内容摘要：随着社会经济的发展和科学技术的进步，制造系统日益向智能化和柔性化方向发展，而智能化和柔性化是建立在对相关信息和知识快速有效的获取、处理和传递基础之上的。智能知识内涵丰富，具有多样性、复杂性、经验性和非规范性等特点，在相当程度上增加了对设计制造知识进行有效的归纳、整理、挖掘和应用的难度，同时也降低了其可重用性和可集成性，为企业信息交互带来了困难。并简要介绍了智能制造，智能制造技木的发展趋势，以及智能制造系统研究成果及存在问题。
关键词：智能制造
Abstract：With the development of socioeconomic and advancement of science and technology, manufacturing system becomes more and more intelligentized and flexible, and these characters are based on speediness and availability of information and knowledge acquirement and disposal. Intelligentized knowledge has characters of diversity, complexity, empirical and unnormalized, and has abundance connotation. These characters make it difficult to induce, coordinate, mining and apply, as well as reduce the possibility of re-use and integration, and make it harder for enterprises’ information interactive. Gave a briefing on intelligence Machining , intelligent manufacturing technology development trend of wood, as well as the Intelligent Manufacturing Systems research results and problematic.
Key words: Intelligent Manufacturing
一、智能制造技术的产生背景
自20世纪80年代以来，随着产品性能的完善化及其结构的复杂化、精密化，以及功能的多样化，促使产品所包含的设计信息量和工艺信息量猛增，随之而来的是生产线及生产设备内部的信息量增加，制造过程和管理工作的信息量也必然剧增，因而推动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。目前，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)和计算机集成制造系统(CIMS)的信息来源一旦被切断就会立刻瘫痪。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，而且还要具有智能，否则是难以处理如此大量、多样化及复杂化(残余和冗余信息)的信息工作量的。
当前和未来企业面临的是一个瞬息多变的市场需求和激烈的国际化竞争环境。社会的需求使产品生产正从大批量产品生产转向小批量、客户化单件产品的生产。企业欲在这样的市场环境中立于不败之地，必须从产品的时间、质量、成本、服务和环保(T、Q、C、S、E)等方面提高自身的竞争力，以快速响应市场频繁的变化。为此，企业的制造系统应表现出更高的灵活性和智能性。
过去由于人们对制造技术的注意力偏重于制造过程的自动化，从而导致在自动化水平不断提高的同时，产品设计及生产管理效率提高缓慢。生产过程中人们的体力劳动虽然获得了极大，但脑力劳动的自动化程度(即决策自动化程度)却很低，各种问题的最终决策或解决在很大程度上仍依赖于人的智慧；并且随着市场竞争的加剧和信息量的增加，这种依赖程度将越来越大。为此，要求未来制造系统具有信息加工能力，特别是信息的智能加工能力。
从20世纪70年代开始，发达国家为了追求廉价的劳动力，逐渐将制造业移向了发展中国家，从而引起本国技术力量向其他行业的转移，同时发展中国家专业人才又严重短缺，其结果制约了制造业的发展。因此，制造业希望减少对人类智慧的依赖，以解决人才供应的矛盾。智能制造正是适应这种情况而得以发展的。
当今世界各国的制造业活动趋向于全球化，制造、经营活动、开发研究等都在向多国化发展。为了有效地进行国际间信息交换及世界先进制造技术共享，各国的企业都希望以统一的方式来交换信息和数据。因此，必须开发出一个快速有效的信息交换工具，创建并促进一个全球化的公共标准来实现这一目标。
先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺及系统的设计和管理人员提出了新的挑战，传统的设计和管理方法不能有效地解决现代制造系统中所出现的问题，这就促使我们通过集成传统制造技术、计算机技术与人工智能等技术，发展一种新型的制造模式——智能制造。
二、智能制造技术发展现状
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。目前，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，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19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年又启动了新的项目，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。最近，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。
由此可见，智能制造正在世界范围内兴起，它是制造技术发展，特别是制造信息技术发展的必然，是自动化和集成技术向纵深发展的结果
三、 智能制造的定义
智能制造技术是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机器有机地融合起来，将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统(如经营决策、采购、产品设计、生产计划、制造、装配、质量保证和市场销售等)，以实现整个制造企业经营运作的高度柔性化和集成化，从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动，并对制造业专家的智能信息进行收集、存储、完善、共享、继承和发展的一种极大地提高生产效率的先进制造技术。
四、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HYPERLINK "http://baike.baidu.com/view/2949.htm"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。
智能制造系统的本质特征是个造单元的“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、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个各个结点。
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。
五、智能制造技术的组成
智能制造主要研究内容
智能制造理论和系统设计技术IM概念的正式提出至今时间还不长，其理论基础与技术体系仍在形成过程中，它的精确内涵和支撑设计技术仍需进一步研究。其研究内容包括：IM的概念体系，IMS的开发环境与设计方法，以及制造过程中的各种评价技术等。
智能制造单元技术的集成在以往的工作中，人们以研究人工智能在制造领域中的应用为出发点，开发出了许多面向制造过程中特定环节、特定问题的智能单元，形成了一个个“智能化孤岛”。它们是智能制造研究的基础。为使这些“智能化孤岛”面向智能制造，使其成为IM的单元技术，必须研究它们在IMS中的集成，并进一步完善和发展这些智能单元，从而形成智能型的集成自动化。它们包括：
·智能设计应用并行工程和虚拟制造技术，实现产品的并行智能设计；
·智能工艺过程编制在现有的检索式、半创成式CAPP系统的基础上，研究、开发创成式CAPP系统，使之面向IMS；
·生产过程的智能调度；
·智能监测、诊断及补偿；
·加工过程的智能控制；
·智能质量控制；
·生产与经营的智能决策。
智能机器的设计智能机器是IMS中模拟人类专家智能活动的工具之一，因此.对智能机器的研究在IMS研究中占有重要的地位。IMS常用的智能机器包括智能机器人、智能加工中心、智能数控机床和自动引导小车(AGV)等。
六、智能制造系统的特征
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，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。
∙智能制造技木的发展趋势
智能制造是从 80 年代末发展起来的 ,最旱的几本有关智能制造及系统方面的专著是在 1988年由 Wrightfg MilaciC 等人编写的 ,随后、 Kusiak和 Pain也相继出版了这方面的研究著作。这些专著所描述的 IMS仍基于设计与制造技术所提出的问题和解决的工具与方法。在许多工业化国家、人工智能已被当作求解现代工业提出的问题的工具和方法。因此 ,这些专著仅着力于人工智能在制造业中的应用和智能系统研究与应用中提出的问题的求解、 使用基于知识的系统(如级联结构系统)和优化方法来解决自动化制造环境中零件、 产品、 系统的设计与制造 ,以及自动制造系统的规划与调度(管理)问题。先进的工业化国家在研究 FMS、 CIMS、 FA 及AI筹的基础上 ,为了进行国际间制造业的共同协作研究、 开发、 设计、 生产、 物流、 信息流、 经营管理乃至制造过程的集成化与智能化等而提出来的智能制造系统 ,也是为了解决各发达国家面临的企业活动全球化、 重复投资增大、 现场熟练技术工人不足和社会对产品的需求变化等因素而倡导的国际制造业的合作。在迸行智能制造及其相关技术与系统的研究方面、 首推日本在 1990 年提议和倡导的日、 美、 欧之间建立的国际运营委员会、 国际技术委员会和附属机构 IMS中。大有主宰未来制造技术的趋势。
1991～ 1993 年 Barschdor 汀和 Monostori 等应用人工神经网络(ANNS)到智能制造中进行加工过程的建模、 监测、 诊断、 自适应控制;通过神经网络的知识表示和学习能力 ,缩短 CIMS的反应时间 ,提高产品的质量 ,使系统更可靠。而 Furukawa则对智能机器的设计程序及它在自动导引车中的应用作了介绍。被称为是二十一世纪的制造技术的智能制造系统 ,目前国内外已相继开展了国际联合研究计划。智能制造系统与当前任何制造系统相比 ,在体系结构上有着根本意义上的不同 ,具体体现在:一是采用开放式系统设计策略。通过计算机网络技术 ,实现共享制造数据和制造知识 ,以保证系统质量。这是将计算机界先进的设计和开发思想融入到制造系统的结果 ,因而使制造系统向拟人化的方向进一步发展。二是采用分布式多自主体智能系统设计策略 ,其基本思想是:赋予制造系统中各组成部分或子系统一定的自主权 ,使其形成一个封闭的具有完整功能的自主体 ,这些自主体以网络智能结点的形式联接在通讯网络上 ,各个智能结点在物理上是分散的 ,在逻辑上是平等的。通过各结点的协同处理与合作 ,共同完成制造系统任务 ,实现人与人的知识在制造中的核心地位。
此外 ,生物制造与仿生机械的科学与技术、 生物自生长成形制造、 绿色制造的科学与技术包括产品与人类和自然的协调理论 ,产品绿色工艺(如Near2Zero Waste)等也极大地丰富了智能制造的范畴 ,促进了智能制造系统的发展。目前 ,我国一些高等院校也在进行智能制造技术的研究 ,如南京航空航天大学机电学院朱剑英教授成立的智能制造科研组 ,一方面跟踪国际智能制造的最新研究动态 ,另一方面从事智能制造关键基础技术的预研工作 ,为地区及我国智能制造技术的发展做出了一定贡献。遗憾的是 ,由于种种原因 ,我国主管部门和有关大公司、 厂家并无迹象表明对智能制造已引起足够的重视 ,至今也未得到我国机械学科的普遍关注。相信随着人们对智能制造系统认识的逐步深入 ,智能制造系统必将得以迅猛发展 ,迎头赶上世界先进发展水平。
∙智能制造系统研究成果及存在问题
目前对分布式制造系统的研究虽然还处于初期阶段 ,但已在不同层次、 不同侧面上取得了大量令人振奋的基础理论研究成果和应用成果 ,如制造 Agent的个体目标机制(如奖惩机制、 市场机制、 目标函数等)等。这些研究成果奠定了MAS在制造控制中应用的基础。但是 ,由于制造 Agent 在信息、 知识和控制上的完全分布 ,每个 Agent 对环境、 对整个问题求解活动及其他Agent 的意图只有部分的、 不完全的知识 ,并且拥有的知识可能互相不一致 ,各个 Agent只能根据不完备的知识与不完整、 不同步的信息做出局部决策。又由于整个系统缺乏类似控制的机制 ,因而整个系统的控制和决策往往不能达到最优效果 ,而且不可避免地存在大量难以解决的决策冲突(C onflict)和死锁(Deadlock)。因此 ,对分布式自治制造系统中异构 Agent 间的相互合作以及全局协调机制的研究 ,是分布式自治制造系统最重要 ,也是最基本的问题 ,更是其走向实用所亟待解决的核心问题。协调是指一组 Agent 完成一些集体活动时相互作用的性质。在分布式制造系统中 ,全局协调和优化是一个在多目标动态约束下 ,各类活动和资源的最佳组合和排序的动态求取过程 ,它可以描述为两个子问题 ,即局部调度决策和全局资源协调。由于 “组合爆炸” 现象的存在 ,当前采用的普遍方法是谈判和投标(Neg otiation and Bidding)。谈判被定义为:在开放的、 动态的制造控制环境下 ,拥有任务订单的 Agent(协调者) ,及欲参与任务执行的 Agent (投标者)之间传递各自的资源、 愿望和能力信息 ,反复进行协商 ,直到其中一个Agent 或一组Agent 被选出组成执行该任务的队列的过程。在这个过程中出现的冲突和死锁或者由协调者来解决 ,或者由冲突中的 Agent 自行解决。为了加快谈判过程 ,许多研究工作致力于改进谈判策略和开发支持协商的协议和语言 ,目前已提出了诸如一步谈判、 多步谈判、 合同网等多种谈判策略和协议。分析这种谈判过程 ,可以看出:
(1) 在当前所采用的模型中 ,谈判是基于对谈判者的知识与能力、 讨价还价过程、 收益计算 ,以及子系统的影响(或能力)的平衡的显式表达 ,以可计算的迭代模型模拟社会或生物界的组织形式和进化过程的协调和协作方法;
(2)各个Agent 总是将其他Agent 的局部调度作为其预测信息 ,以计算其自己的局部调度决策。依次地 ,又将决策结果传递给其他 Agent。宏观上看 ,这是一个串行过程。当一个Agent 产生的结果不可接受时 ,又需要进行反复通信和迭代。因而 ,各个 Agent 的内部可以看作是一个局部闭环反馈控制系统 ,而冲突则是其外部扰动;
(3) 全局协调的目标是要完全消解冲突 ,因而各 Agent 总是要利用最新的信息来处理冲突。因此 ,谈判实际上是一种外部合作机制。这种方法在一定程度上解决了开放环境中的 Agent 协调和协作的组合优化问题 ,但是该方法的一个固有缺陷是它只是对社会市场或生物界的组织形式和进化过程的直觉模仿[1 ],尚缺乏对其基本原理、 机制和条件的深刻认识和理论上的证明 ,例如 ,在什么条件下谈判的过程是收敛的、 稳定的。如何得到期望的结构或功能等。尤其当系统规模较大 ,而且 Agent 处于信息连续变化的高度紊乱的环境中 (如由于市场的快速变化 ,经常会有一些短期的、 紧急的订单需要及时处理)时 ,有可能引起冲突的传播(即任何两个实体间冲突的解决会触发其他冲突的出现) 。这种特性类似于自催化过程 ,各个制造Agent 间正向 - 反向交换局部解答的动态迭代过程使得全局问题求解的复杂性成倍增长 ,有可能达到不可控制的程度。甚至出现混沌,其后果带来了大量的通信和控制的不确定性 ,造成系统异步(即通信的延迟没有上界) ,并由此导致各制造 Agent 常常处于等待 ,或开环运行状态。特别是 ,由于信息的不精确和延迟 ,各个 Agent可能总是跟不上环境信息的变化。因此 ,这种将全局问题简化为局部控制与调度而带来的系统建模的简单性往往被解决冲突、 协调和为了维护全局优化的一致性而进行的大量信息交互问题所抵消。
∙展望
制造业是国家经济和综合国力的基础 ,被称为“立国之本 ” 。而我国的制造工业与发达国家相比 ,差距很大 ,主要表现为自主开发能力和技术创新能力薄弱 ,核心技术、 关键技术仍依赖进口。对此 ,我国已引起重视 ,在“ 九五 ” 科技规划和 15年科技发展规划中 ,将先进制造技术列为重点发展领域之一。进入 21世纪 ,经济全球化的进程日益加快 ,制造业领域的竞争日益加剧 ,而竞争的核心是先进制造技术。在此环境下 ,我们只有抓住机遇 ,迎接挑战 ,利用先进制造技术改造传统产业 ,实现技术创新、 机制创新、 管理创新及人才创新 ,才能实现我国跻身世界制造强国的目标。
未来必然是以高度的集成化和智能化为特征的自动化制造系统 ,并以部分取代制造 中人的脑 力劳动 为研 究 目标 ,而 不 同于和 在制造中的应用 也是当代传统制造技术 、新兴计算机技术、人工智能技术与 、等发展的必然结果 ,亦即在整个制造过程中通过计算机将人的智能活动与智能机器有机融合 ,以便有效地推广专家的经验知识 ,从而实现制造过程的最优化、智能化和 自动化。对于它的研究不仅是为了提高产品质量和生产效率及降低成本 ,而且也是为了提高国家制造业响应市场变化的能力和速度 ,以期在未来际竞争中求得生存和发展 。它的研究成果 ,将不只是面向 世纪的制造业及促进 达到更高程度的集成 ,就是对于乃至 一般工业过程的自动化或精密生产环境而言 ,均有潜在的应用价值。它的出现将使人们从一个完全崭新的角度去从事科学技术和制造领域的研究。所以 ,无疑是 世纪的制造技术与系统 ,国际上对其研究的兴起也决非偶然 。在我国 ,虽然企业与技术转移问题 目前 尚不严重 ,但是发达国家一旦拥有 ,而我们又在这方面与之相差甚远的话 ,我们将面临失去更多与之竞争机会的危险。因为一方面它是世纪的制造技术和系统 ,发达国家将不再“依赖 ” 发展中国家的“廉价 ”劳动力 另一方面专业技术人员和熟练技术工人缺乏问题在我国尤其严重 ,企业生产中的各个环节相脱节的现象也十分突出 再者重复投资增大 、企业生产的不规范化及 自动化程度低下等也是大问题 。目前发达国家正在积极起动这一高新技术 ,并投巨资、集中大批优秀人才进行跨 国合作研究与开发 ,我国也应当适度开展跟踪研究 。因此 ,基于国外发达国家积极抢占这一国际制造业制高点的严峻形势 ,参照我国实情 ,我们认为 当前应该系统深入地 开展的基础理论研究和现有加工单元技术与机器设备的智能自动化研究。特别是开发出具有 自身特色的 即能实现高精度 易操作和无人管理的柔性制造系统 ,以满足我国制造业 日益 发展 的需要 。如果 条件 许可 ,还 可试 点进行研究领域中的下一代设计过程 、工厂 、自主功能模块和虚拟制造系统等方面的前期实验研究工作 。只有这样 ,方能在未来制造技术领域争得一席之地 。
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