智能制造系统及关键使能技术最新章节_唐敦兵著

2.2 先进制造系统分类

近年来，随着计算机技术、信息技术及传感器技术等的快速发展，社会和用户对于产品的需求愈发趋于多样化、个性化和动态化，企业间的竞争越来越激烈，企业制造模式由大批量生产向小批量甚至单件定制化生产的方式转变，极大地推动制造企业生产制造模式的创新。制造模式按照制造过程利用资源的范围可分为三种：集成制造，强调企业内部；敏捷制造，强调企业之间；智能制造，强调全局。

2.2.1 集成制造系统

计算机集成制造（Computer-Integrated Manufacturing，CIM）这一理念最初是由美国学者Joseph Harrington提出的。CIM是一种概念、一种模式、一种用来组织现代工业生产的指导思想。而计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）是基于CIM思想而组成的制造系统，概括地讲，就是将企业所有的经营生产活动集成为一体。借助信息处理工具“计算机”，通过对企业内部的所有信息进行加工处理，进行集成化的制造、生产和管理，从而发挥总体优化作用，达到成本低、质量高和交货期短的目的。

CIMS主要由管理信息系统（MIS）、工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统、计算机网络系统和数据库系统6个部分组成。CIMS构成图如图2-1所示。其中管理信息系统包括上层的经营决策、企业资源计划（ERP）和制造执行系统（MES）。工程设计自动化系统主要包括CAD、CAPP、CAM、CAE等。制造自动化系统主要包括自动化制造单元、装配车间、机械加工车间等。质量保证系统主要包括质量检测、质量跟踪、质量规划等。计算机网络系统和数据库系统则是CIMS集成的支撑系统，是集成的主要工具平台。

图2-1 CIMS构成图

2.2.2 敏捷制造系统

敏捷制造系统（Agile Manufacturing System，AMS）是制造系统为了实现快速反应和灵活多变的目标而采取的新的制造模式。通过借助计算机信息集成技术，构建了由多个企业参与的虚拟制造环境，以竞争合作为主，可以动态选择合作伙伴，组成面向任务的虚拟公司，快速进行最优化生产。图2-2所示为AMS企业动态联盟示意图。AMS由虚拟制造环境与虚拟制造企业组成，当接到新的产品2时，根据不同的功能，网络上的几个企业（设计公司A、供货商A、生产车间1等）动态地联合起来，构建新的虚拟企业去完成该任务。若任务完成，该虚拟企业自动解散。

图2-2 AMS企业动态联盟示意图

2.2.3 智能制造系统

智能制造系统（Intelligent Manufacturing System，IMS）是一种由智能机器和人类相互协作构成的人机一体化制造系统。现代智能制造系统呈现出数字化、集成化、网络化和智能化的特征，其特点为智能感知、实时分析、自主决策和自适应控制，如图2-3所示。智能制造系统的支撑技术由多智能体制造系统（Multi-Agent Manufacturing System，MAMS）、合弄制造系统（Holon Manufacturing System，HMS）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等。

图2-3 智能制造系统特点

（1）多智能体制造系统：由多个具有单独处理扰动能力的智能体（Agent）构成的系统，一般采用分布式控制。智能体之间通过协商机制进行通信协调，系统在制造网络内部发布加工任务信息（招标），各智能体进行竞标。系统具有自治性、自主性等特点。智能体通过相关协作完成加工任务或者处理各种扰动。优化全局性能目标。

（2）合弄制造系统：在生产过程中，每个Holon是系统中最小的组成个体，是一个独立自主的单元，整个系统就是由很多不同种类的Holon构成的。合弄制造系统一般由产品Holon、订单Holon、资源Holon等三种基本Holon构成。Holon具有自治性、协作性的特点，同时也接收上级的命令，可以可靠快速地处理扰动，响应市场的需求，较好地利用资源。

（3）人工智能：主要研究人造的智能机器，通过系统整合，模拟人类活动的能力。主要包括：机器学习、知识获取、推理与决策、知识处理等方面。机器学习是人工智能的重要研究课题，主要有分析学习、遗传学习和归纳学习等。

可以看出，制造系统由原来能量驱动型向信息驱动型转变，不仅要具备柔性，还要智能，否则难以处理如此复杂而大量的信息。面对多变的市场需要和复杂的竞争环境，要求制造系统表现出更高的机动、敏捷和智能，因此智能制造系统越来越成为学者重点关注的问题。

目前，随着互联网、大数据、人工智能等的迅猛发展，智能制造正加速向新一代智能制造迈进。虽然其内涵在不断地演进，但其追求的根本目标是固定不变的，而且从系统构成的角度看，智能制造系统始终都是由人、信息系统和物理系统三部分协同集成的人-信息-物理系统（Human-Cyber-Physical Systems，HCPS）。HCPS既能揭示智能化的技术原理，又能形成智能化的技术架构。由此可以得出结论，智能制造的本质是在不同的情况下，在不同的层次上设计、构建和应用HCPS。随着信息技术的进步，HCPS的内涵和技术体系也在不断地演进。