资源简介

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冬
第二章
智能制造系统
WINTER
SEEKING TRUTH AND PURSUING INNOVATION
思维导图
系统的概念
智能制造系统的发展现状和趋势
制造系统的定义和特征
智能制造系统的概念和特征
智能制造系统架构
系统的定义和分类
系统的特征
系统的功能
智能制造系统的发展趋势
我国发展智能制造的指导思想和战略目标
制造系统的定义
制造系统的特征
制造系统的发展趋势
智能制造系统的发展现状
智能制造系统的特征
智能制造系统架构
智能制造系统的概念
学习要点
熟悉系统和制造系统的概念和特征，掌握智能制造系统的概念、特征及关键技术，了解智能制造系统的发展趋势。
具体包括：掌握系统的定义，从5个角度对系统的分类；熟悉系统的6个特征；掌握制造系统的综合定义和5个特征；了解制造系统全球化、敏捷化、柔性化等的发展趋势；掌握智能制造系统的定义、构成、6个特征；熟悉智能设计、智能机器人等6项关键技术；了解生命周期、系统层级和智能功能3个维度；熟悉 智能制造系统供应链的各部分组成；了解协同制造、5G、大数据、区块链等应用。
目录
CONTENTS
01
2.1 系统的概念
02
2.2 制造系统的定义和特征
03
2.3 智能制造系统的概念和特征
04
2.4 智能制造系统架构
05
2.5 智能制造系统的发展现状和趋势
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鼎
新
四
季
01
系统的概念
2.1.1 系统的定义和分类
2.1.2 系统的特征
2.1.3 系统的功能
2.1.1系统的定义和分类
系统广泛存在于社会生活的各个方面。比如，人体就是一个系统，它由神经、呼吸、消化、循环、运动、生殖等许多分系统组成；学校可以看作一个由教师、学生、管理人员、设施等部分组成的系统；多媒体教室也可以看成一个由电脑、投影器、音响设备、课桌椅、照明设备等组成的系统；宇宙则是由星系等许多系统组成的更大的系统。一台计算机、一个国家甚至整个社会都可以视为不同的系统。
系统的定义应该包含一切系统所共有的特性。系统思想源远流长，但作为一门科学的系统论，人们公认是美籍奥地利理论生物学家、一般系统论创始人贝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）创立的。他给出的定义是：“系统是相互联系相互作用的诸元素的综合体。”这个定义强调元素间的相互作用以及系统对元素的整合作用。
系统的定义
2.1.1系统的定义和分类
自然系统
人工系统
自然系统
系统的分类：1．从构成要素属性划分
复合系统
系统的组成要素是自然物，同时也是在客观世界发展过程中自然形成的系统，比如天体系统、气象系统、生理系统、植物系统、原子结构系统等。
2.1.1系统的定义和分类
为满足人们的某种需要，通过人的劳动造成的各种要素构成的系统。3种类型：1.人们加工自然物获得的人造物质系统；2.人们用一定的制度、程序、组织所组成的管理系统和社会系统；3.人们根据对客观世界的认识建立起来的各种科学体系和技术体系。
封闭系统
开放系统
人工系统
复合系统
系统的分类：1．从构成要素属性划分
由自然系统和人工系统相结合的系统，如农业系统、生态环境系统、无线电通信系统等。
2.1.1系统的定义和分类
由概念、原理、原则、制度、方法、程序等非物质实体组成的系
统，如各种科学技术体系、法律、法规等。
静态系统
动态系统
实体系统
概念系统
系统的分类：2 . 从系统形态或存在形式划分
复合系统
组成系统的要素是具有实体的物质，如机器系统、电力系统等。
关系：对一个有目的的系统而言，实体系统和概念系统是不可分割的，概念系统为实体系统提供指导和服务，实体系统是概念系统的服务对象，如机器系统是实体系统，而为机器系统提供的各种设计方案、计划和程序，就是相应的概念系统。
2.1.1系统的定义和分类
指与外界环境发生联系，能进行物质、能量、信息交换的系统。
静态系统
动态系统
封闭系统
开放系统
系统的分类：3．从系统与环境的关系划分
复合系统
指与外界环境无联系的系统，即系统与环境无物质、能量、信息的交换。
现实中存在的系统都是开放系统，封闭系统只是相对的，当某些系统与环境联系很少，在小范围或一个较短的时间内，可被视为封闭系统。
2.1.1系统的定义和分类
系统状态参数随时间改变的系统。
静态系统
动态系统
静态系统
动态系统
系统的分类：4．从系统状态与时间关系划分
复合系统
系统状态参数不随时间改变的系统。
系统都是动态的，绝对的静态系统是不存在的，只是为了研究问题的方便，可在一定的范围和时间内，近似地将某些系统看成静态系统。
2.1.1系统的定义和分类
系统要素众多，内部联系相当复杂、集中控制困难的系统，一个大系统是由许多小系统组成的，如一个企业、一项大型工程、一个城市等。
静态系统
动态系统
小系统
大系统
系统的分类：5．从系统构成要素的多少及相互关系复杂程度划分
复合系统
系统要素少，内部联系简单的系统，如一台机器、一个班组等。
2.1.2系统的特征
整体性
系统的整体性表现为系统是由两个或两个以上相互区别的要素，按照一定的方式和目的，有秩序地排列而成的，系统内的各个部分是不可或缺的，系统的功效大于各要素的功效之和。系统的要素各自具有自身的特性和内在规律，但在彼此之间是有机地结合在一起，由此形成一个整体，对外体现综合性的整体功能。系统的各要素组成一个整体，如果系统的整体性受到破坏，将不再成为系统。
例如，一个企业的管理过程是由计划、组织、人员管理、指导和领导、控制这5项职能相互联系、相互作用构成的有机体，而不是这些职能的简单叠加。
2.1.2系统的特征
层次性
一个复杂的系统由许多子系统组成，子系统可能又分成许多子系统，而这个系统本身又是一个更大系统的组成部分，系统是有层次的。
例如，一个生命体有细胞、组织、器官、系统和生物体几个层次，企业有个人、班组、车间、厂部等几个层次。系统的结构、功能都是指相应层次上的结构与功能，而不能代表高层次和低层次上的结构与功能。一般来说，层次越多其系统越复杂。
2.1.2系统的特征
相关性
系统的相关性是指，系统不是一些杂乱无章的事物的总和，系统中的各要素都是相互联系、相互作用的。系统中任何一个要素发生变化，其他部分也会随之变化，以保持系统的整体最优化。因此，整体性确定了系统的组成要素，而相关性说明了这些要素之间的关系。
例如，机械加工系统就是通过机床、夹具、刀具、工件和操作人员按工艺规程的要求相互发生作用，才能实现零件的加工。又例如，医院作为一个系统，其护理子系统与医院的医疗、检验、后勤等其他的子系统之间有着密切的关系，存在着相互制约又相互依存的关系。
2.1.2系统的特征
动态性
首先，系统的活动是动态的，系统的一定功能和目的，是通过与环境进行物质、能量、信息的交流实现的。因此，物质、能量、信息的有组织运动，构成了系统活动动态循环。其次，系统的变化过程也是动态的，系统的生命周期所体现出的系统本身也处在孕育、产生、发展、衰退、消灭的变化过程中。
2.1.2系统的特征
目的性
系统活动最终趋向于有序和稳定，这是因为有序方向正是系统的目标。任何一个系统都有明确的总目标，子系统为完成大系统的总目标而协调工作。而系统还有自己的分目标。通常情况下，一个系统可能有多重目的性。
例如，一个工厂就是一个系统，它是通过将生产要素（人、财、物、信息等）有效地转变成财富（产品），以达到使原材料增加价值而创造效益的目的。
2.1.2系统的特征
环境适应性
系统总是在一定的环境中存在和发展，系统具有随外部环境变化相应进行自我调节、以适应新环境的能力。系统与环境要进行各种形式的交换，受到环境的制约与限制，环境的变化会直接影响系统的功能及目的，系统必须在环境变化时，对自身功能做出相应调整，不致影响系统目的的实现。没有环境适应性的系统，是没有生命力的。
例如，航天飞行器是一个复杂的系统，它在储存、运输、发射升空等过程中，都会受到力、热、电磁、生物等环境的作用，即使到了太空，也会有热辐射、粒子辐射、空间碎片等的影响。环境适应性就是使航天飞行器在各种环境下都能保持稳定的性能，实现其预定的功能。
2.1.3系统的功能
系统功能是系统与环境在相互作用中所表现出的能力，即系统对外部表现出的作用、效用、效能或目的。它体现了一个系统与外部环境进行物质、能量、信息交换的关系，即从环境接收物质、能量、信息，经过系统转换，向环境输出新的物质、能量、信息的能力。不同的系统所拥有的功能是不一样的。
从一般意义上分析，系统的功能可表示为上图所示的功能结构，即系统接收外界的输入，通过内部的处理和转换，向外界输出结果。所以，可以把系统理解为一种转换的机构，它将输入转换为人们所需要的输出。
2.1.3系统的功能
一般情况下，一个系统的总功能可分解为若干分功能，各分功能又可进一步分解为若干二级分功能，如此继续，直至各分功能被分解为功能单元为止。这种由分功能或功能单元按照其逻辑关系连成的结构称为功能结构。
系统工程的宗旨是提高系统的功能，特别是提高系统处理和转换的效率，即在输入一定的条件下使得系统的输出尽可能地好、多、快，或者说，在一定的输出要求下使得输入尽可能少和省。系统功能的实现关键在于系统各要素之间的关系和系统的结构。建立起合理的系统结构，调整好各要素之间的关系，就能提高和增加系统的功能。
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02
制造系统的定义和特征
2.2.1 制造系统的定义
2.2.2 制造系统的特征
2.2.3 制造系统的发展趋势
2.2.2制造系统的定义
关于制造系统的定义，至今还未统一，目前仍在发展和完善之中。现列举国际上比较权威的几个定义作为参考。
（1）国际生产工程科学院（CIRP）于1960年公布的制造系统的定义是：制造系统是制造业中形成制造生产（简称生产）的有机整体。
（2）英国学者帕纳比（Parnaby）1989年给出的定义是：制造系统是工艺、机器系统、人、组织结构、信息流、控制系统和计算机的集成组合，其目的在于取得产品制造经济性和产品性能的国际竞争性。
（3）美国麻省理工学院教授克理索罗理斯（G.Chryssolouris）于1992年给出的定义是：制造系统是人、机器和装备以及物料流和信息流的一个组合体。
2.2.2制造系统的定义
综合上述的几种定义，可将制造系统定义如下：
制造系统是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员所组成的一个将制造资源转变为产品或半成品的输入输出系统，它涉及产品生命周期（包括市场分析、产品设计、工艺规划、加工过程、装配、运输、产品销售、售后服务及回收处理等）的全过程或部分环节。
其中，硬件包括厂房、生产设备、工具、计算机及网络等；软件包括制造理论、制造技术（制造工艺和制造方法等）、管理方法、制造信息及有关的软件系统等；制造资源包括狭义制造资源和广义制造资源，狭义制造资源主要指物能资源，包括原材料、坯件、半成品、能源等，广义制造资源还包括硬件、软件、人员等。
2.2.2制造系统的特征
制造模式对制造系统具有指导作用。不同的制造模式会形成不同的制造系统。例如，单一产品大批量的制造模式形成了刚性制造系统，多品种小批量的制造模式则形成了柔性制造系统。
制造系统中几乎总是包括决策子系统。
① 制造系统总是处于生产要素（原材料、能量、信息等）的不断输入和有形财富（即产品）的不断输出这样一个动态过程中。
② 制造系统内部的全部硬件和软件也处于不断的动态变化之中。
③ 制造系统为适应生存的环境，特别是在激烈的市场竞争中总是处于不断发展、不断更新、不断完善的运动中。
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2.2.2制造系统的特征
制造系统在运行过程中无时无刻不伴随着物料流、信息流和能量流的运动。例如，在一个典型的机械制造系统中，其制造过程的基本活动包括加工与装配、物料搬运与存储、检验与测试、生产管理与控制等。其中，加工与装配改变工件的几何尺寸、外观和特性，增加产品的附加值；物料搬运实现物料在制造过程内的流动，包括装卸工件以及不同工作场地之间的工件运输，存储则将工件或产品存放在一定的空间内，以解决工序之间生产能力或者需要之间的平衡问题。
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2.2.2制造系统的特征
制造系统中几乎总是包括决策子系统。从制造系统管理的角度看，制造系统内除包括物料流、能量流和信息流构成的物料子系统、能量子系统和信息子系统外，还包括若干决策点构成的制造系统运行管理决策子系统。因此，物料、能量、信息和决策点集合这4个要素的有机结合，才构成了一个完整的制造系统。
制造系统具有反馈特性。制造系统在运行过程中，其输出状态如产品质量信息和制造资源利用状况信息总是不断地反馈回制造过程的各个环节中，从而实现制造过程的不断调节、改善和优化。
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2.2.3制造系统的发展趋势
一方面，国际和国内市场上的竞争越来越激烈，例如在机械制造业中，国内外已有不少企业，甚至是知名度很高的企业，在这种无情的竞争中纷纷落败，有的倒闭，有的被兼并。不少暂时还在国内市场上占有份额的企业，不得不扩展新的市场。
另一方面，互联网技术的快速发展，提供了技术信息交流、产品开发和经营管理的国际化手段，推动了企业间向着既竞争又合作的方向发展。这种发展进一步激化了国际市场的竞争。
这两个原因的互相作用，已成为制造企业向全球化发展的动力。
（1）全球化
2.2.3制造系统的发展趋势
当今世界制造业市场的激烈竞争在很大程度上是以时间为核心的市场竞争，不是“大”吃“小”，而是“快”吃“慢”。制造业不仅要满足用户对产品多样化的需求，而且要及时满足用户对产品时效性的要求，制造系统的敏捷化已成为制造业的核心理念之一。
敏捷制造是制造业的一种新战略和新模式，当前全球范围内对敏捷制造的研究非常活跃。敏捷制造是对全球级和企业级制造系统而言的。制造环境和制造过程的敏捷化是敏捷制造的主要组成部分，制造系统的敏捷化是制造环境和制造过程面向未来制造活动的必然趋势。
（2）敏捷化
2.2.3制造系统的发展趋势
制造系统的柔性化是指制造企业对市场多样化的需求和外界环境变化的快速动态响应能力，即制造系统快速经济地生产出多样化新产品的能力。柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，很好地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾，具有设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、生产应变能力大、经济效益显著等特点。
制造系统的柔性化为大量定制生产模式提供了基础，使企业可以根据每个用户的特殊需求以大量生产方式提供定制产品。
（3）柔性化
2.2.3制造系统的发展趋势
先进制造系统向着集成化的深度和广度方向发展，已经从企业内部的信息集成和功能集成发展到实现产品全生命周期的过程集成，并正在步入动态的企业集成。
（4）集成化
未来的制造系统集成化程度更高，这种集成是“多集成”，即不仅包括信息、技术的集成，而且包括管理、人员和环境的集成。只有将人、信息、技术、管理和环境等真正集成起来，融合成一个统一的整体，才能最大限度地发挥制造系统的能力。
2.2.3制造系统的发展趋势
制造系统的智能化是在柔性化和集成化基础上的延伸。近20年来，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化和集成化，而且要表现出某种智能，以便应对大量的复杂信息、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境。
（5）智能化
因此，制造系统的智能化是必然的发展趋势，智能化将进一步提高制造系统的柔性化和自动化水平，使生产系统具有更完善的判断与适应能力。
2.2.3制造系统的发展趋势
制造系统的绿色化是人类社会可持续发展战略在制造业中的体现。大批量的生产模式是以消耗资源为代价的，而由此造成的资源枯竭和环境污染等问题已向人们敲响了警钟。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响，同时使原材料和能源的利用效率达到更高。日趋严格的环境要求与资源的约束，使得制造系统的绿色化显得越来越重要，它将是21 世纪制造业的重要特征，与此相对应，绿色制造技术也将获得快速的发展。
（6）绿色化
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03
智能制造系统的概念和特征
2.3.1 智能制造系统的概念
2.3.2 智能制造系统的特征
2.3.3 智能制造系统的关键技术
智能制造系统发展的影响因素
智能制造系统是适应传统制造领域以下几方面的情况需要而发展起来的：
（1）制造信息的爆炸性增长和处理信息工作量的猛增
（2）专业人才的缺乏和专门知识的短缺
（3）多变的、激烈的市场竞争
（4）CIMS、ERP、PDM等的实施和制造业的全球化发展
2.3.1智能制造系统的概念
基于智能制造技术，综合运用人工智能技术、信息技术、自动化技术、制造技术、并行工程、生命科学、现代管理技术和系统工程理论方法，在国际标准化和互换性的基础上，使得制造系统中的经营决策、产品设计、生产规划、制造装配和质量保证等各个子系统分别实现智能化的网络集成的高度自动化制造系统。
物理基础：智能机器
包括具有各种程序的智能加工机床、工具和材料传送、准备装置、检测和实验装置以及安装、装配装置等
目的：通过设备柔性和计算机人工智能控制，自动地完成设计、加工、控制、管理过程，旨在保证适应高度变化环境的制造的有效性。
定义
2.3.1智能制造系统的概念
一般来说，一个完整的智能制造系统由智能制造技术、智能制造装备、智能制造软件、智能制造设计、智能制造服务、智能制造管理等组成。
智能制造系统的构成
2.3.1智能制造系统的概念
智能制造系统是可持续发展的制造模式，它旨在利用计算机建模和仿真以及信息和通信技术的巨大潜力，优化产品的设计和制造过程，尽量减少材料和能源的消耗以及各种废物的产生。其目的是根据用户需求，利用信息与通信技术、人工智能技术实现生产资料的重新配置。典型的智能制造生态系统如图所示。
智能制造生态系统
2.3.2智能制造系统的特征
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，其柔性不仅突出在运行方式上，而且突出在结构形式上，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。完成任务后，该结构随即自行解散，以备在下一个任务中集结成新的结构。
自组织能力是智能制造系统的一个重要标志。
（1）自组织能力
智能制造系统与传统制造系统相比，具有以下几个特征：
2.3.2智能制造系统的特征
自律能力是指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独立性、自主性和个性，甚至相互间还能协调运作与竞争。
典型的智能制造系统可以根据周围环境和自身的运行状况监控和处理信息，并根据处理的结果调整控制策略以采用更佳的运作计划，这种自律能力使得整个制造系统具有很强的适应性和容错性。强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。
（2）自律能力
2.3.2智能制造系统的特征
智能制造系统能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习能力；同时，能在运行过程中自行诊断故障，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。
（3）自学习和自维护能力
2.3.2智能制造系统的特征
智能制造系统不单纯是“人工智能”系统，而是人机一体化智能系统，具有混合智能。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，最多做到形象思维，完全做不到灵感思维，只有人类专家才真正同时具备以上3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，独立承担起分析、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。
（4）人机一体化
2.3.2智能制造系统的特征
虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术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，融合信号处理、动画技术、智能推理、预测、仿真和多媒体技术，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。
能拟实制造过程和未来的产品，从感官上使人获得完全如同真实的感受，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技术，是智能制造的一个显著特征。
（5）虚拟现实
2.3.2智能制造系统的特征
智能制造系统更加关注整个制造系统的网络集成，这是智能制造系统与传统“智能岛”在制造过程中的特定应用之间的根本区别。智能制造的特点之一是智能生产系统的纵向一体化和网络化，网络化生产利用CPS实现订单需求、库存水平变化和突发故障的快速响应。生产资源和产品通过网络连接，原材料和零部件可随时被送到需要它们的地方。生产过程的每个环节都会被记录下来，并且系统会自动记录每个错误。
另一特点是价值链的横向一体化。与生产系统网络类似，全球或本地价值链网络通过CPS连接，包括物流、仓储、生产、营销和销售，甚至下游的服务。任何产品的历史数据都有详细的记录，就好像该产品具有记忆功能一样。这就创建了透明的价值链——从采购到生产再到销售或者从供应商到制造商再到客户。
（6）网络集成
2.3.3智能制造系统的关键技术
工业的发展过程是人类从繁重劳动中解脱出来的过程。许多环境恶劣的工作需要机器代替人类来完成。
自然系统
人工系统
封闭系统
开放系统
知识库的建立
代替人类工作的机器人
代替人类思考的智能系统
智能制造系统与人类的知识积累密切相关，这体现在以下3个方面：
复合系统
人类的发展过程是知识发展和积累的过程，几千年的发展有很多经验和教训，将其整理归纳后可建立较完整的知识库，从而使人们在生产中少走许多弯路，使决策更加准确。
人类发展过程中，起先脑力劳动不为社会认可。计算机技术的发展，尤其是其强大的计算能力，完全可以代替人们进行分析、比较。
2.3.3智能制造系统的关键技术
工程设计中，概念设计和工艺设计是大量专家的创造性思维，需要分析、判断和决策。大量的经验总结、分析，如果靠人们手工来进行，需要很长的时间。把专家系统引入设计领域，可使人们从繁重的劳动中解脱出来。
根据以上智能制造系统与人类知识积累和使用的相关性，智能制造系统的关键技术有以下6项。
（1）智能设计
2.3.3智能制造系统的关键技术
智能机器人应具备以下功能特性：
1）视觉功能，机器人能借助其自身所带工业摄像机，像人眼一样能观察；
2）听觉功能，机器人的听觉功能主要依赖话筒，能将人们发出的指令，变成计算机接受的电信号，从而控制机器人的动作；
3）触觉功能，机器人带有各种传感器；语音功能，机器人可以和人们对话；
4）分析判断功能（理解功能），机器人在接受指令后，可以通过对知识库中的资料进行分析、判断、推理，自动找出最佳的工作方案，做出正确的决策。
（2）智能机器人
2.3.3智能制造系统的关键技术
除了计算机的自诊断功能（包括开机诊断和在线诊断）外，系统还可以进行故障分析、原因查找和故障的自动排除，保证系统在无人的状态下正常工作。
（3）智能诊断
影响制造系统工作的因素有很多，如材料的材质、加工余量的不均匀、环境的变化等，都会对加工带来影响。由于目前人们仍是依靠经验来控制系统的，因此加工时就不可能达到最佳状态，产品的质量就很难提高。要实现自适应功能，在线的自动检测和自动调整是关键技术。
（4）自适应能力
2.3.3智能制造系统的关键技术
加工过程仅是企业运行的一部分，产品的发展规划、市场调研分析、生产过程的平衡、材料的采购、产品的销售、售后服务，甚至整个产品的生命周期，都属于管理的范畴。
需求趋向于个性化、多样化，市场小批量、多品种占主导地位，因此，智能管理系统应具备：对生产过程的自动调度，信息的收集、整理与反馈，以及形成企业的各种情况的资料库等。
（5）智能管理系统
2.3.3智能制造系统的关键技术
智能决策支持系统是人工智能和决策支持系统相结合，使得决策支持系统能够更充分地应用人类的知识，如关于决策问题的描述性知识、决策过程中的过程性知识、求解问题的推理性知识等，通过逻辑推理来帮助解决复杂的决策问题的辅助决策系统。
智能制造系统中的典型智能决策有：生产运行管理、协同工艺设计、先进计划调度、物流优化管理、质量精确控制等。
（6）智能决策支持系统
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04
智能制造系统架构
2.4智能制造系统架构
引用日期2021-05-08
系统架构
生命周期
敏捷化
系统层级
包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合和新兴业态5个层次
智能功能
由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合
自下而上分为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层
2.4智能制造系统架构
（1）生命周期
生命周期是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的链式集合。生命周期中各项活动相互关联、相互影响。
不同行业的生命周期构成不尽相同。当传统的产品变成智能产品以后，它不仅体现在消费者使用时的智能性，也体现在生命周期中。
例如，通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术记录产品从设计到服务整个过程的信息，通过网络自动跟踪每一件货物的去向等。
2.4智能制造系统架构
（2）系统层级
智能制造的系统层级体现了装备的智能化和互联网协议（IP）化，以及网络的扁平化趋势。具体包括：
①设备层，包括传感器、仪器仪表、条码、射频识别设备、机器、机械和装置等，是企业进行生产活动的物质基础。
② 控制层，包括可编程逻辑控制器、数据采集与监视控制系统、分布式控制系统和现场总线控制系统等。
③ 车间层，实现面向工厂/车间的生产管理，包括制造执行系统等。
④ 企业层，实现面向企业的经营管理，包括企业资源计划（ERP）、产品生命周期管理（PLM）、供应链管理（SCM）和客户关系管理（CRM）系统等。
⑤ 协同层，由产业链上不同企业通过互联网络共享信息实现协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等。
2.4智能制造系统架构
（3）智能功能
① 资源要素，包括设计施工图纸、产品工艺文件、原材料、制造设备、生产车间和工厂等物理实体，也包括电力、燃气等能源。此外，人员也可视为资源的一个组成部分。
② 系统集成，是指通过二维码、射频识别、软件等信息技术集成原材料、零部件、能源、设备等各种制造资源。由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间、智能工厂，乃至智能制造系统的集成。
③ 互联互通，是指通过有线、无线等通信技术，实现机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的互联互通。
④ 信息融合，是指在系统集成和通信的基础上，利用云计算、大数据等新一代信息技术，在保障信息安全的前提下，实现信息协同共享。
⑤ 新兴业态，包括个性化定制、远程运维和工业云等服务型制造模式。
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05
智能制造系统的发展现状和趋势
2.5.1 智能制造系统的发展现状
2.5.2 智能制造系统的发展趋势
2.5.1智能制造系统的发展现状
自然系统
人工系统
我国高度重视智能制造发展，随着制造业智能化的升级改造，智能制造产业呈现较快的增长，智能制造系统集成市场受益于国家大力推动智能制造和工业互联网发展、智能制造系统解决方案供应商联盟加速细分行业渗透、制造业核心工艺技术加速突破等利好，2014—2015年中国智能制造行业新成立企业数量骤增，处上升风口时期，工业、互联网科技等领域企业拓展业务范围，积极转型，进军智能制造行业。
智能制造系统与传统制造系统相比，具有以下几个特征：
复合系统
2.5.2智能制造系统的发展趋势
与离散型制造领域显著不同的是，流程型制造领域的生产流程本质上是连续的，被加工处理的工件不论是产生物理变化还是化学变化，其过程不会中断，而且往往是处于密闭的管道或容器中，生产工艺相对简单，生产流程清晰连贯，生产全过程数字化难度相对较小。
典型的流程领域有纺织、食品、化工等行业，相应企业可以在全面贯通整合各阶段数据的基础上，运用人工智能的深度学习、强化学习（主要是动态规划方法）进行实时数据分析和实时决策，并进一步将智能系统延伸至供应链、生产后服务等各个环节，最终实现全面智能化。
（1）流程领域有望率先实现智能化
2.5.2智能制造系统的发展趋势
制造业企业智能化的动力本源是响应市场需求，这点在消费品制造领域尤为明显，乘用车、家电、3C、服装、医药、食品等直接面向消费者的制造业企业搭建智能制造系统的主要目的是实现高度柔性生产，快速、准确地实现消费者对产品的个性化、定制化
需求。
快速变化的市场需求从消费端沿着产业链不断向上传导，下游企业生产方式的颠覆与创新迫使上游供应商融入智能化浪潮，智能制造倒逼机制就此形成。在这种倒逼机制的作用下，产业链上游企业要主动适应变化，实现柔性生产，基于供应商先期介入思
维，通过网络协同制造确立竞争优势，否则将面临被市场淘汰的风险。
（2）供应链协同倒逼产业链上游智能制造
2.5.2智能制造系统的发展趋势
工业通信网络是智能制造系统中重要的基础设施，无线通信网络作为其重要组成部分，正逐步向工业数据采集领域渗透，但目前使用的Wi-Fi等无线通信网络尚无法满足智能制造对于数据采集的灵活、可移动、低时延和高可靠性等通信要求，仅能充当有线网络的补充角色。
5G一旦实现工业领域应用，将成为支撑智能制造转型的关键技术，5G将分布广泛、零散的人、机器和设备全部连接起来，构建统一的互联网络，帮助制造企业摆脱以往无线网络技术较为混乱的应用状态，推动制造企业迈向“万物互联、万物可控”的智能制造成熟阶段。
（3）5G的应用将开启智能制造新时代
2.5.2智能制造系统的发展趋势
智能制造系统集成涉及生产全生命周期各个环节的硬件、软件及相关系统，协同难度大、复杂程度高，尤其是软硬件之间的连接，涉及不同品牌的产品差异以及不同端口的各类协议，亟须在国家、行业层面推出标准化体系。
《国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）》的颁布将持续支撑我国智能制造的良性发展，并推进我国智能制造标准与国际标准互认，助力我国成为智能制造国家和我国行业标准上升为国际标准。
（4）标准体系完善将助推智能制造系统的发展
2.5.2智能制造系统的发展趋势
一方面，如正在快速形成的基于工业数据的故障诊断及预测性维护就是典型的服务型应用场景。这种服务通过对生产线的监测和历史数据进行处理并存储后，进行基于人工智能的预测性分析，对企业给出维护建议并对生产进行实时预警。另一方面，工业区块链技术可以为工厂提供不同安全等级的区块链加密服务，对工厂的重要数据进行无中介传递，保障各重要生产数据的安全。
随着工业大数据和工业区块链技术的应用，将形成分布式智能制造网络，以终端客户需求为主导，促进工业的服务化转型。通过集成化与智能化生产，提高企业效率。通过标准化与网络化生产，降低企业生产成本。
（5）大数据和区块链等技术将得到广泛应用
本章小结
本章首先介绍了系统的概念和分类，特别介绍了一般系统论的创始人贝塔朗菲，讲述了系统的6个特征，即整体性、层次性、相关性、动态性、目的性和环境适应性；然后介绍了制造系统的定义、特征和发展趋势；在此基础上重点介绍了智能制造系统的概念和特征，讲述了其中的关键技术，包括智能设计、智能机器人、智能诊断、自适应能力、智能管理系统和智能决策支持系统，并给出了智能制造系统的体系结构；最后介绍了我国智能制造系统的发展现状和发展趋势。
Thank You！
University of Science and Technology Beijing
WINTER

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