二、智能制造的发展与研究状况

（一）制造模式的发展与演变

随着制造技术及相关的信息、自动化、管理等技术的发展，人类的生产制造模式也在不断变化。制造模式已从20世纪初期美国福特汽车公司创立的基于流水线的大批量生产模式、二战后日本以丰田公司为代表的精益生产方式、20世纪80年代的计算机集成制造和90年代的敏捷制造（Agile Manufacturing），发展到当今的大批量定制（Mass Customization）、网络化制造、服务型制造、云制造、绿色制造等先进制造模式。每一种新的制造系统模式的出现，都代表着一个制造时代，在世界制造史中有着举足轻重的作用（李伯虎，2003；杨海成，祁国宁，2003）。

1．计算机集成制造/现代集成制造CIM

CIM是一种组织、管理与运行企业的理念。它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机（硬、软件），使企业产品全生命周期——市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）以及产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有关人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。

CIMS是一种基于CIM理念构成的计算机化、信息化、智能化、集成优化的制造系统。20世纪90年代提出的CIMS总体结构轮图的内核是用户，外面一层为人员、小组和组织。其结构如图1.6所示。这表明了人们对CIMS的认识的变化，突出了人的重要性。

随着制造系统环境的变化，有的提出了先进制造系统新模式，如敏捷制造、分形企业、生物制造、大批量定制生产等；有的则根据先进制造系统新模式对CIMS的思想、方法和体系结构进行修正，以适应变化了的形势，如基于Intranet/Internet的CIMS、基于精益生产的CIMS、“以人为中心”的CIMS等。

CIMS的“C”是Computer，容易使人望文生义，以为CIMS只是计算机之间的集成，因此，我国提出采用Contemporary（现代）代替Computer，即现代集成制造（Contemporary Integrated Manufacturing, CIM）的概念。

现代集成制造系统（CIMS）技术的定义是：将现代信息技术、现代管理技术与制造技术相结合，在全球化制造环境下集成产品全生命周期各阶段与企业内外部相关的活动和资源，实现优化运行，使企业敏捷响应多变的市场，提高企业创新能力与综合竞争力。

2．敏捷制造

敏捷制造的理念是1991年美国国防部为解决国防制造能力问题而委托里海（Lehigh）大学亚柯卡（Iacocca）研究所拟定一个中长期制造技术规划框架时提出来的。亚柯卡研究所与工业界、学术界及国防部的代表组成的研究小组通过分析研究，提出了“21世纪制造企业战略”研究报告。该报告的重要论点是提出了敏捷制造（Agile Manufacturing/Agile Competition）的概念，强调通过组织动态联盟（Virtual Company/Virtual Organization）这种合作与竞争的生产模式来适应当今持续多变、无法预料的市场变化。

敏捷制造理念是吸收了多种管理思想和制造理念而发展起来的一套适应多变的企业环境的制造理念，其核心思想是：为了适应变化的市场和取得竞争优势，企业不能仅仅依靠自身的有限资源，而必须以一定的机制利用其他企业的资源和技术，以适当方式组合产品开发、生产制造和市场销售等要素，实现综合资源动态优化配置，共同获利。敏捷制造特别强调企业的可重组性、可重用性和范围可变性，使制造系统能快速、以合理的成本和方式来适应多变的市场需求。

当然，敏捷制造并不是一种全新的理念，而是以全球范围内的资源动态优化配置以及企业的市场敏捷反应为目的，以建立企业竞争优势为主线，并以借鉴和发展有关制造理念为基础的综合理念。

敏捷制造理念认为，以信息技术为基础，在全球一体化或地区一体化的金融环境以及政治环境中，通过临时联合那些能适应环境变化的企业，组成动态联盟，共同承担风险，分担义务，共享成果，迅速开发新产品，响应市场需求（见图1.7）。敏捷制造系统是敏捷制造理念的工程应用系统，以多种形式实现竞争环境下的敏捷性，主要包括：满足个性化需求、快速反应、低成本、生产系统的快速重组与资源的重用等。

3．精益生产

“精益”的英文是“lean”，原意是“瘦的”，在精益生产中转意为“简化的”“精节的”“精益的”等。其基本原理可以归纳为：以“简化”为手段，以“人”为中心，以“尽善尽美”为最终目标。精益生产中的简化包括以下4个方面：简化企业的组织机构，简化产品的开发过程，简化零部件的制造过程，简化产品结构。

精益生产的核心以“人”为中心。这里所说的“人”包括整个精益生产系统所涉及的人，如本企业各层次的员工以及协作单位、销售商和顾客等。在精益生产系统中，协作单位、销售商和顾客都是系统的有机组成部分。

精益生产所追求的目标是尽善尽美，不断地降低成本、减少废品、降低库存与增加产品品种。日本人将这一过程称为“改善”。准时制造（Just in Time, JIT）是日本丰田汽车公司发明的管理方式。其特点是生产计划系统只给最终装配线下达生产计划任务，由装配线开始一级一级地向前分解，从部件、零件、在制品、毛坯，直至原材料。后道工序只在必要时才到前道工序领取必要数量的在制品，且前道工序生产的在制品数等于被取走的在制品数。如图1.8所示。

准时制造的核心就是消除来自库存和生产运作过程中的浪费。准时制造系统是一个“拉动”系统，即上一道工序的加工品种、数量和时间由下一道工序的需求确定，零部件供应商的交货品种、交货数量和交货时间根据生产组装线的进度和需求来确定。

“看板”是实现准时制造的主要工具，通常情况下可以将看板分成“领取看板”和“生产指示看板”两类。在领取看板上记载着后道工序应该从前道工序领取的产品种类和数量；生产指示看板也称准备看板，指示前道工序必须生产的产品品种和数量。

4．大批量定制

随着以计算机技术为主导的现代科学技术的迅猛发展和社会生活的不断进步，世界市场发生了重大的变化。这些重大的变化，使得曾一度在20世纪占主导地位的大批量生产越来越不适应市场的需求，而能以大批量生产的效率和成本快速向客户提供定制产品的大批量定制（Mass Customization, MC）很好地迎合了市场的需求。1997年年底，美国乔治·华盛顿大学的一个专家小组对新兴技术的发展做了预测，提出了2001—2030年的85项重要技术，其中包括大批量定制技术。

大批量定制的基本思想是：将定制产品的生产问题通过产品结构和制造过程的重组转化为或部分转化为批量生产问题。对客户而言，所得到的产品是定制的、个性化的；对生产厂家而言，该产品则是采用大批量生产方式制造的成熟产品。

按照客户需求对企业生产活动影响程度的不同，即客户订单分离点（Customer Order Discoupling Point, CODP）在企业生产过程中位置的不同，可以进一步将大批量定制分成按订单销售（Sale-to-Order, STO）、按订单装配（Assemble-to-Order, ATO）、按订单制造（Make-to-Order, MTO）和按定单设计（Engineer-to-Order, ETO）4种类型。

大批量定制的核心策略是增加库存生产的比例，将CODP尽可能向生产过程的下游移动，减少为满足客户订单中的特殊需求而在设计、制造及装配等环节中增加的各种费用。在具体实现方面，即根据市场预测，按照大批量生产方式生产中性的基型产品或零部件，在此基础上，根据客户订单的实际要求通过对基型产品或零部件的重新配置和转型为客户提供个性化的定制产品，从而实现大批量生产和传统定制生产的有机结合。面向大批量定制的集成的产品和过程模型如图1.9所示。

大批量定制在时间维优化的关键是有效地推迟CODP。企业不是采用零碎的方法，而必须对其产品设计、制造和运输产品的过程以及整个供应链的配置进行重组。通过时间维的优化，企业能够以最高的效率运转，能够以最小的库存满足客户的订单要求。

大批量定制在空间维优化的关键是有效地扩大相似零件、部件和产品的优化范围，并充分识别、整理和利用这些零件、部件和产品中存在的相似性。显然，在一个地区或行业推广大批量定制可以比仅在一个企业实施大批量定制取得更好的效果。最理想的模式是在全球范围推广实施大批量定制。事实上，制造的全球化和专业化分工的目的也正是促使大批量定制在全球范围的逐步实施。

5．绿色集成制造系统

环境、资源和人口是当今人类社会面临的3大主要问题。特别是环境问题，其恶化程度与日俱增，正在对人类社会的生存与发展造成严重威胁。绿色制造（Green Manufacturing）又称环境意识制造（Environmentally Conscious Manufacturing）、面向环境的制造等，特别是近年来，国际标准化组织提出了关于环境管理的ISO 14000系列标准后，学者们对绿色制造的研究更加活跃。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。图1.10对近年来与绿色制造相关或相类似的概念进行了大致归类。

绿色集成制造系统（Green Integrated Manufacturing System, GIMS）是一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。绿色集成制造系统综合运用现代制造技术、信息技术、自动化技术、管理技术和环境技术，将企业各项活动中的人、技术、经营管理、物能资源和生态环境，以及信息流、物料流、能量流和资金流有机集成，并实现企业和生态环境整体优化，从而达到产品上市快、质量高、成本低、服务好、环境影响小，使企业赢得竞争，取得良好的经济效益和社会效益。

6．网络化制造

20世纪90年代，随着互联网的迅速发展，一种新的经济模式——网络经济正逐渐成为现代经济的主流之一。互联网由于其互联性、交互性和时空压缩性，对经济全球化、市场全球化等产生了巨大的影响，位于不同地点的人和设备通过网络和计算机集成起来，快速、准确地交流信息，人们的生活将因此而发生根本的转变，传统的制造业也将因此而发生巨大的变化，将产生一系列的新技术、新设备和新方法，网络技术将对产品设计、制造直到销售及售后服务的各个环节产生巨大影响。在这种背景下，一种新的制造模式——网络化制造正在形成。

网络化制造是制造业利用网络技术开展的产品开发和设计、制造、销售、采购和管理等一系列活动的总称。

面对网络经济时代制造环境的变化，传统的组织结构相对固定、制造资源相对集中、以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的制造模式已不能适应，需要建立一种市场需求驱动的、具有快速响应机制的网络化制造模式，这将是当前乃至今后若干年内制造业所面临的最紧迫的任务之一，是制造企业摆脱困境、赢得市场、掌握竞争主动权的关键。

网络化制造是传统制造业在网络经济中必然采取的行动，例如，制造企业将利用互联网进行产品的协同设计和制造；通过互联网，企业可以与客户直接接触，客户将参与产品设计；由于在互联网上信息传递的快捷性和制造环境的激烈变化，企业间的合作越来越频繁，企业的资源将得到更加充分和合理的利用；利用互联网，企业内部的信息和知识将高度集成和共享，企业的管理模式将发生很大变化。

面对网络空间这一全新的生存空间、网络经济这一全新的经济形态，制造企业需要用全新的眼光、从全新的角度、依据全新的理论、采用全新的方法来研究和制订企业的网络化制造战略，利用网络技术，进行企业内和企业间、企业与用户间的信息和知识集成，开辟新的生存空间和发展渠道，提高企业的创新能力。企业的网络化制造战略和方法是技术推动和需求拉动的结果。推动的技术主要是互联网技术，拉动的需求主要是经济的全球化和市场竞争的激烈化。图1.11描述了网络化制造战略和方法的体系框架。

7．分形企业

分形企业是借用分形理论中的基本概念描述的一种新的生产方式。分形（Fractal）是1975年由曼德布罗特（Benoit Mandelbrot）提出并命名的一个新的概念，它指的是一类貌似无规律、复杂混乱，但又具有自相似性的体系。分形理论认为，真实世界中的复杂系统是由许多稳定的、具有很好协同性的子系统组成的，这些子系统具有自相似和自组织的特点。分形企业的自相似性包括企业组织结构的自相似即以过程为中心建立企业的组织，以及目标自相似即单元的目标与企业的目标相一致。

分形企业的优化目标是：时间、柔性、质量、成本、生态和社会性。组织结构的自相似性强调自主，目标的自相似性强调自律。分形企业通过自律和自主的统一实现了效率和柔性的统一。分形企业在自相似的基础上具有自组织性的特点，具体表现为自监控、自调控、自确定、自治和自优化等。

分形企业将制造系统看作是具有自相似过程和结构的集成系统，是非线性发展的、不能精确预测的、内外边界模糊的系统。传统企业可以为自己确定一个有限的目标，可以容忍一定的废品率、最低限度的库存、系列范围很窄的标准产品等。分形企业则把目标确定为不断完善，追求尽量低的成本、无废品、零库存、“一个流”生产和产品品种无穷多样，从而可以促使人们不断探索、不断奋斗，创造出难以想象的奇迹。图1.12的左面是一个分形体的自相似结构，右面描述了分形企业的特点。

8．生物型制造系统

生物型制造系统（Bionic Manufacturing System, BMS）概念最早由Norio Okino在1988年提出，后来被作为智能制造系统的一个组成部分。

近几年来，制造系统的规模、复杂性和动态性有很大的变化。传统的集成式的信息系统已无法适应这种变化，因为生产过程中的随机因素很多，如订货规格和交货日期中途可能有变更、生产线临时出现故障、发货运输周期受到交通阻塞的影响等。传统的系统优化理论无法解决当今制造系统的高度非线性化的问题，因此，迫切需要有一种能包含混沌、模糊等概念的精确的模型，用来解决多维的非线性联立方程、非线性最优化问题和组合优化问题。BMS可望解决上述问题。

BMS要求每个生产环节都具有自发性、自律性和自相协调能力，出现问题就地解决，每个基层单位都有自主权和主动性，但又能够顾及整体，保证总体设计上相互协调一致。BMS的基本单元称作基元（Modelon），采用面向对象方法定义。上下级与平行级的基元之间可以通过消息板（Message Board）交换信息。消息板与专家系统中的黑板机制相类似，只是取消了集中的控制机构。一个基元启动后，激活相关的基元，通过消息板对话，谋求问题的解决。BMS强调的是自发驱动（Spontaneity）、自律决策（Autonomy）、自由结合（Connection Free）、可转换性（Transformability）和柔性（Flexibility）等。

BMS具有类似于生物系统的功能，如自组织、自恢复、自生长和进化等功能。BMS能为各层次提供方法学的支持。通过对产品全生命周期的系统化，使制造系统能快速满足需求，并能与自然界协调一致。

BMS的主要研究内容如下：

（1）BMS的核心系统。生物型产品模型（Biological Product Model, BPM）是BMS的核心部分。

（2）面向DNA的设计系统。采用生物型产品模型研究进化型（Evoluting-type）设计。

（3）生物型信息处理功能。研究类似于生物系统的信息处理功能，研究重点放在生产阶段。

（4）产品生命周期反馈。主要研究产品的遗传性和进化性。

（5）与宏观生态系统的协调。采用模拟等方法对包括产品报废处置和回收在内的产品全生命周期进行研究。

9．可重组制造系统

可重组制造系统是一种能按市场需求的变化和设计规划的规定，以重排、重复利用和更新元素或子系统的方式，实现以较低的重组成本快速调整制造过程的功能和生产能力的可变制造系统。

研究制造系统可重组性的主要目的是有效地解决现有制造系统存在的3个主要问题，即解决提高生产效率与系统柔性之间的矛盾；缩短制造系统重组所需的周期，迅速达到规定的产量和质量；充分利用已有的资源，减少重组制造系统所需的费用。

与一般的制造系统相比，可重组制造系统的主要特点是：制造系统的生产管理和控制软件具有高度灵活的重构性；制造装备便于更新组合，具有适应新需求的复用性；生产规模具有敏捷的可调整性。由于可重组制造系统的设计是高度自动化的，硬件是模块化的，因此，能很快地设计和重构低成本的生产系统。

可重组制造系统的特征为定制化、快速化、模块化、系列化、人机一体化、可集成性、可复制性、可变性、可诊断性、敏捷性、规模可调整性和可负担性。

模块化制造系统（Modular Production System, MPS）实际上也是一种可重组制造系统，这是一种针对一般技术难度的消费品的新型制造系统，是一种在标准化和模块化系统基础上建立的“柔性”制造系统。模块化制造系统通过对标准化的制造系统基本模块进行重组而快速得到面向新产品的制造系统。

模块化制造系统由于其建立方便、模块的适应范围宽等特点，为制造系统的重组提供了一种新的思路。通过建立租赁公司，向有关企业提供各种加工机器基元、模块化驱动单元、模块化的刀具和夹具以及可配置的控制系统，企业可以在几天内迅速建立起支持新产品生产的系统。当不再生产该产品时，可以容易地拆除有关的模块化制造系统，将各模块退还给租赁公司。当然，在这种情况下还需要有一些设计和制造模块的公司。

自治分布式制造系统是日本正在研究的一种可重组制造系统。图1.13表示了一个设想中的机械制造厂，它包括一个可移动机床的超级柔性制造系统，一个自动化的仓库及自动引导小车。图1.14中的无管道柔性工厂可以针对不同的产品，采用可移动的反应罐及可移动的管道，使反应过程更容易被改变。自治分布式制造系统与传统的批量生产工厂相似，但要灵活得多。在一个传统的工厂里，产品改变时通常要求增加如管道清洗等低效率的工作，因而对产品的改变与化学反应过程的改变难以适应。

10．全能制造系统

全能制造系统（Holonic Manufacturing Systems, HMS）又称合弄制造系统或全息制造系统。全能制造系统是基于全能组织的制造系统，其要点是建立一个高度分布的制造系统体系结构。全能制造系统是由一系列标准的和半标准的、独立的、协作的和智能的模块组成。全能体（Holon）这个词是从希腊词holos（意思是“整个，全部”）加上词尾“on”转化而来的。全能体是一定程度独立自主的单元，执行任务时无须向上级请示。同时，全能体又是上一级的控制对象以及全能群体的一部分。一个制造全能体可以是运输、加工、存储等单元。人也是全能体的一部分。全能制造系统由全能体以自组织的方式组成，其结构是不固定的，是动态的和暂时的。

全能组织的优点在于它能够构建非常复杂的系统，能够高效地利用资源，对来自内部和外部的干扰保持高度的灵活性，对环境变化有很强的适应能力。全能组织并不是完全独立的组织，它们有一定的自主性，能够在没有上一层组织的协助下，在其所处的特定层次上处理问题并对环境的变化做出反应。整体也能接受来自上层的指导，在某种意义上受上层整体的控制。自主的特性保证了整体是稳定的，能够在干扰下生存，而对上层整体的服从又确保了更大整体的有效运转。

全能制造系统的功能和结构概念来源于生物学、心理学和社会科学等学科，人是全能制造系统的核心部分。

全能制造系统的主要特点有：全能体之间具有暂时的递阶层次关系；自动化规模可大可小，可以扩展；能够迅速地自组织以适应市场对产品、产量和交货期的要求；全能制造系统的目标不是取代人的技能，而是支持人的技能得到更充分的发挥；组织结构从传统的、固定不变的“机械型”向更适合市场竞争的“生物型”转变；全能制造系统的精髓是加强基本单元的独立自主性和相互协调机制。实现全能制造系统的前提是：精简一切不必要的环节、过程和结构，将企业的各种活动进行要素化和标准化，全面实行模块化。

（二）智能制造的国内外发展状况

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。自20世纪80年代以来，现代科技革命推动了人类社会从工业社会进入信息社会，使得现代制造系统由原先的能量驱动型转变为信息驱动型。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，于是借助现代工具和方法，利用各学科最新研究成果，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的一种新型的制造技术与系统便应运而生，这便是智能制造技术。

目前，生产线和生产设备内部、互联网上的信息流量增加，使得制造信息爆炸性地增长，处理信息工作量的急剧增加要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出智能，否则难以处理如此海量而复杂的信息；并且，多品种、变批量、柔性生产的要求，瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，也要求制造系统表现出更高的灵活性、敏捷性和智能性。在此背景下，人们开始尝试智能技术在制造业中的应用研究，并取得了一批丰硕的成果。20世纪80年代末期，一种集制造自动化、智能技术、计算机科学等高新技术而发展起来的智能制造技术和智能制造系统脱颖而出。随后智能制造作为一门新的学科，越来越受到高度重视，各国政府均将智能制造列入国家发展计划，大力推动实施。智能制造已成为影响未来经济发展过程的一种先进制造生产模式，被称为21世纪的制造模式。

1．国外智能制造研究与应用情况

（1）美国的相关研究计划

◎美国制造业振兴计划

2009年12月，美国政府发布《美国制造业振兴框架报告》，提出振兴制造业的建议，并相继大幅增加美国国家科学基金会（NSF）、美国国防部先进研究项目局（DARPA）、美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国能源部（DOE）能源效率与可再生能源办公室等机构的预算，振兴美国制造业，在先进材料、产品技术平台、先进制造过程、制造设计体系结构等4个方面加大投入力度，如图1.15所示。

◎美国《国家增量制造计划》

2012年8月16日，美国政府宣布国家增量制造计划，主攻3D打印技术，以创造领先地位成为新兴产业中心，并由美国政府和私营部门共同资助，其中DOD、DOE和DOC等5家政府部门将共同出资4500万美元，位于俄亥俄、宾夕法尼亚、西弗吉尼亚技术带（tech-belt）上的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体将出资4000万美元进行匹配。NAMII是美国制造业创新网络的一个重要节点。

◎美国《国家机器人计划》

2011年7月，美国国家机器人计划（NRI）决定耗资7000万美元，加速开发和普及机器人的使用。2012年9月14日，美国国家机器人计划获得了5000万美元的首轮研发经费。其中，美国国家科学基金会（NSF）本次资助了下一代先进机器人的研究与开发，下一代“协作机器人”所引领的方向是能够和人类一同工作，并且在提高生产力的同时，不会对人类造成伤害。协作机器人的使命是革新生产领域，如汽车、航空等领域；协作机器人还会让医疗等主流市场实现自动化，其应用领域包括先进制造、土木与环境基础设施、医疗与康复、军事与国土安全、空间与海洋探索、食品加工与分销、改善人类生活质量和独立性的辅助装置，以及安全驾驶装置等，总金额达到3000万美元。

◎美国《面向21世纪制造业的创新计划》

2012年，美国国家标准与技术研究院（NIST）投资1330万美元资助《面向21世纪制造业的创新计划》，该先导项目主要研究以下几个方面：

·研究增量制造领域的测量和性能评价标准，包括高性价比的光谱应用软件、专业的快速原型制造工具，以增加用户定制产品的制造、使用三维模型数据制造零部件和产品等；

·发展基础测量科学，用于增强机器人设备的多功能、灵活性和能力，提高人们工作的安全性，填补工人在力量、灵巧、高精度、重复能力上的缺陷，达到完全智能制造的能力；

·研究开发标准的信息基础构造，促进供应商、顾客、监管者之间关键信息的有效交流；

·鉴别和传播核心工业可持续制造技术的最优化方法、过程和评价工具，计量、计划和试点某个国家级项目，注重对最佳的可持续制造方法的推广。

◎美国《网络使能的材料、制造及智能系统计划》

为了响应先进制造技术伙伴计划，美国政府提出了一项2.57亿美元的《网络使能的材料、制造及智能系统计划》。该计划将资助具有嵌入式计算智能的智能制造系统研究，主要是在智能系统、穿透材料和先进制造3个领域建立一个全新的框架，并取得重要进展。其中在先进制造方面的研究包括：

·机器人、自主系统、仿真与建模、大数据对于计算机集成制造和信息化制造的辅助作用；

·面向更加高效和更快响应生产与分销的制造和供应链动态行为；

·面向先进制造的更加柔性化的界面协议、交互操作应用和服务体系；

·通过智能计算和通信实现适应性更强、响应更快的应用；

·低功耗、自标定、低成本信息系统的优化。

（2）欧盟国家的相关研究计划

1）英国

◎英国《制造业增长框架计划》

随着时间的推移，英国的制造战略出现了一定程度的调整，如创立了首个高价值技术创新中心（TIC），在未来四年将投入2亿英镑。首个TIC将依托全国的资源，包括Rotherham的先进制造研究中心、核先进制造研究中心、考文垂制造技术中心等7个中心。

2011年3月17日，英国政府宣布将投资5100万英镑，以确保英国制造业的国际领先地位，尤其是制药、航空和汽车领域。其中，4500万英镑将用于资助英国工程和自然科学研究理事会（EPSRC）的9个先进制造研发中心，其余600万英镑用于制造业的未来尖端研究（见表1.1）。

◎英国《智能制造计划》

从2008—2012年，英国投入640万欧元开展通过激光穿透技术的智能制造计划（Intelligent Manufacture from Powder by Advanced Laser Assimilation, IMPALA），主要为定制零件或小批量生产开发一种柔性的、高效的快速制造工艺，用于生产多种高价值零件。该项目将大大缩短从设计到产品交付所需的时间，大大降低制造成本。该计划将使欧洲从资源密集型工业转变成知识密集型工业，并将成为欧洲创新的使能技术，对于欧洲在快速制造领域保持世界领先地位具有重要的作用。

◎英国《高价值制造计划》

2012年2月，英国技术战略委员会（TSB）发布英国未来高价值制造前景报告书，确定了高价值制造（High Value Manufacturing, HVM）将作为英国经济的主要驱动力，制定了从概念设计到产品实现的高价值制造战略，提供最有效的知识交换平台，如知识转化网络、知识转化伙伴、特殊利益集团和HVM Catapult，帮助企业把最好的制造业创新概念变成世界一流的产品、工艺和服务。

2）德国

◎德国《智能网络化制造计划》

2005—2008年，德国投入440万欧元实施了智能网络化制造计划（Intelligent Networked Manufacturing System, INMAS），主要目的是为制造企业研发一种新技术，即智能连接控制平台（Smart-Connected-Control Platform, SCC Platform）。结合学习型移动智能体平台、创新的机械电子学及增强现实技术，该计划将实现一个制造工厂的原型样机，能够进行主动的维护/自标定、动态可重构、实时故障诊断、自修复。SCC平台将企业员工、制造设备、机器人、生产的零件和外围维护人员无缝地集成为一体。

该计划采用点到点的网络进行分布式信息处理，智能机器人按照智能连接控制平台实时规划好的柔性路径，运送贴有智能标签的物品；增强现实系统使操作者能够与系统进行现场交互，并在生产过程中利用PDA将复杂的信息赋予实际的零件，提供出传感器检测不到的信息；利用虚拟现实，客户可以设计所定制的产品，SCC平台可以快速地制造出来。

◎德国《工业4.0计划》

2013年4月，汉诺威工业博览会上德国政府正式推出以智能制造为主导的德国工业4.0计划，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。该计划由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、夫朗霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同，并已上升为国家级战略，德国联邦政府投入达2亿欧元。

工业4.0是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过通信技术和网络空间虚拟系统——信息物理系统（Cyber-Physical System）相结合的手段，将制造业向智能化转型，以建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。

3）法国

◎法国《未来智能工厂计划》

从2010—2014年，法国投入1000万欧元，开展未来智能工厂计划（The Foundation for the Smart Factory of the Future, FOFDATION）。该计划针对制造企业所面临的与多个供应链伙伴之间的全球化合作挑战、产品的优化等问题，从产品可追溯性、安全性和可持续性等方面进行研究和开发。该计划提出了一个基于数据交换标准的全球制造信息系统，该系统可实现一个制造系统的不同实体及其关联设备之间的无缝信息共享，并将使得基于高带宽制造信息传输的智能工厂框架的实现成为可能。该项目主要目标包括：

·产品、工艺和加工原料的终端数字化，实现从生产到企业的集成监控及整体可持续化管理；

·智能机床控制器开发，包括用于监视工艺质量和能量使用效率的可扩展高级控制与数据获取系统；

·智能制造优化器实现，利用来自于CAD/PLM和加工机床的虚拟产品信息，及在线的工艺信息来调整工艺控制信息，以获得最佳的工艺结果；

·将MES系统扩展成为智能制造执行系统（SMES），支持原料使用率、可持续能力目标以及与通信相关的制造操作数据集成到ERP系统中。

4）欧盟整体

◎欧盟《智能制造与设计相关研究计划》

从2000年开始，欧盟在先进制造领域开始了大规模投入和相关技术的研究，并提出到2010年欧盟建成全球最具竞争力的知识经济体。2010年3月，欧盟委员会公布指引欧盟发展的“欧洲2020战略”，该战略提出了7大旗舰计划。其中，提出在欧盟和国家层面启动“欧洲创新伙伴计划”，并将“改变欧洲工业未来的关键使能技术”作为重点领域之一，重点发展信息、节能、新能源和以智能为代表的智能制造，如图1.16所示。

◎欧盟《可配置型装配的柔性制造计划》

该计划从2007年至2011年，约投入1200万欧元，通过推出一个全新的“制造工厂”概念，实现生产制造领域根本性的创新与知识突破。“制造单元”由装配生产工艺所需要的各种硬件和软件组成，具有先进知识系统，类似于机器人或受控机器。这使得其可以对于给定的任务选择最佳的生产参数。而“制造工厂”则是一个由“制造单元”组成的共同协调的团队。“制造单元”通过网络分享彼此的专家知识，进而实现同一生产线内和不同生产线间的互相学习，如图1.17所示。

◎欧盟《智能制造系统2020计划》

2009年1月，欧共体的纳米科学、纳米技术和材料及新产品技术部门资助启动了智能制造系统2020计划（Intelligent Manufacturing Systems 2020, IMS 2020）计划。由意大利牵头，参与的国家和地区包括欧盟诸国、日本、韩国、瑞士、美国。这个项目的重点是创建面向智能制造系统2020的路线图，这个路线图突出强调了创新活动的时间（研究与开发、管理和政策行为）需要达到一个理想的构想。该项目确定了相关的研究课题和支持行为，为的就是通过国际合作来打造未来的智能制造，如图1.18所示。

IMS 2020构想展示了制造业可实现的和令人满意的将来，被公认的研究领域能够通过国际性的合作落实到位。该计划主要关注以下5个核心领域：

·可持续性制造、产品和服务（Sustainable Manufacturing, Products and Services）；

·能源高效制造（Energy Efficient Manufacturing）；

·关键技术（Key Technologies）；

·标准化（Standardization）；

·革新、竞争发展和教育（Innovation, Competence Development and Education）。

（3）日、韩的相关研究计划

1）日本

◎日本《智能制造系统计划》

日本提出的“智能制造系统（IMS）”计划研究包括智能活动、智能机器以及两者的有机融合技术，其中智能活动是问题的核心。在IMS研究的众多基础技术中，制造智能处理技术是最为关键和迫切需要研究的问题之一，因为它负责各环节的制造智能的集成和生成智能机器的智能活动。在一个国家甚至世界范围内，企业之间有着密切的联系，譬如，采用相同的生产设备和系统、有着类似的生产控制与管理方式、上下游产品之间的联系，等等。其间存在的突出问题是产品和技术的规范化、标准化和通用化、信息自动交换形式与接口以及制造智能共享等。

日本IMS计划的基本观点如下：①IMS是21世纪的制造系统，必须开发与之相适应的制造技术；②应对这些技术进行组织化和系统化；③加强技术的标准化；④考虑人的因素；⑤保护环境。该计划由已有生产技术的体系化和标准化、21世纪生产技术的研究与开发两大部分构成。

1992年4月，在日本召开的第一次国际技术委员会会议确定了4个主题：①技术课题；②选择原则；③评价程序；④执行准则。由国际IMS中心成员提出的首批10项研究课题是：①企业集成；②全球制造；③系统单元技术；④清洁制造技术；⑤人与组织研究；⑥先进的材料加工技术；⑦全球并行工程（评估和实施）; ⑧自主模块的系统设备与分布控制；⑨快速产品开发；⑩知识系统化（设计与制造）。

◎日本《制造基本技术振兴计划》

2002年日本政府制定了《制造基本技术振兴基本法》，并在同年6月发表的《日本制造业白皮书》中明确提出了要重新确立日本制造业优势的政策与战略。为加强新技术、新产品的研究开发，日本制造业不惜投入巨额科研经费。据《日本经济新闻》调查，在2004会计年度中，日本437家上市公司计划投入的科研经费总额达到近8.6万亿日元，平均比上年度增长5.9%。近年来，日本全国每年的R&D经费总额占国内生产总值的3.3%以上，这一比例大大高于美国、德国、英国等其他发达国家，为世界前列。R&D经费总额的85%投向制造业，制造业科研经费占销售额的比重达到4%左右。增加科研投入使日本企业具备了较强的自主研究开发能力和新产品生产能力，从而提高了企业的竞争力。

◎日本《第四期科学技术基本计划（2011—2015）》

2011年开始实施的日本《第四期科学技术基本计划（2011—2015）》，主要支持两个基本主题的创新：绿色和生命。其中，重点强调：

·低碳能源的先进制造技术；

·面向能源高效智能使用的创新制造工艺；

·通过支持测量与分析技术、高精度加工技术等促进有利于增强日本竞争力的新型制造技术的形成。

◎日本《新产业创造计划》

2003年日本为增强制造业在国际舞台上的竞争力，出台了《新产业创造战略》，将燃料电池、机器人、信息家电、生物产业、环境机械设备以及电子动画等作为突破重点，启动了全面提升制造业技术水平的庞大工程。

◎日本《未来新工业和新市场的研究计划》

2012年3月，日本经济产业省发布创造未来新工业和新市场的研究计划。该计划将涵盖机器人、下一代汽车、飞机工业、航天工业、零件和材料工业等的先进技术工业作为主要的发展计划。

2）韩国

◎韩国《高度先进技术国家计划》

1991年年底，韩国政府提出了高度先进技术国家计划（Highly Advanced National Project, HANP），由韩国科技部、工商部、能源部和交通部联合实施。该计划的目标是：到2000年把韩国的技术实力提高到世界一流工业发达国家水平。这一计划包括先进制造系统、新能源、电气车辆、人机接口技术等7个大项目。韩国信息产业产值已经占其国内生产总值的17%。韩国经济的腾飞与信息产业的崛起有很大关系。在亚洲金融风暴之后，韩国政府深深感到“网络经济竞争”的重要性，尤其是宽带网络产业成为韩国e-Korea和U-Korea计划的基础。韩国政府的宽带网络发展策略，属U-Korea计划发展蓝图中的网络基础建设部分，因此，如何提供方便价廉的宽带网络接入，让韩国产业、政府、人民能够在宽带网络技术尖端上发展相关具有国际竞争力的产业，成为韩国政府的一个重要战略课题。

◎韩国《e-Korea计划》

1993年韩国政府制定了《信息产业育成计划》。1996年韩国政府提出“促进信息化基本计划”,1997年提出“网络韩国21世纪”计划，到2002年以建设e-Korea国家发展计划为契机，信息产业政策由“辅助地位”转为“领导策略”，其关注的重点是加紧建设IT基础设施，强调战略重点放在新兴技术与增值服务上，以求信息产业的国际领先。这些举措使韩国社会的各方面在尖端科技的带动下跨上了一个新的发展台阶。韩国选择新一代移动通信为突破口，打造国家高技术服务业与高技术制造业的互动平台，而以三星、SK电讯和LG为代表的韩国信息通信制造企业和运营服务企业已经成为实施“韩国以世界一流的信息产业提升国家竞争力”战略的主力军。

◎韩国《u-Korea计划》

韩国2004年的“IT839计划”实现了从传统的以重工业规模扩张向以信息化支撑下的集约发展转变，接着韩国情报通信部公布了u-Korea战略，在其发布的《数字时代的人本主义：IT839战略》报告中指出，“无所不在的网络社会将是由智能网络、最先进的计算技术以及其他领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态。在无所不在的网络社会中，所有人可以在任何地点、任何时刻享受现代信息技术带来的便利。u-Korea意味着信息技术与信息服务的发展不仅要满足产业和经济的增长，而且给国民生活带来革命性的进步”。

2．国内研究现状

随着国外智能制造系统（IMS）和智能制造技术（IMT）的发展，国内也认识到了智能制造与设计的重要性，在智能制造和设计及其相关方向上开展了大量的研究。智能制造系统是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化系统，在制造过程中能进行诸如分析、推理、判断、构思和决策等智能活动，并有效地管理和利用制造过程中的各种知识。将人工智能融进产品设计、工艺过程设计、生产计划调度、工艺过程控制、制造、装配、维护和回收等环节，能提高制造系统各个环节的智能水平，使制造系统具有更高的柔性。智能制造的主要研究内容包括智能化制造技术及系统、智能化设计技术及系统、智能化管理技术及系统、智能化集成技术及系统等。这些技术成为工业信息化技术的重要组成部分。同时，基于新一代信息技术的发展，也出现了泛在信息化制造和云制造等新兴制造模式。这些新兴制造模式的出现，也为智能制造与设计的研究提供了新的思路。

（1）智能化制造技术及系统研究方面。智能化制造技术及系统将各个层次的制造过程互相连接并加以集成，而无须考虑其所处的地理位置。智能化制造技术及系统可将信息收集、分析和处理功能集成到自学习环境中，对所有的制造能力和工艺过程进行全面的控制，而且还能预测问题，修正加工动作，并具有自学习、自调整和自恢复功能。智能化制造技术及系统发展的趋势和研究重点是：数字化与智能化数控机床、智能化物流系统、具有智能并基于模型和开放式控制结构的模块化加工装备、智能化自配置装配系统、智能化标签、智能化工业传感器和系统、智能化虚拟仪器仪表、智能化多相流计量技术、机械装备的智能自修复技术等。20世纪80年代起，国内密切注意国际上智能制造的研究动态，已经针对人工智能与制造领域的结合开展了一些研究，国家自然科学基金委员会于1988年组织“机械制造的未来”研讨会，首次探讨了“智能制造”的研究问题。其研究包括：

1）智能制造系统理论基础与设计技术。作为一个新提出的理念，“智能制造”的理论基础与体系尚未完全形成，它的精确内涵和设计技术亟待进一步研究，包括体系结构与发展战略、开发环境与设计方法学、评价技术等几个方面。

2）制造智能理论及处理技术。研究整个制造环境中各种智能源的开发、描述、集成、共享与处理，最后生成智能机器的智能活动，具体包括制造环境的描述与建模、制造智能源的开发与获取、制造智能的表示、制造智能的集成与共享、智能活动的生成策略、智能活动的机器化技术等。

3）智能制造单元技术的集成。为了适应实际制造过程和面向21世纪的新型制造工业，需要对制造单元进行集成。集成这些单元的技术包括并行智能设计，生产过程的智能调度、规划、仿真与优化，产品质量信息的智能处理系统，制造过程与系统的智能监视诊断、补偿与控制，生产与经营管理的智能决策系统。

4）知识库系统与网络技术。知识库系统与信息网络技术是制造过程中系统与各环节“集成智能化”的支撑，在IMT & IMS研究中占有重要地位。其内容包括建立分布式异构联想知识库和发展信息控制与网络通信技术。

5）智能机器的设计。智能机器是IMS中模仿人类专家智能活动的工具之一，为消除制造过程依赖人脑决策的局限，对智能机器的设计方法及其相关技术的研究具有重要意义，其研究内容包括机器人智能技术、机器自学习与自维护技术、智能制造单元机的设计与制造技术。

6）人机交互。智能制造的目的之一就是减轻人类制造专家艰苦的脑力劳动负担，因此，与脑力劳动有密切联系的制造中人的因素理应受到充分的重视，研究内容包括人—系统柔性交互技术、未来制造环境的设计、人才培养与教学系统。

（2）智能化设计技术及系统研究方面。智能化设计即应用现代信息技术，采用计算机模拟人类的思维活动，提高人机系统中计算机的智能水平，使计算机更多、更好地承担设计过程中的各种复杂任务，成为设计人员的得力助手。目前，智能化设计技术及系统发展的趋势和研究重点是：支持创新设计的智能化工具，智能行为建模技术，现代设计方法和技术，产品广义优化理论、方法和技术，设计知识表示技术，多种推理机制的综合应用技术，智能化人机接口，智能设计与分析顾问系统，支持从概念设计、产品设计、工艺设计到工厂设计全过程的智能设计软件，集成智能工艺信息系统，多模态智能建模方法等。

智能设计的发展经历了两个阶段：设计型专家系统和人机智能化设计系统。设计型专家系统采用单一知识领域的符号推理技术。它对于设计自动化从信息处理自动化走向知识处理自动化有着重要意义，但仅仅是为解决设计中某些困难问题的局部需要而产生的，只是智能设计的初级阶段。人机智能化设计系统是CIMS环境下的智能设计的高级阶段，是人机结合的集成化智能系统。它强调人和人的知识的重要性，认为人类专家将永远是系统中最有创造性的知识源和关键性的决策者。智能设计的发展与CAD的发展联系在一起，在CAD发展的不同阶段，设计活动中智能部分的承担者是不同的。传统CAD系统只能处理计算型工作，设计智能活动是由人类专家完成的。在智能CAD的初级阶段，智能活动由设计型专家系统完成，但由于单一知识领域符号推理技术的专家系统求解问题能力存在局限性，设计对象（产品）的规模和复杂性都受到限制，这样智能CAD系统完成的产品设计主要还是常规设计，不过借助于计算机支持，设计的效率大大提高。而在智能CAD的高级阶段，由于集成化和开放性的要求，智能活动由人机共同承担，这就是人机智能化设计系统。它不仅可以胜任常规设计，而且还可支持创新设计。因此，人机智能化设计系统是针对大规模复杂产品设计的软件系统，它是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。目前，国内在智能设计研究方面主要的方法包括：

1）以设计方法学为指导。智能设计的发展，从根本上取决于对设计本质的理解。设计方法学对设计本质、过程设计思维特征及其方法学的深入研究是智能设计模拟人工设计的基本依据。

2）以人工智能技术为实现手段。借助专家系统技术在知识处理上的强大功能，结合人工神经网络和机器学习技术，较好地支持设计过程自动化。

3）以传统CAD技术为数值计算和图形处理工具。提供对设计对象的优化设计、有限元分析和图形显示输出上的支持。

4）面向集成智能化。不但支持设计的全过程，而且考虑到与CAM的集成，提供统一的数据模型和数据交换接口。

5）提供强大的人机交互功能。使设计师对智能设计过程的干预，即与人工智能融合成为可能。

智能设计系统的关键技术包括设计过程的再认识、设计知识表示、多专家系统协同技术、再设计与自学习机制、多种推理机制的综合应用、智能化人机接口等。

6）设计过程的再认识。智能设计系统的发展取决于对设计过程本身的理解。尽管人们在设计方法、设计程序和设计规律等方面进行了大量探索，但从计算机化的角度看，目前的设计方法学还远不能适应设计技术发展的需求，仍然需要探索适合于计算机处理的设计理论和设计模式。

7）设计知识表示。设计过程是非常复杂的，它涉及多种不同类型知识的应用，因此，单一知识表示方式不足以有效表达各种设计知识。建立有效的知识表示模型和知识表示方式，始终是设计类专家系统成功的关键。

8）多专家系统协同技术。较复杂的设计过程一般可分解为若干个环节，每个环节对应一个专家系统，多个专家系统协同合作、信息共享，并利用模糊评价和人工神经网络等方法以有效解决设计过程多学科、多目标决策与优化难题。

9）再设计与自学习机制。当设计结果不能满足要求时，系统应该能够返回到相应的层次进行再设计，以完成局部和全局的重新设计任务。同时，可以采用归纳推理和类比推理等方法获得新的知识，总结经验，不断扩充知识库，并通过再学习达到自我完善。

10）多种推理机制的综合应用。智能设计系统中，除了演绎推理外，还应该包括归纳推理、基于实例的类比推理、各种基于不完全知识的模糊逻辑推理方式等。上述推理方式的综合应用，可以博采众长，更好地实现设计系统的智能化。

11）智能化人机接口。良好的人机接口对智能设计系统是十分必要的，对于复杂的设计任务以及设计过程中的某些决策活动，在设计专家的参与下，可以得到更好的设计效果，从而充分发挥人与计算机各自的长处。

（3）智能化管理技术及系统研究方面。智能化管理技术及系统的发展趋势和研究重点是：商务智能及商务智能决策支持系统，企业的智能管理模型技术，生产管理知识表示与知识获取技术，集成环境下协同建模与仿真系统，基于多智能主体的群体决策支持系统，智能化企业组织与管理模型，智能管理优化方法，面向管理决策的多媒体人机智能接口系统，智能化计划优化技术，基于智能优化方法的企业管理信息系统，智能化生产车间的组织形式与体系结构，智能化车间生产过程重组与配置技术，集工艺知识、优化控制、智能技术为一体的智能化先进控制系统等。

（4）智能化集成技术及系统方面。目前对智能化集成技术的研究不断深入，智能化集成技术及系统主要包括：智能化制造网络平台，智能公共信息服务系统，制造知识共享使能工具集，智能化企业数据与资源管理系统，分布式智能协商（冲突消除）处理系统，传感器网络技术，过程混杂大系统决策与智能优化计算方法等。