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2023-06-23
智能制造技术的机理与应用
【摘要】：图1-7人—物理系统数字化制造、数字化网络化制造与“人—信息—物理系统”与传统制造系统相比，第一代和第二代智能制造系统发生的本质变化是，在人和物理系统之间增加了信息系统，信息系统可以代替人类完成部分脑力劳动，人的相当部分的感知、分析、决策功能向信息系统复制迁移，进而可以通过信息系统来控制物理系统，以代替人类完成更多的体力劳动。
智能制造涉及智能产品、智能生产以及智能服务等多个方面及其优化集成。从技术机理角度看，这些不同方面尽管存在差异，但本质上是一致的，下面以生产过程为例分析智能制造的技术机理。
（1）传统制造与“人—物理系统”
传统制造系统包含人和物理系统两大部分，是完全通过人对机器的操作控制去完成各种工作任务。动力革命极大地提高了物理系统（机器）的生产效率和质量，物理系统（机器）代替了人类大量体力劳动。传统制造系统中，要求人完成信息感知、分析决策、操作控制以及认知学习等多方面任务，不仅对人的要求高，劳动强度大，而且系统工作效率、质量还不够高，完成复杂工作任务的能力还很有限。传统制造系统可抽象描述为图1-7所示的“人—物理系统”（human-physical systems，HPS）。
图1-7 人—物理系统
（2）数字化制造、数字化网络化制造与“人—信息—物理系统”
与传统制造系统相比，第一代和第二代智能制造系统发生的本质变化是，在人和物理系统之间增加了信息系统，信息系统可以代替人类完成部分脑力劳动，人的相当部分的感知、分析、决策功能向信息系统复制迁移，进而可以通过信息系统来控制物理系统，以代替人类完成更多的体力劳动。
第一代和第二代智能制造系统通过集成人、信息系统和物理系统的各自优势，系统的能力尤其是计算分析、精确控制以及感知能力都得以很大提高。一方面，系统的工作效率、质量和稳定性均得以显著提升；另一方面，人的相关制造经验和知识转移到信息系统，能够有效提高人的知识的传承和利用效率。制造系统从传统的“人—物理系统”向“人—信息—物理系统”（human-cyber-physical systems，HCPS）的演变可进一步用图1-8进行抽象描述。
图1-8 人—信息—物理系统
信息系统的引入使得制造系统同时增加了“人—信息系统”（human-cyber systems，HCS）和“信息—物理系统”（cyber-physical systems，CPS）。美国在21世纪初提出了CPS的理论，德国将其作为“工业4.0”的核心技术。CPS在工程上的应用是实现信息系统和物理系统的完美映射和深度融合，“数字孪生体”（digital twin）即是其最为基本且关键的技术，由此，制造系统的性能和效率可大大提高。
（3）新一代智能制造与新一代“人—信息—物理系统”
新一代智能制造系统最本质的特征是其信息系统增加了认知和学习的功能，信息系统不仅具有强大的感知、计算分析与控制能力，更具有学习提升、产生知识的能力，如图1-9所示。
在这一阶段，新一代人工智能技术将使“人—信息—物理系统”发生质的变化，形成新一代“人—信息—物理系统”。主要变化在于：第一，人将部分认知与学习型的脑力劳动转移给信息系统，因而信息系统“认知和学习”的能力，人和信息系统的关系发生了根本性的变化，即从“授之以鱼”发展到“授之以渔”；第二，通过“人在回路”的混合增强智能，人机深度融合系统将从本质上提高制造系统处理复杂性、不确定性问题的能力，极大地优化制造系统的性能。
图1-9 新一代“人—信息—物理系统”
新一代智能制造进一步突出了人的中心地位，是统筹协调“人”“信息系统”和“物理系统”的综合集成大系统，将使制造业的质量和效率跃升到新的水平，并使人类从更多体力劳动和大量脑力劳动中解放出来，可以从事更有意义的创造性工作，人类社会开始真正进入“智能时代”。
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2023-06-23
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