2024智能制造导论

第一章智能制造概述——工业革命制造概述1第一次工业革命2第二次工业革命3第三次工业革命45第四次工业革命“直立和劳动创造了人类，而劳动是从制造工具开始的。动物所做的事情最多是收集，而人类则从事生产。”

——恩格斯制造活动在人类出现以前便存在，并伴随着人类的生产生活不断发展，从手工生产，机械化生产，电气化生产，自动化生产到即将到来的智能制造，制造业的发展必将深刻影响着人们生活和工作。1、制造概述1.1

制造记载关于制造的中国古代传说：伏羲师蜘蛛而结网——《抱朴子·对俗》1、制造概述1.1

制造记载关于制造的典籍记载徽宗崇宁四年，岁次乙酉，制造九鼎。——宋《能改斋漫录·记事一》请你取用香料，即苏合香、没药、枫子香、纯乳香，各种香料必须重量相同，然后按照制造香料的技术制造熏香——圣经《旧约》（上述“制造”与现代“制造”的含义相同）1、制造概述1.1

制造记载锤子的制造过程，利用钢锯等工具按尺寸完成下料；零件加工完成切削、打磨、钻孔、车、攻螺纹和套螺纹等工作；装配完成后，还需要通过检验、包装。零件加工毛坯制作 零件装配1、制造概述1.2

制造定义（1）制造狭义定义为把原材料加工成适用的产品或器物。制造原材料 产品产品设计

材料选择

制造生产设计等一系列工

要求选择合适材

整个产品的调质量保证 营销和管理1.2

制造定义（2）制造的广义定义：包括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的运作和活动。(1990年，国际生产工程学会（CIRP）提出)作料试和装配从客户需求出发，根据设计产品功

完成产品零件

使人们确信产制定设计任务书、能、性能以及加

加工和部件装

品能满足质量在产品生命周期中各过程的管理。瞄方案设计和技术

工工艺和经济等

配过程，完成

要求的有计划

准消费者的需求和和有系统的活

期望进行营销动1、制造概述设计选材-玻璃机身自动化制造质量检测-稳定性营销管理1、制造概述1.2

制造定义手机的制造过程磨工刨工1、制造概述1.3

制造分类1.减材制造：通过刀具减少或去除材料的加工方式，最终成型为所需部件的工艺类型，如车、铣、刨、磨……对于常规形状的零件能实现高的生产效率以及非常紧密的公差。车工铣工2.材料基本不变：利用工具及模具使得加工制件的少切削或无切削的工艺方法。如锻造、铸造、冲压……可以形成复杂的形状和细节，适用于大批量生产。锻造铸造冲压1、制造概述1.3

制造分类3.增材制造：通过离散-堆积使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体。能赋予完整的几何自由度去构建具有复杂内部结构和功能的零部件。3D打印机打印过程——分层打印、逐层叠加1、制造概述1.3

制造分类制造概述1第一次工业革命2第二次工业革命3第三次工业革命45第四次工业革命按照德国对工业发展的时代的划分，当前工业发展已经经历了三次工业革命，并且第四次工业革命正在发生。2、第一次工业革命2、第一次工业革命2.1

技术革命近代制造——第一次飞跃早期制造大多为手工制造，典型代表为作坊。

18世纪60年代，由蒸汽机驱动的机器在英国诞生，

先后传入法国、德国和美国，经过一段时间的发展，机器代替了手工，工厂代替了作坊，这是人类技术发展史上一次巨大的飞跃，由手工制造时代进入机器制造时代。瓦特改良的第一台蒸汽机（被命名为“太阳和行星”，现陈列于伦敦科学博物馆）詹姆斯·瓦特（1736—1819，英国发明家）2、第一次工业革命2.1

技术革命汽转球巴本蒸汽机纽科门蒸汽机瓦特蒸汽机2、第一次工业革命2.1

技术革命蒸汽机的发展过程人力纺纱机机械纺纱机2、第一次工业革命2.2

对生产影响蒸汽机工厂手工作坊2、第一次工业革命2.2

对生产影响

1769年，法国陆军军官尼古拉斯·约瑟夫·库诺和他制造的世界上第一辆蒸汽驱动的三轮车，这辆车被命名为“卡布雷奥”2、第一次工业革命2.3

对生活影响1807年，美国人富尔顿发明了蒸汽汽船，他使用从英国进口的万能蒸汽机，驱动客轮在哈德孙河航行，揭开了蒸汽轮船时代的序幕。富尔顿发明的第一艘蒸汽轮船“凤凰”2、第一次工业革命2.3

对生产影响2、第一次工业革命2.4

意义彻底改变人类生产和生活面貌.从此人类进入了“蒸汽时代”，以往传统动力驱动的装置由蒸汽机驱动，极大提升了生产效率。不仅如此，蒸汽机的出现还推动了一系列新兴产业的发展，火车、汽车、轮船、机械化工厂开始出现，一个工业化社会雏形就形成了。制造概述1第一次工业革命2第二次工业革命3第三次工业革命45第四次工业革命3、第二次工业革命3.1

技术革命电的发现2500

多年前，古希腊人首次发现了毛皮摩擦过的琥珀能够吸引一些微小的东西，随后经过一段时间的探索，人们又发现了电荷分为“正电荷”和“负电荷”，对电的发现贡献最大的为富兰克林的“风筝实验”。历山德罗·朱塞佩·安东尼奥·安纳塔西欧·伏特（1745－1827，意大利物理学家）电的使用人们第一次获得可以人为控制的持续电流始于伏打电池的发明。这为今后电流现象的研究提供了物质基础。3、第二次工业革命3.1

技术革命迈克尔·法拉第（1791—1867）第一台实验性发电机3、第二次工业革命3.1

技术革命1821年，法拉第发明了第一台电动机。1831年，法拉第发现当一块磁铁穿过一个闭合线路时，线路内就会有电流产生，这个效应叫电磁感应。在此基础上发明了世界上最早的第一台实验性发电机。煤油灯电灯（1878年）3、第二次工业革命3.2

对生活影响老式电影放映机《朗德海花园场景》（1888年，人类历史上第一部电影,时长只有2秒）3、第二次工业革命3.2

对生活影响3、第二次工业革命3.3

对生产影响第二次工业革命使生产组织发生变化，1913年4月,福特公司试验了第一条流水线,用来装配飞轮磁电机。一台电机的装配需要20分钟,流水线把装配工作分解成29道工序,时间减少到13分10秒。3、第二次工业革命3.3

对生产影响《摩登时代》（Modern

Times）

，

是查理·卓别林（Charles

Chaplin）导演并主演的一部经典喜剧电影，于1936年上映。本片故事发生在美国20世纪30年代经济萧条时期，工人查理（卓别林饰）天挣扎在生产流水线上的，由于他的任务是扭紧六角螺帽，结果最后在他的眼睛里唯一能看到的的东西就是一个个转瞬即过的六角螺帽。3、第二次工业革命3.4

意义电力开始用于带动机器，成为新的主要能源；流水线生产方式大幅提高了劳动生产率，也减低了对劳动者的技术要求，降低生产成本。

1870年以后，由此产生的各种新技术、新发明层次不穷，并被应用于各种工业生产领域，人类进入了电气时代。制造概述1第一次工业革命2第二次工业革命3第三次工业革命45第四次工业革命4、第三次工业革命4.1

技术革命电气时代常用继电器电路控制电机、电灯等电气设备，实现了远距离和对大功率电路的控制。继电器电路配线但是随着流水线复杂程度的提高，继电器、接触器控制系统也越来越复杂，修改难、体积大、噪声大、维护不方便以及可靠性差等缺点制约着生产的发展。4、第三次工业革命4.1

技术革命从20世纪50年代开始，电子技术和信息技术飞速发展，出现电子计算机融合给工业迎来了新和新一代通信技术，且两者的有机革命性发展机遇。4、第三次工业革命4.1

技术革命电子技术特点图片应用电子管（真空管）（1946-

1958）以电子管为主要电路元件；体积大、功耗高、可靠性差、速度慢、价格昂贵。第一台计算机晶体管（1959-

1964）以晶体管为主要电路元件；晶体管尺寸小，重量轻，寿命长，效率高，发热少，功耗低；使用面向过程的程序设计语言，如fortran等。的第一台晶体管计算机中小规模集成电路（1965-

1970）计算机变得更小、功耗更低、速度更快；出现操作系统；BASIC语言。第一台电子计算机大规模集成电路和超大规模集成电路（1971—）1.一个芯片上容纳几百个元件，计算机体积更小，运算更快；2.IBM于1981年推出个人计算机。第一台个人计算机信息技术标志时间第一次语言的使用距今约35000年～50000年前第二次文字的创造公元前3500年第三次印刷的发明公元1040年，我国开始使用活字印刷技术(欧洲人1451年开始使用印刷技术)。第四次电报、电话、广播和电视的发明和普及应用1837年美国人莫尔斯研制了世界上第一台有线电报机。第五次电子计算机的普及应用及计算机与现代通信技术的有机结合。始于20世纪60年代4、第三次工业革命4.1

技术革命信息技术——用于管理和处理信息的技术总称。。PDP—14PDP—14

内部集成电路4、第三次工业革命4.2

对生产影响随着信息技术的发展和集成电路的出现，1969

年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14

，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，这是第一代可编程逻辑控制器，称Programmable

Logic

Controller，简称PLC，是世界上公认的第一台PLC西门子PLCPLC控制柜4、第三次工业革命4.2

对生产影响PLC用电子开关取代了控制电路中中间继电器的机械开关，开关频率可达上亿次每秒，且不会产生电弧而造成设备老化甚至爆炸事故。PLC可控制几十上百个设备，接线电路简单，极大的提高了自动化水平，进一步解放人类劳动。例子：某自动化装配实验室PLC控制系统架构图成品库单元检测单元上层装配单元转接板装配单元出站库单元4、第三次工业革命4.2

对生产影响通讯、购物、交通等4、第三次工业革命4.3

对生活影响第三次科技革命不仅带来了物的现代化，引起劳动方式和生活方式的变革，而且也造就了新一代人与之相适应，使人的观念、思维方式、行为方式、生活方式逐步走向现代化。4、第三次工业革命4.4

意义第三次工业革命利用信息技术，实现了大规模自动化生产，大幅提高了制造业的效率，极大地推动了生产力的发展，进入自动化时代。同时也进一步解放了人类体力劳动，改变了人们的生活观念，提高了人们的生活水平，奠定了现代生活的基础。制造概述1第一次工业革命2第二次工业革命3第三次工业革命45第四次工业革命5、第四次工业革命5.1

技术革命2011年汉诺威工博会提出工业4.0（Industry

4.0）概念，即第四次工业革命。2013年，德国政府正式推出“工业4.0”战略。工业4.0是智能工厂和智能制造的集合体，包括智能设备、智能物料、物联网（IoT）、IPv6等。5、第四次工业革命技术革命1 智能设备感知 处理 决策感知能力即通过传感器像人一样可以感知温度、分辨颜色、测量距离等；处理能力即通过计算机的强大计算能力对感知数据进行处理；决策即决定何时、如何执行何种任务。视觉识别语音识别力识别与人交流……5、第四次工业革命5.1

技术革命（1）智能设备——智能机器人身份标签身份识别5、第四次工业革命5.1

技术革命（2）智能物料原料：拥有自己的名称和地址，具备各自的身份信息；“知道”什么时候、哪条产线或哪个工艺过程需要它们，达到各自目的地；产品：加工完成后进行质量检测不合格或损坏维修时，可以追溯物料加工过程；集控制、运算、交互于一身，能够进行自检测甚至自维修。5、第四次工业革命5.1

技术革命（3）物联网（Internet

of

Things,

IoT）与IPv6物联网（IoT）——物+互联网，实现万物互联互通。在智能工厂中物联网将智能设备、智能物料、人之间相互联系起来，共同决策。IPv6——互联网协议第6版，为每一个联网物体分配一个唯一的ID，号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址。计算机上的IPv6协议5、第四次工业革命5.2

意义第四次工业革命可以实现大规模个性化定制、远程运维、网络协同制造等新型生产方式，生产自组织、柔性化程度逐渐提高，进入智能化时代。同时也进一步解放了人类体力劳动和部分脑力劳动，对人们的生活方式如购物方式也会产生极大改变。Thank

you

for

listening!谢谢聆听!第一章

智能制造概述——智能制造智能制造的提出12数字化阶段数字化网络化阶段3数字化网络化智能化阶段41.1制造模式的发展与演进

从制造业发展历程看，人类制造模式经历了手工生产、机器生产、大规模批量生产等阶段。20世纪80年代以来，随着电子信息技术的应用，制造业自动化水平大幅提高，出现了并行工程、精益生产、敏捷制造等先进制造模式。这些先进制造系统模式及其理论与方法为全球制造业的发展提供了重要的理论和方法。

21世纪以来，随着信息技术的发展，尤其是互联网技术与制造技术的融合，制造业呈现数字化、智能化趋势，定制化、分散化生产方式开始兴起，使得二十

世纪八十年代产生的智能制造的概念逐步得以

实现。制造模式发展过程1、智能制造的提出智能制造——制造是主体，智能是主导，人是主宰。智能制造的提出源于人工智能（Artificial

intelligence,

AI）在制造领域中的应用研究，新一代人工智能技术的出现推动着智能制造的发展。约翰·麦卡锡（1927-2011）——人工智能之父“人工智能是研制智能机器的一门科学与技术”1、智能制造的提出1.2

提出1988年，美国赖特（Paul

Kenneth

Wright）、伯恩（David

Alan

Bourne）正式出版了智能制造研究领域

的首本专著《制造智能》（Manufacturing

Intelligence，Addison-Wesley，1988），就智能制造的内涵与前景

进行了系统描述，将智能制造定义为“通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制来对制造技工们的技能与专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人工干预的情况下进行小批量生产”。《制造智能》（Manufacturing

Intelligence）PaulKenneth

WrightDavidAlan

Bourne1、智能制造的提出1.2

提出定义的补充和发展在此基础上，英国技术大学Williams教授对上述定义作了更为广泛的补充，认为“集成范围还应包括贯穿制造组织内部的智能决策支持系统”。麦格劳-希尔科技词典将智能制造界定为，采用自适应环境和工艺要求的生产技术，最大限度的减少监督和操作，制造物品的活动。智能制造最新的定义：基于新一代信息技术，贯穿设计，生产，管理，服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知，智慧优化自决策，精准控制自执行等功能的先进制造过程，系统与模式的总称。具有以智能工厂为核心，以端到端数据流为基础，以网络互联为支撑等特征，实现智能制造可以缩短产品研制周期，降低资源能源消耗，降低运营成本，提高生产效率，提升产品质量。1、智能制造的提出智能制造实例1——传统机械人+机器视觉传统搬运机器人只能按照已有程序从开始位置抓取物料按固定路线到达终点并卸货，当物料位置偏移或路线有障碍时，机器人将无能为力。如果给机器人装上视觉，即像人一样拥有眼睛，便可以确定物料位置、越过障碍等，机器人就更加智能了。1、智能制造的提出1.4

实例智能制造实例2——传统机械人+互联网传统机器人之间不能相互交流，就像一个人被关进小黑屋。当机器人联网后，就加上了“嘴巴”，具有“说话能力”，能与别的机器人或人员进行信息交换，通力合作完成任务。1、智能制造的提出1.4

实例1、智能制造的提出1.5范式演进

智能制造是一个不断演进发展的大概念，可归纳为三个基本范式：数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造——新一代智能制造，这也是智能制造发展的三个阶段。

一方面，三个基本范式依次展开，各有自身阶段的特点和需要重点解决的问题，体现着先进信息技术与制造技术融合发展的阶段性特征；另一方面，三个基本范式在技术上并不是决然分离的，而是相互交织、迭代升级，体现着智能制造发展的融合性特征。智能制造的提出2数字化阶段数字化网络化阶段数字化网络化智能化阶段134What?Why?How?数字化——用数字表达What：数字化其实就是一个量化的过程，就好像我们想要表达今天的温度，最让人清楚的表达方式不是说今天好热今天好冷，而是今天xx摄氏度。Why：数字更让人看得见摸得着，数字化后机器才能储存、识别、处理、传输等。How

：

通过传感器把物体属性（

如汽车速度、环境温度等）测量出来，形成数据。2、数字化阶段2.1

什么是数字化第一台数控铣床人工控制机床2、数字化阶段2.2数字化发展50年代，数控（Numerical

Control，NC）机床在美国第一次出现，在大幅度提高工作效率的同时完成了从人工控制向自动化的过渡；自动编程工具（AutomaticallyProgrammed

Tools，APT）诞生，简化了数字化生产的流程；第一台加工中心在美国UT公司被研制出，集成了多种加工方式和工序，进一步精益化生产流程。人工制图计算机制图2、数字化阶段2.2数字化发展60年代，计算机辅助设计/制造（Computer

Aided

Design/Manufacturing，CAD/CAM）软件出现，使得产品设计和制造过程更具高效；柔性制造系统（Flexible

ManufacturingSystem，FMS）的诞生改变了传统制造流程形式，大大提升了硬件设备的生产能力。2.2数字化发展70年代，CAD和CAM技术的融合，可以集成到同一个软件里，CAD根据客户需求设计出模型后直接转化成CAM文件，机床即可根据制造程序进行生产，使得信息交互变的更加规范。需求生产CAD CAM信息孤岛逐渐融合2、数字化阶段2、数字化阶段2.2数字化发展80年代，计算机集成制造系统（Computer

Integrated

Manufacturing

System，CIMS）通过计算机硬软件，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行，使得各种技术之间，各类数据之间有了更高级的数字化融合，制造过程中设计、制造、管理等各阶段相互协同，为制造技术的发展奠定了基础。

（1）90年代中期，互联网得以普及应用，“互联网+”概念兴起。制造业与互联网的初步融合，此时企业层、处理层、控制层和现场层只能上下级之间通信，协调效率不高，网络化水平的提高滞待解决。企业层处理层控制层现场层

（2）20世纪70年代出现的专家系统模拟人类专家的知识和经验解决特定领域的问题，在医疗、化学、地质等领域取得成功，在制造领域出现各类故障诊断专家系统，智能化水平还比较低。动物识别专家系统i.有羽毛？提问第i个问题否是会飞？…否是会游泳？…否是只有黑白色?…否是企鹅i+12、数字化阶段2.3

网络化和智能化的发展总结数字化阶段的特点主要表现为三点：数字技术在产品中得到普遍应用，形成数字一代。包括产品和工艺的数字化，制造装备/设备的数字化，材料、元器件、被加工的零部件、模具/夹具/刀具等“物”的数字化以及人的数字化。广泛应用数字化设计，建模仿真、数字化装备、信息化管理。包括各类计算机

辅助设计、优化软件和各类信息管理软件。实现生产过程的集成优化。包括网络通信系统构建，不同来源的异构数据格式

的统一以及数据语义的统一。数据的互联互通，其目的是要利用这些数据实现整个制

造过程各环节的协同。具体体现在产品数据管理（Product

Data

Management,

PDM）、制造执行系统（Manufacturing

ExecutionSystem，MES）,

企业资源计划系统（Enterprise

Resource

Planning

System，ERP）等管理系统的协同功能。2、数字化阶段智能制造的提出2数字化阶段数字化网络化阶段数字化网络化智能化阶段134

上个世纪末，互联网大规模普及应用，网络将人、流程、数据和事物连接起来。智能制造进入了以万物互联为主要特征的数字化网络化阶段。

数字化网络化智能制造，是智能制造的第二种基本范式，也可称为“互联网+制造”，或第二代智能制造。3、数字化网络化阶段3.1

数字化网络化的出现3、数字化网络化阶段3.2数字化网络化举例数控机床是将加工过程中需要的刀具与工件的相对运动轨迹、主轴速度、进给速度等按规定的格式编成加工程序，计算机数控系统即可根据该程序控制机床自动完成加工任务互联网＋数控机床实现对加工状态的感知，并且可实现机床状态数据的采集和汇聚和设备的互联互通。数控机床互联网+数控机床3、数字化网络化阶段3.3

特征——三大集成数字化网络化阶段在制造方面的特征主要表现为三大集成，纵向横向集成和端到端集成。A、纵向集成纵向集成是一个组织拥有一个供应链各个部分的方法。主要解决企业内部的集成，即解决信息孤岛的问题，解决信息网络与物理设备之间的联通问题，目标是实现全业务链集成，这也是智能制造的基础3、数字化网络化阶段3.3三大集成A、纵向集成同济-欧姆龙智能制造实验室工业4.0产线贯穿设计、生产、管理、服务；信息深度自感知、智慧优化子决策、精准控制自执行；以制造环节智能化为核心；缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提高产品质量、降低能源消耗。该系统着力于展示智能制造体系中智能机器与智能终端间的纵向集成——实现机器生产层与用户操作层的同步3、数字化网络化阶段3.3

三大集成B、横向集成横向集成代表的就是企业之间全产业链的集成，以供应链上下游之间的合作为主线，通过价值链以及信息网络的互联，推动企业间研产供销、经营管理与生产控制、业务与财务全流程的无缝衔接。从而实现产品开发、生产制造、经营管理等在不同企业间的信息共享和业务协同，实现了生产过程的去中心化。3、数字化网络化阶段航天科工面向全球正式发布工业互联网云制造平台——INDICS，面向社会各类大中小制造企业转型升级战略需求，基于公有互联网，开发并成功运营了中国首个以生产性服务为主体的“互联网+智能制造”的大型云制造服务平台。INDICS云制造平台实现的是全产业链集成，涵盖从设计、供应链、生产、销售、服务等环节，通过集成构筑了以工业互联网为基础的云制造产业集群生态，推动了集中制造向分散化、异地化、协同化制造方式的转变。航天云网工业大数据平台3.3

三大集成B、横向集成3、数字化网络化阶段3.3

三大集成C、端到端集成过去，产品交付到用户手上以后，产品的使用状况、维修管理等环节与生产制造是分离的，信息是不及时不透明的。所谓端到端集成就是把所有该连接的端头（点）都集成互联起来，通过价值链上不同端口的整合，实现从产品设计、生产制造、物流配送、使用维护的产品全生命周期管理和服务。通过端到端集成，客户的需求和反馈可以直接与研发设计端相连，形成以产品为核心的互联互通的业务闭环流程。3、数字化网络化阶段3.3三大集成C、端到端集成海尔互联工厂智能化平台COSMOPlat是面向智能制造的中国版工业互联网平台，从大规模制造转型大规模定制，打造了定制生产的新生态。端到端集成表现在以下三方面：一是能够实现用户全流程的实时互联。全球的用户随时随地都可以通过他的移动终端来定制他所需要的个性化产品，全流程的参与设计、制造。二是要达到用户和工厂的零距离。用户的个性化订单，可以直接下达到海尔全球的供应链工厂，这样就可以减少生产和订单处理的中间环节，把中间这部分价值让渡给用户。三是全流程透明可视。订单生产及配送情况，可以实时的推送给用户，实现用户从他定制的订单到工厂的生产，再到物流的任何一个环节的实时可视。3、数字化网络化阶段3.5数字化特点通过数字主线等技术，统一数据源，与产品有关的数字化模型都采用标准开发的描述，可以逐级向下传递并回溯而不失真，在整个生命周期内，各环节模型都能够及时进行关键技术的双向同步和沟通。通过数字孪生技术持续地预测装备或系统的健康状态、剩余使用寿命和产品合格率，并预见关键安全事件的系统响应，加大了仿真系统对现实的模拟，减少物理样机生产和实验实践。3、数字化网络化阶段3.5

网络化特点网络化实现了生产信息的自动采集以及信息人与机器、机器与机器间的通信。企业层处理层控制层现场层上下级之间通信、协调效率不高自动化金字塔结构去中心化的网状结构，并可以实现M2M网状结构3、数字化网络化阶段3.5

智能化特点目前智能制造的“智能”还处于Smart的层次，Smart字面含义是赋予企业快速响应内部和外部变化的能力。快速响应之所以重要，是因为市场竞争日趋激烈，使得响应速度越来越重要，智能制造最重要的作用之一就是加快响应速度。智能制造系统具有数据采集、数据处理、数据分析的能力，能够准确执行指令，能够实现闭环反馈。智能制造系统能支撑各自组织生产单元在分布的模式下自主地运行，并且由这些自组织生产单元构成的整个系统能够以恰当的方式运行，使得企业整体能够通过协调各级（公司级、工厂级、车间级）活动来获得最好的运行特性。3、数字化网络化阶段7.

总结智能制造数字化网络化阶段是基于数字化阶段发展而来，以网络技术为支撑，以信息为纽带，实现了人、现实世界及其对应的虚拟世界的深度融合。数字化网络化阶段在产品、制造、服务三方面的特点：1在产品方面，数字技术、网络技术得到普遍应用，产品实现网络连接，设计、研发实现协同与共享，实现了生产过程的去中心化。2在制造方面，实现企业间横向集成、企业内部纵向集成和产品流程端到端集成，打通整个制造系统的数据流、信息流。物/务联网的应用为制造业的制造物联提供了基础。3在服务方面，企业与用户通过网络平台实现连接和交互，企业生产开始从以产品为中心向以用户为中心转型，通过远程运维，为用户提供更多的增值服务。包括智能服务和大规模个性化定制。智能制造的提出2数字化阶段数字化网络化阶段数字化网络化智能化阶段1344、数字化网络化智能化阶段4.1概念如果说数字化网络化制造是新一轮工业革命的开始，那么新一代智能制造，即数字化网络化智能化制造的突破和广泛应用将推动形成新工业革命的高潮，将重塑制造业的技术体系、生产模式、产业形态。4、数字化网络化智能化阶段4.2

关键技术60年前，1956年，一批顶级专家在美国达特茅斯（Dartmouth）聚会，首次确定了“人工智能”概念：让机器像人那样认知、思考和学习，即用计算机模拟人的智能。60年来，人工智能技术几起几伏，顽强地奋斗，不断地前进，但总体而言，还是属于第一代技术，属于“人工智能1.0”时代1956年达特茅斯会议地点4、数字化网络化智能化阶段4.2关键技术新一代人工智能呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群体智能等新特征，大数据智能、跨媒体智能、人机混合增强智能、群体集成智能和自主智能装备正在成为发展重点。

大数据互联网多媒体、传感器人机交互AI+新一代人工智能自主智能系统自主装备大数据智能群体智能跨媒体智能人机混合增强智能20世纪90年代后，网络技术的发展，加速了人工智能的研究，人工智能技术有了很大突破。1997年国际商业机器公司（简称IBM）深蓝超级计算机战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫4、数字化网络化智能化阶段4.2.1

早期的人工智能4、数字化网络化智能化阶段4.3

现在人工智能2017年10月26日，沙特阿拉伯授予香港汉森机器人公司生产的机器人索菲亚公民身份。作为史上首个获得公民身份的机器人。2018年2月4日，索菲亚做客央视节目《对话》。新一代智能制造是一个大系统，主要是由智能产品和装备、智能生产和

智能服务三大功能系统以及智能制造云和工业智联网两大支撑系统集合而成4、数字化网络化智能化阶段4.4

系统集成智能产品和装备是新一代智能制造系统的主体，新一代人工智能的融入使得产品和装备发生革命性变化。4、数字化网络化智能化阶段4.4.1

智能产品和装备现在的智能手机计算能力已经今非昔比，此外，最新上市的iPhone

X系列和华为mate10已经搭载了人工智能芯片，开始具备了学习功能。从智能手机的飞速发展，我们可以想象智能产品和装备未来的发展前景。12344、数字化网络化智能化阶段4.4.1

智能产品和装备自动驾驶汽车（Self-drivingautomobile），又称无人驾驶汽车，是一种通过系统实现无人驾驶的智能汽车。2009年谷歌首次展示自动驾驶汽车雏形。2009年自动驾驶汽车雏形4、数字化网络化智能化阶段4.4.1

智能产品和装备4.4.2智能生产智能工厂是智能生产的主要载体，追求的目标是生产过程的优化，大幅度提升生产系统的性能、功能、质量和效益。新一代人工智能技术与先进制造技术的融合将使生产线、车间、工厂发生革命性的大变革，企业将会向自学习、自适应、自控制的新一代智能工厂进军。4、数字化网络化智能化阶段在“机器学习”、“深度学习”、“人工神经网络”等算法的提出和发展背景下，人工智能技术进入高速发展阶段，人工智能语义领域的任务型对话服务机器人应用在了客户服务场景中。4、数字化网络化智能化阶段4.4.3

智能服务新一代智能制造系统最本质的特征是通过深度学习、迁移学习和增强学习等技术的应用，使信息系统增加了认知和学习的功能，从而使得人类从繁重的体力劳动和简单重复的脑力劳动当中解放出来，可以从事更有意义的创造性工作4、数字化网络化智能化阶段4.5总结Thank

you

for

listening!谢谢聆听!第二章信息物理系统信息物理系统的内涵1信息物理系统的实现2信息物理系统的建设和应用31、信息物理系统的内涵1.1

什么是CPS传统制造是通过人对机器的直接操作控制去完成各种工作任务。1、信息物理系统的内涵1.1

什么是CPS与传统制造相比,智能制造发生的最本质的变化是：在人与物理系统之间增加了信息系统（Cyber

System），信息系统与物理系统组成了信息-物理系统(Cyber-PhysicalSystem)1、信息物理系统的内涵1.2

怎么理解“CPS”Cyber-PhysicalSystem——网络和物理系统紧密结合在一起的系统。Cyber——通信和控制;交换的计算。Physical——受物理定律的支配离散的，逻辑型的，

并持续运行的自然和人为系统。———2006年美国科学基金会（NSF）1、信息物理系统的内涵1.3

“CPS”的由来美国作家威廉·吉步森在1982年创造并使用了“cyberspace”一词希腊语Kubernetes掌舵人“Cybemetics”诺伯特·维纳《Engineering

Cybemetics》钱学森《工程控制论》钱学森翻译其为控制论“Cyberspace”由威廉·吉布森创造该词“Cyber-Physical

System”NASA首次提出CPS“NSF

Workshop

on

Cyber-“Cyber”一词最早可追溯至自希腊语单词Kubernetes，意思是掌舵人1948年，诺伯特·维纳在《控制论》中创造并使用了“Cybernetics”一词“Cybernetics”由钱学森于1954年所著的《EngineeringCybernetics》所使用几年后，钱学森在1958年发布的该书的中文版中，将“Cybernetics”翻译为了“控制论”CPS这一术语最先是由美国国家航空航天局（NASA）在1992年提出的2006年，国际上举行了第一个信息物理系统的研讨会（NSF

Workshopon

Cyber-PhysicalPhysical

Systems” Systems）第一个CPS会议1、信息物理系统的内涵1.4

CPS的定义CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。——《信息物理系统白皮书（2017）》1、信息物理系统的内涵1.4

CPS的本质信息物理系统的本质就是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性与不确定性,提高资源配置效率，实现资源优化。——《信息物理系统白皮书（2017）》CPS本质1、信息物理系统的内涵1.4

CPS的本质状态感知：对外界数据的获取，如物理实体的尺寸、外部环境的温度、液体流速、压强等数据；实时分析：对显性数据的进一步理解，是将感知的数据转化成认知的信息的过程；科学决策：对信息的综合处理，在这一环节CPS能够权衡判断当前时刻获取的所有来自不同环境下的信息，形成最优决策来对物理实体空间进行控制；精准执行：对决策的精准物理实现，执行的本质是将信息空间产生的决策转换成物理实体可以执行的命令。1、信息物理系统的内涵CPS的特征CPS作为沟通信息世界和物理世界的桥梁，它表现出六大典型特征，总结为：数据驱动：通过构建“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”数据的自动流动的闭环赋能体系，CPS将隐形的数据从物理空间中显性得转化到信息空间上，进而迭代更新汇集成知识库。转化过程中，状态实时分析数据；根据数据做出科学决策判断；精准执行后，将数据作为输出结果，展示出来。因此，数据是CPS的重中之重。软件定义：工业软件是对工业各类工业生产环节规律的代码化，支撑了绝大多数的生产制造过程。作为面向制造业的CPS，软件就成为了实现CPS功能的核心载体之一。1、信息物理系统的内涵CPS的特征泛在连接：网络通信是CPS的基础保障，能够实现CPS内部单元之间以及其它CPS之间的互联互通。随着信息通信技术的发展，网络通信将会更加全面深入地融合信息空间和物理空间，表现出明显的泛在连接特征，实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信。虚实映射：CPS构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够实现信息虚体与物理实体之间的交互联动。其中，“数字孪生”是虚实映射的基础。异构集成：软件、硬件、网络、工业云等一系列技术的有机组合构建了一个信息空间与物理空间之间数据自动流动的闭环系统。CPS能够将异构硬件、异构软件、异构数据及异构网络集成起来，实现数据在信息空间与物理空间不同环节的自由流动。因此，CPS必定是一个对多方异构环节集成的综合体。系统自治：CPS能够根据感知到的环节变化信息，在信息空间进行处理分析，自适应地对外部变化做出有效响应。1、信息物理系统的内涵1.6

CPS的横向对比由于CPS是一个复杂且较为综合性的概念，因此在CPS的理解上存在着一些难点。因此就C

P

S

系统和以往一些概念（物联网、嵌入式系统）做对比，以澄清CPS系统与现有概念的差别与优势。1、信息物理系统的内涵1.6

CPS的横向对比a）CPS与物联网对比CPS与物联网在原理和工作重点方面的区别原理物联网CPS物联网是基于无线连接实现感知的，其控制与计算的成分占的并不多。它往往是一个物理实体通过传感器感知某项活动后，然后将状态信息交给其他物理实体去决策与执行的过程。CPS在完成信息传递的功能之外，还要负责协调物理实体之间的工作，并且其本身的计算能力也更加强大，从而最终能够实现自治的目标。工作重点物联网强调物物相联与信息传输CPS强调物理世界和信息世界之间实时的、动态的信息回馈、循环过程1、信息物理系统的内涵1.6

CPS的横向对比a）CPS与嵌入式系统对比CPS与嵌入式系统在概念和工作范围方面的区别概念嵌入式系统CPS嵌入式系统是用于嵌入式微电脑上的操作系统CPS系统是一个信息物理的混合系统，是一个跨学科跨领域的概念工作范围嵌入式系统较为单一地工作在特定的嵌入式环境当中CPS系统不仅要监控一个嵌入式设备的运作，还要负责不同嵌入式设备间的交互，并以他们之间的交互信息进行工作上的协调。通俗地说，CPS就是把嵌入式系统通过物联网联系起来，并协调其运作。信息物理系统的内涵1信息物理系统的实现2信息物理系统的建设和应用32、信息物理系统的实现CPS的三个层次2.1CPS的三个层次将CPS划分为单元级、系统级、SoS级（Systemof

Systems，系统之系统级）三个层次。单元级CPS可以通过组合与集成（如CPS

总线）构成更高层次的CPS，即系统级CPS；系统级CPS可以通过工业云、工业大数据等平台构成SoS级的CPS，实现企业级层面的数字化运营。——《信息物理系统白皮书》，20172、信息物理系统的实现CPS的三个层次单元级CPS——具有不可分割性的信息物理系统的最小单元物理设备是实际存在的，可以通过传感器可以感知外部信号，如声、光、电、烟雾等，经过执行器能够接收控制指令并对物理实体进行控制。信息外壳（Information

shell）包括感知、计算、控制与通信功能，是物理设备与信息世界通信的接口与桥梁，能够实现物理实体的“数字化”，信息世界可以通过信息外壳和外界实体进行感知和交互。2、信息物理系统的实现2.1CPS的三个层次（1）单元级CPS——具有不可分割性的信息物理系统的最小单元单元级CPS的智能机床计算感知决策执行2、信息物理系统的实现软件硬件2.1CPS的三个层次（2）系统级CPS——“一硬、一软、一网”的有机组合系统级CPS由多个单元级CPS来构建，单元级CPS之间的交互是通过工业网络（如工厂现场总线、工业以太网）来实现的，由此达到数据的大范围、宽领域的自动流动。通过引入网络，实现了多个单元级CPS间的协同调配，进而提高了制造资源配置的优化广度、深度和精度。工业网络2、信息物理系统的实现2.1CPS的三个层次（2）系统级CPS——“一硬、一软、一网”的有机组合单元级CPS智能机床单元级CPS智能AGV…单元级CPS智能输送线工业网络产线CPS系统级CPS的产线2、信息物理系统的实现网络软件硬件工业互联网、云平台2.1CPS的三个层次（3）SoS级CPS——多个系统级CPS的有机组合SoS级CPS的主要功能是实现数据整合，从而对内进行进行资产优化，对外形成运营优化服务。其主要功能有：数据存储、数据融合、分布式计算、大数据分析、数据服务，并在数据服务的基础上形成资产性能管理与运营优化服务。2、信息物理系统的实现2.1CPS的三个层次（3）SoS级CPS——多个系统级CPS的有机组合COSMOPlat是海尔推出的具有中国自主知识产权、全球首家引入用户全流程参与体验的工业互联网平台

。海尔利用COSMOPlat将用户需求和整个智能制造体系连接起来，让用户可以全流程参与产品设计研发、生产制造、物流配送、迭代升级等环节，把以往“企业和用户之间只是生产和消费关系”的传统思维转化为“创造用户终身价值”。SoS级CPS的COSMOPlat2、信息物理系统的实现2.2CPS的关键技术（1）感知和自动控制智能感知技术传感器技术是智能感知技术的核心。传感器（Sensor）是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置。自动控制技术CPS虚实融合控制是多层“感知-分析-决策-执行”循环，建立在状态感知的基础上，感知往往是实时进行的，向更高层次同步或即时反馈。包括嵌入控制、虚体控制、集控控制和目标控制四个层次。空调自动控制室温过程温度传感器实时感知温度大于（小于）设定值分析降低（升高）温度决策制冷（制热）执行2、信息物理系统的实现2.2CPS的关键技术（2）工业软件谁是世界上最大的软件公司？微软？谷歌？苹果？如果仅看代码行数，一直青睐工业软件的美国最大军火商洛克希德·马丁公司早已超过微软成为世界上最大的软件公司。大家是否知道，当年NASA的码农女神——软件首席工程师玛格丽特，给阿波罗飞船写的导航和登录程序代码量有多大？打印出来的纸堆起来比她还高！正是这一堆打印纸上承载的玛格丽特发明的“异步软件”，让阿波罗11号避免了登月前软件程序混乱到近乎崩溃的“黑色三分钟”，在月球表面成功着陆。她写的代码把人类带上了月球。2、信息物理系统的实现CPS的关键技术工业软件工业软件（Industrial

Software）是指专用于工业领域，为提高工业企业研发、制造、生产、服务与管理水平以及工业产品使用价值的软件。工业软件是智能制造领域最为重要的一环。企业资源管理系统：ERP（Enterprise

resource

planning）ERP促进所有业务职能之间的信息流动，并管理与外部利益相关者的联系。产品全生命周期管理软件：PLM（Product

Lifecycle

Management）包括各类CAX软件，如CAD、CAM、CAE、CAPP等，CAX软件是CPS信息虚体（二维、三维模型、生产工艺等）的载体。信息虚体的原始要素定义，以及信息虚体之间接口的定义，都是通过CAX软件实现。生产制造执行系统：MES（Manufacturing

execution

system）MES是用于制造，跟踪和记录原材料到成品的转换的计算机化系统，MES提供的信息有助于制造决策者了解如何优化工厂现有条件以提高产量。2、信息物理系统的实现2.2CPS的关键技术（3）工业网络信息从现场设备层，向上经由多个层级流入企业层，这是经典的工业控制网络金字塔层次模式。尽管这一模式得到了业界的广泛认同，但其中各层次之间的数据流动并不顺畅。CPS中的工业网络技术将颠覆传统的基于金字塔分层模型的自动化控制层级，转而寻求基于分布式的全新范式，既去中心化的网状结构。2、信息物理系统的实现2.3CPS王冠上的明珠——数字孪生（1）数字孪生（Digital

Twin）的定义数字孪生：充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理