第1章 绪论

1.1 智能制造

1.1.1 基本概念

智能制造是指基于物联网、云计算、大数据等新一代信息技术，贯穿于设计、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、系统和模式的总称。

智能制造以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础，以网通互联为支撑。与传统制造相比，智能制造有其特有的内涵，涉及4个层面的智能化。

第一是产品的智能化。智能制造的产品都趋于变成智能终端，可通过物联网相互连接。

第二是装备的智能化。从智能制造的单元、某台单机、某台机床、机器人向智能的生产线、智能的车间、智能的生产系统去演变。

第三是流程的智能化。管理的组织架构、企业和企业之间的交互，如何适应产品的智能化和装备的智能化，需要重新构建与调整。

第四是服务的智能化。制造业服务化就是制造企业为了获取竞争优势，将价值链由以制造为中心向以服务为中心转变，因此如何将数字技术、智能技术、泛在网络技术以及新兴信息技术的集成应用到服务中也需要企业重新思考和规划。

1.1.2 主要特征

智能制造系统有以下内在特点。

（1）自律能力

智能制造过程具有能感知与理解环境信息和自身信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。值得注意的是，强有力的知识库和基于知识的模型是自律能力的基础。

（2）人机一体化

人机一体化指在智能制造过程中，人与智能机器的相互配合，更好地发挥人的潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互“理解”、相互协作的关系。

（3）虚拟现实

虚拟现实通过模拟实际制造过程和未来的产品，从感官和视觉上使人获得完全如同真实的感受，其特点是可以按照人们的意愿任意变化，这种人机结合的新一代智能界面是智能制造的一个显著特征。

（4）自组织和超柔性

自组织和超柔性是指智能制造系统中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最佳结构，其柔性不仅表现在运行方式上，而且表现在结构形式上，所以称这种柔性为超柔性，如同一群人类专家组成的群体，具有生物特征。

（5）学习能力与自我维护能力

智能制造系统能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能，同时，在运行过程中自行进行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护的能力。

1.1.3 国内外发展现状与趋势

1.德国“工业4.0”

德国“工业4.0”是在德国工程院、弗劳恩霍夫协会等德国学术界和产业界的建议和推动下形成的，由德国联邦教研部与联邦经济和能源部联手支持，在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出并逐步上升为国家战略。其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。德国“工业4.0”的核心内容可以总结为：建设一个网络（信息物理系统）、研究两大主题（智能工厂、智能生产）、实现三大集成（纵向集成、横向集成与端到端集成）、推进三大转变（生产由集中向分散转变、产品由趋同向个性转变、用户由部分参与向全程参与转变）。

2013年9月，德国发布的《实施“工业4.0”战略建议》中识别出了实现工业4.0的八个优先行动领域，第一个就是开展标准化工作。2013年12月，德国电气电子和信息技术协会与德国电工委员会联合发布《德国“工业4.0”标准化路线图》，明确了参考架构模型、用例、基础、非功能属性、技术系统和流程的参考模型、仪器和控制功能的参考模型、技术和组织流程的参考模型、人类在工业4.0中的功能和角色的参考模型、开发流程和指标、工程、标准库、技术和解决方案等12个重点方向，并提出了具体的标准化建议。2015年4月，德国在汉诺威工业博览会上宣布启动升级版的“工业4.0平台”，也启动了《德国“工业4.0”标准化路线图》2.0版的研究。

2.美国工业互联网

美国“工业互联网”的远景是在产品生命周期的整个价值链中将人、数据和机器连接起来，形成开放的全球化工业网络。实施的方式是通过通信、控制和计算技术的交叉应用，建造一个信息物理系统，促进物理系统和数字系统的融合。2014年4月，美国工业互联网联盟成立，联盟作为一个开放性的会员组织，致力于打破技术壁垒，通过促进物理世界和数字世界的融合，实现不同厂商设备之间的数据共享。联盟于2015年6月发布了《工业互联网参考体系结构》，从商业视角、使用视角、功能视角和技术实现视角对工业互联网进行了定义，同时着手开发用例和测试床，助力软硬件厂商开发与工业互联网兼容的产品，实现企业、云计算系统、计算机、网络、仪表、传感器等不同类型的物理实体互联，提升工业生产效率。

3.中国制造2025

2015年5月19日，国务院正式印发制造业发展纲领性文件《中国制造2025》，制造强国战略进入实质推进阶段。其中将智能制造列为五大重大工程之一，作为主攻方向。“紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产品和自主可控的智能装置并实现产业化。依托优势企业，紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间。在基础条件好、需求迫切的重点地区、行业和企业中，分类实施流程制造、离散制造、智能装备和产品、新业态新模式、智能化管理、智能化服务等试点示范及应用推广。建立智能制造标准体系和信息安全保障系统，搭建智能制造网络系统平台。”

2015年7月4日，国务院印发的《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》中，在“互联网+”协同制造的重点行动中，提出“大力发展智能制造。以智能工厂为发展方向，开展智能制造试点示范，加快推动云计算、物联网、智能工业机器人、增材制造等技术在生产过程中的应用，推进生产装备智能化升级、工艺流程改造和基础数据共享。着力在工控系统、智能感知元器件、工业云平台、操作系统和工业软件等核心环节取得突破，加强工业大数据的开发与利用，有效支撑制造业智能化转型，构建开放、共享、协作的智能制造产业生态。”

2015年8月31日，国务院以国发〔2015〕50号印发《促进大数据发展行动纲要》。提出了推进我国大数据发展和应用，加快建设数据强国的行动纲要。在该纲要的主要任务“推动产业创新发展，培育新兴业态，助力经济转型”中，提出了“发展工业大数据。推动大数据在工业研发设计、生产制造、经营管理、市场营销、售后服务等产品全生命周期、产业链全流程各环节的应用，分析感知用户需求，提升产品附加价值，打造智能工厂。建立面向不同行业、不同环节的工业大数据资源聚合和分析应用平台。抓住互联网跨界融合机遇，促进大数据、物联网、云计算和三维（3D）打印技术、个性化定制等在制造业全产业链集成运用，推动制造模式变革和工业转型升级。”