智能制造的基本內容詮釋

1、智能制造的基本內容詮釋 2014-11-10 智慧城市圈子邱文斌 摘要：介紹了智能制造提出的背景、主要研究內容和目標，人工智能與IMT、IMS的關系，IMS和CIMS，智能制造的物質基礎及理論基礎，智能制造系統(tǒng)的特征及框架結構，并簡要介紹了智能加工中心IMC，智能制造技木的發(fā)展趨勢，以及智能制造系統(tǒng)研究成果及存在問題。關鍵詞：智能制造，IMS，IMC，IMT。一、智能制造提出的背景制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎工業(yè)部門，是決定國家發(fā)展水平的最基本因素之一。從機械制造業(yè)發(fā)展的歷程來看，經(jīng)歷了由手工制作、泰勒化制造、高度自動化、柔性自動化和集成化制造、并行規(guī)劃設計制造等階段。就制造自動化而言，大體上每十年

2、上一個臺階:5060年代是單機數(shù)控，70年代以后則是CNC機床及由它們組成的自動化島，80年代出現(xiàn)了世界性的柔性自動化熱潮。與此同時，出現(xiàn)了計算機集成制造，但與實用化相距甚遠。隨著計算機的問世與發(fā)展，機械制造大體沿兩條路線發(fā)展:一是傳統(tǒng)制造技術的發(fā)展，二是借助計算機和自動化科學的制造技術與系統(tǒng)的發(fā)展。80年代以來，傳統(tǒng)制造技術得到了不同程度的發(fā)展，但存在著很多問題。先 進的計算機技術和制造技術向產品、工藝和系統(tǒng)的設計人員和管理人員提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的設計和管理方法不能有效地解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)中所出現(xiàn)的問題，這就 促使我們借助現(xiàn)代的工具和方法，利用各學科最新研究成果，通過集成傳統(tǒng)制造技術、計算機

3、技術與科學以及人工智能等技術，發(fā)展一種新型的制造技術與系統(tǒng)，這 便是智能制造技術(IntelligentManufacturingTechnology，IMT)與智能制造系統(tǒng)(IntelligentManufacturingSystem，IMS)1。90年代以后，世界各國競相大力發(fā)展IMT和IMS的深層次原因有:(1)集成化離不開智能制造系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，其中有多年積累的生產經(jīng)驗，生產過程中的人機交互作用，必須使用的智能機器(如智能機器人)等。脫離了智能化，集成化也就不能完美地實現(xiàn)。(2)機器智能化比較靈活可以選擇系統(tǒng)智能化，也可以選擇單機智能化;單機可發(fā)展一種智能，也可發(fā)展幾種智能;無

4、論在系統(tǒng)中或單機上，智能化均可工作，不像集成制造系統(tǒng)，只有全系統(tǒng)集成才可工作。(3)智能化的經(jīng)濟效益較高現(xiàn)有的計算機集成制造系統(tǒng)(ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS)少則投資數(shù)千萬元，多則投資數(shù)億元乃至數(shù)十億元，很少有企業(yè)能承擔得起，而且投入正常運行的很少，維護費用也高，還要廢棄原有的設備，難以推廣。(4)白領化使得有豐富經(jīng)驗的機械工人和技術人員日益缺少，產品制造技術越來越復雜，促使使用人工智能和知識工程技術來解決現(xiàn)代化的加工問題。(5)工廠生產率的提高更多地取決于生產管理和生產自動化人工智能與計算機管理相結合，使得不懂計算機的人也能通過視覺、

5、對話等智能手段實現(xiàn)生產管理的科學化?？傊杂嬎銠C信息技術為基礎的高新技術得到迅猛發(fā)展，為傳統(tǒng)的制造業(yè)提供了新的發(fā)展機遇。計算機技術、信息技術、自動化技術與傳統(tǒng)制造技術相結合，形成了先進制造技術概念。冷戰(zhàn)結束以后，國際間競爭的重點由單純的軍事實力較量轉向以發(fā)展經(jīng)濟和提高國民生活水平的綜合國力較量，隨之而來的這種國際間高新技術領域的競爭愈演愈烈，且其發(fā)展形式由最初的僅依托本國的人力、物力和財力，發(fā)展到國際間的大規(guī)模合作。近年來由發(fā)達國家倡導的面向21世紀的“智能制造系統(tǒng)”、“信息高速公路”等國際研究計劃，無疑是該背景下的產物，也是國際間進行高科技研究開發(fā)的具體表現(xiàn)和積極占領21世紀高科技制高點的

6、象征。二、主要研究內容和目標智能制造在國際上尚無公認的定義。目前比較通行的一種定義是，智能制造技術是指在制造工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，以一種高度柔性與高度集成的方式，通過計算機來模擬人類專家的制造智能活動。因此，智能制造的研究開發(fā)對象是整個機械制造企業(yè)，其主要研究開發(fā)目標有二:整個制造工作的全面智能化，它在實際制造系統(tǒng)中首次提出了以機器智能取代人的部腦力勞動作為主要目標，強調整個企業(yè)生產經(jīng)營過程大范圍的自組織能力;信息和制造智能的集成與共享，強調智能型的集成自動化。目前，IMT和IMS的研究方向已從最初的人工智能在制造領域中的應用(AiM)發(fā)展到今天的IMS， 研究課題涉及的范圍由最初僅一個企業(yè)內的市場

7、分析、產品設計、生產計劃、制造加工、過程控制、信息管理、設備維護等技術型環(huán)節(jié)的自動化，發(fā)展到今天的面向 世界范圍內的整個制造環(huán)境的集成化與自組織能力，包括制造智能處理技術、自組織加工單元、自組織機器人、智能生產管理信息系統(tǒng)、多級競爭式控制網(wǎng)絡、全球 通訊與操作網(wǎng)等。由日本提出的IMS國際合作研究計劃對IMS的解釋可以看出，IMS的研究包括智能活動、智能機器以及兩者的有機融合技術，其中智能活動是問題的核心。在IMS研究的眾多基礎技術中，制造智能處理技術是最為關鍵和迫切需要研究的問題之一，因為它負責各環(huán)節(jié)的制造智能的集成和生成智能機器的智能活動。在一個國家甚至世界范圍內，企業(yè)之間有著密切的聯(lián)系，譬

8、如，采用相同的生產設備和系統(tǒng)，有著類似的生產控制與管理方式，上下游產品之間的聯(lián)系，等等。其間存在的突出問題是產品和技術的規(guī)范化、標準化和通用化、信息自動交換形式與接口以及制造智能共享等。國際IMS計劃的基本觀點如下:IMS是21世紀的制造系統(tǒng)，必須開發(fā)與之相適應的制造技術;應對這些技術進行組織化和系統(tǒng)化;加強技術的標準化;考慮人的因素;保護環(huán)境。該計劃由已有生產技術的體系化和標準化、21世紀生產技術的研究與開發(fā)兩大部分構成。1992年4月在日本召開的第一次國際技術委員會，確定了4個主題:技術課題;選擇原則;評價程序;執(zhí)行準則。由國際IMS中心成員提出的首批10項研究課題是企業(yè)集成;全球制造;系

9、統(tǒng)單元技術;清潔制造技術;人與組織研究;先進的材料加工技術;全球并行工程(評估和實施);自主模塊的系統(tǒng)設備與分布控制;快速產品開發(fā);bk知識系統(tǒng)化(設計與制造)。美國國家科學基金會(NSF)已連續(xù)數(shù)年重點資助了與智能制造有關的研究項目，這些項目覆蓋了智能制造的絕大部分技術領域，包括制造過程中的智能決策、基于多施主(multi-agent)的智能協(xié)作求解、智能并行設計、物流傳輸?shù)闹悄茏詣踊⒅悄芗庸は到y(tǒng)和智能機器等。日本提出的智能制造系統(tǒng)國際合作計劃，以高新計算機為后盾、深受其“真空世界”計算機研究計劃的影響。其主要研究內容如下:強調部分代替人的智能活動，實現(xiàn)部分人的技能;使用智能計算機技術來集

10、成設計制造過程，使之一體化，以虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)虛擬制造，以多媒體的人機接口技術、虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)職業(yè)教育;強調全球制造網(wǎng)絡的生產制造技術，通過衛(wèi)星、Internet和數(shù)字電話網(wǎng)絡實現(xiàn)全球制造;強調智能化與自律化的智能加工系統(tǒng)以及智能化CNC、智能機器人的研究。重視分布式人工智能技術的應用，強調自律協(xié)作代替集中遞階控制。IMT與IMS的 研究與開發(fā)對于提高產品質量、生產效率和降低成本，提高國家制造業(yè)響應市場變化的能力和速度，以及提高國家的經(jīng)濟實力和國民的生活水準，均具有重大的意 義。其研究目標是要實現(xiàn)將市場適應性、經(jīng)濟性、人的重要性、適應自然和社會環(huán)境的能力、開放性和兼容能力等融合在一起的生產

11、系統(tǒng):使整個制造過程實現(xiàn)智能化，并具有自組織能力;IMS是一個集成許多工廠和多種機器設備的混合系統(tǒng);具備滿足各種社會需求的柔性;能充分發(fā)揮人的作用;易于操作;總效率高;能避免重復投資等。人 工智能的目的是為了用技術系統(tǒng)來突破人的自然智力的局限性，達到對人腦的部分代替、延伸和加強的目的，使那些單靠人的天然智能無法進行或帶有危險性的工作 得以完成，從而使人類的智慧能集中到那些更富于創(chuàng)造性的工作中去。人是制造智能的重要來源，在制造業(yè)走向智能化過程中起著決定性作用。目前在整體智能水平 上，與人工系統(tǒng)相比，人的智力仍然是遙遙領先的。人工智能模擬的藍本主要是人類的智能，但人類的智能是隨時間不斷變化的，而這

12、種變化又是無止境的，只有人與機器有機高度結合，才能實現(xiàn)制造過程的真正智能化。智能制造被稱為新世紀的制造技術，目前之所以還不能實現(xiàn)，是由于要受到目前科學技術、人以及經(jīng)濟等諸多方面的制約。智 能與思維智能，就是在各種環(huán)境和目的的條件下正確制定決策和實現(xiàn)目的的能力。在這里，給定的環(huán)境和目的是問題的約束條件，制定正確的決策是智能的中心環(huán) 節(jié)，而有效地實現(xiàn)目的，則是智能的評判準則。從信息處理的角度講，智能可以看成是獲取、傳遞、處理、再生和利用信息的能力。而思維能力是整個智能活動中最 復雜、最核心的部分，主要指處理和再生信息的能力。這種信息處理的過程是十分復雜和多樣化的，歸納起來，大體可分為3種基本的類型

13、，即:經(jīng)驗思維、邏輯思維和創(chuàng)造性思維。在工藝設計過程中，這三種類型的思維都存在，在不同層次的決策中起著重要作用。總之，智能制造技術是制造技術、自動化技術、系統(tǒng)工程與人工智能等學科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術。其具體表現(xiàn)為:智能設計、智能加工、機器人操作、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能調度與管理、智能裝配、智能測量與診斷等。它強調通過“智能設備”和“自治控制”來構造新一代的智能制造系統(tǒng)模式。智能制造系統(tǒng)具有自律能力、自組織能力、自學習與自我優(yōu)化能力、自修復能力，因而適應性極強，而且由于采用VR技術，人機界面更加友好。因此，IM技 術的研究開發(fā)對于提高生產效率與產品品質、降低成本，提高制造

14、業(yè)市場應變能力、國家經(jīng)濟實力和國民生活水準，具有重要意義。智能制造是制造系統(tǒng)柔性自動化 和集成自動化的新發(fā)展和重要組成部分，因此未來智能制造將向智能集成的方向發(fā)展，未來智能制造的研究將著重于智能傳感與檢測(如智能傳感器、智能傳感與檢測技術、光纖傳感技術等)。三、人工智能與IMT、IMS人工智能的研究，一開始就未能擺脫制造機器生物的思想，即“機器智能化”。這種以“自主”系統(tǒng)為目標的研究路線，嚴重地阻礙了人工智能研究的進展。許多學者已意識到這一點，F(xiàn)eigenbaum、Newell、錢學森從計算機角度出發(fā)，提出了人與計算機相結合的智能系統(tǒng)概念。目前國外對多媒體及虛擬技術研究進行大量投資，以及日本第

15、五代智能計算機研制計劃的擱淺等事例，就是智能系統(tǒng)研究目標有所改變的明證。人工智能技術在機械制造領域中的應用涉及市場分析、產品設計、生產規(guī)劃、過程控制、質量管理、材料處理、設備維護等諸方面。結果是開發(fā)出了種類繁多的面向特定領域的獨立的專家系統(tǒng)、基于知識的系統(tǒng)或智能輔助系統(tǒng)，形成一系列的“智能化孤島”。隨著研究與應用的深入，人們逐漸認識到，未來的制造自動化應是高度集成化與智能化的人機系統(tǒng)的有機融合，制造自動化程度的進一步提高要依賴于整個制造系統(tǒng)的自組織能力。如何提高這些“孤島”的應用范圍和在實際制造環(huán)境中處理問題的能力，成為人們的研究焦點。在80年代末和90年代初，一種通過集成制造自動化、新一代人

16、工智能、計算機等科學技術而發(fā)展起來的新型制造工程IMT和新代制造系統(tǒng)IMS便脫穎而出。人工智能在制造領域中的應用與IMT和IMS的一個重要區(qū)別在于，IMS和IMT首次以部分取代制造中人的腦力勞動為研究目標，而不再僅起“輔助和支持”作用，在一定范圍還需要能獨立地適應周圍環(huán)境，開展工作。四、IMS和CIMSCIMS發(fā)展的道路不是一帆風順的。今天，CIMS的發(fā)展遇到了不可逾越的障礙，可能是剛開始時就對CIMS提出了過高的要求，也可能是CIMS本身就存在某種與生俱來的缺陷，今天的CIMS在國際上已不像幾年前那樣受到極大的關注與廣泛地研究。從CIMS的發(fā)展來看，眾多研究者把重點放在計算機集成上，從科學技

17、術的現(xiàn)狀看，要完成這樣一個集成系統(tǒng)是很困難的。CIMS作為一種連接生產線中的單個自動化子系統(tǒng)的策略，是一種提高制造效率的技術。它的技術基礎具有集中式結構的遞階信息網(wǎng)絡。盡管在這個遞階體系中有多個執(zhí)行層次，但主要控制設施仍然是中心計算機。CIMS存在的一個主要問題是用于異種環(huán)境必須互連時的復雜性。在CIMS概念下，手工操作要與高度自動化或半自動化操作集成起來是非常困難和昂貴的。在CIMS深入發(fā)展和推廣應用的今天，人們已經(jīng)逐漸認識到，要想讓CIMS真正發(fā)揮效益和大面積推廣應用，有兩大問題需要解決:人在系統(tǒng)中的作用和地位;在不作很大投資對現(xiàn)有設施進行技術改造的情況下亦能應用CIMS?，F(xiàn)有的CIMS概

18、念是解決不了這兩個難題的。今 天，人力和自動化是一對技術矛盾，不能集成在一起，所能做的選擇，或是昂貴的全自動化生產線，或是手工操作，而缺乏的是人力和制造設備之間的相容性，人機 工程只是一個方面的考慮，更重要的相容性考慮要體現(xiàn)在競爭、技能和決策能力上。人在制造中的作用需要被重新定義和加以重視。事實上，在70年代末和80年代初，人們已開始認識到人的因素在現(xiàn)代工業(yè)生產中的作用。英國出版公司(IFS)于1984年就首次發(fā)起了第一屆“制造中人的因素”研討會，目的在于提高人們對制造環(huán)境中人的因素及其所起作用的認識。事實證明，人是IMS中制造智能的重要來源。值得指出的是，CIMS和IMS都是面向制造過程自動

19、化的系統(tǒng)，兩者密切相關但又有區(qū)別。CIMS強調的是企業(yè)內部物料流的集成和信息流的集成;而IMS強調的則是更大范圍內的整個制造過程的自組織能力。從某種意義上講，后者難度更大，但比CIMS更實用、更實際。CIMS中的眾多研究內容是IMS的發(fā)展基礎，而IMS也將對CIMS提出更高的要求。集成是智能的基礎，而智能也將反過來推動更高水平的集成。IMT和IMS的研究成果將不只是面向21世紀的制造業(yè)，不只是促進CIMS達到高度集成，而且對于FMS、MS、CNC以至一般的工業(yè)過程自動化或精密生產環(huán)境而言，均有潛在的應用價值。有識之士對人工智能技術、計算機科學和CIMS技術進行了全面的反思。他們在認識機器智能化

20、的局限性的基礎上，特別強調人在系統(tǒng)中的重要性。如何發(fā)揮人在系統(tǒng)中的作用，建立一種新型的人機的協(xié)同關系，從而產生高效、高性能的生產系統(tǒng)，這是當前眾多學者都會提出的問題，也正是CIMS所忽視的關鍵因素，這一因素導致了CIMS發(fā)展中不可逾越的障礙。值得一提的是有的學者特別強調“人件(Humanware)”在系統(tǒng)中的重要性，提出CIMS的開放結構體系思想。最引人注目的是歐共體的ESPRIT計劃中單獨列出的一個研究子項，即“以人為中心的CIMS”。甚至有人索性稱以人為中心的CIMS為HIMS(HumanIntegratedManufacturingSystem)，指出集成制造系統(tǒng)首先是“人的集成”。耐人

21、尋味的是，目前研究的“精良生產”與“敏捷制造”等新型制造系統(tǒng)的主要出發(fā)點也是強調“人”的作用，即“以人為中心”。五、智能制造的物質基礎及理論基礎1.智能制造系統(tǒng)的物質基礎主要有:(1)數(shù)控機床和加工中心美國于1952年研制成功第一臺數(shù)控銑床，使機械制造業(yè)發(fā)生一次技術革命。數(shù)控機床和加工中心是柔性制造的核心單元技術。(2)計算機輔助設計與制造提高了產品的質量和縮短產品生產周期，改變了傳統(tǒng)用手工繪圖、依靠圖紙組織整個生產過程的技木管理模式。(3)工業(yè)控制技術、微電子技術與機械工業(yè)的結合機器人開創(chuàng)了工業(yè)生產的新局面，使生產結構發(fā)生重大變化，使制造過程更富于柔性擴展了人類工作范圍。(4)制造系統(tǒng)為智能

22、化開發(fā)了面向制造過程中特定環(huán)節(jié)、特定問題的“智能化孤島”，如專家系統(tǒng)、基干知識的系統(tǒng)和智能輔助系統(tǒng)等。(5)智能制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)用計算機一體化控制生產系統(tǒng)，使生產從概念、設計到制造聯(lián)成一體，做到直接面向市場進行生產，可以從事大小規(guī)模并舉的多樣化的生產;近年來，制造技術有了長足的發(fā)展和進步，也帶來了很多新問題。數(shù)控機床、自動物料系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、機器人等在工業(yè)公司得到了廣泛的應用，越來越多的公司使用了“計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)”、“柔性制造系統(tǒng)(FMS)”、“工廠自動化(FA)”、“多目標智能計算機輔助設計(M1CAD)”、“模塊化制造與工廠(MXMF)、并行工程(CE)”

23、、“智能控制系統(tǒng)(ICS)”以及“智能制造(IM)”、“智能制造技術(IMT)”和“智能制造系統(tǒng)(IMS)”等等新術語。先進的計算機技術、控制技術和制造技術向產品、工藝和系統(tǒng)的設計師和管理人員提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的設計和管理方法不能再有效地解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)提出的問題了。要解決這些問題、需要用現(xiàn)代的工具和方法，例如人工智能(AI)就為解決復雜的工業(yè)問題提出了一套最適宜的工具。2.智能制造技術的理論基礎智能制造技術是采用一種全新的制造概念和實現(xiàn)模式。其核心特征強調整個制造系統(tǒng)的整體“智能化”或“自組織能力”與個體的“自主性”?！爸悄苤圃靽H合作研究計劃JIRPIMS”明確提出:“智能制造系統(tǒng)是一種

24、在整個制造過程中貫穿智能活動，并將這種智能活動與智能機器有機融合，將整個制造過程從訂貨、產品設計、生產到市場銷售等各個環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來的能發(fā)揮最大生產力的先進生產系統(tǒng)”?；?于這個觀點，在智能制造的基礎理論研究中，提出了智能制造系統(tǒng)及其環(huán)境的一種實現(xiàn)模式，這種模式給制造過程及系統(tǒng)的描述、建模和仿真研究賦予了全新的思想 和內容，涉及制造過程和系統(tǒng)的計劃、管理、組織及運行各個環(huán)節(jié)，體現(xiàn)在制造系統(tǒng)中制造智能知識的獲取和運用，系統(tǒng)的智能調度等，亦即對制造系統(tǒng)內的物質 流、信息流、功能決策能力和控制能力提出明確要求。作為智能制造技術基礎，各種人工智能工具，及人工智能技術研究成果在制造業(yè)中的廣泛應用

25、，促進了智能制造技術的發(fā)展。而智能制造系統(tǒng)中，智能調度、智能信息處理與智能機器的有機融合而構成的復雜智能系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在以智能加工中心為核心的智能加工系統(tǒng)的智能單元上。作為智能單元的神經(jīng)中樞智能數(shù)控系統(tǒng)，不僅需要對系統(tǒng)內部中各種不確定的因素如噪聲測量、傳動間隙、摩擦、外界干擾、系統(tǒng)內各種模型的非線性及非預見性事件實施智能控制，而且要對制造系統(tǒng)的各種命令請求做出智能反應。這種功能已遠非傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)體系結構所能勝任，這是一個具有挑戰(zhàn)性的新課題。對此有待研究解決的問題有很多，其中包括智能制造機理、智能制造信息、制造智能和制造中的計算幾何等?？傊?，制造技術發(fā)展到今天，已經(jīng)由一種技術發(fā)展成為包括系統(tǒng)論

26、、信息論和控制論為核心的、貫穿在整個制造過程各個環(huán)節(jié)的一門新型的工程學科，即制造科學。制造系統(tǒng)集成與調度的關鍵是信息的傳遞與交換。從信息與控制的觀點來看，智能制造系統(tǒng)是一個信息處理系統(tǒng)，由輸入、處理、輸出和反饋等部分組成。輸入有物質(原料、設備、資金、人員)、能量與信息;輸出有產品與服務;處理包括物料的處理與信息處理;反饋有產品品質回饋與顧客反饋。制造過程實質上是信息資源的采集、輸入、加工處理和輸出的過程，而最終形成的產品可視為信息的物質表現(xiàn)形式。六、智能制造系統(tǒng)的特征及框架結構1.為了提出有我國特色的智能制造模式，首先要搞清智能系統(tǒng)應具有什么特征。當前對智能系統(tǒng)的理解有兩種不同的意見:一種是

27、從科學的角度來看這個問題的意見，即認為只有具備下列特征的系統(tǒng)才能稱為智能系統(tǒng):一個系統(tǒng)既具有人類智能(或部分地)，又具有與人類實現(xiàn)其智能相似的過程與途徑。另一種是從工程的角度來看這個問題的意見，即認為一個系統(tǒng)只要具有(或部分具有)人類智能就稱為智能系統(tǒng)，而不管實現(xiàn)其智能的過程與途徑。我們這里所討論的問題是關于智能制造系統(tǒng)的問題，也就是從工程角度來討論智能系統(tǒng)的問題。我們認為:在工程上，智能系統(tǒng)的特征有以下幾個方面，具有下列特征之一的系統(tǒng)，從工程角度看，就可稱為智能系統(tǒng)：(1)多信息感知與融合;(2)知識表達、獲取、存儲和處理(主要是識別、設計、計算、優(yōu)化、推理與決策);(3)聯(lián)想記憶與智能控制

28、;(4)自治性自相似、自學習、自適應、自組織、自維護;(5)機器智能的演繹(分解)與歸納(集成);(6)容錯。2.智能制造系統(tǒng)模式的框架結構整個系統(tǒng)是一個多智能體分布式網(wǎng)絡結構，分成四個部分:中 心層、管理層、計劃層和生產層。每個層由具有自治性的多智能體組成，這種多智能體具有相似的結構，但根據(jù)任務的不同而有不同的自學習、自適應、自組織、自 維護功能。智能系統(tǒng)有一定的容錯能力，可以在不完整的信息或偶然誤差出現(xiàn)時正常地工作。系統(tǒng)與因特網(wǎng)兼容，可以進行企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟、招標、投標及電子商務， 還可形成虛擬制造的支持環(huán)境。七、智能加工中心IMC1.智能加工中心是智能制造系統(tǒng)中一種典型的智能加工機器。作為以

29、IMC為主的智能加工單元，其任務為感知、決策、加工、控制與學習。智能加工中心既是智能制造過程和系統(tǒng)的實驗和應用對象，也是智能制造技術的縮影和實現(xiàn)通道。它與普通的加工中心(MC)有著本質的區(qū)別，除了完成數(shù)控代碼規(guī)定的加工任務外，能夠根據(jù)信息的綜合進行自主決策，實時調整自身行為，適應環(huán)境和自身的不確定性變化，即應具有“自主性”和“自組織”能力，實現(xiàn)對IMC的數(shù)控系統(tǒng)進行實時干預與智能控制。數(shù)控加工中心的實時智能控制，表現(xiàn)為三個方面:第一是遠程控制，通過通信線路對加工現(xiàn)場進行控制，對加工中心的加工操作和加工狀態(tài)進行監(jiān)視;第二是故障識別與處理，如刀具磨損識別與自動更換備用刀具、自激振動識別與自動抑制或

30、消除等;第三是自適應控制，根據(jù)檢測到的過程控制信息自適應地改變加工參數(shù)。而 智能加工中心對信息的獲取與處理表現(xiàn)在對加工環(huán)境和加工狀態(tài)的自主響應能力，其中對刀具狀態(tài)的監(jiān)測是評判加工狀態(tài)的重要依據(jù)。加工中心刀具狀態(tài)實時在線智 能監(jiān)測系統(tǒng)，及基于神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊識別模式的多傳感器融合技術的刀具磨、破損監(jiān)測系統(tǒng)的成功開發(fā)，為智能制造信息的自動獲取，成功提供了有力的保證。2.智能加工中心的主要功能在智能加工中心中，智能數(shù)控系統(tǒng)是IMC的 神經(jīng)中樞，其智能化程度直接決定了整個智能制造系統(tǒng)的智能水平。智能數(shù)控系統(tǒng)具有高級的自主控制功能，能將任務請求、作業(yè)規(guī)劃、軌跡控制、過程監(jiān)視與控 制、錯誤自修復等功能有機結

31、合起來。面向制造系統(tǒng)，它是任務驅動的柔性規(guī)劃學習系統(tǒng)，而面對復雜的物流加工環(huán)境，它又是“刺激一反應”型的再勵系統(tǒng)，能對 來自內部和外界環(huán)境的多種刺激做出理智的決策，從而以最優(yōu)策略完成目標任務。通過對智能制造環(huán)境下的加工過程進行分析，確定加工中心應具備的主要功能有:(1)感知功能，根據(jù)多種傳感器信號的收集、特征提取和信息融合，實現(xiàn)加工對象感知和系統(tǒng)狀態(tài)感知。(2)決策功能，在感知的基礎上通過決策，明確其在整個制造系統(tǒng)中的作用、與其它智能機器的關系，并確定自身的行為方式。(3)控制功能，智能加工中心根據(jù)決策結果進行處理，采用最優(yōu)化的方式完成加工任務，并保證加工過程得到可靠的監(jiān)視和維護。(4)通信功

32、能，包括與CAD/CAM系統(tǒng)的智能通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與知識的交流，支持并行工程策略;與其它智能加工機器的智能通信，交流狀態(tài)信息，協(xié)調加工負荷;與人類專家和操作人員的智能通信，提供良好的人機交互環(huán)境，為智能機器提供知識單元，做出相應決策。(5)學習功能，依據(jù)決策、控制和加工指令，以及由此引起的狀態(tài)變化和最終加工任務，學習和積累相關知識，改進決策和控制策略。此外，還包括從人類專家和其它智能機器直接獲取知識。八、智能制造技木的發(fā)展趨勢智能制造是從80年代末發(fā)展起來的，最旱的幾本有關智能制造及系統(tǒng)方面的專著是在1988年由WrightfgMilaciC等人編寫的，隨后、Kusiak和Pain也相繼出版了這

33、方面的研究著作。這些專著所描述的IMS仍基于設計與制造技術所提出的問題和解決的工具與方法。在許多工業(yè)化國家、人工智能已被當作求解現(xiàn)代工業(yè)提出的問題的工具和方法。因此，這些專著僅著力于人工智能在制造業(yè)中的應用和智能系統(tǒng)研究與應用中提出的問題的求解、使用基于知識的系統(tǒng)(如級聯(lián)結構系統(tǒng))和優(yōu)化方法來解決自動化制造環(huán)境中零件、產品、系統(tǒng)的設計與制造，以及自動制造系統(tǒng)的規(guī)劃與調度(管理)問題。先進的工業(yè)化國家在研究FMS、CIMS、FA及AI籌 的基礎上，為了進行國際間制造業(yè)的共同協(xié)作研究、開發(fā)、設計、生產、物流、信息流、經(jīng)營管理乃至制造過程的集成化與智能化等而提出來的智能制造系統(tǒng)，也是 為了解決各發(fā)達

34、國家面臨的企業(yè)活動全球化、重復投資增大、現(xiàn)場熟練技術工人不足和社會對產品的需求變化等因素而倡導的國際制造業(yè)的合作。在迸行智能制造及其相關技術與系統(tǒng)的研究方面、首推日本在1990年提議和倡導的日、美、歐之間建立的國際運營委員會、國際技術委員會和附屬機構IMS中。大有主宰未來制造技術的趨勢。19911993年Barschdor汀和Monostori等應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANNS)到智能制造中進行加工過程的建模、監(jiān)測、診斷、自適應控制;通過神經(jīng)網(wǎng)絡的知識表示和學習能力，縮短CIMS的反應時間，提高產品的質量，使系統(tǒng)更可靠。而Furukawa則對智能機器的設計程序及它在自動導引車中的應用作了介紹。被稱為

35、是二十一世紀的制造技術的智能制造系統(tǒng)，目前國內外已相繼開展了國際聯(lián)合研究計劃。智能制造系統(tǒng)與當前任何制造系統(tǒng)相比，在體系結構上有著根本意義上的不同，具體體現(xiàn)在:一是采用開放式系統(tǒng)設計策略。通過計算機網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)共享制造數(shù)據(jù)和制造知識，以保證系統(tǒng)質量。這是將計算機界先進的設計和開發(fā)思想融入到制造系統(tǒng)的結果，因而使制造系統(tǒng)向擬人化的方向進一步發(fā)展。二是采用分布式多自主體智能系統(tǒng)設計策略，其基本思想是:賦予制造系統(tǒng)中各組成部分或子系統(tǒng)一定的自主權，使其形成一個封閉的具有完整功能的自主體，這些自主體以網(wǎng)絡智能結點的形式聯(lián)接在通訊網(wǎng)絡上，各個智能結點在物理上是分散的，在邏輯上是平等的。通過各結點的協(xié)同

36、處理與合作，共同完成制造系統(tǒng)任務，實現(xiàn)人與人的知識在制造中的核心地位。此外，生物制造與仿生機械的科學與技術、生物自生長成形制造、綠色制造的科學與技術包括產品與人類和自然的協(xié)調理論，產品綠色工藝(如Near2ZeroWaste)等也極大地豐富了智能制造的范疇，促進了智能制造系統(tǒng)的發(fā)展。目前，我國一些高等院校也在進行智能制造技術的研究，如南京航空航天大學機電學院朱劍英教授成立的智能制造科研組，一方面跟蹤國際智能制造的最新研究動態(tài)，另一方面從事智能制造關鍵基礎技術的預研工作，為地區(qū)及我國智能制造技術的發(fā)展做出了一定貢獻。遺憾的是，由于種種原因，我國政府主管部門和有關大公司、廠家并無跡象表明對智能制造

37、已引起足夠的重視，至今也未得到我國機械學科的普遍關注。相信隨著人們對智能制造系統(tǒng)認識的逐步深入，智能制造系統(tǒng)必將得以迅猛發(fā)展，迎頭趕上世界先進發(fā)展水平。九、智能制造系統(tǒng)研究成果及存在問題目前對分布式制造系統(tǒng)的研究雖然還處于初期階段，但已在不同層次、不同側面上取得了大量令人振奮的基礎理論研究成果和應用成果，如制造Agent的個體目標機制(如獎懲機制、市場機制、目標函數(shù)等)等。這些研究成果奠定了MAS在制造控制中應用的基礎。但是，由于制造Agent在信息、知識和控制上的完全分布，每個Agent對環(huán)境、對整個問題求解活動及其他Agent的意圖只有部分的、不完全的知識，并且擁有的知識可能互相不一致，各

38、個Agent只能根據(jù)不完備的知識與不完整、不同步的信息做出局部決策。又由于整個系統(tǒng)缺乏類似中央控制的機制，因而整個系統(tǒng)的控制和決策往往不能達到最優(yōu)效果，而且不可避免地存在大量難以解決的決策沖突(Conflict)和死鎖(Deadlock)。因此，對分布式自治制造系統(tǒng)中異構Agent間的相互合作以及全局協(xié)調機制的研究，是分布式自治制造系統(tǒng)最重要，也是最基本的問題，更是其走向實用所亟待解決的核心問題。協(xié)調是指一組Agent完成一些集體活動時相互作用的性質。在分布式制造系統(tǒng)中，全局協(xié)調和優(yōu)化是一個在多目標動態(tài)約束下，各類活動和資源的最佳組合和排序的動態(tài)求取過程，它可以描述為兩個子問題，即局部調度決策

39、和全局資源協(xié)調。由于“組合爆炸”現(xiàn)象的存在，當前采用的普遍方法是談判和投標(NegotiationandBidding)。談判被定義為:在開放的、動態(tài)的制造控制環(huán)境下，擁有任務訂單的Agent(協(xié)調者)，及欲參與任務執(zhí)行的Agent(投標者)之間傳遞各自的資源、愿望和能力信息，反復進行協(xié)商，直到其中一個Agent或一組Agent被選出組成執(zhí)行該任務的隊列的過程。在這個過程中出現(xiàn)的沖突和死鎖或者由協(xié)調者來解決，或者由沖突中的Agent自行解決。為了加快談判過程，許多研究工作致力于改進談判策略和開發(fā)支持協(xié)商的協(xié)議和語言，目前已提出了諸如一步談判、多步談判、合同網(wǎng)等多種談判策略和協(xié)議。分析這種談判過

40、程，可以看出:(1)在當前所采用的模型中，談判是基于對談判者的知識與能力、討價還價過程、收益計算，以及子系統(tǒng)的影響(或能力)的平衡的顯式表達，以可計算的迭代模型模擬社會或生物界的組織形式和進化過程的協(xié)調和協(xié)作方法;(2)各個Agent總是將其他Agent的局部調度作為其預測信息，以計算其自己的局部調度決策。依次地，又將決策結果傳遞給其他Agent。宏觀上看，這是一個串行過程。當一個Agent產生的結果不可接受時，又需要進行反復通信和迭代。因而，各個Agent的內部可以看作是一個局部閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，而沖突則是其外部擾動;(3)全局協(xié)調的目標是要完全消解沖突，因而各Agent總是要利用最新的信息來處理沖突。因此，談判實際上是一種外部合作機制。這種方法在一定程度上解決了開放環(huán)境中的Agent協(xié)調和協(xié)作的組合優(yōu)化問題，但是該方法的一個固有缺陷是它只是對社會市場或生物界的組織形式和進化過程的直覺模仿1，尚缺乏對其基本原理、機制和限制條件的深刻認識和理論上的證明，例如，在什么條件下談判的過程是收斂的、穩(wěn)定的。如何得到期望的結構或功能等。尤其當系統(tǒng)規(guī)模較大，而且Agent處于信息連續(xù)變化的高度紊亂的環(huán)境中(如由于市場的快速變化，經(jīng)常會有一些短期的、緊急的訂單需要及時處理)時，有可能引起沖突的傳播(即任何兩個實體間沖突的解決會觸發(fā)其他沖突的出現(xiàn))。這