同时也是制造信息及知识流动的通道。

4、虚拟制造技术。虚拟制造技术可以在产品设计阶段就模拟出该产品的整个生命周期,从而更有效,更经济、更灵活的组织生产,实现了产品开发周期最短,产品成本最低,产品质量最优,生产效率最高的保证。同时虚拟制造技术也是并行工程实现的必要前提。

5、自律能力构筑。即收集和理解环境信息和自身的信息并进行分析判断和规划自身行为的能力。强大的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。

6、人机一体化。智能制造系统不单单是“人工智能系统,而且是人机一体化智能系统,是一种混合智能。想以人工智能全面取代制造过程中人类专家的智能,独立承担分析、判断、决策等任务,目前来说是不现实的。人机一体化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,更好的发挥人的潜能,使达到一种相互协作平等共事的关系,使二者在不同层次上各显其能,相辅相成。

7、自组织和超柔性。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,使其柔性不仅表现运行方式上,而且表现在结构形式上,所以称这种柔性为超柔性,类似于生物所具有的特征,如同一群人类专家组成的整体。

九、我国动向

2015年9月10日,工业和信息化部公布2015年智能制造试点示范项目名单,46个项目入围。2016年3月31日,工业和信息化部印发了《关于开展智能制造试点示范2016专项行动的通知》,启动智能制造试点示范2016专项行动。

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