智能制造技術(shù)的幾個(gè)新進(jìn)展與應(yīng)用

張子豪

摘要：隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的國(guó)家將先進(jìn)制造技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重中之重。本文概括性地介紹智能制造技術(shù)的一些新進(jìn)展及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能制造 機(jī)器人工廠 單元制造 虛擬企業(yè)

引言：新一代智能制造代表了新一代人工智能（AI）技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深入集成，它貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、產(chǎn)品和服務(wù)的整個(gè)生命周期中的每一個(gè)環(huán)節(jié)。這一概念還涉及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化和集成，持續(xù)改進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、性能和服務(wù)水平和減少資源消耗。新一代智能制造業(yè)是新工業(yè)革命的核心動(dòng)力，并將在未來(lái)幾十年繼續(xù)成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要途徑。本文將簡(jiǎn)要地介紹新一代智能制造技術(shù)及其應(yīng)用的一些新進(jìn)展。

一、智能虛擬制造單元結(jié)構(gòu)

基于云的設(shè)計(jì)和制造（cBDM）很有可能會(huì)激發(fā)基于云的模型的更大智能化。單元式制造模式中基于云的設(shè)計(jì)，可以稱為一種多尺度、不確定和動(dòng)態(tài)的面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，采用特征建模的一組CAD部件，可以在一定的約束條件下用智能虛擬生產(chǎn)單元進(jìn)行制造。采用子整體（Holon）和吸引集（Attractor）的概念，整合零件設(shè)計(jì)和零件制造網(wǎng)絡(luò)建模中的不確定性，法國(guó)勃艮第大學(xué)（Universite de Bourgogne）的EgonOstrosi等提出了一種“智能虛擬制造單元結(jié)構(gòu)”用于cBDM當(dāng)中。CAD特征集的強(qiáng)大作用被用來(lái)組織和整合零件設(shè)計(jì)和零件制造工程知識(shí)。建模形成模糊智能體（Fuzzy Agent）的智能制造特征集在CAD零件模型中得到識(shí)別，云制造中的機(jī)器的分布式能力通過(guò)移動(dòng)智能體進(jìn)行了評(píng)估。通過(guò)“模糊機(jī)器子整體智能體”與具有“子整體智能體吸引集”的“模糊零件子整體智能體”的交互作用，構(gòu)建了具有子整體結(jié)構(gòu)的“智能虛擬制造單元”。

二、基于認(rèn)知制造和邊緣計(jì)算的iRobot工廠

物聯(lián)網(wǎng)（loT）和人工智能（AI）一直是智能制造技術(shù)創(chuàng)新、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和提高人民生活質(zhì)量的推動(dòng)力。在智能工廠中，邊緣計(jì)算的利用有助于擴(kuò)展計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)帶寬、云平臺(tái)的存儲(chǔ)能力，并實(shí)現(xiàn)資源規(guī)劃以及制造與生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)上下行處理。此外，以物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為基礎(chǔ)，人工智能技術(shù)為核心的情感識(shí)別和互動(dòng)，可以更好地滿足用戶的心理需求，這已成為智能制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。華中理工大學(xué)的LongHu等介紹了一種智能機(jī)器人工廠（iRobot-Factory），采用了高度互聯(lián)、深度集成的智能生產(chǎn)線，從認(rèn)知制造和邊緣計(jì)算兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了該工廠的總體結(jié)構(gòu)、組成、特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。然后，介紹了iRobot工廠批量生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)情況，考察了iRobot工廠的系統(tǒng)性能以及與傳統(tǒng)工廠的對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案顯著改善了芯片生產(chǎn)線，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)明顯減少了系統(tǒng)指令數(shù)量。此外，他們還討論了一些與云端融合、負(fù)載平衡和個(gè)性化機(jī)器人有關(guān)的開(kāi)放問(wèn)題，為促進(jìn)用戶的情感識(shí)別和交互體驗(yàn)方面提供參考建議。

三、面向服務(wù)的智能制造系統(tǒng)工程框架

如今，作為一個(gè)整體的企業(yè)正被業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)所取代，在這種網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)參與者都向其他企業(yè)提供專門服務(wù)，因此，面向服務(wù)的制造系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這些系統(tǒng)很復(fù)雜，很難設(shè)計(jì)。復(fù)雜性的主要來(lái)源是為了實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)而必須整合的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、功能、協(xié)議和執(zhí)行環(huán)境的數(shù)量。巴侖西亞理工大學(xué)（Universitat Politecnica de Valencia）的AdrianaGiret等提出了一種有助于開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)面向服務(wù)的制造系統(tǒng)的框架和相關(guān)的工程方法。該方法將多智能體系統(tǒng)與面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合，用于開(kāi)發(fā)制造系統(tǒng)的智能控制和執(zhí)行系統(tǒng)。

四、建立生態(tài)虛擬企業(yè)的智能體平臺(tái)

虛擬企業(yè)（VE）是企業(yè)為實(shí)現(xiàn)特定的業(yè)務(wù)目標(biāo)而進(jìn)行合作的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟。要建立虛擬企業(yè)，首先要選擇合適的合作伙伴。一般標(biāo)準(zhǔn)，如價(jià)格、交貨期、質(zhì)量等，是大多數(shù)VE發(fā)起者關(guān)心的主要問(wèn)題。然而，在當(dāng)今環(huán)境意識(shí)社會(huì)中，企業(yè)綠色形象、產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)等環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。因此，如何選擇合適的合作伙伴，建立生態(tài)虛擬企業(yè)，是一個(gè)值得研究的課題。香港大學(xué)的xiaohuanWang等建立了一個(gè)基于本體理論和智能體技術(shù)的多智能體系統(tǒng)平臺(tái)用于生態(tài)虛擬企業(yè)的構(gòu)建。本體論方法包括共享本體構(gòu)建、本體匹配、本體集成、本體存儲(chǔ)和本體推理。在VE發(fā)起者是制造商，協(xié)作伙伴是供應(yīng)商的廣義情況下，多智能體系統(tǒng)由三種類型的智能體組成，即知識(shí)管理智能體（KMrA）、制造智能體（MA）和供應(yīng)智能體（sA）。MA和SA分別代表VE發(fā)起者和VE合作伙伴的能力和利益，KMrA負(fù)責(zé)本體論方法的功能子任務(wù)。為了選擇生態(tài)虛擬企業(yè)的合作伙伴，除了一般的供應(yīng)商選擇標(biāo)準(zhǔn)，如價(jià)格、數(shù)量、質(zhì)量和交貨時(shí)間等，VE的發(fā)起者還將考慮環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)可包括環(huán)境管理、綠色形象、綠色產(chǎn)品和污染控制等因素。整套選擇標(biāo)準(zhǔn)，包括環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，分為定量或定性標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)VE的形成分為基于定性標(biāo)準(zhǔn)的候選供應(yīng)商選擇和基于定量標(biāo)準(zhǔn)的最終供應(yīng)商選擇兩個(gè)階段。XiaohuanWang等給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的實(shí)例，說(shuō)明并證明了所提出的本體方法和智能體平臺(tái)的正確性。

五、基于云的智能制造預(yù)測(cè)維護(hù)新模式同

云計(jì)算的進(jìn)步將制造業(yè)重塑為動(dòng)態(tài)可伸縮、面向按需服務(wù)和高分布、成本效益高的業(yè)務(wù)模式。然而，它也帶來(lái)了諸如可靠性、可用性、適應(yīng)性和跨空間邊界的機(jī)器和進(jìn)程的安全性等挑戰(zhàn)。以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，康涅狄格大學(xué)的Robert x，Gao等研究了一種基于移動(dòng)智能體的基于云的預(yù)測(cè)維護(hù)模式，及時(shí)獲取、分享和利用信息，以提高在故障診斷、剩余壽命預(yù)測(cè)和維護(hù)調(diào)度方面的準(zhǔn)確性和可靠性。在新的模式下，首次利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)、移動(dòng)智能體中間件和開(kāi)源數(shù)字庫(kù)開(kāi)發(fā)了一個(gè)低成本的云感知和計(jì)算節(jié)點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)智能體實(shí)現(xiàn)信息共享和交互，將分析算法分配給云計(jì)算和計(jì)算節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的局部處理和分析結(jié)果的共享。與常用的客戶機(jī)一服務(wù)器模式相比，移動(dòng)智能體模式增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，減少了原始數(shù)據(jù)的傳輸，并能即時(shí)響應(yīng)操作和任務(wù)的動(dòng)態(tài)變化。所提出的基于云的預(yù)測(cè)維修模式在電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)上得到了驗(yàn)證。

六、小結(jié)

新一代智能制造業(yè)是新工業(yè)革命的核心動(dòng)力，它使企業(yè)能夠應(yīng)對(duì)生產(chǎn)日益?zhèn)€性化的產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，使產(chǎn)品的上市時(shí)間更短，質(zhì)量更高。本文對(duì)智能制造中的一些新進(jìn)展——智能虛擬制造單元結(jié)構(gòu)、基于認(rèn)知制造和邊緣計(jì)算的智能機(jī)器人工廠、面向服務(wù)的智能制造系統(tǒng)工程框架、生態(tài)虛擬企業(yè)的智能體平臺(tái)、智能制造預(yù)測(cè)維護(hù)新模式等方面進(jìn)行了概要介紹。