智能制造：理念、系统与建模方法

移动互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术与制造业深度融合，孕育了智能制造的新理念。
本书以智能制造理念为起点，讲述了新一代信息技术对传统制造企业的渗透、支持、冲击和融合，给制造业带来的挑战和机遇，以及制造模式的变革、制造系统的发展及建模方法论； 探讨了包括智能产品、智能制造过程、智能管理和服务、智能制造模式、智能制造基础关键技术等内容的智能制造技术体系，以及面向网络协同的智能工厂架构和智能企业协作框架； 详细介绍了智能制造系统的组成、制造系统的建模方法和相关的基础关键技术等内容。
本书可供自动化、机械、计算机、管理工程等领域的管理人员、技术人员参考，也可作为相关专业高年级本科生和研究生的选修课教材。

目录
第1章智能互联时代的制造业
1.1制造业发展史
1.1.1蒸汽动力时代
1.1.2电动力时代
1.1.3信息经济时代
1.1.4智能互联时代
1.2信息技术对制造业的影响
1.2.1信息技术及其社会作用
1.2.2信息技术对制造业的挑战
1.3制造模式的变革
1.3.1制造模式模型
1.3.2制造模式的发展阶段
1.3.3各工业强国制造模式的变革过程
1.3.4中国智能制造的部分内容
1.4制造系统的发展
1.4.1计算机集成制造系统的基本概念
1.4.2现代集成制造系统的基本概念
1.4.3智能制造系统的基本概念
1.5制造系统的建模方法论
1.5.1企业建模理论与方法
1.5.2工程项目开发的生命周期
1.5.3系统的实施方法
参考文献
第2章智能制造的技术体系
2.1“工业4.0”的智能制造技术
2.1.1智能工厂的概念
2.1.2“工业4.0”的核心特征
2.1.3“工业4.0”的基本特征
2.2工业互联网的智能制造技术
2.2.1物联网
2.2.2智能设备
2.2.3智能数据
2.2.4智能决策
2.3“中国制造2025”的智能制造技术
2.4智能制造的技术体系
2.4.1智能制造技术的构成及体系结构
2.4.2新一代信息技术支撑的智能工厂体系结构
2.4.3面向网络协同的智能企业协作框架
参考文献
第3章智能制造系统的组成
3.1制造企业的功能和生产组织方式
3.1.1传统制造企业的生产组织方式
3.1.2现代制造企业的生产组织方式
3.2智能研发与设计系统
3.2.1研发与工艺设计系统概述
3.2.2产品创新设计与研发管理模式
3.2.3产品研发与工艺设计系统
3.2.4基于产品定义模型的智能研发和设计方法
3.3智能生产系统
3.3.1智能生产系统的组成
3.3.2面向智能生产过程的几个概念
3.4智能管理与服务系统
3.4.1智能管理与服务技术体系
3.4.2智能运营管理与服务系统
3.4.3智能物流与供应链系统
3.4.4产品智能服务系统
3.5面向流程工业的智能制造系统
3.5.1连续型制造业的特点
3.5.2流程工业的制造系统
参考文献
第4章面向制造系统集成的支撑平台系统
4.1企业整体解决方案的集成平台
4.2网络化制造服务平台
4.3集成化企业建模与诊断系统
参考文献
第5章制造系统的建模方法体系
5.1信息系统的建模方法论
5.2制造系统的参考体系结构
5.2.1面向集成制造的参考体系结构
5.2.2面向智能制造的参考体系结构
5.2.3“中国制造2025”的智能制造参考架构
5.2.4虚实结合的智能制造参考架构
5.3制造系统的建模方法及工具
5.3.1IDEF系列方法
5.3.2GRAI建模方法
5.3.3ARIS控制视图的过程链方法
5.3.4面向对象的I2DEF方法
5.3.5采用UML类图语言的VEMS建模方法
5.4面向企业整体解决方案的建模工具应用
5.4.1引言
5.4.2企业诊断阶段
5.4.3需求分析阶段
5.4.4系统设计阶段
5.4.5实施与运行维护阶段
5.4.6面向企业整体解决方案的建模工具
参考文献
第6章制造系统的总体设计技术
6.1系统的需求分析
6.1.1企业现状分析
6.1.2企业面临的问题及对策分析
6.1.3系统的需求与目标
6.2系统总体方案的制定与描述
6.2.1制定总体方案的指导思想
6.2.2系统总体设计的内容
6.3分系统的总体设计
6.4设计标准与规范
6.4.1国际标准
6.4.2ISO/TC184
6.4.3国家标准
参考文献
第7章制造系统的基础关键技术
7.1制造系统的基础理论和支持技术
7.1.1离散事件动态系统理论
7.1.2系统集成技术与企业优化技术
7.1.3系统仿真技术
7.1.4传统的智能技术与方法
7.1.5机器学习方法
7.1.6新一代人工智能技术
7.2制造系统中的信息技术
7.2.1产品数据管理技术
7.2.2制造网络技术
7.2.3产品数据交换技术
7.2.4产品全生命周期管理技术
7.2.5智能传感技术
7.2.6信息物理系统技术
7.3计算机辅助技术
7.3.1计算机辅助设计
7.3.2计算机辅助工艺规划
7.3.3计算机辅助制造
7.3.4计算机辅助质量管理
7.4制造系统的集成平台技术
7.4.1软构件及其标准接口
7.4.2制造系统应用集成平台
7.5制造过程控制技术
7.5.1数字控制技术
7.5.2柔性制造技术
7.5.3传统的智能制造技术
7.6制造技术的新发展
参考文献

　　第5章
　　制造系统的建模方法体系
　　制造系统的设计、分析和实施所需的一组方法的集合，称为“制造系统的方法体系”。更具体地说，方法体系包含三个组成部分： 参考模型、建模方法和实施指南。三者相结合，才能形成一组完整的工作指导文件。这些指导性文件体现出系统科学的特征。随着制造系统理念、方法与技术的发展以及应用的不断广泛和深入，制造系统的系统性、整体性与一致性进一步凸显。于是，如何完善制造系统的方法体系，并为企业的信息化和整体集成优化提供有效、实用的分析、设计制造系统的一整套理论、方法和使能工具已经备受关注。本章将对制造系统的方法体系进行详细阐述，主要内容有制造系统的参考体系结构及其建模方法和工具。
　　5.1信息系统的建模方法论
　　在信息化项目管理过程中，对信息系统的认识和构建是阶梯上升的，在概念定义阶段需要明确企业的战略目标，并据此形成集成系统的目标，然后围绕系统目标，参考行业内通用的参考体系结构模型，从组织、资源、信息、产品、功能和经营过程等角度描述企业的现状，形成对企业基本框架和运行机制的完整描述(体系结构)。在这些描述的约束下，采用合适的模型分析手段进行分析，找出现有系统中的问题进行改进，然后构建目标系统，形成多视图的目标系统的描述。在形成目标系统描述时，除了使用各个视图的描述方法外，还可以应用其他建模方法，以便提供对系统更完整的描述(系统建模)。完成基于模型的设计后，就是在构建工具集的帮助下，将设计转化为实际系统构建的技术说明，并构建实际系统。系统描述对系统的运行仍然能够发挥作用，可以作为实际系统运行的参考，并据此进行系统的优化与调整。
　　一方面，由于信息化项目的多专业性，为了解决沟通和分析设计的问题，需要借助建模的手段实现对被处理对象系统的描述； 另一方面，由于信息化处理对象的复杂性，依据“化繁为简、分而治之”的原则，使用多层次、多视图的模型来描述目标系统。视图的划分包括反映结构信息的信息视图、资源视图、组织视图、产品视图，反映系统时间和逻辑特征的过程视图，结合反映系统功能结构和功能关系的功能视图，以及反映企业经济性和目的性的经济视图。静态结构反映了系统的存在，行为结构给出了系统的属性和运行方式，而评价结构则将系统和它的目的性关联在一起。通过多视图，为集成的定义方法(integrated computer aided manufacturing DEFinition method，IDEF)、ARIS等建模方法和工具的集成，以及制造企业原模型和企业本体的开发提供了技术框架。
　　5.2制造系统的参考体系结构
　　参考体系结构模型为信息技术项目的管理提供了体系参考和方法论，经过各国专家的努力，已经形成了一批相当有代表性和广泛影响力的参考体系结构及建模方法，并进行了大量的工业实践，如面向智能制造的“工业4.0”参考架构模型(Reference Architecture Model for Industrie 4.0，RAMI 4.0)、工业互联网参考架构(Industrial Internet Reference Architecture，IIRA)，以及面向现代集成制造的CIM开放系统体系结构(Open System Architecture for ComputerIntegrated Manufacturing，CIMOSA)、GRAI集成方法论(GRAI Integrated Methodology，GIM)、欧共体集成制造计划和控制系统(Integrated Manufacturing Plan And Control System，IMPACS)、普渡企业参考体系结构(Purdue Enterprise Reference Architecture，PERA)、集成的信息系统体系结构(Architecture of Integrated Information Systems，ARIS)、通用企业参考体系结构与方法论(Generalized Enterprise Reference Architecture and Methodology，GERAM)、阶梯形CIM系统体系结构(StairLike CIM System Architecture，SLA)等。
　　5.2.1面向集成制造的参考体系结构
　　CIM的另一种定义是： “CIM是一种组织、管理与运行企业生产的哲理。它借助计算机硬件、软件，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，将企业生产经营全部过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流、物料流和资金流有机地集成并优化运行，以实现产品质量高、生产制造消耗低、上市快，从而使企业赢得竞争。”在CIM中非常强调系统的观点和信息的观点。系统的观点是指整个企业的各个部分是有机结合的总体； 信息的观点是指整个制造生产过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。CIMS在企业应用的最终目标是实现企业的优化运行，而集成是为最终企业的优化运行服务的，是企业优化的基础。
　　CIMS是一个复杂的大系统，企业实施CIMS是一个复杂的系统工程。为了保证CIMS的实施能够得到良好的效果，除了需要实施者有良好的理论、技术和丰富的实施经验外，还需要有先进实用的CIMS实施方法论的指导和工具系统的支持。CIM体系结构是CIMS方法和工具系统的基础。所谓体系结构，就是反映描述系统的各组成部分及其相互关系的一组模型。
　　为了能完成希望的任务，计划实行计算机集成制造(更广义的企业集成)的任何组织都会有一些非常特殊的要求。因此，对于CIMS体系结构，会遇到以下问题：
　　(1) 不可能完整地买到一个集成制造系统； 每个公司都要对自己的系统进行设计，这就说明了为什么需要方法论来帮助建立集成企业。
　　(2) 设计一个集成企业面临很多困难，主要表现为： 系统极其复杂，因此，必须靠一些特殊的技术来了解这种复杂性，从而能够使集成有效地进行下去； 不能只从技术的角度考虑系统，还应该用集成的方式从经济、社会和人的角度来考虑； 设计系统所需的知识不是一个人所能具有的，设计时需要协同工作； 系统的初始状况是很重要的。为了更好地了解系统运行的详细约束条件，以及避免对系统中符合要求的部分进行再设计，必须考虑系统的初始状况。
　　(3) 体系结构必须包括以下几部分： 广义的参考模型，全局显示集成企业项目的结构； 至少一种建模形式化方法，用于建立研究和评价所需的模型； 用于总体方案的一种结构化方法，根据企业目标和约束条件逐渐将现有的系统引向未来系统结构化法是解决问题时所需遵循的一组步骤。在集成制造系统设计方法论的框架中，结构化方法必须覆盖集成项目的全部生命周期(分析、设计、开发、实现、运行)； 性能评价标准，从各方面(如经济性、可靠性等)对系统进行评价。
　　综上所述，在评价制造集成体系结构时不能只考虑集成的what问题，还需要考虑集成的how问题。也就是说，应该从包括企业提供的服务、人际关系以及信息技术在内的完整企业系统的开发方面来考虑如何实现。虽然各种文献中提出了许多企业参考体系结构，都对集成制造企业的任务进行了说明、解释和指导，但是，只有很少文献既考虑了企业集成中的what问题，又考虑了how问题。大部分文献只是把注意力放在对计算机控制系统及其各种功能的互联结构描述上，即只考虑了what问题。由此可以将体系结构分成两类： 第一类描述了诸如计算机系统、通信系统等组成集成企业系统的某些组件或部分体系结构，或物理结构； 第二类给出了所要开发的集成项目自身的体系结构，即表明了开发集成项目的生命周期。
　　由于集成项目开发的主要步骤是设计和构造一个包括计算机系统、通信系统等子系统的完整系统，所以第一类系统结构应该作为重要工具包含在第二类体系结构中。在众多体系结构中，第二类体系结构模型有CIMOSA、PERA、GIM、ARIS等。
　　1. CIM体系结构的分类
　　前面已经把CIM体系结构定义为一组不同层次的各种视图模型的集合。又因为CIM系统在内容、范围、时间进程上都不是封闭的，故对所述体系结构还特别强调其开放性，也称为开放系统体系结构。
　　正如对CIM的认识随着研究和实施的深入而不断深入一样，对CIM体系结构的认识也有一个发展过程。经世界各国研究人员多年的研究，已经提出了多种CIM体系结构和相应的CIMS实施方法论。比较著名的体系结构有最早提出的ARMF的五层递阶结构、SME轮式模型、CIMOSA、ARIS、PERA、GRAI等。总体来说，这些体系结构共分为三类，即面向CIM系统生命周期的体系结构、面向CIM系统功能和控制结构的体系结构、面向CIM系统集成平台的体系结构。下面简要介绍一下这三类CIM的体系结构的特点和典型代表。
　　1） 面向CIM系统生命周期的体系结构
　　……

　　前言
　　本书旨在对原书《现代集成制造系统概论： 理念、方法、技术、设计与实施》（2004年出版）进行修订、更新、补充，结合近年来全球有关智能制造理念的科研实践，同时更名为“智能制造： 理念、系统与建模方法”。原书用于研究生课程“现代集成制造系统概论”。该课程是20世纪90年代中期开始为系统工程专业开设的，其宗旨是使研究生掌握计算机集成制造系统和现代集成制造系统的理论、方法、技术，具有设计与实施制造系统的能力。原书自2004年出版后作为研究生课程“现代集成制造系统概论”的教材一直使用至今。
　　随着信息、机械、自动化、系统工程和管理等学科的发展，特别是以移动互联网、大数据、人工智能、物联网、云计算等为代表的新一代信息技术推进了智能制造（Smart Manufacturing）技术的快速发展，结合课题组获得的丰硕科研成果，我们感到必须加深与拓宽课程的内容，特别是需要编写能反映新一代信息技术环境下智能制造技术沿革、新内涵以及相关成果的教学参考书。因此，对原书内容进行了调整，增加了“新一代信息技术的发展及其对制造业的影响”“制造模式的变革”“制造系统的发展及智能制造的概念”“智能制造的技术构成及新一代信息技术支撑的智能工厂体系结构”“智能制造系统的组成”“面向智能制造的参考体系结构”等相关内容。本书对原课程目标进行了改革和更新，使研究生能够在及时获取新一代信息技术环境下智能制造领域中的最新理念、系统、方法与技术的基础上，掌握从事制造系统相关工程设计与实施需要的基本能力。
　　本书以智能制造理念为起点，讲述新一代信息技术对传统制造业企业的渗透、支持和冲击，给制造业带来的挑战和机遇，以及智能制造技术及系统的发展与沿革，并且系统介绍了智能制造的理念、技术、系统及建模方法等内容。在编写过程中，我们以国内外最新的研究成果和实践经验充实本书的内容； 以系统论、方法论为指导，提升本书的学术水平，强化课程的科学性和系统性。我们将多年来科研中遇到的问题、获得的成果加以总结、系统化，并与国家的智能制造战略指导思想融合，较全面、系统地阐述了“智能制造理念、系统与建模方法”。本书可使读者直接面对国民经济建设主战场，在实施 “中国制造2025”“新一代人工智能”以及“信息化和工业化深度融合”的重大战略中发挥作用。相信本书的出版具有很好的学术价值。
　　本书共7章。第1章对智能互联时代的制造业、制造模式的变革、制造系统的发展及制造系统的建模方法论进行综述，并为本书内容的展开进行铺垫； 第2章分别从德国“工业4.0”的智能制造技术、美国工业互联网的智能制造技术和“中国制造2025”的智能制造等角度介绍智能制造模式，并探讨包括智能产品、智能制造过程、智能管理和服务、智能制造模式、智能制造基础关键技术等内容的智能制造技术体系、面向网络协同的智能工厂架构和智能企业协作框架； 第3章介绍智能制造系统的基本组成，包括智能研发与设计系统、智能生产系统、智能管理与服务系统以及面向流程工业的制造系统； 第4章介绍面向制造系统集成的支撑平台； 第5章介绍制造系统的建模方法体系，包括建模方法论、多种系统参考体系结构、建模方法和建模工具的应用等内容； 第6章讨论制造系统的总体设计技术； 第7章介绍制造系统的基础关键技术。
　　本书既注重系统性和科学性，又注重实用性； 既有综合性，又有专门深入的论述。其主要特色是： 系统介绍新一代信息技术环境对制造业的影响、智能制造模式的产生和发展，以及当前流行的智能制造观，如“工业4.0”“工业互联网”和“中国制造2025”等； 详细介绍智能制造技术体系及其系统构成，包括智能研发与设计系统、智能生产系统、智能管理与服务系统、产品智能服务系统等内容； 系统介绍智能制造系统的建模方法体系，如建模方法论、参考体系结构和建模方法工具等； 注重智能制造系统强调的关键技术，如制造系统的基础理论和支持技术、信息技术、计算机辅助技术、集成平台技术、制造过程控制技术，以及制造技术的新发展等，较全面地阐述实际系统开发中已采用或正在兴起的技术。本书涉及面广、内容丰富，努力反映出国家智能制造和新一代人工智能的战略部署及实施情况。
　　本书受到国家自然科学基金项目“互联网与大数据环境下面向高端装备制造的智能工厂运营优化（No.71690234）”和“面向MRO（维护、维修、运行）网络环境的维护服务协同优化与调度研究（No.61573257）”的资助。本书的编写经过多轮研究生教学实践的检验，效果较好。全书由刘敏和严隽薇策划、编写并统稿，特别感谢戴毅茹和凌卫青在本书前一版中做了大量工作，以及马玉敏提出宝贵的修改建议。本书得到同济大学电子与信息工程学院系统工程专业博士生章锋、李玲、徐高威等同学的协助，他们为本书多个章节的素材编写工作付出了辛勤劳动,谨在此对他们表示衷心的感谢。
　　本书涉及的范围比较广，讨论的问题比较新，也比较复杂，书中难免有不足之处，欢迎广大读者批评指正。
　　作者
　　2018年5月