智能制造系统基础

出版说明

前言

第1章 绪论1

1.1 信息技术与智能制造1

1.1.1 人工智能改变社会形态1

1.1.2 “互联网+”颠覆传统产业创新

理念2

1.1.3 信息技术带来新兴工业革命3

1.1.4 智能制造的概念5

1.2 智能制造的发展与意义5

1.2.1 智能制造发展的国家政策导向5

1.2.2 智能制造的意义6

1.3 中国智能制造发展现状和面临的

问题8

1.3.1 中国制造业主要领域发展情况8

1.3.2 中国智能制造发展面临的问题12

1.4 智能制造的目标与发展动向14

1.4.1 智能制造的目标14

1.4.2 智能制造的发展动向15

思考题16

第2章 制造系统概述17

2.1 制造系统及其作用17

2.1.1 制造与制造系统17

2.1.2 制造业的分类及其生产特点17

2.1.3 制造业的地位和作用22

2.2 制造系统的演进22

2.2.1 制造技术的发展及其作用23

2.2.2 制造模式的演进29

2.2.3 制造过程组织结构和管理方式

变化33

2.3 世界制造业发展格局变化34

2.4 制造业技术发展趋势35

思考题36

第3章 智能制造系统理论基础37

3.1 信息的概念、性质和作用37

3.1.1 信息论的形成37

3.1.2 信息的定义39

3.1.3 信息的性质40

3.1.4 信息的价值41

3.1.5 信息及信息科学技术的作用42

3.2 系统的概念与性质42

3.2.1 系统的概念43

3.2.2 系统的性质43

3.2.3 系统性能评价标准45

3.2.4 系统集成46

3.3 控制、管理与决策47

3.3.1 控制47

3.3.2 管理48

3.3.3 决策50

3.4 信息系统53

3.5 信息物理系统54

3.5.1 CPS的概念54

3.5.2 CPS的本质55

3.5.3 CPS的层级56

思考题56

第4章 企业信息化系统的体系结构与

功能57

4.1 企业信息化系统及其演进57

4.1.1 早期企业信息化系统57

4.1.2 计算机集成制造系统65

4.1.3 现行企业信息化体系结构68

4.2 企业现行信息化系统功能结构71

4.3 现行企业信息化系统存在的

问题和改进方向73

4.4 智能制造系统的功能结构74

4.5 现行企业信息化系统与智能制造

系统的关系77

思考题79

第5章 智能制造系统的内涵与体系

结构80

5.1 智能制造系统的内涵与系统架构

维度80

5.1.1 智能制造系统的内涵80

5.1.2 智能制造系统架构的维度解析80

5.1.3 中国智能制造的系统架构83

5.2 美国、德国、日本三国智能制造

系统的内涵与体系结构84

5.2.1 美国智能制造系统的内涵与体系

结构85

5.2.2 德国智能制造系统的内涵与体系

结构88

5.2.3 日本智能制造系统的内涵与体系

结构91

5.3 中国智能制造系统的体系结构94

5.3.1 智能制造的标准体系结构94

5.3.2 基础共性标准98

5.3.3 关键技术标准99

5.3.4 行业应用标准105

5.4 智能制造系统的基本特征与基本

功能106

5.4.1 智能感知107

5.4.2 智慧决策108

5.4.3 精准控制109

5.4.4 智能服务109

思考题111

第6章 基于信息物理系统的智能制造

系统112

6.1 基于CPS的智能制造系统体系

架构与基本概念112

6.1.1 基于CPS的智能制造系统体系

架构112

6.1.2 物理系统的概念112

6.1.3 信息系统的概念115

6.1.4 工厂数据中心的概念115

6.1.5 虚拟系统的概念115

6.2 智能制造系统的单元级CPS116

6.2.1 智能设备功能116

6.2.2 智能设备核心技术120

6.2.3 智能设备示例122

6.3 智能制造系统的系统级CPS126

6.3.1 物料管理功能127

6.3.2 产品质量管控功能128

6.3.3 流程协调优化功能129

6.3.4 设备智能运维与管理功能130

6.3.5 系统级CPS关键共性技术131

6.3.6 系统级CPS示例132

6.4 智能制造系统的SoS级CPS135

6.4.1 SoS级CPS物理系统135

6.4.2 SoS级CPS信息系统135

6.4.3 虚拟系统140

思考题143

第7章 智能制造的核心技术144

7.1 智能数据中心144

7.1.1 智能数据中心的基本特征144

7.1.2 智能数据中心的架构设计145

7.1.3 智能数据中心的典型应用149

7.2 支撑智能制造的网络系统150

7.2.1 工业互联网的特点150

7.2.2 全球工业互联网的发展概况151

7.2.3 我国工业互联网发展概况153

7.2.4 工业互联网体系架构简介155

7.2.5 工业互联网平台简介156

7.3 人工智能技术163

7.3.1 人工智能技术的产生及发展163

7.3.2 人工智能技术的研究现状164

7.3.3 人工智能技术的分类165

7.3.4 人工智能技术的主要应用领域166

7.4 状态感知技术166

7.4.1 早期的“感应器件（效应

物质）”167

7.4.2 专业元器件—传感器167

7.4.3 无线传感器网络168

7.4.4 大型整机类“巨型传感器”168

7.4.5 由生物或人组成的“复合型

传感器”169

7.4.6 状态信号特征提取169

7.4.7 智能产品中的传感器169

7.5 控制优化技术171

7.5.1 基于模型的控制优化技术171

7.5.2 系统辨识技术173

7.5.3 预测控制技术175

7.5.4 故障诊断技术176

7.5.5 智能调度技术177

7.6 科学决策技术180

7.6.1 科学决策概述180

7.6.2 智能制造中的决策问题181

7.6.3 科学决策技术及其在智能制造中的

应用183

7.7 虚拟制造与数字孪生技术187

7.7.1 虚拟制造与数字化工厂187

7.7.2 数字孪生技术190

思考题

……

第8章智能制造系统建模基础

第9章智能制造系统应用案例

附录专有名词缩写

参考文献

1.1.2“互联网+”颠覆传统产业创新理念

“互联网+”，从经济学上是指连接所有产业形成价值链，连接成价值网络。英国演化经济学家卡罗塔・佩雷斯认为，每一次的大技术革命都形成了与其相适应的技术经济范式。这个过程会经历两个阶段:第一个阶段是新兴产业的兴起和新基础设施的广泛安装，第二个阶段是各行各业应用的蓬勃发展和收获，每个阶段持续时间为20~30年。相应地，“互联网+”的前提是互联网作为一种广泛存在的“基础设施”。1994年，互联网进入中国，截至2022年6月，中国已经有10.51亿网民、9.5亿智能手机用户，互联网普及率达 74.4%。通信网络的进步，互联网、智能手机、智能芯片在企业、人群和物体中的广泛存在，为下一阶段蓬勃发展的“互联网+”奠定了坚实的基础。3Com公司创始人、计算机网络先驱罗伯特・梅特卡夫提出网络的价值等于网络节点数的二次方，网络的价值与互联网用户数的二次方成正比。从本质上讲，网络的力量大于网络所连接的物品、人、数据等部分之和，万物互联将产生强大力量，“互联网+”战略未来的潜力足以考验想象力。

“互联网+”是互联网思维的进一步实践成果，推动经济形态不断发生演变，从而带动社会经济实体的生命力，为改革、创新、发展提供广阔的网络平台。通俗地说，“互联网+”就是“互联网+各个传统行业”，但这并不是简单的两者相加，而是利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。它代表一种新的社会形态，即充分发挥互联网在社会资源配置中的优化和集成作用，将互联网的创新成果深度融合于社会各领域之中，提升全社会的创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新形态。

未来互联网将作为一种生产力工具，给每个行业带来效率的大幅提升。因此，具备“互联网+”的思维，将会为更多的传统企业借助互联网带动产业的转型和升级带来机会，而这实际上是一次工业革命。这一轮工业革命在“互联网+”的推波助澜下可能将为产业升级带来五大方向上的变革:智能化、个人化、跨界化、“制服”化和互联网化。智能化，即人工智能;个人化，即满足个人制造需求，大规模的个人定制，也包括以“创客”为代表的创业者驱动;跨界化，即跨行、跨领域发展;“制服”化，即制造业与服务业的深度融合;互联网化，即互联网无所不在，万物互联。

“互联网+农业”“互联网+工业”“互联网+金融”“互联网+传媒”等“互联网+”战略的触角延伸，不仅仅在于对第三产业，更在于对第一产业和第二产业的渗透，将线下与线上高度融合，这绝不是互相排挤的零和游戏。推动产业创新，才是“互联网+”的真正未来所在。

产业创新是“被逼出来”的竞争力。面对这次产业转型升级带来的阵痛，企业要在发展中植入跨界思维。什么是跨界思维?用互联网的思维做手机，是跨界思维;用互联网的思维做金融，也是跨界思维;用媒体思想做商业，同样是跨界思维。跨界思维的核心是颠覆性创新，它往往来源于行业之外的边缘性创新，因此，要跳出行业看行业，建立系统、交叉的思维模式，它需要跨学科的知识论层面的深度思维，而不是简单的创意和灵感。

……

适读人群 ：高等院校自动化、人工智能专业

本书从应用角度介绍了智能制造的系列核心技术和企业集成化建模方法，并给出了智能制造系统当下的应用案例供读者参考。

本书资源丰富，有知识图谱、思维导图、拓展资源等，给读者提供全方位的系统知识。

本书以信息技术与智能制造的发展为开端, 在对智能制造系统理论基础、企业信息化系统的体系结构与功能论述的基础上, 给出了当前智能制造系统的内涵与体系结构的主流定义和特征, 提出并设计了一种基于信息物理系统的智能制造系统新架构, 从应用角度介绍了智能制造的系列核心技术和企业集成化建模方法, 最后给出智能制造系统当下的应用案例供读者参考。