中国智能制造与自动化专业人才培养

1、中国智能制造与自动化专业人才培养2015年7月24日智能制造的发展需求与自动化理论的发展过程智能制造对人才培养的启发1.2.分布式控制结构网络化控制环境智能制造的信息安全目 录国家研发计划 先进制造领域制造基础技术与关键部件智能机器人网络协同制造3D打印与激光制造国家研发计划 信息领域物联网与智慧城市宽带通信与新型网络光电子器件及集成战略地位智能制造科技发展“十二五”专项规划（中华人民共和国科学技术部2012年3月27日印发）建立智能制造基础理论与技术体系 重点突破设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化中的基础理论与共性关键技术。发展目标智能制造中国2025 新的投资靶点现代传感技术、

2、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程、制造过程和制造装备智能化是信息技术和智能技术与装备制造过程技术的深度融合与集成智能制造以智能工厂为代表的流程制造试点；以数字化车间为代表的离散制造试点；以信息技术深度嵌入为代表的智能装备和产品试点；以个性化定制、网络协同开发、电子商务为代表的智能制造新业态试点；以物流信息化、能源管理智慧化为代表的智能化管理试点；以在线检测，远程诊断和云服务为代表的智能服务关于开展2015年智能制造试点示范专项行动的通知工信部 2015.3.18新一代信息技术、高档数控机床和机器人航空航天装备海洋工程

3、装备及高技术船舶先进轨道交通装备节能与新能源汽车电力装备新材料生物医药及高性能医疗器械农业机械装备李克强总理 2015.3.2510大领域传统制造与智能制造1. 整个生产过程中贯穿智能活动2. 智能活动与智能机器有机融合 (软硬结合)，不单单是智能 设备的应用3. 各个环节以柔性方式集成起来4. 以全流程的优化为整体目标， 从而能发挥最大生产力 单纯提高精度或速度为指标 智能化、全流程优化度较低 高能耗高排放，劣势明显 节能减排任务艰巨传统制造智能制造制造业发展趋势智能化 以数字化、柔性化及系统集成技术为核心 大数据处理技术支撑 通过工业化批量生产方式同样满足个性化需求绿色化 废弃物回收利用技

4、术 可再生循环技术 节能减排到2018年重点行业大中型企业工业化信息化融合处于提升阶段的达到80%以上。内生动力关键因素能源效率 在制造业，能源效率是一项最主要的竞争因素。通过将智能活动与智能设备相结合，并将生产过程各环节以柔性方式集成，实现全流程优化，以达到节能增效的目标。自动化理论与技术物理自动化信息自动化知识自动化自动化理论方法与技术演变物理自动化信息自动化智能制造自动化理论方法与时俱进传感器、变送器、执行机构、控制器 基础自动化实现了物理自动化飞球调速器变频泵恒压控水系统集中控制系统物理自动化控制理论与方法成功的应用于各领域系统控制模型控制优化工业现场中央控制室电缆线电缆线System

5、: Point-Point物理自动化现有的控制优化方法为集中式SISO系统/MIMO系统 稳态优化/动态控制控制系统为集中分散结构仪表 计算机 DCS NCSPLC中控室动态优化目标约束稳态优化系 统控制输入测量值控制器经济指标输出MPC物理自动化信息自动化From H. Kirrmanns PPT (ABB)DCS、智能仪表、网络通讯技术 分层递阶控制DCS现场总线技术智能设备网络技术实现了信息自动化信息自动化Partly From Qins PPT信息自动化FCPCTCLCFCPCTCLC全局稳态优化 装置1: 局部优化 （稳态优化或实时动态优化）高/低 选择逻辑PIDLead/LagPI

6、DSUMSUM装置1：集散控制系统 PID模型预测控制Model Predictive Control(MPC)装置2： 集散控制系统 PID 装置2: 局部优化 （稳态优化或实时动态优化）ERP现代控制理论预测控制自适应控制模糊控制神经网络物理自动化信息自动化实际需求推动了理论的发展信息技术和网络环境改变了传统的结构和方法通讯、计算、控制等领域知识相互融合和渗透仍有许多新的问题需要探索Control in an Information Rich World Report of the Panel on Future DirectionsControl, Dynamics and System

7、s2002智能交通网络物联网技术Cyber-Physical Systems (CPS)嵌入式=计算+控制通信网络CPS 通过计算、通信和控制（3C）的有机融合与深度协作，实 现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务对比物联网 CPS强调对物的实时控制与服务对比软件系统 CPS强调信息处理与物理过程的协同对比嵌入式 CPS将计算和通信能力嵌入到传统的物理系统之中Cyber-Physical SystemsCyber-physical networks can be viewed as hierarchical, complex control systems. Networked cont

8、rol tools will play a pivotal role in managing these networks. Health NetworksSocial NetworksUtility NetworksTransportation NetworksFinancial Networks.EnvironmentMonitorsCyber-Physical SystemsData userInformation networkPower gridCyber-Physical SystemsData Information DecisionCyber-Physical SystemsH

9、ybrid Industrial Control NetworksCyber-Physical SystemsCyber-Physical SystemsFramework物理/信息系统紧密耦合计算/通信深度嵌入到物理对象；通信受到来自物理对象的严格时空约束；计算需要支持不同的时空粒度异构网络互联异构网络并存，以满足多种应用QoS需求不同网络间资源限制及协议体系对多网协同调度提出挑战海量多源数据物理与信息的融合产生海量数据(Big Data)来自环境、测量、通信及物理过程的不确定性激增分布式感知/计算/控制嵌入式物理设备之间借助通信与计算功能产生多域耦合集中、单一的控制模式不再适用于CPS安全

10、性要求安全问题贯穿信息与物理全过程，攻防关系更为复杂共性特征Cyber-Physical SystemsCyber-Physical Systems架构设计感知、传输、控制一体化架构CPS结构设计与宏观性能协同CPS实时控制与优化运行CPS信息获取与智能处理建立边界约束ControlInformationSensingCyber-Physical SystemsCPS系统的复杂性、分散性、开放性决定物理世界的多个应用/任务需要信息空间分布式协同计算多任务并行计算受到计算能力、计算功耗、存储、通信限制Cyber-Physical Systems协同计算Cyber-Physical Systems

11、远程探测海底探测多UAV联合搜救从机械手主机械手有线/无线网络视觉反馈控制界面双向信息传输位置/速度/力/视觉/触觉等信息网络化遥操作机器人系统实际对象信息采集/传输/控制相互耦合瓶颈问题整体最优与局部资源限制控制与信息处理的联合设计与优化研究内容感知传输控制一体化设计第四次工业革命European：Industry Development Strategy Guideline for the next decadesFirst used in 2011 at theHanover Fair目标：智能工厂 (Smart Factory) 适应性 ( Adaptability)资源效率 ( Re

12、source Efficiency)工作环境改造（Ergonomics）客户商业伙伴的集成技术基础：Cyber-Physical Systems物联网/wiki/Industry_4.0知识自动化虚拟空间（计算、通信与控制）与物理系统深度集成智能基础设施安全应急响应快速恢复环境监控可持续信息物理系统概念能源与交通节能泛在计算、感知与控制多层次、多尺度的网络化动态重组与重构高度自动化可靠性、物理安全、信息安全、可用性的高度确保与互相依赖智能制造的内涵价值链的横向集成网络化制造系统的纵向集成端对端工程数字化集成基于信息互联互通和大数据的知识学习与预测，实现产品全生命周期（设计开发、产品规划、生产制

13、造、销售服务）的优化跨企业的协同与优化需求变化：订单、原材料、用户、环境（网络安全）数字化建模与仿真个性化需求群智生产模式企业内部集成需求变化下的系统优化与重构Industrial Cyber-Physical System(iCPS)拟解决的关键科学问题：1工业信息智能感知与多层域泛在互联2工业大数据关联计算与知识发展3人机物系统协同调控与智能优化4工业信息物理系统可信增强与安全防护Industrial Cyber-Physical SystemI.工业信息智能感知与多层域泛在互联 如何通过非侵入性原位检测技术实时精准感知系统参量，同时有效结合模型及数据驱动预测方法降低时滞相关效能损失？ 如

14、何有效地通过数据与物理模型结合及传感器优化配置提高感知信息的时空覆盖度？ 如何通过工业互联网络协作精准地感知生产系统的全方位信息，并由获取的信息通过本地分析来提高数据的有效性与精确度？ 如何通过数据积累与信息交互，挖掘并发现新的知识，在工业互联网络上建立知识的传播与自我管理机制？工业信息智能感知与泛在互联是工业生产知识体系的基础和前提，而实时精准地感知是iCPS协同调控、智能优化和安全防护的基础。Industrial Cyber-Physical System 如何对海量高维异构跨域工业数据进行统一表达，通过动态数据的关联分析来全景表征工业生产物理系统？ 如何从海量数据挖掘生产过程中的本质信息

15、，解决辨识建模、知识发现等难题，实现在线工况判断、行为预测、故障诊断、瓶颈定位？ 如何通过协同交互可视分析和虚拟仿真，建立全供应链的动态行为分析和自适应模型更新机制，实现精准的生产管理和运行维护？工业信息智能感知与泛在互联是工业生产知识体系的基础和前提，而实时精准地感知是iCPS协同调控、智能优化和安全防护的基础。准确刻画系统实际运行状况，充分融合工业装置的内在运行机理和人工运行经验，并进行更高层次的模型抽象和知识发展，为工业系统运行的“安稳长满优”提供重要的支撑。II.工业大数据关联计算与知识发现Industrial Cyber-Physical SystemIII.人机物系统协同调控与智能

16、优化整合和协同工厂运行相关的关键信息、经验、知识和模型，实现各层次生产经营过程的智能调控与综合优化。 如何将工厂的整体运行与外部原材料供应、能源网络、物流市场、社会环境进行有效关联、互动和融合，建立生产运行综合效能与原料状态、市场需求变化等信息的关联模型及其自适应修正机制？ 如何在系统数学模型中准确表征产品质量、操作运行平稳性、物耗能耗、设备效能等关键指标，综合考虑产品产量、关键操作变量范围和变化、物耗能耗等复杂约束，以及人-机-物的协同决策机制？ 如何解决全流程（大规模）、工况大范围变化（非线性）、模型和数据畸变（多重不确定性）、混杂动态变化（连续和离散过程耦合）的多约束、多目标实时调控和优

17、化难题？Industrial Cyber-Physical SystemIV.工业信息物理系统可信增强与安全防护可信增强与安全防护是实现信息流和物质流的双向交互和调控、进而大幅提升生产效率的前提和系统成败的关键。 如何建立信息物理系统的混合模拟理论和计算方法，解决工业生产过程恶意入侵样本匮乏和实测代价巨大的难题？ 如何如何建立信息物理统一安全测度和灾变演化理论，解决面向恶意入侵与功能故障的异常行为监测与预测难题？ 如何利用生产过程中信息流和物质流的互为映照关系，建立可信增强的轻量化理论体系，解决安全防护与生产效率之间的深刻矛盾？Industrial Cyber-Physical Systemi

18、CPS研究面临的主要挑战综合认知难关键运行信息和重要过程参数难以获取，造成过程信息不完备甚至检测机理失效。如何实时综合认知信息/物质/能量流及其相互作用机制？过程状态与全流程综合生产目标关系复杂，难以全面刻画非稳态、强非线性等本质特征。工业生产中多变量、强耦合、非线性、大时滞、欠调节、间歇式/连续式控制并存。非正常工况在早期极难被检测和诊断、工业系统的日益开放性等导致系统安全风险增加。如何揭示多尺度耦合关联，建立工业系统多时空全景表达？如何解决复杂约束下的协同调控问题，以实现高效综合优化？如何突破约束，实现全面、系统的安全性检测与防护？融合表达难协同调控难安全防护难Industrial Cyb

19、er-Physical System进一步研究的科学问题信息层面强关联性系统状态耦合关系、控制目标约束、多种产品质量的匹配 工况变化控制目标变化关联不确定性关联时变性当前学术界与工程界广泛关注的前沿方向分布式流程工业控制系统子系统控制器关联结构自组织结构关联与性能指标分解知识关联性信息结构的划分关联结构自适应故障情况结构自愈开放的系统结构信息结构自适应分布式控制系统的优化协调开放结构 自组织控制优化算法、适应结构变化并保证性能系统维修（部分系统停止工作）工艺技术改造 （新的子系统、工艺变化）产品变化（工艺变化）分散的系统组合集成DS1DS3DS2新的DS1分布式系统共识决策与整体优化流程工业知

20、识自动化设备与设备网络自动化物理自动化设备软硬件分离，开放、标准化接口，即插即用（自联网、自更新、自感知、计算与执行）硬软件捆绑，封闭专用，难以更新知识自动化设备软件定义机器云服务系统设备网络自动化：自调节、自组织（根据实时需求对流程工业结构和物理控制系统拓扑进行在线配置和组合，包括针对模型，数据，通信和计算算法的所有相关要求。流程工业控制的智能网络协调流程工业系统可用性与安全性的纵深防护理论安全性 vs 可用性？工控系统纵深防御实践CPS安全防护框架流程工业CPS系统多层次防护体系工业流程CPS混合系统安全建模理论工业流程系统信息漏洞和典型攻击分析联合网络流与系统状态知识的安全检测基于系统语

21、义知识的自动化弹性控制流程工业控制系统的安全性智能制造对人才培养的启发2.分布式控制结构（传统集中式分布式）DCS，PLC, 传感器、变送器(至上而下的系统结构)Form H. Kirrmanns PPT (ABB)系统结构的转变科学技术的发展规模越来越大，流程越来越复杂现场总线、智能仪表、网络通讯技术 控制结构和模式转变集中式控制分布式控制无线传感网络现场总线技术分布式控制系统智能设备网络技术系统横向交换信息底层单元可独立控制系统结构的转变现场总线，网络通讯技术发展 控制结构和模式转变计算量灵活性容错性可靠性全局性能集中式控制分布式控制控制理论控制方法？上海石化分布式控制系统 System:

22、 Unit-Unit系统结构的转变分布式大系统能源电网系统城市交通系统污水处理系统集成制造系统城市排水管网灌溉系统大化工过程分布式大系统特征组成单元多空间分布广相互关联（能量、质量、信息）模型复杂，约束多，目标多能源电网交通系统污水处理集成制造大化工过程系统结构的转变对人才培养带来的启发系统结构: 从理论上建立学生对工程大系统的认识； 补充分布式系统理论介绍性的教学课程。对人才培养带来的启发控制模式: 加强对分布式系统结构特点的分析介绍； 开展分布式控制理论方法的指导教学。智能制造对人才培养的启发2.网络化控制环境（下一代网络通信环境）下一代通信网络 NGN(Next Generation Network) 特点是具有高的： 普遍性 可靠性 灵活性 移动性 内容丰富性网络通信环境网络通信环境对于分布式网络体系结构提升了网络控制系统传输信息的种类，效率及可靠性网络通