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，后者是指獲取和運用知識求解的能力。智能制造應當包含智能制造技術(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，具有自學習功能，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，首先應介紹日本在1990年4月所倡導的“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)幾乎都廣泛應用人工智能技術(shù)。專家系統(tǒng)技術(shù)可以用于工程設計，工藝過程設計，生產(chǎn)調(diào)度，故障診斷等。也可以將神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制技術(shù)等先進的計算機智能方法應用于產(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等領域，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)中的廣泛應用，多智能體系統(tǒng)技術(shù)對解決產(chǎn)品設計、生產(chǎn)制造乃至產(chǎn)品的整個生命周期中的多領域間的協(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、制造任務貨物要求變化等）作出反應，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┓眨?/p>

　　●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)絡環(huán)境中，根據(jù)分布式集成的基本思想，應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)形式基礎上，實際也反映了基于Internet的全球制造網(wǎng)絡環(huán)境下智能制造系統(tǒng)的實現(xiàn)模式。

　　分布式網(wǎng)絡化的基本構(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)?；谶@一思想，同時考慮基于Internet的全球制造網(wǎng)絡環(huán)境，可以提出適用于中小企業(yè)單位的分布式網(wǎng)絡化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)絡化原型系統(tǒng)相應的可由系統(tǒng)經(jīng)理、任務規(guī)劃、設計和生產(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)庫服務器和系統(tǒng)Agent兩個數(shù)據(jù)庫服務器，負責管理整個全局數(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則負責該系統(tǒng)在網(wǎng)絡與外部的交互，通過Web服務器在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、任務的執(zhí)行情況等。

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

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

　　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)絡代理（機床Agent）。該加工中心配置了智能自適應。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)揮自動化加工設備的加工潛力，提高加工效率；具有一定的自診斷和自修復能力，以提高加工設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。

　　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?；谌斯ぶ悄艿闹悄軝C器只能進行機械式的推理、預測、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），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，獨立承擔起分析、判斷、決策等任務是不現(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鍵技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以計算機為基礎，融信號處理、動畫技術(shù)、智能推理、預測、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。

　　學習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，具有自學習功能。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)化并適應各種復雜的環(huán)境。

　　發(fā)展前景

　　1、人工智能技術(shù)。因為IMS的目標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、模糊邏輯）息息相關。

　　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，應用于IMS中，將最大限度的減少產(chǎn)品設計的盲目性和設計的重復性。

　　3、信息網(wǎng)絡技術(shù)。信息網(wǎng)絡技術(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。

　　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，獨立承擔分析、判斷、決策等任務，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。