智能制造

　　智能制造淵于人工智能的研究。一般認為智能是知識和智力的總和，前者是智能的基礎(chǔ)，后者是指獲取和運用知識求解的能力。智能制造應(yīng)當(dāng)包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。

　　概述

　　智能制造（IntelligentManufacturing，IM）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(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)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。它把制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化。

　　談起智能制造，首先應(yīng)介紹日本在1990年4月所倡導(dǎo)的“智能制造系統(tǒng)IMS”國際合作研究計劃。許多發(fā)達國家如美國、歐洲共同體、加拿大、澳大利亞等參加了該項計劃。該計劃共計劃投資10億美元，對100個項目實施前期科研計劃。

　　毫無疑問，智能化是制造自動化的發(fā)展方向。在制造過程的各個環(huán)節(jié)幾乎都廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù)。專家系統(tǒng)技術(shù)可以用于工程設(shè)計，工藝過程設(shè)計，生產(chǎn)調(diào)度，故障診斷等。也可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)等先進的計算機智能方法應(yīng)用于產(chǎn)品配方，生產(chǎn)調(diào)度等，實現(xiàn)制造過程智能化。而人工智能技術(shù)尤其適合于解決特別復(fù)雜和不確定的問題。但同樣顯然的是，要在企業(yè)制造的全過程中全部實現(xiàn)智能化，如果不是完全做不到的事情，至少也是在遙遠的將來。有人甚至提出這樣的問題，下個世紀(jì)會實現(xiàn)智能自動化嗎？而如果只是在企業(yè)的某個局部環(huán)節(jié)實現(xiàn)智能化，而又無法保證全局的優(yōu)化，則這種智能化的意義是有限的。

　　模式

　　從廣義概念上來理解，CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)），敏捷制造等都可以看作是智能自動化的例子。的確，除了制造過程本身可以實現(xiàn)智能化外，還可以逐步實現(xiàn)智能設(shè)計，智能管理等，再加上信息集成，全局優(yōu)化，逐步提高系統(tǒng)的智能化水平，最終建立智能制造系統(tǒng)。這可能是實現(xiàn)智能制造的一種可行途徑。

　　共有幾種先進制造模式：

　　多智能體（Multi-Agent）系統(tǒng)

　　Agent原為代理商，是指在商品經(jīng)濟活動中被授權(quán)代表委托人的一方。后來被借用到人工智能和計算機科學(xué)等領(lǐng)域，以描述計算機軟件的智能行為，稱為智能體。1992年曾經(jīng)有人預(yù)言：“基于Agent的計算將可能成為下一代軟件開發(fā)的重大突破。”隨著人工智能和計算機技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，多智能體系統(tǒng)技術(shù)對解決產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造乃至產(chǎn)品的整個生命周期中的多領(lǐng)域間的協(xié)調(diào)合作提供了一種智能化的方法，也為系統(tǒng)集成、并行設(shè)計，并實現(xiàn)智能制造提供了更有效的手段。

　　整子系統(tǒng)（HolonicSystem）

　　整子系統(tǒng)的基本構(gòu)件是整子（Holon）。Holon是從希臘語借過來的，人們用Holon表示系統(tǒng)的最小組成個體，整子系統(tǒng)就是由很多不同種類的整子構(gòu)成。整子的最本質(zhì)特征是：

　　●自治性，每個整子可以對其自身的操作行為作出規(guī)劃，可以對意外事件（如制造資源變化、制造任務(wù)貨物要求變化等）作出反應(yīng)，并且其行為可控；

　　●合作性，每個整子可以請求其它整子執(zhí)行某種操作行為，也可以對其他整子提出的操作申請?zhí)峁┓?wù)；

　　●智能性，整子具有推理、判斷等智力，這也是它具有自治性和合作性的內(nèi)在原因。整子的上述特點表明，它與智能體的概念相似。由于整子的全能性，有人把它也譯為全能系統(tǒng)。

　　整子系統(tǒng)的特點是：

　　●敏捷性，具有自組織能力，可快速、可靠地組建新系統(tǒng)。

　　●柔性，對于快速變化的市場、變化的制造要求有很強的適應(yīng)性。

　　除此之外，還有生物制造、綠色制造、分形制造等模式。

　　制造模式主要反映了管理科學(xué)的發(fā)展，也是自動化、系統(tǒng)技術(shù)的研究成果，它將對各種單元自動化技術(shù)提出新的課題，從而在整體上影響到制造自動化的發(fā)展方向。

　　展望未來，21世紀(jì)的制造自動化將沿著歷史的軌道繼續(xù)前進。

　　基本原理

　　智能制造的基本原理

　　從智能制造系統(tǒng)的本質(zhì)特征出發(fā)，在分布式制造網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，根據(jù)分布式集成的基本思想，應(yīng)用分布式人工智能中多Agent系統(tǒng)的理論與方法，實現(xiàn)制造單元的柔性智能化與基于網(wǎng)絡(luò)的制造系統(tǒng)柔性智能化集成。根據(jù)分布系統(tǒng)的同構(gòu)特征，在智能制造系統(tǒng)的一種局域?qū)崿F(xiàn)形式基礎(chǔ)上，實際也反映了基于Internet的全球制造網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下智能制造系統(tǒng)的實現(xiàn)模式。

　　分布式網(wǎng)絡(luò)化的基本構(gòu)思

　　智能制造系統(tǒng)的本質(zhì)特征是個體制造單元的“自主性”與系統(tǒng)整體的“自組織能力”，其基本格局是分布式多自主體智能系統(tǒng)。基于這一思想，同時考慮基于Internet的全球制造網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以提出適用于中小企業(yè)單位的分布式網(wǎng)絡(luò)化IMS的基本構(gòu)架。一方面通過Agent賦予各制造單元以自主權(quán)，使其自治獨立、功能完善；另一方面，通過Agent之間的協(xié)同與合作，賦予系統(tǒng)自組織能力。

　　基于以上構(gòu)架，結(jié)合數(shù)控加工系統(tǒng)，開發(fā)分布式網(wǎng)絡(luò)化原型系統(tǒng)相應(yīng)的可由系統(tǒng)經(jīng)理、任務(wù)規(guī)劃、設(shè)計和生產(chǎn)者等四個結(jié)點組成。

　　系統(tǒng)經(jīng)理結(jié)點包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和系統(tǒng)Agent兩個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，負責(zé)管理整個全局數(shù)據(jù)庫，可供原型系統(tǒng)中獲得權(quán)限的結(jié)點進行數(shù)據(jù)的查詢、讀取，存儲和檢索等操作，并為各結(jié)點進行數(shù)據(jù)交換與共享提供一個公共場所，系統(tǒng)Agent則負責(zé)該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)與外部的交互，通過Web服務(wù)器在Internet上發(fā)布該系統(tǒng)的主頁，網(wǎng)上用戶可以通過訪問主頁獲得系統(tǒng)的有關(guān)信息，并根據(jù)自己的需求，以決定是否由該系統(tǒng)來滿足這些需求，系統(tǒng)Agent還負責(zé)監(jiān)視該原型系統(tǒng)上各個結(jié)點間的交互活動，如記錄和實時顯示結(jié)點間發(fā)送和接受消息的情況、任務(wù)的執(zhí)行情況等。

　　任務(wù)規(guī)劃結(jié)點由任務(wù)經(jīng)理和它的代理（任務(wù)經(jīng)理Agent）組成，其主要功能是對從網(wǎng)上獲取的任務(wù)進行規(guī)劃，分解成若干子任務(wù)，然后通過招標(biāo)——投標(biāo)的方式將這些任務(wù)分配個各個結(jié)點。

　　設(shè)計結(jié)點由CAD工具和它的代理（設(shè)計Agent）組成，它提供一個良好的人機界面以使設(shè)計人員能有效地和計算機進行交互，共同完成設(shè)計任務(wù)。CAD工具用于幫助設(shè)計人員根據(jù)用戶要求進行產(chǎn)品設(shè)計；而設(shè)計Agent則負責(zé)網(wǎng)絡(luò)注冊、取消注冊、數(shù)據(jù)庫管理、與其他結(jié)點的交互、決定是否接受設(shè)計任務(wù)和向任務(wù)發(fā)送者提交任務(wù)等事務(wù)。

　　生產(chǎn)者結(jié)點實際是該項目研究開發(fā)的一個智能制造系統(tǒng)（智能制造單元），包括加工中心和它的網(wǎng)絡(luò)代理（機床Agent）。該加工中心配置了智能自適應(yīng)。該數(shù)控系統(tǒng)通過智能控制器控制加工過程，以充分發(fā)揮自動化加工設(shè)備的加工潛力，提高加工效率；具有一定的自診斷和自修復(fù)能力，以提高加工設(shè)備運行的可靠性和安全性；具有和外部環(huán)境交互的能力；具有開放式的體系結(jié)構(gòu)以支持系統(tǒng)集成和擴展。

　　綜合特征

　　智能制造和傳統(tǒng)的制造相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特征：

　　自律能力

　　即搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。具有自律能力的設(shè)備稱為“智能機器”，“智能機器”在一定程度上表現(xiàn)出獨立性、自主性和個性，甚至相互間還能協(xié)調(diào)運作與競爭。強有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎(chǔ)。

　　人機一體化

　　IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能。基于人工智能的智能機器只能進行機械式的推理、預(yù)測、判斷，它只能具有邏輯思維（專家系統(tǒng)），最多做到形象思維（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），完全做不到靈感（頓悟）思維，只有人類專家才真正同時具備以上三種思維能力。因此，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(dān)起分析、判斷、決策等任務(wù)是不現(xiàn)實的。人機一體化一方面突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，使二者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。

　　因此，在智能制造系統(tǒng)中，高素質(zhì)、高智能的人將發(fā)揮更好的作用，機器智能和人的智能將真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。

　　虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）技術(shù)

　　這是實現(xiàn)虛擬制造的支持技術(shù)，也是實現(xiàn)高水平人機一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以計算機為基礎(chǔ)，融信號處理、動畫技術(shù)、智能推理、預(yù)測、仿真和多媒體技術(shù)為一體；借助各種音像和傳感裝置，虛擬展示現(xiàn)實生活中的各種過程、物件等，因而也能擬實制造過程和未來的產(chǎn)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愿任意變化，這種人機結(jié)合的新一代智能界面，是智能制造的一個顯著特征。

　　自組織與超柔性

　　智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據(jù)工作任務(wù)的需要，自行組成一種最佳結(jié)構(gòu)，其柔性不僅表現(xiàn)在運行方式上，而且表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式上，所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。

　　學(xué)習(xí)能力與自我維護能力

　　智能制造系統(tǒng)能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學(xué)習(xí)功能。同時，在運行過程中自行故障診斷，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(tǒng)能夠自我優(yōu)化并適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。

　　發(fā)展前景

　　1、人工智能技術(shù)。因為IMS的目標(biāo)是計算機模擬制造業(yè)人類專家的智能活動，從而取代或延伸人的部分腦力勞動，因此人工智能技術(shù)成為IMS關(guān)鍵技術(shù)之一。IMS與人工智能技術(shù)（專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯）息息相關(guān)。

　　2、并行工程。針對制造業(yè)而言，并行工程是一種重要的技術(shù)方法學(xué)，應(yīng)用于IMS中，將最大限度的減少產(chǎn)品設(shè)計的盲目性和設(shè)計的重復(fù)性。

　　3、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是制造過程的系統(tǒng)和各個環(huán)節(jié)“智能集成”化的支撐。信息網(wǎng)絡(luò)同時也是制造信息及知識流動的通道。

　　4、虛擬制造技術(shù)。虛擬制造技術(shù)可以在產(chǎn)品設(shè)計階段就模擬出該產(chǎn)品的整個生命周期，從而更有效，更經(jīng)濟、更靈活的組織生產(chǎn)，實現(xiàn)了產(chǎn)品開發(fā)周期最短，產(chǎn)品成本最低，產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)，生產(chǎn)效率最高的保證。同時虛擬制造技術(shù)也是并行工程實現(xiàn)的必要前提。

　　5、自律能力構(gòu)筑。即收集和理解環(huán)境信息和自身的信息并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。強大的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎(chǔ)。

　　6、人機一體化。智能制造系統(tǒng)不單單是“人工智能系統(tǒng)，而且是人機一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能。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(dān)分析、判斷、決策等任務(wù)，目前來說是不現(xiàn)實的。人機一體化突出人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器的配合下，更好的發(fā)揮人的潛能，使達到一種相互協(xié)作平等共事的關(guān)系，使二者在不同層次上各顯其能，相輔相成。

　　7、自組織和超柔性。智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據(jù)工作任務(wù)的需要，自行組成一種最佳結(jié)構(gòu)，使其柔性不僅表現(xiàn)運行方式上，而且表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式上，所以稱這種柔性為超柔性，類似于生物所具有的特征，如同一群人類專家組成的整體。