智能制造技术的发展

摘要：介绍了智能制造提出的背景、主要研究内容和目标, 人工智能与 I M T、 I M S的关系, I M S 和C I M S, 智能制造的物质基础及理论基础, 智能制造系统的特征及框架结构, 并简要介绍了智能加工中心 IMC, 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，智能制造技术，IMS，IMC，IMT。

一、 智能制造技术提出的背景

制造业是国民经济的基础工业, 是决定国家发展水平的最基本因素之一。 从机械制造业发展的历程来看, 经历了由手工制作、泰勒化制造、高度自动化、 柔性自动化和集成化制造、 并行规划设计制造等阶段。就制造自动化而言, 大体上每十年上一个台阶: 50～60年代是单机数控, 70 年代以后则是CNC机床及由它们组成的自动化岛，80年代出现了世界性的柔性自动化热潮。与此同时, 出现了计算机集成制造, 但与实用化相距甚远。随着计算机的问世与发展, 机械制造大体沿两条路线发展: 一是传统制造技术的发展, 二是借助计算机和自动化科学的制造技术与系统的发展。80年代以来, 传统制造技术得到了不同程度的发展，但存在着很多问题。先进的计算机技术和制造技术向产品、工艺和系统的设计人员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, 这就促使我们借助现代的工具和方法, 利用各学科最新研究成果, 通过集成传统制造技术、 计算机技术与科学以及人工智能等技术, 发展一种新型的制造技术与系统, 这便是智能制造技术 ( Intelligent Manufacturing Technology, IMT) 与智能制造系统( Intelligent M anufacturing System，IMS)。

90 年代以后, 世界各国竞相大力发展 I M T 和I M S 的深层次原因有：(1)集成化离不开智能；(2)机器智能化比较灵活；(3)智能化的经济效益较高；(4)白领化使得有丰富经验的机械工人和技术人员日益缺少，产品制造技术越来越复杂, 促使使用人工智能和知识工程技术来解决现代化的加工问题；(5)工厂生产率的提高更多地取决于生产管理和生产自动化。总之，以计算机信息技术为基础的高新技术得到迅猛发展，为传统的制造业提供了新的发展机遇。计算机技术、信息技术、自动化技术与传统制造技术相结合，形成了先进制造技术概念。近年来由发达国家倡导的面向21世纪的“智能制造系统”、“信息高速公路”等国际研究计划，无疑是该背景下的产物，也是国际间进行高科技研究开发的具体表现和积极占领 21 世纪高科技制高点的象征。

二. 主要研究内容和目标

智能制造技术在国际上尚无公认的定义。目前比较通行的一种定义是, 智能制造技术是指在制造工业的各个环节, 以一种高度柔性与高度集成的方式,通过计算机来模拟人类专家的制造智能活动。因此, 智能制造的研究开发对象是整个机械制造企业, 其主要研究开发目标有二: ①整个制造工作的全面智能化。

人工智能的目的是为了用技术系统来突破人的自然智力的局限性，达到对人脑的部分代替、延伸和加强的目的，使那些单靠人的天然智能无法进行或带有危险性的工作得以完成，从而使人类的智慧能集中到那些更富于创造性的工作中去。人是制造智能的重要来源，在制造业走向智能化过程中起着决定性作用。目前在整体智能水平上，与人工系统相比，人的智力仍然是遥遥领先的。人工智能模拟的蓝本主要是人类的智能，但人类的智能是随时间不断变化的，而这种变化又是无止境的，只有人与机器有机高度结合，才能实现制造过程的真正智能化。智能制造被称为新世纪的制造技术，目前之所以还不能实现，是由于要受到目前科学技术、人以及经济等诸多方面的制约。智能与思维智能，就是在各种环境和目的的条件下正确制定决策和实现目的的能力。在这里，给定的环境和目的是问题的约束条件，制定正确的决策是智能的中心环节，而有效地实现目的，则是智能的评判准则。从信息处理的角度讲，智能可以看成是获取、传递、处理、再生和利用信息的能力。而思维能力是整个智能活动中最复杂、最核心的部分，主要指处理和再生信息的能力。这种信息处理的过程是十分复杂和多样化的，归纳起来，大体可分为3种基本的类型，即：经验思维、 逻辑思维和创造性思维。在工艺设计过程中，这三种类型的思维都存在，在不同层次的决策中起着重要作用。

总之，智能制造技术是制造技术、 自动化技术、 系统工程与人工智能等学科互相渗透、 互相交织而形成的一门综合技术。其具体表现：智能设计、智能加工、机器人操作、智能控制、智能工艺规划、智能调度与管理、智能装配、智能测量与诊断等。它强调通过“智能设备” 和“自治控制”来构造新一代的智能制造系统模式。智能制造系统具有自律能力、自组织能力、自学习与自我优化能力、自修复能力，因而适应性极强，而且由于采用VR技术，人机界面更加友好。因此，I M技术的研究开发对于提高生产效率与产品品质、 降低成本，提高制造业市场应变能力、国家经济实力和国民生活水准，具有重要意义。智能制造是制造系统柔性自动化和集成自动化的新发展和重要组成部分，因此未来智能制造将向智能集成的方向发展，未来智能制造的研究将着重于智能传感与检测(如智能传感器、智能传感与检测技术、光纤传感技术等)。

三、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(Conflict)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。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。

参考文献

[ 1 ] 熊有伦, 张卫平. 制造科学- - 先进制造技术的源泉. 科学通报,1998， 43 -337 - 344

[ 2 ] Hendrik Van Brussel . Holonic Manu facturing Systems : The Vision Matching the Problem. First European C on ference on Holonic Manu facturingSystems. Hannover， G ermany， Dec. 1， 1994.

[3 ] 段广洪等. 多智能体系统:一种新型的生产运行模式. 中国机械工程, 1998， 9 (2) : 23 - 27.

[4 ] 史忠植. 高级人工智能. 北京: 科学出版社, 1998.

[5]杨文通，王曹 刘志峰，等 数字化网络化制造技术北京 电子工业出版社，

[6]王英林，刘敏，张申生，基于Agent的敏捷供应链及相关技术 中国机械工程，

[7]张军，赵江洪 网络协同数控机床工业设计系统中的知识获取与应用研究 〔机械工程学报 〕

[8] 卞益民，郑成博．柔性制造技术的现状及发展趋势【J】．巾国科技纵横，2009（11）

[9]张亚明．柔性制造技术及应用【J】．煤炭技术，2008，27（3）

[10] 谭天. 发展21世纪的柔性加工系统[J]. 世界制造技术与装备市场, 2002, (02) . 

[11] 沃克·弗雷斯,雷汉秀. 创新的柔性加工系统HPC~ FLEX-V——来自德国弗克兰机床有限公司[J]. 机械制造, 2005, (10) .