《機械制造業智能工廠規劃設計》——第3章 機械制造業智能工廠的總體架構 3.1 智能制造的通用定義和特征

1.智能制造的定義和内涵

智能制造系統（Intelligent Manufacturing System，IMS）是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它對制造自動化的概念進行了更新，擴充到柔性化、智能化和高度內建化。智能制造系統最終要從以人為主要決策核心的人機和諧系統向以機器為主體的自主運作轉變。

智能制造國際合作研究計劃JIRPIMS明确提出：“智能制造系統是一種在整個制造過程中貫穿智能活動，并将這種智能活動與智能機器有機融合，将整個制造過程從訂貨、産品設計、生産到市場銷售等各個環節，以柔性方式內建起來的、能發揮最大生産力的先進生産系統。”

毫無疑問，人工智能技術在企業價值鍊的各個環節中的應用，将極大地提高設計、産品、管理、制造、服務的水準。專家系統技術可以用于工程設計、工藝過程設計、生産排程、故障診斷等；神經網絡和模糊控制技術可以應用于生産排程，實作制造過程智能化；而人工智能技術尤其适合于解決特别複雜和不确定的問題。

2.智能制造的特征

與傳統的制造相比，智能制造主要具有以下5大特征，如圖3.1所示。

（1）自律能力

智能制造過程具有能感覺與了解環境資訊和自身資訊，以及進行分析判斷和規劃自身行為的能力。具有自律能力的裝置稱為“智能機器”，“智能機器”在一定程度上表現出獨立性、自主性和個性，甚至互相間還能協調運作與競争。值得注意的是，強有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎。即使有程式設計錯誤，數控機床能夠感覺并控制刀具與機床不能碰撞，機器人能夠感覺手臂的運動，并控制手臂在運動中不與障礙物相撞。

（2）人機一體化

目前IMS不單純是“人工智能”系統，而是人機一體化智能系統，它不僅具有邏輯思維、形象思維，還具有靈感（頓悟）思維。隻有人類專家才真正同時具備以上3種思維能力。是以，想以人工智能全面取代制造過程中人類專家的智能，獨立承擔起分析、判斷、決策等任務是不現實的。人機一體化智能系統可以在智能機器的配合下，更好地發揮出人的潛能，使人機之間形成一種平等共事、互相“了解”、互相協作的關系。

是以，在智能制造系統中，高素質、高智能的人将發揮更好的作用，機器智能和人的智能将真正地內建在一起，互相配合，相得益彰。

（3）虛拟現實

虛拟現實技術是實作虛拟制造的支援技術，也是實作高水準人機一體化的關鍵技術之一。虛拟現實技術以計算機為基礎，融信号處理、動畫技術、智能推理、預測、仿真和多媒體技術為一體，借助各種音像和傳感裝置，虛拟展示現實生活中的各種過程、物件等，因而也能拟實制造過程和未來的産品，從感官和視覺上使人獲得完全如同真實的感受。但其特點是可以按照人們的意願任意變化，這種人機結合的新一代智能界面，是智能制造的一個顯著特征。如在虛拟環境下設計的數字化樣機，能進行模拟仿真。設計一條柔性制造系統，可以在電腦上進行模拟仿真，讓人們看到未來的系統是如何工作的。

（4）自組織和超柔性

自組織和超柔性是指智能制造系統中的各組成單元能夠依據工作任務的需要，自行組成一種最佳結構，其柔性不僅表現在運作方式上，而且表現在結構形式上，是以稱這種柔性為超柔性，如同一群人類專家組成的群體，具有生物特征。一條PLC的智能裝配線，設計有10個裝配工位，但是随着不同型号的PLC其裝配需求不同，它可以自組織在其中某幾個工位上進行裝配。

（5）學習能力與自我維護能力

智能制造系統能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能。同時，在運作過程中還能自行進行故障診斷，并具備對故障自行排除、自行維護的能力。這種特征使智能制造系統能夠自我優化并适應各種複雜的環境。GE公司的航空發動機就具有遠端線上監控、故障診斷、自維護和自學習的功能。特斯拉的無人駕駛汽車，在實驗中有人參與處置自動駕駛的不足，自學習系統記錄這些人為的糾正措施，使得無人駕駛系統越來越“聰明”。智能制造對于不同的行業其需求是不同的。

3.智能制造的基本技術

智能制造不同于一般制造，是因為它采用了一些基本的智能技術。這些技術舉例如下（但不僅限于此）：

（1）傳感器技術

智能制造的最大特征是要感覺環境的變化，感覺裝備的運作狀态。是以需要高靈敏度、精度、可靠性和環境适應性的傳感技術，采用新原理、新材料、新工藝的傳感技術（如量子測量、納米聚合物傳感、光纖傳感等），微弱傳感信号提取與處理技術。用于感覺諸如：溫度、壓力、流量、物位、熱量、運動參數、電參數、力學參數、光參數等。

（2）嵌入式控制系統

嵌入式系統是用來控制或者監視機器、裝置、工廠等大規模裝置的系統。國内普遍認同的嵌入式系統定義為：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬體可裁剪，适應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。通常，嵌入式系統是一個控制程式存儲在ROM中的嵌入式處理器控制闆。事實上，所有帶有數字接口的裝置，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統，有些嵌入式系統還包含作業系統，但大多數嵌入式系統都是由單個程式實作整個控制邏輯的。嵌入式系統的核心由一個或幾個預先程式設計好、用來執行少數幾項任務的微處理器或者單片機組成。智能機器必然要用嵌入式控制系統。

（3）先進控制與優化技術

工業過程多層次性能評估技術、基于海量資料的模組化技術、大規模高性能多目标優化技術，大型複雜裝備系統仿真技術，高階導數連續運動規劃、電子傳動等精密運動控制技術。

（4）故障診斷與健康維護技術

線上或遠端狀态監測與故障診斷、自愈合調控與損傷智能識别及健康維護技術，重大裝備的壽命測試和剩餘壽命預測技術，可靠性與壽命評估技術。

當然還有網絡通信技術、資訊安全技術、識别技術、特種工藝和精密制造技術等。