HCPS视角下智能制造的发展与研究

基于"以人为本"和"两化融合"的理念,人—信息—物理系统(HCPS)为认识和发展新一代智能制造提供了理论支撑.为了更好地理解HCPS和智能制造之间的关系,以及把握智能制造的发展趋势,详细分析了HCPS的系统组成与内涵,在此基础上,讨论了智能制造的发展演进和新一代智能制造的主要特征.基于HCPS视角综述了智能制造的相关研究进展,包括新一代人工智能、新一代智能制造、智能制造与其他系统融合等方面.最后,从人、信息系统、物理系统及系统集成等角度提出发展建议,以期为我国相关领域践行HCPS理念与发展智能制造技术提供参考.     

数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟操控技术

针对悬臂式掘进机智能控制时面临的远程操控问题,结合数字孪生和虚拟仿真等技术,提出面向煤矿井下装备智能控制的"人—信息—物理系统"(HCPS)交互机制,实现掘进工作面物理空间与掘进信息虚拟空间的深度融合与交互;结合悬臂式掘进机模型,提出数字孪生驱动的悬臂式掘进机智能操控系统,从工况数据感知、数字孪生体构建、人—机—环交互3个方面实现地面虚拟掘进与井下实际掘进的深度融合;搭建悬臂式掘进机远程虚拟操控实验平台,以验证孪生数据驱动下的虚实同步等功能,截割轨迹跟踪测试表明,系统可实现掘进机虚实同步控制,截割头位置精度偏差小于40 mm,满足煤矿开采中巷道开拓的质量控制要求.基于数字孪生驱动和虚拟现实呈现的井下设备智能操控方法,在煤矿巷道可视化掘进系统和智能掘进机器人系统中应用效果良好,为煤矿井下综采综掘工作面设备的远程智能监测与控制提供了全新的思路,对促进工作面智能化系统发展重要的借鉴意义.     

智能制造与i5智能机床

《中国制造2025》指出:基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革。争取智能制造技术与装备实现突破是《智能制造规划(2016-2020)》的主要内容。从智能制造的发展历史和内涵、信息物理融合系统、数字主线和数字双胞胎、炫工厂4个方面对智能制造进行了详细讨论。对沈阳机床集团的i5智能机床及其终端—网络—云平台进行了剖析,最后对我国如何发展智能制造阐明了作者的观点。     

基于数字孪生的多维多尺度智能制造空间及其建模方法

随着数字孪生、信息物理融合系统等新兴技术的发展,如何实现面向制造业应用的物理空间、信息空间与业务空间的多维融合已成为智能制造落地实施的关键。针对该问题,从逻辑关联的视角提出了多维多尺度智能制造空间的内涵与特征,并结合数字孪生技术的实现逻辑,研究了智能制造空间的虚实映射建模方法、复杂多维时空域下智能制造过程及数据建模方法。进一步,结合某叶轮的生产制造案例对所提出的建模方法进行了验证,证明了该建模方法的可行性和有效性,为实现智能制造空间多要素、多业务、多流程的实时同步仿真与虚实联动控制提供了支撑。     

基于数字孪生的航天器系统工程模型与实现

为践行智能制造、推进航天工业化与信息化深度融合,提出了基于数字孪生的航天器系统工程。分析了数字孪生技术的相关研究成果,从7个维度对航天器系统工程进行综合,建立了基于数字孪生的航天器系统工程整体模型和应用框架,并按照生命周期进展演化为设计、工艺、制造/装配、试验/测试与在轨运行5个典型阶段模型和应用框架。在技术实现层面,基于物联网、大数据、用于过程控制的对象连接与嵌入统一架构、系统建模语言、基于模型的定义、面向服务的架构等先进技术,构建了由物理空间、传输层、数据层、模型层、服务层和应用层构成的数字孪生系统架构。基于数字孪生的航天器系统工程能够有效实现航天器研制全生命周期信息世界与物理世界的双向动态实时交互共融与协同,从而推进航天工业智能制造的发展。     

“互联网+制造”的发展现状与展望

互联网已对制造业产生了深刻影响,而且这种影响将会随着时间推移变得更加深入和广泛。为了更好地理解和把握"互联网+制造"(网络化制造)的发展演化规律和趋势,在分析互联网演化发展的基础上,将网络化制造发展进程划分成以计算机集成制造为代表的萌芽期、以敏捷制造为代表的成长期和以制造物联、云制造、社会制造、智能制造等为代表的膨胀期,并对这些不同阶段加以分析讨论,同时展望了网络化制造未来发展趋势——走向人机物集成的社会信息物理生产系统。     

数字孪生车间信息物理融合理论与技术

数字孪生车间作为实现制造物理世界和信息世界智能互联与交互融合的一种潜在的有效途径,近期被国内外相关领域学术界和企业界高度关注。基于前期对数字孪生车间的概念、系统组成、运行机制、特点和关键技术等研究,设计了数字孪生车间的参考系统架构,并从数字孪生车间4个主要系统组成(物理车间、虚拟车间、车间孪生数据、车间服务系统)的角度出发,分别对物理车间异构要素融合、虚拟车间多维模型融合、车间物理—信息数据融合、车间服务/应用融合等关键问题进行了研究分析。从物理融合、模型融合、数据融合和服务融合4个维度,系统地探讨了实现数字孪生车间信息物理融合的基础理论与关键技术,为企业实践数字孪生车间提供了参考。     

CPS核心概念认识有偏差:Cyber非信息

<正>CPS是赛博物理系统(Cyber-Physical Systems)的缩写,是工业4.0的核心。目前,国内学界很多人将CPS翻译成信息物理系统,有些人将CPS理解成了信息化与工业化的结合,从严格意义上来说,这是不准确的。CPS是一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统,通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,通过人机交互接口实现和物理进程的交互,使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、协作的方式操控一个物理实体。在制造业中,通过CPS系统,将智能机器、存储系统和生产设施融入到整个生     

数据—模型融合驱动的流程制造车间数字孪生系统研发EI北大核心

针对流程制造过程工序间耦合严重、过程建模困难、生产活动规划的联动性和智能化水平较低等问题,提出数据与模型融合驱动的、覆盖工艺流程全变量空间的车间多维数字孪生模型及其系统架构。融合车间生产全要素孪生模型与动态生产数据,建立了贯穿生产过程中不同工序的设备实体对象模型,从几何、物理、行为、规则等多个维度对耦合生产线实体对象特征进行刻画,实现了工艺设备静动态多维属性的数字化精准映射。在此基础上,搭建了包括物理产线、虚拟产线、信息服务等支撑多系统数据交互映射的车间数字孪生系统,研发了基于开放平台通信—统一架构(OPC UA)与Kepware的通信技术的静动态虚实映射和迭代运行机制,实现了从车间物理制造流程耦合向各孪生体参数间耦合的转换。最后,基于某流程制造企业制丝生产试验线开展应用验证,为解决流程工业耦合复杂而造成的协同交互与迭代运行难题提供了方法和实现途径。     

基于数字孪生技术的智能生产线应用探索

随着工业互联网的蓬勃发展,在新型工业信息系统和工业智能技术的推动下,生产线正向着物理空间与信息空间实时交互融合的方向发展,应运而生的数字孪生技术成为近年来的新兴研究热点。针对数字孪生技术的概念研究、工业生产领域中的应用发展、智能生产线应用领域的参考架构与关键技术及其相关研究进展进行了梳理和探讨。归纳和总结了数字孪生技术在智能生产线中的主要应用,阐述了数字孪生技术在智能生产线领域的相关研究和应用进展,并对数字孪生技术在智能生产线应用领域中的未来趋势提出展望和预测,为离散制造企业推进生产线全生命周期管理与数字化转型升级,实现柔性化的智能制造提供一定指导和启示。     

智能制造关键使能技术发展及应用

信息通信技术对传统制造企业产生深远影响,催生智能制造生态系统范式。企业向智能制造范式转型,可从生命周期及价值链、制造层次结构和物理系统功能等三维度部署和实施。智能制造关键使能技术一般涵盖工业物联网、云计算、大数据、计算机仿真、增强现实、增材制造、水平和垂直系统集成、自主机器人和网络安全等九大技术。文章对上述关键使能技术进行梳理与综述,并分析其在智能制造领域应用的最新进展。     

基于MAS和PDM的CAPP系统体系结构及其关键技术研究

研究了如何利用产品数据管理提供的信息交互、过程控制功能和多代理技术，实现集成制造系统中各制造单元的自治和主动交互，以满足快速制造网格环境对计算机辅助工艺规划系统的需求。所提出的基于多代理系统和产品数据管理的计算机辅助工艺规划系统体系结构模型，提供了对其自身所需信息的集中管理，可以通过与其他代理的协同，实现工艺设计的自治与协同，达到在最大限度利用遗产的情况下，实现异构、分布的面向全局工艺规划的制造信息从混沌状态向有序状态的转变，为面向全生命周期制造的工艺求解奠定了基础。在此基础上，建立了原型系统，其应用表明，该系统具有良好的扩展性和适应性，能够满足快速制造网格对全局工艺规划的需求。     

快速重组制造系统的动态建模和结构体系

提出了基于组态式柔性制造单元组成的阵列式布局的快速重组制造一系统的创新结构 体系,建立了以生产效益为该系统设计和运行决策目标的随机模型,应用排队网络模型静态马洋科夫工件运送方式得出系统重组时缓冲区容量的优化配置和最优工件运送策略的算法,     

Smart manufacturing systems for Industry 4.0: Conceptual framework,scenarios, and future perspectives

Information and communication technology is undergoing rapid development, and many disruptive technologies, such as cloud computing, Internet of Things, big data, and artificial intelligence, have emerged. These technologies are permeating the manufacturing industry and enable the fusion of physical and virtual worlds through cyber-physical systems (CPS), which mark the advent of the fourth stage of industrial production (i.e., Industry 4.0). The widespread application of CPS in manufacturing environments renders manufacturing systems increasingly smart. To advance research on the implementation of Industry 4.0, this study examines smart manufacturing systems for Industry 4.0. First, a conceptual framework of smart manufacturing systems for Industry 4.0 is presented. Second, demonstrative scenarios that pertain to smart design, smart machining, smart control, smart monitoring, and smart scheduling, are presented. Key technologies and their possible applications to Industry 4.0 smart manufacturing systems are reviewed based on these demonstrative scenarios. Finally, challenges and future perspectives are identified and discussed.     

增强现实辅助的互认知人机安全交互系统

在现代制造业中,人和机器人的交互共融是制造智能化的焦点问题之一。在人机交互中,机器人对工人的伤害风险是影响安全生产的关键因素。然而,在动态、不确定性的人机交互环境中,目前的人机安全交互系统仍然是基于机器人对环境的感知实现被动避让,缺乏基于互认知的自适应决策。为提高人对环境的认知能力,并增强机器人的自主避让和自适应能力,设计并实现了一种基于可穿戴增强现实技术的互认知人机安全交互系统。其中,可穿戴增强现实设备作为人机交互的媒介,实现机器人的虚实注册和工作环境的虚拟映射,收集人、机器人和作业空间的信息,实时为操作人员和机器人提供互认知辅助。互认知人机安全交互系统从三个方面确保人机安全：根据人机距离的机器人速度控制和安全区域可视化;虚实映射的运动预览和碰撞检测;基于深度强化学习的机器人避障策略。最后,通过搭建原型系统验证了所提出系统设计方法的可行性,以期促进先进人工智能技术与人机交互技术的融合发展,实现人机共融、安全协作。     

Autonomous Behaviour in Automated Manufacturing Systems

In this paper, a decision-theoretic approach is provided to model the autonomous behaviour among intelligent agents, e.g. machines, in automated manufacturing systems (AMS). The automated manufacturing systems make available agile manu-facturing systems with the characteristic of quick response to the customers’ needs. An autonomous agent can use the decision method to model multi-agent situations and behave rationally based on this decision-theoretic approach. The AMS is constructed in a matrix framework for rule-based controller design. The controller is comprised of inner and outer loops, where the inner loops are decision-free with no shared-resource problems. The outer loops involve shared-resources, parts dispatching, and route selection, and so require a conflict resolution command input, uc. The decision-making input uc is selected based on an agent-oriented paradigm. This paradigm views the production process in an automated manufacturing facility as distributed among autonomous manufacturing agents. The payoff matrix representation and operations research techniques are used to facilitate the agents’ decision making. This paper shows how the matrices depicting the decision-making situations of manufacturing agents can be arrived at. An example with a reentrant flow system characteristic for semiconductor manufacturing plants is provided.     

基于多自主体的分布式智能制造系统研究

介绍一个基于多自主体的分布式智能制造系统框架。利用分布式人工智能原理,建立一种没有中心控制器的智能制造环境,制造系统中的各功能子系统通过智能自主体连接到智能制造网络上,通过消息机制进行交流,使得信息、知识、制造设备以及人的智能都成为网络上的共享资源。     

立足于企业现状的智能制造及发展

介绍了以德国工业4.0与中国制造2025为代表的各国工业发展战略计划,分析了大部分制造企业存在的亚健康症状,论述了数字化是智能制造的基础这一论点。提出实施智能制造,一方面必须针对企业现状,另一方面要面向未来的发展趋势。对制造执行系统进行了分析,并对比了制造执行系统中的生产计划与企业资源计划系统中的生产计划,给出了智能制造发展三阶段、生产管理和控制三层次、企业金字塔计划和控制模式。在企业实施智能制造、提高经济效益的过程中,制造执行系统是最佳切入点。     

Hybrid modeling for smart roller leveling in precision magnetic scale manufacturing

Journal of Mechanical Science and Technology - In smart manufacturing, machines are interconnected through cyber physical system (CPS) to achieve efficient manufacturing production. Manufacturing...     

智能制造系统的多Agent模型研究

提出了一个智能制造系统的多Agent模型，其中Agent代表基本的处理实体，Agent的特性用Petri网来表示。由于Agent具有自主性、社会交互性、反应能力和预动能力的特点，使得能够进行分布式决策，而系统的合作是通过通讯和协商解决的。Agent在交互的过程中被赋予角色，从而能够满足智能制造中复杂过程建模灵活性的需求，并能够构建一个可重用部件的扩展框架。