16.1 智能制造技术概论

16.1.1 智能制造发展背景

制造业是国民经济的基础工业，是影响国家发展水平的决定因素之一。自瓦特发明蒸汽机以来，制造业已经历了机械化、电气化、自动化三次技术革命，每一次技术革命都有显著的特点。

随着计算机的问世，机械制造业大体沿着两条路线发展：一是传统制造技术的发展。二是借助计算机和数字控制科学的智能制造技术与系统的发展。20世纪80年代以来，传统制造技术得到了不同程度的发展，但日益先进的计算机控制技术和制造技术，使得传统的设计和管理方法已无法有效解决现代制造系统中存在的很多问题。这促使研究人员、设计人员和管理人员需要不断学习、掌握并研究全新的产品、工艺和系统，然后利用各学科最新研究成果，借助现代的工具和方法在传统制造技术、计算机技术与科学、人工智能等技术进一步融合的基础上，开发出了一种新型的制造技术与系统，即智能制造技术。

当前，全球制造业正在发生新革命。随着德国工业4.0(第四次工业革命)概念的提出，物联网、工业互联网、大数据、云计算等技术的不断创新发展，以及信息技术、通信技术与制造业领域的技术融合，新一轮技术革命正在以前所未有的广度和深度，推动着制造业生产方式和发展模式的变革。如今，人类社会的制造业已从机械化全面迈向智能化、个性化，“私人定制”式工业生产将成为最新一次技术革命的主要标志。

16.1.2 智能制造的内涵与特性

智能制造是由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，以一种高柔性与集成的方式，借住计算机模拟人类专家的智能活动。智能制造是当前制造技术的重要发展方向，是先进制造技术与信息技术的深度融合。通过对产品全生命周期中设计、加工、装配及服务等环节的制造活动进行知识表达与学习、信息感知与分析、智能优化与决策、精准控制与执行、实现制造过程、制造系统与制造装备的知识推理、动态传感与自主决策。

智能制造集自动化、柔性化、集成化和智能化于一身，具有实时感知、优化决策、动态执行三个方面的优点。具体地看，智能制造在实际应用中具有以下特性：

1. 人机一体化特性

在智能制造模式下，人介入制造系统的手段更加丰富，智能制造不单强调人工智能，而且是一种人机一体化的智能模式，一种混合智能。人机功能平衡系统智能协调，以人工智能、先进制造等领域的单元技术融合为支撑，人在制造环境中居核心地位，同时在智能机器的配合下，更好地发挥了人的潜能，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，使两者在不同的层次上各显其能，相辅相成，实现人与制造系统的和谐统一。

2. 自学习和自维护能力特性

智能制造以原有的专家知识为基础，在实践中不断进行学习，完善系统知识库，并剔除其中不适用的知识，使知识库趋于合理化。同时，它还能对系统缺陷进行自我诊断、排除和修复，从而能够自我优化并适应各种复杂环境。

3. 智能集成特性

智能制造在强调各子系统智能化的同时，更注中整个制造环境的智能集成。这是它与面向制造过程中特定应用的“智能化孤岛”的根本区别。智能制造将各个子系统集成为一个整体，实现系统整体的智能化。

4. 可视化特性

智能制造要求生产状态实时透明可视、生产过程智能精细管控，对制造环境、设备与工件状态、制造能力要感知和处理，以物理空间和信息空间相融合，实现中生产过程的透明可视化。

5. 虚拟现实特性

 虚拟现实是实现高水平人机一体化的关键技术之一，人机结合的新一代智能界面，使得可用虚拟手段智能地表现现实，它是智能制造的一个显著特征。

6. 自律能力特性

 智能制造具有搜集与理解环境信息及自身信息并进行分析判断和规划自身行为的能力。强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。智能制造系统能监测周围环境和自身作业状况并进行信息处理，根据处理结果自行调整控制策略，以采用最佳可行方案。从而使整个制造系统具备抗干扰、自适应和容错等能力。