智能制造技术与系统的发展与研究

智能制造技术与系统的发展与研究

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赵东标 副教授

赵东标 朱剑英

摘要 介绍智能制造技术与智能制造系统产生的背景与科学意义,分析

国内外的发展现状与关键问题。讨论智能制造技术及系统与人工智能、计算机集成制造系统的关系。提出发展先进智能制造系统所必须解决的关键技术基础,强调人的智能在制造系统中的重要作用。未来智能制造系统必然是以高度

的集成化和智能化为特征的自动化制造系统。

关键词 智能制造 人工智能 计算机集成制造 机械制造中国图书资料分类法分类号 T P 403

3国家自然科学基金资助项目(59505001),航空科学基金资助项目(97H 52072)

收稿日期:1998—05—18 修回日期:1999—05—27

1 智能制造提出的背景

制造业是国民经济的基础工业部门,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CN C 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(In telligen t M anufactu ring T echno logy ,I M T )与智能制造系统(In telligen t

M anufactu ring System ,I M S )[1]。

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 制造系统是一个复杂

的大系统,其中有多年积累的生产经验,生产过程

中的人—机交互作用,必须使用的智能机器(如智能机器人)等。脱离了智能化,集成化也就不能完美地实现。

(2)机器智能化比较灵活 可以选择系统智能化,也可以选择单机智能化;单机可发展一种智能,也可发展几种智能;无论在系统中或单机上,智能化均可工作,不像集成制造系统,只有全系统集成才可工作。

(3)智能化的经济效益较高 现有的计算机集成制造系统(Com pu ter In tegrated M anufactu ring System ,C I M S )少则投资数千万元,多则投资数亿元乃至数十亿元,很少有企业能承担得起,而且投入正常运行的很少,维护费用也高,还要废弃原有的设备,难以推广。

(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 人工智能与计算机管理相结合,使得不懂计算机的人也能通过视觉、对话等智能手段实现生产管理的科学化。

2 主要研究内容和目标

智能制造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,对制造问题进行分析、判断、推理、构思和决策,旨在取

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代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动;并对人类专家的制造智能进行收集、存贮、完善、共享、继承和发展[1]。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,它在实际制造系统中首次提出了以机器智能取代人的部分脑力劳动作为主要目标,强调整个企业生产经营过程大范围的自组织能力;②信息和制造智能的集成与共享,强调智能型的集成自动化。

目前,I M T和I M S的研究方向已从最初的人工智能在制造领域中的应用(A i M)发展到今天的I M S,研究课题涉及的范围由最初仅一个企业内的市场分析、产品设计、生产计划、制造加工、过程控制、信息管理、设备维护等技术型环节的自动化,发展到今天的面向世界范围内的整个制造环境的集成化与自组织能力,包括制造智能处理技术、自组织加工单元、自组织机器人、智能生产管理信息系统、多级竞争式控制网络、全球通讯与操作网等。

由日本提出的I M S国际合作研究计划对I M S 的解释可以看出[1],I M S的研究包括智能活动、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I M S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。

国际I M S计划的基本观点如下:①I M S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,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I M S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;βκ知识系统化(设计与制造)。美国国家科学基金会(N SF)已连续数年重点资助了与智能制造有关的研究项目,这些项目覆盖了智能制造的绝大部分技术领域,包括制造过程中的智能决策、基于多施主(m u lti-agen t)的智能协作求解、智能并行设计、物流传输的智能自动化、智能加工系统和智能机器等。

日本提出的智能制造系统国际合作计划,以高新计算机为后盾、深受其“真空世界”计算机研究计划的影响[2]。其主要研究内容如下:①强调部分代替人的智能活动,实现部分人的技能;②使用智能计算机技术来集成设计制造过程,使之一体化,以虚拟现实技术实现虚拟制造,以多媒体的人机接口技术、虚拟现实技术,实现职业教育;③强调全球化制造网络的生产制造技术,通过卫星、In ternet和数字电话网络实现全球制造;④强调智能化与自律化的智能加工系统以及智能化CN C、智能机器人的研究。⑤重视分布式人工智能技术的应用,强调自律协作代替集中递阶控制。

I M T与I M S的研究与开发对于提高产品质量、生产效率和降低成本,提高国家制造业响应市场变化的能力和速度,以及提高国家的经济实力和国民的生活水准,均具有重大的意义。其研究目标是要实现将市场适应性、经济性、人的重要性、适应自然和社会环境的能力、开放性和兼容能力等融合在一起的生产系统:①使整个制造过程实现智能化,并具有自组织能力;②I M S是一个集成许多工厂和多种机器设备的混合系统;③具备满足各种社会需求的柔性;④能充分发挥人的作用;⑤易于操作;⑥总效率高;⑦能避免重复投资等。

3 人工智能与I M T、I M S

人工智能的研究,一开始就未能摆脱制造机器生物的思想,即“机器智能化”。这种以“自主”系统为目标的研究路线,严重地阻碍了人工智能研究的进展[3]。许多学者已意识到这一点,Feigenbaum、N ew ell、钱学森从计算机角度出发,提出了人与计算机相结合的智能系统概念。目前国外对多媒体及虚拟技术研究进行大量投资,以及日本第五代智能计算机研制计划的搁浅等事例,就是智能系统研究目标有所改变的明证。

人工智能技术在机械制造领域中的应用涉及市场分析、产品设计、生产规划、过程控制、质量管

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理、材料处理、设备维护等诸方面。结果是开发出了种类繁多的面向特定领域的独立的专家系统、基于知识的系统或智能辅助系统,形成一系列的“智能化孤岛”。随着研究与应用的深入,人们逐渐认识到,未来的制造自动化应是高度集成化与智能化的人—机系统的有机融合,制造自动化程度的进一步提高要依赖于整个制造系统的自组织能力。如何提高这些“孤岛”的应用范围和在实际制造环境中处理问题的能力,成为人们的研究焦点。在80年代末和90年代初,一种通过集成制造自动化、新一代人工智能、计算机等科学技术而发展起来的新型制造工程——I M T和新——代制造系统——I M S便脱颖而出。

人工智能在制造领域中的应用与I M T和I M S的一个重要区别在于,I M S和I M T首次以部分取代制造中人的脑力劳动为研究目标,而不再仅起“辅助和支持”作用,在一定范围还需要能独立地适应周围环境,开展工作[1]。

4 I M S和C I M S

C I M S发展的道路不是一帆风顺的。今天, C I M S的发展遇到了不可逾越的障碍,可能是刚开始时就对C I M S提出了过高的要求,也可能是C I M S本身就存在某种与生俱来的缺陷,今天的C I M S在国际上已不像几年前那样受到极大的关注与广泛地研究。从C I M S的发展来看,众多研究者把重点放在计算机集成上,从科学技术的现状看,要完成这样一个集成系统是很困难的。

C I M S作为一种连接生产线中的单个自动化子系统的策略,是一种提高制造效率的技术。它的技术基础具有集中式结构的递阶信息网络。尽管在这个递阶体系中有多个执行层次,但主要控制设施仍然是中心计算机。C I M S存在的一个主要问题是用于异种环境必须互连时的复杂性。在C I M S概念下,手工操作要与高度自动化或半自动化操作集成起来是非常困难和昂贵的[4]。

在C I M S深入发展和推广应用的今天,人们已经逐渐认识到,要想让C I M S真正发挥效益和大面积推广应用,有两大问题需要解决[4]:①人在系统中的作用和地位;②在不作很大投资对现有设施进行技术改造的情况下亦能应用C I M S。现有的C I M S概念是解决不了这两个难题的。今天,人力和自动化是一对技术矛盾,不能集成在一起,所能

做的选择,或是昂贵的全自动化生产线,或是手工操作,而缺乏的是人力和制造设备之间的相容性,人机工程只是一个方面的考虑,更重要的相容性考虑要体现在竞争、技能和决策能力上。人在制造中的作用需要被重新定义和加以重视。

事实上,在70年代末和80年代初,人们已开始认识到人的因素在现代工业生产中的作用。英国出版公司(IFS)于1984年就首次发起了第一届“制造中人的因素”研讨会,目的在于提高人们对制造环境中人的因素及其所起作用的认识。事实证明,人是I M S中制造智能的重要来源。

值得指出的是,C I M S和I M S都是面向制造过程自动化的系统,两者密切相关但又有区别。

C I M S强调的是企业内部物料流的集成和信息流的集成;而I M S强调的则是更大范围内的整个制造过程的自组织能力。从某种意义上讲,后者难度更大,但比C I M S更实用、更实际。C I M S中的众多研究内容是I M S的发展基础,而I M S也将对C I M S提出更高的要求。集成是智能的基础,而智能也将反过来推动更高水平的集成。I M T和I M S 的研究成果将不只是面向21世纪的制造业,不只是促进C I M S达到高度集成,而且对于FM S、M S、CN C以至一般的工业过程自动化或精密生产环境而言,均有潜在的应用价值。

有识之士对人工智能技术、计算机科学和C I M S技术进行了全面的反思[3]。他们在认识机器智能化的局限性的基础上,特别强调人在系统中的重要性。如何发挥人在系统中的作用,建立一种新型的人—机的协同关系,从而产生高效、高性能的生产系统,这是当前众多学者都会提出的问题,也正是C I M S所忽视的关键因素,这一因素导致了C I M S发展中不可逾越的障碍[3]。值得一提的是有的学者特别强调“人件(H um anw are)”在系统中的重要性,提出C I M S的开放结构体系思想。最引人注目的是欧共体的ESPR IT计划中单独列出的一个研究子项,即“以人为中心的C I M S”。甚至有人索性称以人为中心的C I M S为H I M S(H um an In tegrated M anufactu ring System),指出集成制造系统首先是“人的集成”[3]。耐人寻味的是,目前研究的“精良生产”与“敏捷制造”等新型制造系统的主要出发点也是强调“人”的作用,即“以人为中心”[4,5]

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5 国内外发展概况

美国是智能制造思想的发源地之一,美国政府高度重视智能制造,将其视为21世纪占领世界制造技术领先地位的基石[2]。美国已建立了许多重要试验基地,美国国家标准与技术局(N IST)的自动化制造与试验基地(AM R F)就把“为下一代以知识库为基础的自动化制造系统提供研究与实验设施”作为其三大任务之一。卡内基—梅隆大学的制造系统构造实验室一直从事制造智能的研究。在美国空军科学技术制造计划支持下,D.A. Bou rne1989年组织完成了首台智能加工工作站(I M W)的样机。该样机能直接根据零件的定义数据完成零件的全自动加工,具有创成式工艺规程设计、N C程序自动生成、产品三维实体建模、加工过程智能监控等一些智能活动,它被认为是智能制造机器发展史的一个重要里程碑。与此同时,美国工业界也以极高的热情开展智能制造的研究开发。1993年4月在美国底特律由美国工程师协会(S M E)召开的IPC’93,有200多家厂商参展,展出大量先进的具有一定智能的硬件控制设备,并以极大的篇幅介绍了智能制造,并提出了“智能制造、新技术、新市场、新动力”的口号。另外在美国国防部及空军倡导的CAL S计划、TQM计划、UL CE计划、RM CAD计划、D I CE计划等都把制造智能列为主要内容。英国B ir m inghan A lcan铅制件公司所属的K itts Green工厂投资80万英镑研究建立“具有思维功能的工厂”。欧共体国家联合实施“Fu tu re Generati on M anufactu ring System (FG M S)”计划,即智能制造计划。

在智能制造的研究与发展计划方面,最引人注目的是1989年秋正式公布的由H.Yo sh ikaw a教授提议和倡导的智能制造国际合作计划,它由日本、美国、澳大利亚、加拿大、欧共体和欧洲自由贸易协会等6个国家和地区的84个制造业组织成员,共同投资150兆日元(约合10亿美元),预计10年时间完成I M S的前期研究工作。这个庞大的计划,由于涉及政治因素、知识产权以及国际合作的困难,几经修改。1990年5月日、美、欧三方在布鲁塞尔开会,批准了日本提出的方案(V ersi on4),成立了董事会技术委员会和知识产权委员会。技术委员会于1992年5月及7月分别在东京、斯图加特、布鲁塞尔开会,确定了6个主要的技术领域:企业集成,全方位制造,系统单元技术,清洁制造,人与组织,先进的材料加工。其最终目标是研究开发出能使人和智能设备都不受生产操作和国界限制的彼此合作的系统。这是一个面向21世纪的市场竞争,从产品设计、订货到生产、销售、服务实现全面集成化和智能化的计划,将对世界的工业及经济生产巨大的影响,因此受到国际上包括政府领导人在内的各界人士的关注与参与。与此同时,日本国内也成立了I M S研究机构,有87个制造业组织作为I M S促进委员会会员,并投巨资先期进行I M 研究开发及配合国际研究计划的实施。

1991年底韩国提出了“高级先进技术国家计划”(G-7计划),目标是到2000年把韩国的技术实力提高到世界第一流工业发达国家的水平,并希望能通过该计划的实施促使韩国在21世纪初加入7国集团。G-7计划包括C I M和I M S,计划用15年时间,由政府和民间共同投资4200亿韩元来实施”先进制造系统”的研究与开发。

中国在智能制造技术与系统方面的绝大多数研究工作,目前还处在探讨人工智能在制造领域中应用的阶段,而对制造环境的全面“智能化”研究工作还处于起步阶段。1991年国家自然科学基金委员会组织了南京航空航天大学、华中理工大学、清华大学、天津大学、西安交通大学,与新加坡、美国、韩国等国家及中国香港地区和台湾地区就智能制造的国际合作进行了研讨,签订了合作意向书。1992年又组织了南京航空航天大学、华中理工大学、清华大学、西安交通大学访问了新加坡,在智能制造方面与新加坡南洋理工大学及国立新加坡大学签订了正式协议,在智能系统与建模、智能调度、智能机器人、智能控制、智能故障诊断5个领域进行为期5年的合作研究。1989年在华中理工大学召开的“机械制造走向2000年——回顾、展望与对策”大会,与会专家学者就人工智能在制造领域中应用进行了探讨,而且提到制造系统的集成化与智能化(I M S)。1991年杨叔子教授首次在华中理工大学组建了I M学科组,与此同时,南京航空航天大学、西安交通大学、清华大学等高校也积极开展I M T与I M S的基础研究工作,研究领域涉及智能监测与诊断系统、制造过程的智能控制、智能管理信息和生产规划系统、制造质量信息的智能处理技术、FM S作业的智能调度与控制、智能预测技术、智能机器人及机器智能等。国家自然科学基金委员

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会从1993年起每年适度资助智能制造方面的有关研究项目。国家制定的“九五”计划也将先进制造技术(包括I M T和I M S)作为重点发展领域之一,表明国家政府有关部门已重视这项技术的研究与开发。

近年来关于智能制造方面的论文有数百篇,并有专著相继问世。美国N ew Yo rk大学的P.K. W righ t教授与Carnegie-M ellon大学的D.A. Bou rne教授于1988年出版了智能制造领域的第一部专著M anufactu ring In telligence,被S M E指定为1988年度制造领域最佳专著。1990年,以A. Ku siak教授为首的包括欧、日等国知名教授在内的国际知名学者共同创办了刊物In t.J.of In telligen t M anufactu ring。智能制造系统的专题国际学术讨论会也日见增多。1991年C I R P成立了“P roduct L ifecycles and Environm en t”工作组专门研究智能制造中人的因素与环境。在国内,智能制造方面的研究论文层出不穷。1995年6月在华中理工大学召开了国际智能制造学术大会。

由于日、美、欧都将智能制造视为21世纪的制造技术和尖端科学,并认为是国际制造业科技竞争的制高点,且有着重大利益,所以他们在该领域的科技协作频繁,参与研究计划的各国制造业力量庞大,大有主宰未来制造技术的趋势。

6 问题与展望

随着研究与应用工作的深入,人们逐渐认识到自动化程度的进一步提高依赖制造系统的组织能力,研究工作还面临着一系列理论问题、技术问题和社会问题,问题的核心是“智能化”。现代工业生产系统作为一个有机的整体要受技术、人和经济三方面因素的制约。从技术的角度来看,市场预测、生产决策、产品设计、原料订购与处理、制造加工、生产管理、原料产品的储运、产品销售、研究与发展等环节彼此相互影响,构成生产的全过程。该过程的自动化程度取决于各环节的集成自动化水平,而生产系统的自组织能力取决于各环节的集成智能水平。目前,尚缺乏这种“集成”制造智能的技术,这也是目前“并行工程”的研究重点。

目前在工业发达国家普遍存在劳动力匮乏、昂贵,所占生产成本的比例越来越高的问题。从当前的经济利益出发,大量的制造企业被转移至发展中国家,致使生产技术和劳动者因素等方面受到牵制,存在丧失他们产品市场竞争力的危险。这也是智能制造国际合作研究计划提出的重要原因之一。在我国,企业与技术转移的情况目前尚不严重,但存在一个逆问题,那就是如果发达国家一旦拥有了I M T与I M S,而我们在这方面与他们相差甚远的话,那时,我们将面临失去更多的与他们竞争的机会的危险。因为I M S是21世纪的制造技术,这些发达国家将不再“依赖”发展中国家的“廉价”劳动力;另一方面,专业人员与技术力量缺乏十分严重,企业生产中的各个环节相脱节的现象也很突出;再者重复投资增大、企业生产的不规范化及自动化程度低下等也是十分严重的问题。因此我国只能开发出具有自身特色的I M S,提高企业的经济效益,方能在21世纪制造业中争得更多的竞争机会。

将来,I M S必然是以高度的集成化和智能化为特征的自动化制造系统,并以取代制造中人的部分脑力劳动为研究目标,而不同于FM S、C I M S和A i M。这也是当代传统制造技术、新兴计算机技术、人工智能技术与FM S、C I M S等发展的必然结果,亦即在整个制造过程中通过计算机将人的智能活动与智能机器有机融合,从而实现制造过程的最优化、智能化和自动化。对于它的研究不仅是为了提高产品质量和生产效率、降低成本,而且也是为了提高国家制造业响应市场变化的能力和速度,以期在未来国际竞争中求得生存和发展。

总之,智能制造是21世纪的制造技术,作为其特征的I2(In tegrati on and In telligence)将是21世纪制造业赖以行进的基本轨道。从更深层的意义上讲,智能制造是以信息时代走向智能时代面临的第一个严峻任务。

参考文献

1 杨叔子,丁洪.中国机械工程,1992,3(2):15~18

2 雷鸣,杨叔子.机械与电子,1994(6):39~40

3 路甬祥,陈鹰.机械工程学报,1994,30(5):1~7

4 唐任仲.航空制造工程,1996(1):3~4

5 钱宇,顾新建.航空制造工程,1996(3):8~10

(编辑 王汉熙)

赵东标 男,1963年生。南京航空航天大学(南京市 210016)机电工程学院副教授、工学博士。主要从事机电控制、机器人学、模糊控制、智能控制、智能制造与智能机器等方面的研究工作。获省部级奖励4项。发表论文30余篇。

朱剑英 南京市 210016 南京航空航天大学

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