中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 王 焱

人類社會(huì)的發(fā)展與制造技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)，從1769年蘇格蘭工程師詹姆斯·瓦特制造出工業(yè)蒸汽機(jī)開始，制造業(yè)開始進(jìn)入由人造動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)代，1796年亨利·莫茲利發(fā)明了車床，開啟了制造技術(shù)快速發(fā)展的序幕。經(jīng)過2個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入以機(jī)械-電力技術(shù)為核心，以電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技廣泛應(yīng)用為特征的現(xiàn)代制造時(shí)期，見圖1。

縱觀制造業(yè)發(fā)展歷程，影響其發(fā)展的最主要因素是技術(shù)的推動(dòng)及市場(chǎng)需求的變化。針對(duì)人們對(duì)多樣化產(chǎn)品的需求，制造業(yè)經(jīng)歷了5個(gè)階段的演變：少量定制、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)（可互換零件）、大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)（福特生產(chǎn)線）、大批量定制（精益生產(chǎn)）、個(gè)性化量產(chǎn)（差異化服務(wù)），當(dāng)前處在大批量定制、個(gè)性化量產(chǎn)這樣一個(gè)階段。而制造業(yè)的未來，則是差異化生產(chǎn)（多樣化產(chǎn)品）[1]。

圖1 制造技術(shù)發(fā)展歷程

航空制造業(yè)是高技術(shù)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，是國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平、綜合國(guó)力、國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志和綜合體現(xiàn)。無論是高性能戰(zhàn)斗機(jī)還是大型客貨運(yùn)輸機(jī)，具有嚴(yán)格的氣動(dòng)外形要求、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及的專業(yè)面廣、設(shè)計(jì)更改頻繁、應(yīng)用的材料種類多、零部件數(shù)量巨大、零件之間的裝配關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，航空產(chǎn)品的制造要經(jīng)過工藝準(zhǔn)備、工藝裝備制造、毛坯制備、零件加工、裝配和檢測(cè)等過程，涉及的主要材料是鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度合金鋼、高溫合金、復(fù)合材料等，從材料到形成產(chǎn)品覆蓋了鍛/鑄制坯、機(jī)械加工、鈑金成形、復(fù)合材料構(gòu)件成型、表面處理、連接裝配等復(fù)雜的工藝過程。航空產(chǎn)品的研制過程是一個(gè)技術(shù)難度大、工藝方法多、協(xié)作面廣、管理復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各項(xiàng)任務(wù)之間既相互聯(lián)系又相互制約，必須從航空產(chǎn)品全生命周期的角度，即從用戶需求開始，直至航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、交付出廠以及投入運(yùn)營(yíng)后的服務(wù)工作進(jìn)行綜合、協(xié)調(diào)和集成。這迫切需要航空制造業(yè)廣泛應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)并應(yīng)用先進(jìn)制造系統(tǒng)，不斷完善和創(chuàng)新航空產(chǎn)品的研制模式、方法和過程，大幅度地提高飛機(jī)研制質(zhì)量、縮短研制周期和降低制造成本，以滿足不斷變化的市場(chǎng)需求。

隨著全球化競(jìng)爭(zhēng)的加劇，航空產(chǎn)品的更新?lián)Q代和設(shè)計(jì)制造周期縮短以及客戶化定制生產(chǎn)方式已經(jīng)開始逐步形成，這給航空制造企業(yè)帶來越來越大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。以計(jì)算機(jī)為中心的新一代信息技術(shù)的發(fā)展，使制造技術(shù)達(dá)到了前所未有的新高度。自20世紀(jì)80年代開始，西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始把三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中，21世紀(jì)初，電子樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)飛機(jī)研制中得到規(guī)?；瘧?yīng)用，在某些方面已經(jīng)接近或趕上國(guó)際先進(jìn)水平，在多個(gè)飛機(jī)型號(hào)的研制中，已經(jīng)完全使用數(shù)字樣機(jī)取代物理樣機(jī)。最近幾年，新一代飛機(jī)研制中已經(jīng)全面采用參照波音公司基于模型定義（Model Based Definition，MBD）方法的全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，形成了以關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和協(xié)同研制為主體的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造體系，全三維模型成為航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源[2]。

面對(duì)當(dāng)今全球化競(jìng)爭(zhēng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心的信息技術(shù)發(fā)展、用戶需求快速變化的時(shí)代，航空制造業(yè)正經(jīng)歷著從批量定制、個(gè)性化量產(chǎn)向差異化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變過程中，必須以數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和智能化技術(shù)為基礎(chǔ)，利用各學(xué)科最新研究成果，通過集成傳統(tǒng)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，發(fā)展新型的適合航空產(chǎn)品研制的制造技術(shù)與系統(tǒng)，建立面向未來的制造系統(tǒng)和生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品制造過程數(shù)字量貫通的集成運(yùn)行，以適應(yīng)這種不斷變化著的技術(shù)狀態(tài)和市場(chǎng)需求。

制造系統(tǒng)與生產(chǎn)方式

制造一般是指將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的過程，可分為狹義和廣義2種，狹義的制造是指生產(chǎn)車間內(nèi)與產(chǎn)品加工、裝配相關(guān)的工藝過程；廣義的制造是指將可用的資源（物質(zhì)、能量、信息等）轉(zhuǎn)化為可供人們利用或使用產(chǎn)品的過程，它不僅指具體的工藝活動(dòng)，還包括與產(chǎn)品制造相關(guān)的需求分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料選擇、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備、作業(yè)計(jì)劃、加工裝配、質(zhì)量保證、運(yùn)行維護(hù)以及報(bào)廢產(chǎn)品回收等一系列相互聯(lián)系的活動(dòng)，涵蓋產(chǎn)品全生命周期。制造系統(tǒng)是指以生產(chǎn)產(chǎn)品為目的，由制造過程的物料、能源、軟硬件設(shè)備、人員及相關(guān)設(shè)計(jì)方法、加工工藝、生產(chǎn)調(diào)度、系統(tǒng)維護(hù)、管理規(guī)范等組成的具有特定功能的有機(jī)整體，傳統(tǒng)制造活動(dòng)的過程是輸入原材料或毛坯，利用加工設(shè)備和工具在能源驅(qū)動(dòng)作用下，使原材料或毛坯的幾何形狀或物理化學(xué)性能發(fā)生變化，最終形成各種用途的產(chǎn)品的過程，人（勞動(dòng)力）是活動(dòng)的主體。

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的問世與發(fā)展，產(chǎn)品制造方式大體沿著傳統(tǒng)制造技術(shù)改進(jìn)與提升、借助計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化科學(xué)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變這樣2條路線發(fā)展。隨著人們需求的不斷增強(qiáng)，產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，使得生產(chǎn)設(shè)備和制造系統(tǒng)日益趨向復(fù)雜和昂貴，而生產(chǎn)過程和制造系統(tǒng)的布局和配置是否適應(yīng)所制造的產(chǎn)品，是制造過程面臨的新問題；另一方面，航空產(chǎn)品制造過程是一種典型的非線性離散化的過程，其制造系統(tǒng)的加工能力、運(yùn)行穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率是影響航空產(chǎn)品質(zhì)量和交付周期的關(guān)鍵。在全三維模型廣泛應(yīng)用的前提下，航空制造過程已經(jīng)開始進(jìn)入數(shù)字化制造時(shí)代，其中，數(shù)控機(jī)械加工是航空產(chǎn)品制造中數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用較為完整和領(lǐng)先的技術(shù)領(lǐng)域。在數(shù)字化環(huán)境下，數(shù)字量信息伴隨著原材料流動(dòng)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和制造活動(dòng)成為航空產(chǎn)品制造過程中產(chǎn)生、處理、存儲(chǔ)和使用的關(guān)鍵資源之一，這使得航空產(chǎn)品制造系統(tǒng)及生產(chǎn)方式由傳統(tǒng)的制造模式向信息驅(qū)動(dòng)的制造模式轉(zhuǎn)變。

美國(guó)數(shù)學(xué)家Norbert Wiener的《控制論：或在動(dòng)物和機(jī)器中的通信和控制的科學(xué)》開啟了控制論思想。控制論認(rèn)為，控制系統(tǒng)的作用就是以某種智能的方式從外界提取必要的信息（稱為輸入），按一定的法則由中央處理器進(jìn)行處理，產(chǎn)生新的信息（稱為輸出）反作用于外界，以達(dá)到一定目的[3]?；诳刂普撛?，給出信息驅(qū)動(dòng)下的制造活動(dòng)模型（圖2），把產(chǎn)品看作是在傳統(tǒng)的原始資源上賦予新信息的產(chǎn)物，而從用戶的角度只是使用產(chǎn)品的功能滿足需求（即產(chǎn)品提供服務(wù)），這樣，制造過程就是一個(gè)對(duì)制造系統(tǒng)注入生產(chǎn)原料（原始資源、能源和信息），從而使產(chǎn)品信息獲得增值的過程。

顯然，在信息驅(qū)動(dòng)下的制造活動(dòng)中，原材料、信息成為整個(gè)制造流程處理的核心對(duì)象，而設(shè)備、軟件、能源、人員等成為保障系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)資源。在這里，信息有3個(gè)層次的涵義：一是與制造系統(tǒng)的事件相關(guān)的，由系統(tǒng)執(zhí)行、生產(chǎn)運(yùn)行活動(dòng)產(chǎn)生的（如設(shè)備狀態(tài)、工件狀態(tài)、工況狀態(tài)等），主要涉及各種信息的獲取、變換、傳輸、處理、利用，屬于信息科學(xué)應(yīng)用范疇；二是指與產(chǎn)品定義相關(guān)的，由產(chǎn)品模型及屬性數(shù)據(jù)、工藝規(guī)程、數(shù)控程序、質(zhì)量數(shù)據(jù)等構(gòu)成，是附加于產(chǎn)品實(shí)物之上的屬性標(biāo)識(shí)集合，屬于數(shù)字化技術(shù)范疇；三是與控制相關(guān)的數(shù)據(jù)，來源于PLC、控制元件、數(shù)控系統(tǒng)等設(shè)備層內(nèi)部，屬于自動(dòng)控制技術(shù)范疇。

在制造流程處理的核心環(huán)節(jié)中，制造過程的信息處理模式變革將是未來工廠與現(xiàn)在工廠明顯區(qū)分的重點(diǎn)要素，而信息處理是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)揮作用的重要領(lǐng)域。起源于20 世紀(jì)中期的人工智能（Artificial Intelligence，AI）是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，其目標(biāo)是使智能行為自動(dòng)化。20世紀(jì)90年代，人工智能開始在制造領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用，專家系統(tǒng)、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等成為當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)領(lǐng)域探討的重點(diǎn)，出現(xiàn)了“智能制造”的概念。進(jìn)入21世紀(jì)，電子、信息、計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展并日趨成熟，推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，引發(fā)了工業(yè)界尤其是制造業(yè)模式的變革。德國(guó)稱這種變革為第四次工業(yè)革命，即“工業(yè)4.0”；美國(guó)則稱其為第三次創(chuàng)新變革浪潮，認(rèn)為未來工業(yè)的典型特征之一是“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，最終的結(jié)果殊途同歸，就是更高的智能化[4]。

智能制造技術(shù)是在機(jī)械化、數(shù)字化、自動(dòng)化裝置及系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將人工智能引入到制造理論及生產(chǎn)運(yùn)行過程中，形成以存儲(chǔ)、計(jì)算、邏輯、推理為特征的機(jī)器智能所驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品制造技術(shù)。智能制造技術(shù)是人工智能與制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，其基本內(nèi)涵是指在制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，采用人機(jī)交互、高度柔性與高度集成的方式，通過計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行過程進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，延伸或取代制造活動(dòng)中人的腦力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制造過程的優(yōu)化，并對(duì)人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、完善、共享、繼承與發(fā)展[5]?？梢哉f，傳統(tǒng)的工具、設(shè)備延伸了人的四肢能力，智能制造技術(shù)則拓展了人的大腦能力。

制造系統(tǒng)已經(jīng)從機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展到數(shù)字化，未來將向智能化方向發(fā)展，這也是走向未來工廠的必經(jīng)之路。未來工廠，通過數(shù)字化與自動(dòng)化融合、網(wǎng)絡(luò)化連通和智能化處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造系統(tǒng)數(shù)字量貫通的集成運(yùn)行，而支撐未來工廠的核心便是智能制造。

圖2 信息驅(qū)動(dòng)下的制造活動(dòng)模型

制造過程數(shù)字化與自動(dòng)化的融合

我國(guó)航空產(chǎn)品研制已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，數(shù)字模型、協(xié)同化研制、數(shù)字化制造已經(jīng)成為新產(chǎn)品研制的基本模式。全三維模型已經(jīng)在新型航空產(chǎn)品研制中普遍使用，數(shù)字化模型發(fā)放替代了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖發(fā)放模式，制造過程以數(shù)字化模型為唯一數(shù)據(jù)源，進(jìn)行機(jī)械加工、鈑金成形、復(fù)材構(gòu)件生產(chǎn)、連接裝配等工藝活動(dòng)，制造過程進(jìn)入數(shù)字量協(xié)調(diào)時(shí)代；數(shù)字化的裝備成為各個(gè)工藝環(huán)節(jié)不可或缺的基礎(chǔ)資源，復(fù)雜形狀零部件制造的工藝活動(dòng)已經(jīng)由傳統(tǒng)的手工操作變成程序控制執(zhí)行，這種數(shù)字化執(zhí)行手段為實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品智能制造奠定了基礎(chǔ)。

（1）加工過程的數(shù)字化與自動(dòng)化融合。一般的數(shù)字化加工過程是根據(jù)設(shè)計(jì)模型和工藝要求確定加工工藝及程序，基于空間和時(shí)間的確定性關(guān)系來完成產(chǎn)品制造，加工狀態(tài)是依靠人員監(jiān)控、事后檢測(cè)來確認(rèn)的，難以實(shí)時(shí)掌握加工過程中工況變化并及時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致航空產(chǎn)品零部件質(zhì)量一致性不穩(wěn)定、表面質(zhì)量狀態(tài)波動(dòng)大。未來的制造過程將形成一種實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控模式，制造過程中增加對(duì)加工過程、時(shí)變工況的在線監(jiān)測(cè)，利用智能化技術(shù)對(duì)獲取的加工過程狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、評(píng)估和決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的自主學(xué)習(xí)和決策控制；通過自主學(xué)習(xí)形成工藝知識(shí)庫(kù)，支持工藝設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)工件加工工藝的自主決策設(shè)計(jì)和優(yōu)化。圖3為自適應(yīng)加工組成示例（其中，實(shí)線框?yàn)樽赃m應(yīng)加工運(yùn)行流程），在計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)支持下，這一過程將是基于知識(shí)的自動(dòng)化操作。

（2）加工設(shè)備的數(shù)字化與自動(dòng)化融合。目前的數(shù)控裝備是按確定的空間關(guān)系和程序邏輯來運(yùn)轉(zhuǎn)的，隨著數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算處理能力的不斷提升和功能部件的不斷發(fā)展完善，數(shù)控裝備的加工效率、穩(wěn)定性、靈活性、信息處理能力都有了極大的提高，基于工況的自主處理能力日趨增強(qiáng)。航空制造領(lǐng)域的未來設(shè)備及制造單元將具有較完備的數(shù)字化與自動(dòng)化深入融合的智能處理能力，圖4為具有智能處理能力的裝備模型。智能裝備主要包括智能機(jī)床、智能機(jī)器人、智能控制裝置及系統(tǒng)、智能物流系統(tǒng)、傳感識(shí)別及信息采集裝置等，能夠?qū)χ圃爝^程中運(yùn)動(dòng)、功率、扭矩、能量、信息等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集，形成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，并實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的自主決策與自適應(yīng)控制。

在未來工廠中，除上述加工過程、加工設(shè)備2個(gè)層次實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與自動(dòng)化深度融合外，運(yùn)行調(diào)度、制造資源、質(zhì)量控制等層面也都將在數(shù)字化與自動(dòng)化深度融合的前提下實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提升未來工廠的快速響應(yīng)、敏捷制造能力。

制造過程的網(wǎng)絡(luò)化連通和智能處理

圖3 自適應(yīng)加工系統(tǒng)組成示例

圖4 智能裝備模型

自數(shù)控機(jī)床誕生之日起，以數(shù)控設(shè)備為中心的制造過程網(wǎng)絡(luò)化連通就不斷在發(fā)展和完善，這種網(wǎng)絡(luò)化連通主要是直接數(shù)控（Direct Numerical Control，DNC，基于獨(dú)立通信線路，零件加工程序在計(jì)算機(jī)上處理，通過傳輸接口把數(shù)控程序加載到數(shù)控裝置直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床加工，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床）、分布式數(shù)控（Distributed Numerical Control，DNC，基于網(wǎng)絡(luò)，形成系統(tǒng)支持層、分布處理層、信息集成層等遞階層次的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，對(duì)加工任務(wù)、數(shù)控設(shè)備和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和動(dòng)態(tài)分配）[6]。目前在國(guó)內(nèi)航空產(chǎn)品制造過程中，這種網(wǎng)絡(luò)化連通主要在生產(chǎn)線或車間范圍上應(yīng)用。

2013年5月，McKinsey Global Institute發(fā)布了有關(guān)未來顛覆性技術(shù)的分析報(bào)告，指出移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、知識(shí)工作自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、云、先進(jìn)機(jī)器人等將給人類生活、商務(wù)活動(dòng)和全球經(jīng)濟(jì)帶來顛覆性的變化。計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用使整個(gè)世界進(jìn)入互聯(lián)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)讓整個(gè)世界連接成一體，而制造過程也將在不遠(yuǎn)的將來，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)支持下，實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備、制造數(shù)據(jù)、運(yùn)行控制的網(wǎng)絡(luò)化連通，其中，信息生成、傳輸、分配、使用將成為制造活動(dòng)的主線，而這些信息包含設(shè)備控制、產(chǎn)品屬性、運(yùn)行狀態(tài)等的多層次、多來源、多狀態(tài)的信息，將形成貫穿整個(gè)制造周期、產(chǎn)品生命周期的“有歷史的數(shù)據(jù)”，與運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備控制相關(guān)的數(shù)據(jù)又常常是實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的，傳統(tǒng)的人工處理與決策方式已無法滿足要求，必須借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)狀態(tài)的智能處理，整個(gè)制造過程才能精確執(zhí)行制造活動(dòng)。

智能處理是對(duì)采集的制造信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、自主決策、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的過程，人工智能技術(shù)將對(duì)智能處理提供重要支持（圖5）。實(shí)時(shí)分析是對(duì)多源、多態(tài)信息的識(shí)別、分類和規(guī)范化；自主決策是基于規(guī)則和知識(shí)的演繹、推理、歸納、綜合，形成針對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)事件或狀態(tài)的執(zhí)行方案和數(shù)據(jù)；驅(qū)動(dòng)執(zhí)行是對(duì)決策形成的執(zhí)行方案和數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、格式加工，形成執(zhí)行指令，在這一過程中，人工智能技術(shù)及方法將在設(shè)計(jì)活動(dòng)（產(chǎn)品或工藝）、系統(tǒng)控制（設(shè)備或系統(tǒng)）、工藝規(guī)劃（生產(chǎn)系統(tǒng)或加工單元）、運(yùn)行調(diào)度（生產(chǎn)系統(tǒng)過程或局部工藝過程）以及質(zhì)量管理及設(shè)備維護(hù)診斷等獲得充分應(yīng)用，支持實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的知識(shí)處理工作自動(dòng)化、自主化，這種智能處理體現(xiàn)在加工設(shè)備、運(yùn)行調(diào)度、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備等不同層次上，并具有針對(duì)局部或整體的信息反饋，以優(yōu)化設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)。圖5給出了面向制造系統(tǒng)的智能處理總體邏輯，加工設(shè)備、工藝過程中的智能處理與此類似，只是把制造系統(tǒng)換為相應(yīng)的對(duì)象即可。

未來工廠中，無論是從設(shè)備到系統(tǒng)，還是從生產(chǎn)工程（工藝規(guī)劃、計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)準(zhǔn)備等）到運(yùn)行管控（運(yùn)行調(diào)度、質(zhì)量控制等），甚至從現(xiàn)場(chǎng)物流輸送到物料管理等各階段的制造活動(dòng)，都將表現(xiàn)出“狀態(tài)采集-實(shí)時(shí)分析-自主決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”這樣的特征，具有這個(gè)特征的設(shè)備或系統(tǒng)可稱為智能設(shè)備或智能系統(tǒng)。圖6是面向零件加工的智能制造系統(tǒng)模型，基于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)上增強(qiáng)了狀態(tài)感知、決策處理能力。

圖5 制造系統(tǒng)的智能處理

圖6 面向零件加工的智能制造系統(tǒng)模型

制造系統(tǒng)數(shù)字量貫通的集成運(yùn)行

工廠是由不同的制造單元、制造系統(tǒng)組成的一個(gè)具有層次結(jié)構(gòu)的整體，其運(yùn)行和管理架構(gòu)可以從工廠結(jié)構(gòu)、信息結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)3個(gè)角度來劃分。圖7～圖10分別是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)體系下企業(yè)組織的層級(jí)結(jié)構(gòu)、信息結(jié)構(gòu)、多級(jí)分布式控制結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[3，5-7]，這 4 個(gè)結(jié)構(gòu)模型是工廠組織和運(yùn)行的基本框架，制造系統(tǒng)的所有活動(dòng)都是圍繞這4個(gè)抽象模型而展開。未來工廠是在數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)基礎(chǔ)上，以數(shù)字量貫通整個(gè)制造過程，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造系統(tǒng)集成運(yùn)行。

現(xiàn)代工廠的工廠結(jié)構(gòu)、信息結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)以相對(duì)獨(dú)立自成一體模式為主，未來工廠的主體模式將是在工廠結(jié)構(gòu)、信息結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以數(shù)字量驅(qū)動(dòng)為核心，通過交互通信和傳感識(shí)別手段實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)中人-設(shè)備-信息的高度集成、數(shù)字量與物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度融合，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是制造系統(tǒng)各要素之間建立聯(lián)系的基礎(chǔ)環(huán)境。宏觀上是以智能處理為特征的信息流動(dòng)過程，微觀上是以智能控制為特征的控制信號(hào)傳遞過程，這2個(gè)層次構(gòu)成了制造系統(tǒng)的虛擬空間；產(chǎn)品實(shí)物上體現(xiàn)的是物料流動(dòng)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)并自主交互的過程，原材料、加工設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施則構(gòu)成了物理空間。在未來工廠的虛擬空間和物理空間中，數(shù)字量成為最活躍的要素，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持下，數(shù)字量成為貫穿整個(gè)制造過程的主體，生產(chǎn)過程中的人-機(jī)交互、設(shè)備控制、系統(tǒng)運(yùn)行都是以數(shù)字量為基礎(chǔ)要素實(shí)現(xiàn)作業(yè)活動(dòng)。這一過程中，智能技術(shù)成為支持系統(tǒng)有效運(yùn)行的有力工具，脫離了智能化，集成化也難以完美地實(shí)現(xiàn)。

圖7 工廠層級(jí)結(jié)構(gòu)

圖8 工廠信息結(jié)構(gòu)

圖9 多級(jí)分布式控制結(jié)構(gòu)

圖10 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

結(jié)束語

未來工廠首先是數(shù)字化工廠，產(chǎn)品模型、運(yùn)行數(shù)據(jù)、控制信號(hào)等構(gòu)成了制造系統(tǒng)的虛擬空間，各個(gè)過程均以數(shù)字量的形式呈現(xiàn)；其次，未來工廠是自動(dòng)化工廠，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、系統(tǒng)執(zhí)行都是依靠數(shù)字量驅(qū)動(dòng)，程序和數(shù)據(jù)成為基本的驅(qū)動(dòng)工具，人成為過程或狀態(tài)的監(jiān)控員，不再直接操作設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行；第三，未來工廠是智能工廠，智能控制和智能處理將成為區(qū)別于現(xiàn)有工廠的顯著特征，虛擬空間和物理空間中，智能技術(shù)成為支持系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

智能系統(tǒng)是滿足市場(chǎng)多樣化需求狀態(tài)的必要條件，通過智能生產(chǎn)提供產(chǎn)品和服務(wù)。要指出的是，人的智能涉及記憶力、理解力、預(yù)測(cè)能力、計(jì)算判斷、情感、直覺、意識(shí)等，而基于計(jì)算機(jī)的機(jī)器智能則主要是以存儲(chǔ)、計(jì)算、邏輯、推理為主體，無法體現(xiàn)情感、直覺、意識(shí)等人類特有的能力。未來工廠中的機(jī)器智能將仍然是有限的智能，不能取代或超越人類智能，未來工廠將是人機(jī)高度融合的智能體。

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