智能制造系統(tǒng)基礎(chǔ) 東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院
定 價:69 元
- 作者:東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院
- 出版時間:2024/2/1
- ISBN:9787111741992
- 出 版 社:機械工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TH166
- 頁碼:
- 紙張:膠版紙
- 版次:
- 開本:16開
本書是由東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院組織編著,圍繞智能制造系統(tǒng)的社會實際需求的工業(yè)智能專業(yè)系列教材之一。
智能制造正在世界范圍內(nèi)興起,這是制造業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展的必然,也是信息化、自動化和人工智能向縱深發(fā)展的結(jié)果。智能制造能實現(xiàn)各種制造過程的自動化、智能化、精益化、綠色化,能帶動裝備制造業(yè)整體技術(shù)水平的提升。如何讓更多從業(yè)者了解智能制造系統(tǒng)的理念,并將其落地實現(xiàn)是目前熱門的研究課題。本書以信息技術(shù)與智能制造的發(fā)展為開端,在對智能制造系統(tǒng)理論基礎(chǔ)、企業(yè)信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與功能論述的基礎(chǔ)上,給出了當前智能制造系統(tǒng)的內(nèi)涵與體系結(jié)構(gòu)的主流定義和特征,提出并設(shè)計了一種基于信息物理系統(tǒng)的智能制造系統(tǒng)新架構(gòu),從應(yīng)用角度介紹了智能制造的系列核心技術(shù)和企業(yè)集成化建模方法,最后給出智能制造系統(tǒng)當下的應(yīng)用案例供讀者參考。
本書可供從事企業(yè)信息化、自動化和智能制造工作的管理人員和工程技術(shù)人員參考,也可作為自動化、工業(yè)智能、系統(tǒng)工程、智能制造等相關(guān)專業(yè)或研究方向的本科生與研究生的教學(xué)參考書。
本書從應(yīng)用角度介紹了智能制造的系列核心技術(shù)和企業(yè)集成化建模方法,并給出了智能制造系統(tǒng)當下的應(yīng)用案例供讀者參考。
本書資源豐富,有知識圖譜、思維導(dǎo)圖、拓展資源等,給讀者提供全方位的系統(tǒng)知識。
制造是人類創(chuàng)造物質(zhì)財富的最基本的實踐活動,是人類文明發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人類社會的進步與發(fā)展,人類創(chuàng)造物質(zhì)財富的生產(chǎn)方式和制造技術(shù)也在不斷地進步與發(fā)展。進入21世紀以后,制造企業(yè)面臨的社會環(huán)境、市場環(huán)境和技術(shù)環(huán)境發(fā)生了巨大的變化,突出表現(xiàn)在以下方面:
1)人類社會正面臨著能源與資源危機、生態(tài)與環(huán)境危機等挑戰(zhàn)。隨著社會的進步和經(jīng)濟發(fā)展,人們的環(huán)保意識和要求大幅提升。這就要求企業(yè)不僅要為社會提供實用的高質(zhì)量產(chǎn)品,還要承擔(dān)社會可持續(xù)發(fā)展責(zé)任。提高資源效率,降低環(huán)境污染,實現(xiàn)社會生產(chǎn)力增長與不可再生資源要素全面脫鉤,達到人類與自然和諧共生,成為可持續(xù)發(fā)展的目標。因此,啟動綠色工業(yè)革命成為世界發(fā)展的新趨勢。
2)企業(yè)面臨著日益激烈的市場競爭環(huán)境。經(jīng)濟全球化使得每個企業(yè)必須面對世界各地其他企業(yè)的競爭,利用企業(yè)自身區(qū)位優(yōu)勢占領(lǐng)市場將變得越來越困難。一方面,多樣化和個性化的產(chǎn)品與服務(wù)成為市場需求的主要特征,產(chǎn)品銷售從賣方市場變?yōu)橘I方市場;另一方面,市場需求的變化呈現(xiàn)快速性和不可預(yù)測性的特點,產(chǎn)品的生命周期越來越短,客戶對產(chǎn)品的品種和規(guī)格需求越來越細化,對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。這種對產(chǎn)品多樣性和個性化服務(wù)的需求,以及需求的動態(tài)變化和不可預(yù)測,導(dǎo)致了通過大批量生產(chǎn)獲取利潤的傳統(tǒng)制造模式,已經(jīng)不能滿足企業(yè)的生存和發(fā)展需要。這要求企業(yè)必須迅速適應(yīng)市場的變化,縮短產(chǎn)品研發(fā)和制造周期,提高生產(chǎn)率,降低成本,提供高質(zhì)量產(chǎn)品和個性化服務(wù)。
3)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展,管理理念日新月異,各種新技術(shù),尤其是新一代信息技術(shù)在各行業(yè)得到廣泛而深入的應(yīng)用。通過三次工業(yè)革命,人類社會和經(jīng)濟發(fā)展進入了空前繁榮的時代,不僅創(chuàng)造了巨大物質(zhì)財富,更是創(chuàng)造出豐富的知識財富,新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新模式和新理念不斷產(chǎn)生。這不僅促進了傳統(tǒng)制造企業(yè)向新型制造模式轉(zhuǎn)化,同時也為企業(yè)減耗增效、提升科技水平和競爭力提供了理論支撐和技術(shù)手段。
這些變化在世界范圍內(nèi)引發(fā)了改進制造模式的熱潮,制造業(yè)正朝著自動化、柔性化、集成化、信息化和智能化的方向發(fā)展。敏捷制造、綠色制造、智能制造等新型制造模式的新思想、新理念相繼誕生并被應(yīng)用。運用信息技術(shù)和智能技術(shù)對制造系統(tǒng)及其環(huán)境要素(包括人員、設(shè)備、組織、流程、市場、物質(zhì)流、資金流、能量流和信息流等)進行集成優(yōu)化控制與管理,已被公認為是解決制造業(yè)的ETQCS難題的有效手段,即以良好的環(huán)境意識(E,Environment)、最快的上市速度(T,Time to Market)、可靠的質(zhì)量(Q,Quality)、較低的成本(C,Cost)、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)(S,Service)來提高制造業(yè)的競爭力。
在這樣的背景下,以智能為主題的第四次工業(yè)革命正在逐漸形成。此次工業(yè)革命的核心就是將新一代的信息技術(shù)和方法與傳統(tǒng)的制造過程進行有機融合,形成一種支持新型制造模式的一體化智能制造系統(tǒng)。其中,新一代信息技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等,是驅(qū)動制造過程中其他技術(shù)的大腦和神經(jīng)中樞。黨的二十大報告指出,“必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力”“開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道,不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢!敝悄苤圃煺谑澜绶秶鷥(nèi)興起,是制造業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,正在帶動裝備制造業(yè)整體技術(shù)水平大幅提升。
實現(xiàn)智能制造需要對制造過程及其控制與管理模式進行重新審視和定義。本書編寫的主要目的是:通過介紹制造模式及其組織管理和信息化系統(tǒng)的演進,分析制造系統(tǒng)各發(fā)展階段的特點,明晰現(xiàn)行制造系統(tǒng)與未來智能制造系統(tǒng)的差異,并且從信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems,CPS)的新視角設(shè)計了一種智能制造系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu),闡述了其各環(huán)節(jié)的功能和技術(shù)內(nèi)涵。
本書著重從信息化系統(tǒng)構(gòu)建的視角闡述了智能制造系統(tǒng)及其相關(guān)概念的演進、構(gòu)成和技術(shù)內(nèi)涵。全書共9章,其中第1章緒論,介紹了智能制造產(chǎn)生的社會和技術(shù)背景,闡述了智能制造的基本概念、智能制造的目標以及發(fā)展方向;第2章制造系統(tǒng)概述,介紹了制造系統(tǒng)的概念和分類,制造系統(tǒng)及其組織管理模式的演進,進而闡述了制造系統(tǒng)的作用和發(fā)展趨勢;第3章智能制造系統(tǒng)理論基礎(chǔ),介紹了與智能制造系統(tǒng)密切相關(guān)的信息、系統(tǒng)、控制、管理、決策和信息物理系統(tǒng)的基本概念及其性質(zhì)與作用,為深入理解智能制造系統(tǒng)的構(gòu)成和技術(shù)內(nèi)涵奠定基礎(chǔ);第4章企業(yè)信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與功能,介紹了企業(yè)信息化系統(tǒng)的發(fā)展歷程,分析了企業(yè)現(xiàn)行信息化系統(tǒng)存在的問題,以及與智能制造系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系;第5章智能制造系統(tǒng)的內(nèi)涵與體系結(jié)構(gòu),在介紹智能制造系統(tǒng)基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上,分析了美國、德國、日本智能制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵,著重闡述了中國智能制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、主要特征和基本功能;第6章基于信息物理系統(tǒng)的智能制造系統(tǒng),設(shè)計了基于CPS的智能制造系統(tǒng)的基本概念與體系架構(gòu),詳細闡述了單元級、系統(tǒng)級和企業(yè)級智能制造系統(tǒng)的構(gòu)成、共性技術(shù)及功能;第7章智能制造的核心技術(shù),介紹了智能制造系統(tǒng)涉及的共性關(guān)鍵技術(shù),包括智能數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)、狀態(tài)感知技術(shù)、控制優(yōu)化技術(shù)、科學(xué)決策技術(shù)以及虛擬制造與數(shù)字孿生技術(shù);第8章智能制造系統(tǒng)建;A(chǔ),從智能制造系統(tǒng)的建設(shè)與改進出發(fā),介紹了企業(yè)集成化建模的基本思想和相關(guān)技術(shù)方法,包括產(chǎn)品與資源建模、過程建模、功能建模和組織建模等;第9章智能制造系統(tǒng)應(yīng)用案例,結(jié)合當前的實際應(yīng)用案例介紹了智能制造產(chǎn)線的構(gòu)成,以及智能制造技術(shù)在提升產(chǎn)品質(zhì)量與服務(wù)水平方面的應(yīng)用。
本書的編者均來自東北大學(xué)智能技術(shù)與應(yīng)用研究所,均長期從事企業(yè)信息化、自動化等領(lǐng)域課題的研究開發(fā)工作,已完成了百余項國家、省部級和企業(yè)合作課題,在2019年,完成了“河鋼智能制造產(chǎn)線總體規(guī)劃與設(shè)計”課題,為本書撰寫積累了堅實的理論基礎(chǔ)和大量的實際素材。
本書由李鴻儒教授和龐哈利教授統(tǒng)籌與規(guī)劃。具體分工為:李鴻儒負責(zé)撰寫第1、5章,龐哈利負責(zé)撰寫第2、3、4、8章(其中3.5節(jié)由賈明興撰寫),賈明興負責(zé)撰寫第6章(其中6.2.3節(jié)由袁平撰寫),尤富強負責(zé)撰寫第7章7.1~7.3節(jié)及7.5節(jié),其中7.4節(jié)由陳春華撰寫,7.6節(jié)由牛大鵬撰寫,7.7節(jié)由龐哈利和尤富強共同撰寫,楊英華負責(zé)撰寫第9章。
本書是在借鑒了大量參考文獻的基礎(chǔ)上,結(jié)合編者的科研教學(xué)實踐編著而成的。衷心感謝這些參考文獻對本書編者的啟示和幫助。
智能制造涉及的技術(shù)領(lǐng)域極其廣泛,且正處于快速發(fā)展過程之中。由于掌握資料有限,加之編者水平有限,書中難免存在不足,敬請讀者諒解并歡迎批評指正。
高等院校教師
出版說明
前言
第1章 緒論1
1.1 信息技術(shù)與智能制造1
1.1.1 人工智能改變社會形態(tài)1
1.1.2 “互聯(lián)網(wǎng)+”顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新
理念2
1.1.3 信息技術(shù)帶來新興工業(yè)革命3
1.1.4 智能制造的概念5
1.2 智能制造的發(fā)展與意義5
1.2.1 智能制造發(fā)展的國家政策導(dǎo)向5
1.2.2 智能制造的意義6
1.3 中國智能制造發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的
問題8
1.3.1 中國制造業(yè)主要領(lǐng)域發(fā)展情況8
1.3.2 中國智能制造發(fā)展面臨的問題12
1.4 智能制造的目標與發(fā)展動向14
1.4.1 智能制造的目標14
1.4.2 智能制造的發(fā)展動向15
思考題16
第2章 制造系統(tǒng)概述17
2.1 制造系統(tǒng)及其作用17
2.1.1 制造與制造系統(tǒng)17
2.1.2 制造業(yè)的分類及其生產(chǎn)特點17
2.1.3 制造業(yè)的地位和作用22
2.2 制造系統(tǒng)的演進22
2.2.1 制造技術(shù)的發(fā)展及其作用23
2.2.2 制造模式的演進29
2.2.3 制造過程組織結(jié)構(gòu)和管理方式
變化33
2.3 世界制造業(yè)發(fā)展格局變化34
2.4 制造業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢35
思考題36
第3章 智能制造系統(tǒng)理論基礎(chǔ)37
3.1 信息的概念、性質(zhì)和作用37
3.1.1 信息論的形成37
3.1.2 信息的定義39
3.1.3 信息的性質(zhì)40
3.1.4 信息的價值41
3.1.5 信息及信息科學(xué)技術(shù)的作用42
3.2 系統(tǒng)的概念與性質(zhì)42
3.2.1 系統(tǒng)的概念43
3.2.2 系統(tǒng)的性質(zhì)43
3.2.3 系統(tǒng)性能評價標準45
3.2.4 系統(tǒng)集成46
3.3 控制、管理與決策47
3.3.1 控制47
3.3.2 管理48
3.3.3 決策50
3.4 信息系統(tǒng)53
3.5 信息物理系統(tǒng)54
3.5.1 CPS的概念54
3.5.2 CPS的本質(zhì)55
3.5.3 CPS的層級56
思考題56
第4章 企業(yè)信息化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與
功能57
4.1 企業(yè)信息化系統(tǒng)及其演進57
4.1.1 早期企業(yè)信息化系統(tǒng)57
4.1.2 計算機集成制造系統(tǒng)65
4.1.3 現(xiàn)行企業(yè)信息化體系結(jié)構(gòu)68
4.2 企業(yè)現(xiàn)行信息化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)71
4.3 現(xiàn)行企業(yè)信息化系統(tǒng)存在的
問題和改進方向73
4.4 智能制造系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)74
4.5 現(xiàn)行企業(yè)信息化系統(tǒng)與智能制造
系統(tǒng)的關(guān)系77
思考題79
第5章 智能制造系統(tǒng)的內(nèi)涵與體系
結(jié)構(gòu)80
5.1 智能制造系統(tǒng)的內(nèi)涵與系統(tǒng)架構(gòu)
維度80
5.1.1 智能制造系統(tǒng)的內(nèi)涵80
5.1.2 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的維度解析80
5.1.3 中國智能制造的系統(tǒng)架構(gòu)83
5.2 美國、德國、日本三國智能制造
系統(tǒng)的內(nèi)涵與體系結(jié)構(gòu)84
5.2.1 美國智能制造系統(tǒng)的內(nèi)涵與體系
結(jié)構(gòu)85
5.2.2 德國智能制造系統(tǒng)的內(nèi)涵與體系
結(jié)構(gòu)88
5.2.3 日本智能制造系統(tǒng)的內(nèi)涵與體系
結(jié)構(gòu)91
5.3 中國智能制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)94
5.3.1 智能制造的標準體系結(jié)構(gòu)94
5.3.2 基礎(chǔ)共性標準98
5.3.3 關(guān)鍵技術(shù)標準99
5.3.4 行業(yè)應(yīng)用標準105
5.4 智能制造系統(tǒng)的基本特征與基本
功能106
5.4.1 智能感知107
5.4.2 智慧決策108
5.4.3 精準控制109
5.4.4 智能服務(wù)109
思考題111
第6章 基于信息物理系統(tǒng)的智能制造
系統(tǒng)112
6.1 基于CPS的智能制造系統(tǒng)體系
架構(gòu)與基本概念112
6.1.1 基于CPS的智能制造系統(tǒng)體系
架構(gòu)112
6.1.2 物理系統(tǒng)的概念112
6.1.3 信息系統(tǒng)的概念115
6.1.4 工廠數(shù)據(jù)中心的概念115
6.1.5 虛擬系統(tǒng)的概念115
6.2 智能制造系統(tǒng)的單元級CPS116
6.2.1 智能設(shè)備功能116
6.2.2 智能設(shè)備核心技術(shù)120
6.2.3 智能設(shè)備示例122
6.3 智能制造系統(tǒng)的系統(tǒng)級CPS126
6.3.1 物料管理功能127
6.3.2 產(chǎn)品質(zhì)量管控功能128
6.3.3 流程協(xié)調(diào)優(yōu)化功能129
6.3.4 設(shè)備智能運維與管理功能130
6.3.5 系統(tǒng)級CPS關(guān)鍵共性技術(shù)131
6.3.6 系統(tǒng)級CPS示例132
6.4 智能制造系統(tǒng)的SoS級CPS135
6.4.1 SoS級CPS物理系統(tǒng)135
6.4.2 SoS級CPS信息系統(tǒng)135
6.4.3 虛擬系統(tǒng)140
思考題143
第7章 智能制造的核心技術(shù)144
7.1 智能數(shù)據(jù)中心144
7.1.1 智能數(shù)據(jù)中心的基本特征144
7.1.2 智能數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)設(shè)計145
7.1.3 智能數(shù)據(jù)中心的典型應(yīng)用149
7.2 支撐智能制造的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)150
7.2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的特點150
7.2.2 全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展概況151
7.2.3 我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展概況153
7.2.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)簡介155
7.2.5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺簡介156
7.3 人工智能技術(shù)163
7.3.1 人工智能技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展163
7.3.2 人工智能技術(shù)的研究現(xiàn)狀164
7.3.3 人工智能技術(shù)的分類165
7.3.4 人工智能技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域166
7.4 狀態(tài)感知技術(shù)166
7.4.1 早期的“感應(yīng)器件(效應(yīng)
物質(zhì))”167
7.4.2 專業(yè)元器件—傳感器167
7.4.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)168
7.4.4 大型整機類“巨型傳感器”168
7.4.5 由生物或人組成的“復(fù)合型
傳感器”169
7.4.6 狀態(tài)信號特征提取169
7.4.7 智能產(chǎn)品中的傳感器169
7.5 控制優(yōu)化技術(shù)171
7.5.1 基于模型的控制優(yōu)化技術(shù)171
7.5.2 系統(tǒng)辨識技術(shù)173
7.5.3 預(yù)測控制技術(shù)175
7.5.4 故障診斷技術(shù)176
7.5.5 智能調(diào)度技術(shù)177
7.6 科學(xué)決策技術(shù)180
7.6.1 科學(xué)決策概述180
7.6.2 智能制造中的決策問題181
7.6.3 科學(xué)決策技術(shù)及其在智能制造中的
應(yīng)用183
7.7 虛擬制造與數(shù)字孿生技術(shù)187
7.7.1 虛擬制造與數(shù)字化工廠187
7.7.2 數(shù)字孿生技術(shù)190