第5章工業(yè)機(jī)器人與

智能系統(tǒng)5.1工業(yè)機(jī)器人概述“機(jī)器人”（Robot）一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家卡雷爾?查培克（K.Capek）創(chuàng)作的劇本《羅莎姆萬(wàn)能機(jī)器人公司》中。20世紀(jì)40年代阿西莫夫（Asimov）為保護(hù)人類(lèi)，在《我，機(jī)器人》中對(duì)機(jī)器人做出了規(guī)定，發(fā)表了著名的“機(jī)器人三原則”：第一條原則：機(jī)器人不得危害人類(lèi)，不可因?yàn)槭韬鑫ｋU(xiǎn)的存在而使人類(lèi)受到傷害。第二條原則：機(jī)器人必須服從人類(lèi)的命令，但當(dāng)命令違反第一條內(nèi)容時(shí)，則不受此限制。5.1.1工業(yè)機(jī)器人的定義第三條原則：在不違反第一條和第二條的情況下，機(jī)器人必須保護(hù)自己。阿西莫夫也因此被稱為“機(jī)器人學(xué)之父”。三條原則的意義在于為人類(lèi)規(guī)劃了現(xiàn)代機(jī)器人發(fā)展應(yīng)取的姿態(tài)。目前，從終極人工智能的角度來(lái)討論未來(lái)機(jī)器人是否會(huì)傷害到人類(lèi)也成為科技進(jìn)步很可能引發(fā)人類(lèi)不希望出現(xiàn)的問(wèn)題的焦點(diǎn)。“機(jī)器人”的概念是隨著科技發(fā)展而變遷的，受到能量供給、自動(dòng)控制技術(shù)的限制。在18~19世紀(jì)被機(jī)械學(xué)者發(fā)明的各類(lèi)“機(jī)器人”可以說(shuō)是通過(guò)彈簧等儲(chǔ)能元件或者蒸汽驅(qū)動(dòng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，類(lèi)似于手動(dòng)玩具如“機(jī)器鴨子”“機(jī)器人形玩偶”“木牛流馬”“行走機(jī)器”之類(lèi)的自動(dòng)機(jī)械“機(jī)器人雛形”。飛速發(fā)展的工業(yè)自動(dòng)化對(duì)高性能的工業(yè)機(jī)器人的需求正變得日益強(qiáng)烈，工業(yè)機(jī)器人已成為自動(dòng)化的核心裝備，與一般的工業(yè)數(shù)控設(shè)備有明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在與工作環(huán)境的交互方面。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車(chē)間環(huán)境中為配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)完成材料的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。（1）工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的、能夠完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器”。它又分以下兩種情況來(lái)定義:1）工業(yè)機(jī)器人是“一種能夠執(zhí)行與人的上肢類(lèi)似動(dòng)作的多功能機(jī)器”。2）智能機(jī)器人是“一種具有感覺(jué)和識(shí)別能力，并能夠控制自身行為的機(jī)器”。（2）美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)”。（3）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人是“一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來(lái)處理各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，以執(zhí)行各種任務(wù)”。為了達(dá)到其功能要求，工業(yè)機(jī)器人的功能組成中應(yīng)該有以下幾個(gè)部分：（1）為了完成作業(yè)要求，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該具有操作末端執(zhí)行器的能力，并能正確控制其空間位置、工作姿態(tài)及運(yùn)行程序和軌跡。（2）能理解和接受操作指令，把這種信息指令記憶、存儲(chǔ)，并通過(guò)其操作臂各關(guān)節(jié)的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)出來(lái)。（3）能和末端執(zhí)行器（如夾持器或其他操作工具）或其他周邊設(shè)備（加工設(shè)備、工位器具等）協(xié)調(diào)工作。21世紀(jì)是機(jī)器人與人共存的世紀(jì)，其終極目標(biāo)是人工智能。工業(yè)機(jī)器人由三大部分六個(gè)子系統(tǒng)組成。這三大部分是機(jī)械部分、傳感部分、控制部分。六個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中傳感部分包括感覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)，控制部分由人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，機(jī)械部分則包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。六個(gè)子系統(tǒng)的作用分述如下。1.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)若要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)，必須給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓、氣壓或電動(dòng)的，也可以是把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng)?？梢灾苯域?qū)動(dòng)，還可以通過(guò)同步帶、鏈條、輪系和諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。5.1.2工業(yè)機(jī)器人的組成2.機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)身、手臂、手腕和末端操作器四大件組成。每一個(gè)大件都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。若基座具備行走機(jī)構(gòu)便構(gòu)成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂（SingleRobotArm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。3.感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。現(xiàn)在也可以應(yīng)用智能傳感器提高機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水平。人類(lèi)的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其敏感的。但是，對(duì)于一些特殊的信息，機(jī)器人傳感器比人類(lèi)的感受系統(tǒng)更有效、更準(zhǔn)確。4.機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元和裝配單元等。當(dāng)然，也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備和多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。5.人機(jī)交互系統(tǒng)人機(jī)交互系統(tǒng)是操作人員與機(jī)器人進(jìn)行交互的裝置，可分為兩大類(lèi)：指令給定裝置，如示教盒、觸摸屏等；信息顯示裝置，如顯示器等。6.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。1.工業(yè)機(jī)器人的主要特征自20世紀(jì)60年代初第一代機(jī)器人在美國(guó)問(wèn)世以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人的研制和應(yīng)用便有了飛速的發(fā)展，但歸納起來(lái)，工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)最顯著的特點(diǎn)。（1）可編程（2）擬人化（3）通用性（4）機(jī)電一體化2.工業(yè)機(jī)器人的主要特性表示方法工業(yè)機(jī)器人的主要特性表示方法如下。（1）坐標(biāo)系工業(yè)機(jī)器人使用的坐標(biāo)系符合右手定則。5.1.3工業(yè)機(jī)器人的主要特征與表示方法（2）工作空間指工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，其手腕參考點(diǎn)在空間所能達(dá)到的區(qū)域，用來(lái)衡量機(jī)器人工作范圍的大小。（3）其他特性包括機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型、用途、外形尺寸、重量、負(fù)載、速度、驅(qū)動(dòng)方式、動(dòng)力源、控制、編程方法、性能、分辨率和使用環(huán)境條件等。5.2工業(yè)機(jī)器人種類(lèi)與應(yīng)用領(lǐng)域按機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人的種類(lèi)、原理、用途對(duì)“移動(dòng)”“操作”這兩個(gè)概念歸納出具有內(nèi)涵性的、完整的、將種類(lèi)繁多的所有各類(lèi)機(jī)器人或工業(yè)機(jī)器人涵蓋進(jìn)去的通用的概念是很難的。就如同物種多樣性決定了只能給生物、動(dòng)物下一個(gè)籠統(tǒng)的概念一樣。盡管如此，用歸類(lèi)圖的形式來(lái)歸納、總結(jié)工業(yè)機(jī)器人種類(lèi)與應(yīng)用的輪廓對(duì)于認(rèn)清工業(yè)機(jī)器人的主體脈絡(luò)仍然是很有必要的。從工業(yè)機(jī)器人的兩大主題“移動(dòng)（Mobile）”和“操作（Operation）”以及兩者的組合“移動(dòng)+操作”角度進(jìn)行歸類(lèi)，工業(yè)機(jī)器人種類(lèi)歸類(lèi)如圖5-1所示。5.2.1工業(yè)機(jī)器人種類(lèi)圖5-1工業(yè)機(jī)器人種類(lèi)歸類(lèi)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始后的50年間，隨著對(duì)產(chǎn)品加工精度要求的提高，關(guān)鍵工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐步由工業(yè)機(jī)器人代替工人操作，再加上各國(guó)對(duì)工人工作環(huán)境的嚴(yán)格要求，高危、有毒等惡劣條件的工作逐漸由機(jī)器人進(jìn)行替代作業(yè)，從而增加了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)需求。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)及汽車(chē)零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流業(yè)和制造業(yè)等領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，如瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC與YASKAWA，德國(guó)的KUKARoboter，美國(guó)的AdeptTechnology、AmericanRobot、和EmersonIndustrialAutomation，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。5.2.2工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域與前沿技術(shù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用涉及的行業(yè)主要包括汽車(chē)制造、毛坯制造（沖壓、壓鑄、鑄造等）、機(jī)械加工、熱處理、焊接、上下料磨削拋光、搬運(yùn)碼垛、裝配、噴漆、涂覆、自動(dòng)檢測(cè)、航空航天等。機(jī)器人前沿技術(shù)主要包括如下內(nèi)容：（1）結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化/有不確定性等特征的復(fù)雜環(huán)境及高難度作業(yè)要求下的靈巧操作技術(shù)。（2）自主導(dǎo)航技術(shù)。（3）環(huán)境感知技術(shù)。（4）人-機(jī)器人交互、人-機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的安全性保障技術(shù)等。5.3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)與軟硬件組成工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)通常由機(jī)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)兩大部分組成。控制系統(tǒng)根據(jù)用戶的指令對(duì)機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制，從而完成作業(yè)中的各種動(dòng)作。控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人“大腦”，是其關(guān)鍵和核心部分，控制著機(jī)器人的全部動(dòng)作，控制系統(tǒng)的好壞決定了工業(yè)機(jī)器人功能的強(qiáng)弱以及性能的優(yōu)劣?？刂葡到y(tǒng)性能在很大程度上決定了機(jī)器人的性能，一個(gè)良好的控制系統(tǒng)需具備靈活、方便的操作方式、運(yùn)動(dòng)控制方式的多樣性和安全可靠性等特點(diǎn)。1.工業(yè)機(jī)器人控制的基本原理工業(yè)機(jī)器人通常需要經(jīng)歷以下幾個(gè)過(guò)程才能完成人們要求的特定作業(yè)。第一個(gè)過(guò)程為示教，即按照計(jì)算機(jī)可接受的方式給機(jī)器人作業(yè)命令告訴機(jī)器人應(yīng)該做什么。第二個(gè)過(guò)程為機(jī)器人控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)部分，它負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的管理、信息獲取及處理、控制策略的制定、作業(yè)軌跡的制定等任務(wù)，這是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的核心部分。第三個(gè)過(guò)程是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)部分，機(jī)器人控制策略經(jīng)由不同的控制算法轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)等驅(qū)動(dòng)部分，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高速、高精度運(yùn)動(dòng)，從而完成指定的作業(yè)。5.3.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理和

主要功能第四個(gè)過(guò)程是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的傳感器部分，傳感器的反饋可以保證機(jī)器人正確地完成指定作業(yè)，借助傳感器也可以將各種姿態(tài)反饋到計(jì)算機(jī)中，以便計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。2.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或者作業(yè)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)位置、速度、姿態(tài)、軌跡、順序、力及動(dòng)作等項(xiàng)目。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本功能如下。（1）記憶功能存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。（2）示教功能主要分為離線編程、在線示教以及間接示教三類(lèi)。其中，在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。（3）與外圍設(shè)備聯(lián)系的功能輸入與輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口等。（4）坐標(biāo)設(shè)置功能關(guān)節(jié)、絕對(duì)用戶自定義坐標(biāo)系等。（5）人機(jī)接口示教盒、操作面板、顯示屏等。（6）傳感器接口包括位置檢測(cè)、視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等。（7）位置伺服功能包括機(jī)器人的多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取＃?）故障診斷安全保護(hù)功能包括工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)以及故障自診斷等?？刂埔粋€(gè)具有高度智能的工業(yè)機(jī)器人實(shí)際上包含了“運(yùn)動(dòng)規(guī)劃”、“動(dòng)作規(guī)劃”、“軌跡規(guī)劃”和“伺服控制”等多個(gè)層次，工業(yè)機(jī)器人控制分層結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。5.3.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)圖5-2工業(yè)機(jī)器人控制分層結(jié)構(gòu)1.工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的特性在對(duì)機(jī)器人控制中，為了保證實(shí)施有效性，其被控對(duì)象的特性占有很重要的地位。從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)真有以下三點(diǎn)特性：（1）工業(yè)機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。傳動(dòng)件、驅(qū)動(dòng)元件、結(jié)構(gòu)方面等都是引起機(jī)器人成為非線性系統(tǒng)的重要因素。（2）各關(guān)節(jié)間的相互耦合作用，表現(xiàn)為某個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起其它關(guān)節(jié)動(dòng)力效應(yīng)，使得其它關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)都會(huì)影響每一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。（3）工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位置的變化會(huì)造成動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨之變化。5.3.3工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特性、要求與分類(lèi)2.工業(yè)機(jī)器人對(duì)控制的要求從用戶的角度來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人對(duì)控制的要求如下：（1）多軸運(yùn)動(dòng)相互協(xié)調(diào)控制，以達(dá)到需求的工作軌跡。（2）高標(biāo)準(zhǔn)的位置精度，大范圍的調(diào)速區(qū)間。（3）工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的小靜差率。（4）各關(guān)節(jié)的速度誤差系數(shù)的一致性。（5）位置無(wú)超調(diào)，快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（6）采用加（減）速控制。（7）從操作的角度來(lái)看，良好的人機(jī)界面操作系統(tǒng)可以降低對(duì)操作者的技能要求。3.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)分類(lèi)根據(jù)分類(lèi)方式的不同，機(jī)器人控制方式可以分為不同的種類(lèi)?？傮w來(lái)說(shuō)，動(dòng)作控制方式和示教控制方式為機(jī)器人的主要控制方式。按照被控對(duì)象來(lái)分，控制系統(tǒng)可以分為位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力矩控制、力和位置混合控制等。機(jī)器人控制方式分類(lèi)如圖5-3所示。隨著運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性增加和控制難度的增大，分層遞階運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成如圖5-4所示。圖5-3機(jī)器人控制方式分類(lèi)圖5-4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成分層遞階運(yùn)動(dòng)控制器包含上層控制器、中層控制器和底層控制器。上層控制器需要計(jì)算能力強(qiáng)、智能程度高、知識(shí)粒度粗，但往往響應(yīng)速度慢。底層控制器需要響應(yīng)速度快，但往往智能程度低，知識(shí)粒度細(xì)。中層控制器主要完成運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)，計(jì)算能力和響應(yīng)速度介于上層和底層之間。5.4智能系統(tǒng)智能系統(tǒng)（IntelligenceSystem）是具有專家解決問(wèn)題能力的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能運(yùn)用大量領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，模擬領(lǐng)域?qū)＜医鉀Q問(wèn)題的思維過(guò)程進(jìn)行推理判斷，有效地處理復(fù)雜問(wèn)題。智能基于知識(shí)，信息有序化為知識(shí)，智能系統(tǒng)要研究知識(shí)的表示、獲取、發(fā)現(xiàn)、保存、傳播、使用方法；智能存在于系統(tǒng)中，系統(tǒng)是由部件組成的有序整體，智能系統(tǒng)要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組織原理協(xié)同策略、進(jìn)化機(jī)制和性能評(píng)價(jià)等。智能系統(tǒng)的主要特征如下。（1）處理對(duì)象（2）處理結(jié)果（3）智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的區(qū)別（4）智能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理硬件包括處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（內(nèi)存、硬盤(pán)等）、顯示設(shè)備（顯示器、投影儀等）、輸入設(shè)備（鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等）、感應(yīng)設(shè)備（感應(yīng)器、傳感器、掃描儀等）等部件。在硬件配置方面，可以根據(jù)需求對(duì)智能系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行定制，以滿足不同的需求。在實(shí)際的應(yīng)用中，比較常見(jiàn)的硬件設(shè)備是工控機(jī)（IPC）、智能終端等產(chǎn)品。5.4.1智能系統(tǒng)的主要特征1.專家系統(tǒng)在智能系統(tǒng)發(fā)展早期，比較典型的綜合性應(yīng)用成果之一就是專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是利用人工智能方法與技術(shù)開(kāi)發(fā)的一類(lèi)智能程序系統(tǒng)，主要模仿某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決該領(lǐng)域特定的一類(lèi)專業(yè)問(wèn)題。其基本原理是通過(guò)利用形式化表征的專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，模仿人類(lèi)專家的推理與決策過(guò)程，從而解決原本需要人類(lèi)專家解決的一些專門(mén)領(lǐng)域的復(fù)雜問(wèn)題。自1965年美國(guó)斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)出第一個(gè)化學(xué)結(jié)構(gòu)分析專家系統(tǒng)DENDRAL以來(lái)，各種專家系統(tǒng)層出不窮，已經(jīng)遍布了幾乎所有專業(yè)領(lǐng)域，成為應(yīng)用最為廣泛、最為成功、最為實(shí)效的智能系統(tǒng)。5.4.2智能系統(tǒng)的發(fā)展前景（1）專家系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：1）專家系統(tǒng)主要運(yùn)用專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)進(jìn)行推理、判斷、決策，從而解決問(wèn)題，因此可以啟發(fā)幫助大量非專業(yè)人員去獨(dú)立開(kāi)展原本不熟悉的專業(yè)領(lǐng)域工作。2）用戶使用專家系統(tǒng)不僅可以得到所需要的結(jié)論，而且可以了解獲得結(jié)論的推導(dǎo)理由與過(guò)程，因此比直接向一些性格古怪的人類(lèi)專家咨詢來(lái)得更加方便、透明和可信賴。3）作為一種人工構(gòu)造的智能程序系統(tǒng)，對(duì)專家系統(tǒng)中知識(shí)庫(kù)的維護(hù)、更新與完善更加靈活迅速，可以滿足用戶不斷增長(zhǎng)的需要。（2）專家系統(tǒng)的分類(lèi)根據(jù)目前已開(kāi)發(fā)的、數(shù)量眾多的、應(yīng)用廣泛的專家系統(tǒng)求解問(wèn)題的性質(zhì)不同，可以將專家系統(tǒng)分為以下7類(lèi)。1）解釋型專家系統(tǒng)2）診斷型專家系統(tǒng)3）預(yù)測(cè)型專家系統(tǒng)4）設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)5）規(guī)劃型專家系統(tǒng)6）監(jiān)視型專家系統(tǒng)7）控制型專家系統(tǒng)另外，還有調(diào)試型、教學(xué)型、修理型等類(lèi)型的專家系統(tǒng)，這里不再贅述?？傊?，專家系統(tǒng)具有以下能力：存儲(chǔ)知識(shí)能力，即具有存放專門(mén)領(lǐng)域知識(shí)的能力；描述能力，即可以描述問(wèn)題求解過(guò)程中涉及的中間過(guò)程；推理能力，即具備解決問(wèn)題所需要的推理能力；問(wèn)題解釋，即對(duì)于求解問(wèn)題與步驟能夠給出合理的解釋；學(xué)習(xí)能力，即具備知識(shí)的獲取、更新與擴(kuò)展能力；交互能力，即向?qū)＜一蛴脩籼峁┝己玫娜藱C(jī)交互手段與界面。正因?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)有這么多的優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣闊。實(shí)際上，自20世紀(jì)70年代專家系統(tǒng)誕生以來(lái)，其已經(jīng)廣泛應(yīng)用到科學(xué)、工程、醫(yī)療、軍事、教育、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，為社會(huì)技術(shù)進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn)。2．智能機(jī)器

智能機(jī)器是一類(lèi)具有一定智能能力的機(jī)器，如智能機(jī)床、智能航天器、無(wú)人飛機(jī)、智能汽車(chē)及先進(jìn)的智能武器等。大多數(shù)智能機(jī)器均具有高度自治能力、能夠靈活適應(yīng)不斷變化的復(fù)雜環(huán)境，并高效自動(dòng)地完成賦予的特定任務(wù)。與專家系統(tǒng)純軟件性不同，一般智能機(jī)器是智能軟件與專用硬件設(shè)備相結(jié)合的產(chǎn)物。智能軟件是智能機(jī)器的大腦中樞，負(fù)責(zé)推理、記憶、想象、學(xué)習(xí)、控制等；傳感器則負(fù)責(zé)收集外部或內(nèi)部信息，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、平衡覺(jué)等；效應(yīng)器則主要實(shí)施智能機(jī)器人的言行動(dòng)作，作用于周?chē)h(huán)境，如整步電動(dòng)機(jī)、揚(yáng)聲器、控制電路等，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人類(lèi)的嘴、手、腳、鼻子等的功能。智能機(jī)器的主體則是支架，其在不同形狀、用途的智能機(jī)器中差異很大。目前，智能機(jī)器人研制工作吸引了眾多國(guó)家的人工智能領(lǐng)域的科學(xué)家與工程師參與，特別是在美國(guó)、日本、德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家，各種智能機(jī)器人層出不窮，并被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，從日常生活到太空、深海，到處都有智能機(jī)器人的身影。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，各類(lèi)智能機(jī)器人分布在眾多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，包括醫(yī)療、餐廳、軍事、玩具、水下、太空、體育、社區(qū)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等，為人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步做出了杰出貢獻(xiàn)。一般而言，智能機(jī)器人不同于普通機(jī)器人應(yīng)具備如下3個(gè)基本功能：（1）感知功能，能夠認(rèn)知周?chē)h(huán)境狀態(tài)及其變化，既包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、距離等遙感型傳感器，也包括壓力、觸覺(jué)、溫度等接觸型傳感器。（2）運(yùn)動(dòng)功能，能夠自主對(duì)環(huán)境做出行為反應(yīng)，并能夠進(jìn)行無(wú)軌道自由行動(dòng)，除了需要有移動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般還需要配備機(jī)械手等能夠進(jìn)行作業(yè)的裝置。（3）思維功能，根據(jù)獲取的環(huán)境信息進(jìn)行分析、推理、決策，并給出采取應(yīng)對(duì)行動(dòng)的控制指令，這是智能機(jī)器人的關(guān)鍵功能，是與普通機(jī)器人區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)。按照智能機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)側(cè)重點(diǎn)不同，可以將智能機(jī)器人分為傳感型、交互型和自主型3類(lèi)。（1）傳感型機(jī)器人：又稱外部受控機(jī)器人，這種機(jī)器人本身并沒(méi)有智能功能，只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)；其智能功能主要由外部控制機(jī)器來(lái)完成，其通過(guò)發(fā)出控制指令來(lái)指揮機(jī)器人的動(dòng)作。（2）交互型機(jī)器人：有一定的智能功能，主要通過(guò)人機(jī)對(duì)話來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制與操作；雖然交互型機(jī)器人具有了部分處理和決策功能，能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)一些（如軌跡規(guī)劃、簡(jiǎn)單的避障等）功能，但還要受到外部的控制。（3）自主型機(jī)器人：無(wú)須人的干預(yù)，能夠在各種環(huán)境下自動(dòng)完成各項(xiàng)擬人任務(wù)；自主型機(jī)器人本身就具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以像一個(gè)自主的人一樣獨(dú)立地活動(dòng)和處理問(wèn)題。3.智能社會(huì)延展心智的哲學(xué)觀認(rèn)為，人類(lèi)的心智具有延展性，而分布式認(rèn)知觀則認(rèn)為思維不僅是單個(gè)個(gè)體心智的事情，而且是經(jīng)過(guò)群體心智相互合作而產(chǎn)生的。不管哪種觀點(diǎn)，都可以看出人類(lèi)心智能力均有社會(huì)性的一面。因此，智能科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用自然也會(huì)波及人們社會(huì)生活的各方面，包括智能社會(huì)的構(gòu)建。4.智能產(chǎn)業(yè)智能化指由現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、行業(yè)技術(shù)、智能控制技術(shù)匯集而成的針對(duì)某個(gè)方面應(yīng)用的智能集合。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)含量及復(fù)雜程度也越來(lái)越高，智能化的概念開(kāi)始逐漸滲透到各行各業(yè)及人們生活中的方方面面，相繼出現(xiàn)了智能住宅小區(qū)、智能醫(yī)院等。智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要包括芯片產(chǎn)業(yè)、軟件產(chǎn)業(yè)、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)、通信技術(shù)、云技術(shù)等產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。（1）芯片產(chǎn)業(yè)：包括CPU芯片、存儲(chǔ)芯片、圖像處理芯片GPU。（2）軟件產(chǎn)業(yè)：行業(yè)軟件需要對(duì)行業(yè)的需求、行業(yè)的業(yè)務(wù)流程、流程中的問(wèn)題解決方案進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。（3）大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)：所有的智能處理都是建立在已有方案與未知問(wèn)題的分析基礎(chǔ)上的，數(shù)據(jù)越多越詳細(xì)，越有助于信息的分析。（4）通信技術(shù)：數(shù)據(jù)的傳播形式是無(wú)線、大流量、低延遲。（5）云技術(shù)：包括數(shù)據(jù)的云計(jì)算、云存儲(chǔ)。智能系統(tǒng)對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、金融、醫(yī)療、無(wú)人駕駛、安全、智能教育、智能家居等行業(yè)也正在產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。5.5工業(yè)人工智能工業(yè)人工智能是指利用快速發(fā)展的人工智能技術(shù)改造工業(yè)的生產(chǎn)方式和決策模式，達(dá)到降本、增效、提質(zhì)的目的，是當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。目前，世界各國(guó)紛紛出臺(tái)相應(yīng)政策，如國(guó)內(nèi)的《中國(guó)制造2025》、美國(guó)的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃”、德國(guó)的“工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃”、英國(guó)的“英國(guó)工業(yè)2050戰(zhàn)略”以及日本的“超智能社會(huì)5.0戰(zhàn)略”等，大力支持工業(yè)智能化，提高本國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。基于工業(yè)人工智能的工業(yè)智能化是新科技的集成，主要包含人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算和信息物理系統(tǒng)（CPS）等技術(shù)，它將使得工業(yè)運(yùn)行更加靈活、高效和節(jié)能，因此，工業(yè)人工智能具有廣闊的應(yīng)用前景。5.5.1工業(yè)人工智能概述工業(yè)人工智能是一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)科學(xué)，把分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、證據(jù)理論等作為工業(yè)人工智能的5個(gè)關(guān)鍵要素。智能制造作為工業(yè)人工智能的主要應(yīng)用場(chǎng)景，人工智能的應(yīng)用貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，減少資源能耗。工業(yè)人工智能的整體研究框架如圖5-5所示。圖5-5工業(yè)人工智能的整體研究框架完整的工業(yè)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及產(chǎn)品類(lèi)（包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工藝、裝配、倉(cāng)儲(chǔ)物流和銷(xiāo)售等）、設(shè)備類(lèi)（包括傳感器、制造設(shè)備、產(chǎn)線、車(chē)間和工廠等）、相關(guān)類(lèi)（包括運(yùn)維、售后、市場(chǎng)、排放、能耗和環(huán)境等）等方面的生產(chǎn)、決策和服務(wù)。另外，人工智能基于數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法，研究計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音工程、自然語(yǔ)言處理以及規(guī)劃決策等問(wèn)題。工業(yè)人工智能綜合工業(yè)大數(shù)據(jù)和工業(yè)運(yùn)行中的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，利用人工智能技術(shù)，通過(guò)自感知、自比較、自預(yù)測(cè)、自優(yōu)化和自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)質(zhì)、高效、安全、可靠和低耗的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行。圍繞上述的目標(biāo)，工業(yè)人工智能需要大力發(fā)展以下6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。5.5.2工業(yè)人工智能的關(guān)鍵技術(shù)1.建模2.診斷3.預(yù)測(cè)4.優(yōu)化5.決策6.AI芯片人工智能的功能實(shí)現(xiàn)包括訓(xùn)練和推斷，即先采用云端訓(xùn)練芯片訓(xùn)練數(shù)據(jù)得出核心模型，接著利用云端推斷芯片對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷推理得出結(jié)論，終端計(jì)算芯片主要提供簡(jiǎn)單的、或者需要實(shí)時(shí)性能的邊緣計(jì)算的能力。目前，在云側(cè)主要利用CPU、GPU、FPGA等芯片進(jìn)行訓(xùn)練獲得模型；端側(cè)主要以推理的任務(wù)為主，無(wú)需承擔(dān)巨大的運(yùn)算量，所以芯片架構(gòu)主要以ASIC為主。工業(yè)人工智能將促進(jìn)工業(yè)的快速發(fā)展，并且開(kāi)始應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。目前，工業(yè)人工智能應(yīng)用的典型場(chǎng)景包括產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)與生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)制、能源管理與能效優(yōu)化、供應(yīng)鏈與智能物流、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)等。1.生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控與產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)2.能源管理與能效優(yōu)化3.供應(yīng)鏈與智能物流4.預(yù)測(cè)性維護(hù)5.5.3工業(yè)人工智能應(yīng)用的典型場(chǎng)景5.6智能制造1.智能制造的概念“智能制造”一詞的定義有多種，并且一直在變化。（1）由日、美、歐共同發(fā)起實(shí)施的“智能制造國(guó)際合作研究計(jì)劃”中定義“智能制造系統(tǒng)是一種在整個(gè)制造過(guò)程中貫穿智能活動(dòng)，并將這種智能活動(dòng)與智能機(jī)器有機(jī)融合，將整個(gè)制造過(guò)程從訂貨、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到市場(chǎng)銷(xiāo)售等各個(gè)環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來(lái)的能發(fā)揮最大生產(chǎn)力的先進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)”。（2）由美國(guó)智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟發(fā)表的《21世紀(jì)智能制造》報(bào)告定義“智能制造是先進(jìn)智能系統(tǒng)強(qiáng)化應(yīng)用、新產(chǎn)品制造快速、產(chǎn)品需求動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及工業(yè)生產(chǎn)和供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)優(yōu)化的制造。智能制造的核心技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)化傳感器、數(shù)據(jù)互操作性、多尺度動(dòng)態(tài)建模與仿真、智能自動(dòng)化，以及可擴(kuò)展的多層次的網(wǎng)絡(luò)安全”。5.6.1智能制造和技術(shù)體系（3）在中國(guó)《2015年智能制造試點(diǎn)示范專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案》中，定義“智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)與模式的總稱。具有以智能工廠為載體、以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心、以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐等特征，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高生產(chǎn)效率提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗”。從上述定義可以看出，隨著各種制造新模式的產(chǎn)生和新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能制造的內(nèi)涵在不斷變化，智能制造的范圍也在擴(kuò)大，橫向上從傳統(tǒng)制造環(huán)節(jié)延伸到產(chǎn)品全生命周期，縱向上從制造裝備延伸到制造車(chē)間、制造企業(yè)甚至企業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)?？傊?，智能制造主要包括如下內(nèi)容。（1）智能制造面向產(chǎn)品全生命周期而非狹義的加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，產(chǎn)品是智能制造的目標(biāo)對(duì)象。（2）智能制造以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，是泛在感知條件下的信息化制造。（3）智能制造的載體是制造系統(tǒng)，從微觀到宏觀有不同的層次，例如制造裝備、制造單元、制造車(chē)間、制造企業(yè)和企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等。制造系統(tǒng)的構(gòu)成包括產(chǎn)品、制造資源（機(jī)器、生產(chǎn)線、人等）、各種過(guò)程活動(dòng)（設(shè)計(jì)、制造、管理、服務(wù)等），以及運(yùn)行與管理模式。（4）智能制造系統(tǒng)，具有自主性的感知、學(xué)習(xí)、分析、決策、通信與協(xié)調(diào)控制能力，這是其區(qū)別于“自動(dòng)化制造系統(tǒng)”和“數(shù)字化制造系統(tǒng)”的根本之處，同時(shí)，“能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)制造環(huán)境的變化”也非常重要，一個(gè)只具有優(yōu)化計(jì)算能力的系統(tǒng)和一個(gè)智能的系統(tǒng)是不同的。2.智能制造的目標(biāo)智能制造的目標(biāo)包含增強(qiáng)用戶體驗(yàn)、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期和拓展產(chǎn)品價(jià)值鏈空間等。（1）滿足客戶個(gè)性化定制需求（2）保證高效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造（3）提升產(chǎn)品價(jià)值，拓展價(jià)值鏈3.智能制造的技術(shù)體系智能制造技術(shù)體系框架如圖5-6所示，智能制造系統(tǒng)包括智能產(chǎn)品、智能制造過(guò)程和智能制造模式三部分內(nèi)容，而新一代信息技術(shù)等基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)為智能制造系統(tǒng)的建設(shè)提供了支撐。（1）智能產(chǎn)品智能產(chǎn)品是指深度嵌入信息技術(shù)，在制造使用和服務(wù)過(guò)程中，能夠體現(xiàn)出自感知、自診斷、自適應(yīng)、自決策等智能特征的產(chǎn)品。產(chǎn)品智能化是產(chǎn)品創(chuàng)新的重要手段，智能產(chǎn)品通常具有如下特點(diǎn)。1）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)自身狀態(tài)、環(huán)境的自感知，具有故障診斷功能。2）具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，提供標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與制造商、服務(wù)商、用戶之間的狀態(tài)和位置等數(shù)據(jù)的傳送。3）具有自適應(yīng)能力，能夠根據(jù)感知的信息調(diào)整自身的運(yùn)行模式使其處于最優(yōu)狀態(tài)。4）能夠提升運(yùn)行數(shù)據(jù)或用戶使用習(xí)慣數(shù)據(jù)，持制造商、服務(wù)商、用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性應(yīng)用等。圖5-6智能制造技術(shù)體系框架（2）智能制造過(guò)程作為制造過(guò)程創(chuàng)新的重要手段，智能制造過(guò)程包括設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)和服務(wù)過(guò)程的智能化。（3）智能制造模式智能制造技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也產(chǎn)生了許多新型制造模式，例如家用電器、汽車(chē)等行業(yè)的客戶個(gè)性化定制模式，電力航空裝備行業(yè)的異地協(xié)同開(kāi)發(fā)和云制造模式，食品、藥材、建材、鋼鐵、服務(wù)等行業(yè)的電子商務(wù)模式，以及眾包設(shè)計(jì)（眾包指的是一個(gè)公司或機(jī)構(gòu)把過(guò)去由員工執(zhí)行的工作任務(wù)，以自由自愿的形式外包給非特定的大眾志愿者的做法。）、協(xié)同制造、城市生產(chǎn)模式等。智能制造模式以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、3D打印等新技術(shù)為實(shí)現(xiàn)前提，極大地拓展了企業(yè)的價(jià)值空間。（4）智能制造與人工智能物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的技術(shù)基礎(chǔ)。人工智能在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括如下幾個(gè)方面。1）基于互聯(lián)網(wǎng)群體智能模式的定制創(chuàng)新設(shè)計(jì)。2）合作研發(fā)群體智慧空間應(yīng)用。3）智能工廠。4）自主智能制造單位范式。5）智能供應(yīng)鏈服務(wù)應(yīng)用。6）預(yù)測(cè)性智能運(yùn)維。智能制造技術(shù)針對(duì)工廠內(nèi)部生產(chǎn)制造過(guò)程的智能化，從關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)和工廠兩個(gè)層面實(shí)現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，以及制造流程與業(yè)務(wù)的數(shù)字化管控。智能制造技術(shù)將云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能等新一代信息技術(shù)與產(chǎn)品全生命周期活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)（設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、管理和服務(wù)等）相融合，通過(guò)關(guān)鍵生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)智能化、數(shù)據(jù)傳輸集成化、泛在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)化，實(shí)現(xiàn)自主感知制造信息、智能化決策優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程、精準(zhǔn)智能執(zhí)行控制指令等，提升產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、智能化水平，提高制造效率，降低能耗、人力等制造成本，是個(gè)性化定制化生產(chǎn)的內(nèi)在需求，對(duì)于推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。智能制造應(yīng)用技術(shù)包括基于CPS的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)制造執(zhí)行技術(shù)、智能工廠技術(shù)、賽博制造技術(shù)和智能服務(wù)技術(shù)等。5.6.2智能制造技術(shù)1.基于CPS的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)制造執(zhí)行技術(shù)基于CPS的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)制造執(zhí)行技術(shù)涉及人機(jī)器設(shè)備、加工對(duì)象、環(huán)境之間的互聯(lián)、感知，以及生產(chǎn)加工的進(jìn)度、現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)、設(shè)備狀態(tài)及利用率等現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)傳遞、反饋以及分析處理，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、物的智能協(xié)同。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、物交互程度的高低，是智能制造技術(shù)水平的重要體現(xiàn)之一?；贑PS的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)制造執(zhí)行主要涉及以下的關(guān)鍵技術(shù)：（1）多協(xié)議、多類(lèi)型融合的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（2）知識(shí)別控制一體化集成技術(shù)（3）工業(yè)關(guān)鍵設(shè)備互聯(lián)技術(shù)2.智能工廠技術(shù)智能工廠涵蓋企業(yè)經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)，包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、采購(gòu)、銷(xiāo)售和供應(yīng)鏈等產(chǎn)業(yè)鏈上下游的相關(guān)活動(dòng)。智能工廠生產(chǎn)制造工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層、感知執(zhí)行層和應(yīng)用層等多個(gè)不同層級(jí)的硬件設(shè)備和系統(tǒng)，在應(yīng)用中，基于傳感器和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知和連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、流程、管理系統(tǒng)和人員，在互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，基于人工智能技術(shù)自主決策和執(zhí)行生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)指令，形成自動(dòng)化、柔性化和智能化的生產(chǎn)形態(tài)。建設(shè)智能工廠主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：（1）智能化的裝備與產(chǎn)線技術(shù)（2）智能化的倉(cāng)儲(chǔ)與物流技術(shù)（3）智能化的生產(chǎn)計(jì)劃排程與過(guò)程管控技術(shù)（4）虛擬工廠與自主決策技術(shù)3.賽博制造技術(shù)賽博制造是在計(jì)算機(jī)虛擬空間建立真實(shí)物理制造過(guò)程的投影，通過(guò)建立設(shè)計(jì)、仿真分析、試驗(yàn)、生產(chǎn)和維護(hù)等不同階段的數(shù)字化設(shè)計(jì)模型、仿真模型、試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、生產(chǎn)模型、維護(hù)模型和人體模型以及工廠模型，充分利用大數(shù)據(jù)、仿真等信息化手段，對(duì)物理產(chǎn)品的制造過(guò)程進(jìn)行模擬、仿真、分析，不斷驗(yàn)證、改進(jìn)、優(yōu)化，并最終反饋到物理產(chǎn)品研制過(guò)程貫徹執(zhí)行。賽博制造涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）基于AR/VR的賽博制造虛擬環(huán)境與人機(jī)交互技術(shù)（2）賽博制造建模技術(shù)（3）賽博、物理空間的集成與交互式運(yùn)行技術(shù)4.智能服務(wù)技術(shù)智能服務(wù)通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品、需求、供應(yīng)和人力資源等信息，采集采購(gòu)、庫(kù)存、銷(xiāo)售、運(yùn)輸及回收等供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和制造資源的技術(shù)參數(shù)信息、工況信息等，分析用戶需求、設(shè)備/產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)、性能參數(shù)及操作行為，挖掘與制造過(guò)程人、機(jī)、物相關(guān)的復(fù)雜隱性關(guān)聯(lián)信息，提供精準(zhǔn)、高效的服務(wù)，如供應(yīng)鏈分析、優(yōu)化以及基于大數(shù)據(jù)的故障預(yù)測(cè)與診斷等。（1）供應(yīng)鏈分析和優(yōu)化服務(wù)（2）基于大數(shù)據(jù)的故障診斷與預(yù)測(cè)服務(wù)1.中國(guó)制造2025產(chǎn)生的背景《中國(guó)制造2025》是中國(guó)政府實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)。通過(guò)信息化和工業(yè)化兩化深度融合來(lái)引領(lǐng)和帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)《中國(guó)制造2025》的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)、產(chǎn)品、業(yè)務(wù)的融合和產(chǎn)業(yè)衍生。智能制造是實(shí)施《中國(guó)制造2025》的主攻方向，是落實(shí)工業(yè)化和信息化深度融合、打造制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略舉措，也是中國(guó)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵所在。國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系按照“三步法”原則建設(shè)完成。5.6.3中國(guó)制造2025第一步，通過(guò)研究各類(lèi)智能制造應(yīng)用系統(tǒng)，提取其共性抽象特征，構(gòu)建由生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能組成的三維智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，從而界定智能制造標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)涵和外延，識(shí)別智能制造現(xiàn)有和缺失的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)知現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)間的交叉重疊關(guān)系。第二步，在深入分析標(biāo)準(zhǔn)化需求的基礎(chǔ)上，綜合智能制造系統(tǒng)架構(gòu)各維度邏輯關(guān)系，將智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的生命周期維度和系統(tǒng)層級(jí)維度組成的平面自上而下依次映射到智能功能維度的五個(gè)層級(jí)，形成智能裝備、智能工廠、智能服務(wù)、工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)五類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)和重點(diǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。第三步，對(duì)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)分解細(xì)化，進(jìn)而建立智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架，指導(dǎo)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)工作。2.智能制造系統(tǒng)架構(gòu)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)通過(guò)生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能三個(gè)維度構(gòu)建完成，主要解決智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)和框架的建模研究。（1）生命周期生命周期由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷(xiāo)售、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)組成的鏈?zhǔn)郊?。生命周期中各?xiàng)活動(dòng)相互關(guān)聯(lián)、相互影響。不同行業(yè)的生命周期構(gòu)成不盡相同。（2）系統(tǒng)層級(jí)系統(tǒng)層級(jí)自下而上共五層，分別為設(shè)備層、控制層、車(chē)間層、企業(yè)層和協(xié)同層。智能制造的系統(tǒng)層級(jí)體現(xiàn)了裝備的智能化和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）化，以及網(wǎng)絡(luò)的扁平化趨勢(shì)。（3）智能功能智能功能包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合與新興業(yè)態(tài)五層。3.智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)包括“A基礎(chǔ)共性”、“B關(guān)鍵技術(shù)”和“C重點(diǎn)行業(yè)”三個(gè)部分，主要反映標(biāo)準(zhǔn)體系各部分的組成關(guān)系。智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖5-7所示。（1）A基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)包括基礎(chǔ)、安全、管理、檢測(cè)評(píng)價(jià)和可靠性五大類(lèi)，位于智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)圖的最底層，其研制的基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)支撐著圖5-7中的B關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和C重點(diǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。（2）BA智能裝備標(biāo)準(zhǔn)位于圖5-7

中的B關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最底層，與智能制造實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系最為緊密。（3）在BA智能裝備標(biāo)準(zhǔn)之上是BB智能工廠標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)智能制造裝備、軟件、數(shù)據(jù)的綜合集成，該標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域在圖5-7中起著承上啟下的作用。（4）BC智能服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)位于B關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的頂層，涉及對(duì)智能制造新模式和新業(yè)態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)研究。（5）BD工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與BE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分別位于圖5-7中的B關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最左側(cè)和最右側(cè)，貫穿B關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的其他3個(gè)領(lǐng)域（BA、BB和BC），打通物理世界和信息世界，推動(dòng)生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型。（6）C重點(diǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)位于圖5-7中的最頂層，面向行業(yè)