第1章
現(xiàn)代制造系統(tǒng)研究進(jìn)展

1.1　現(xiàn)代制造系統(tǒng)發(fā)展趨勢

制造技術(shù)是人類社會生存、發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。自兩次工業(yè)革命以來，人類制造技術(shù)獲得了空前發(fā)展，生活水平也有了極大的提升，盡管當(dāng)前以金融、文化、旅游等為要素的第三產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但制造業(yè)仍然是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)與支柱，與國家安全也有著密不可分的聯(lián)系，是今后我國經(jīng)濟(jì)“創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型升級”的主戰(zhàn)場。18世紀(jì)中葉開啟工業(yè)文明以來，世界強(qiáng)國的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強(qiáng)盛。因此，各個國家都非常重視制造業(yè)乃至制造技術(shù)的更新?lián)Q代，這在日本、德國、美國等傳統(tǒng)制造強(qiáng)國中表現(xiàn)尤為明顯。我國已經(jīng)成為制造大國，但仍然不是制造強(qiáng)國。因此，打造中國制造新優(yōu)勢，實現(xiàn)由制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，對我國新時期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展很重要，也很迫切。打造具有國際競爭力的制造業(yè)，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國的必由之路。

隨著嵌入式計算機(jī)技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前國際制造業(yè)出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢，國際制造業(yè)大國紛紛提出了自己的先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃，如德國的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略計劃、美國的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”和“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略”計劃、英國的“高價值制造戰(zhàn)略”，以及中國的“中國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略”等。隨著未來制造業(yè)向著高度信息化、自動化、智能化的方向發(fā)展，現(xiàn)代制造系統(tǒng)的概念、模式和實施手段在不斷地延伸和變化。

世界經(jīng)濟(jì)一體化、市場競爭的加劇及用戶驅(qū)動對產(chǎn)品的生產(chǎn)提出了更高的要求，這使制造系統(tǒng)的生產(chǎn)組織模式必須從單純的面向產(chǎn)品生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚴袌龊涂蛻舻男枨螅笃淠軌蜥槍λ蚕⒆兓氖袌霏h(huán)境做出快速、有效的調(diào)整。制造系統(tǒng)內(nèi)部運行環(huán)境也面臨著挑戰(zhàn)，不確定性隨機(jī)事件頻繁發(fā)生。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，在制造系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和組織結(jié)構(gòu)層面，要求其具有處理動態(tài)事件的自組織和自適應(yīng)能力、加工復(fù)雜產(chǎn)品所需的柔性，以及應(yīng)對干擾保持系統(tǒng)穩(wěn)健性的能力；在制造系統(tǒng)調(diào)度層面，要求調(diào)度技術(shù)能及時響應(yīng)干擾，并且能滿足多目標(biāo)的優(yōu)化（如時間、質(zhì)量、成本、柔性等）。因此，如何尋找合理的制造系統(tǒng)生產(chǎn)協(xié)調(diào)方式和調(diào)度技術(shù)來有效地應(yīng)對動態(tài)的制造環(huán)境，并快速地適應(yīng)各種動態(tài)變化的需求是現(xiàn)代制造系統(tǒng)在當(dāng)前形勢下必須考慮的關(guān)鍵問題。

為了滿足現(xiàn)代制造系統(tǒng)對自組織性、自適應(yīng)性和穩(wěn)健性的需求，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者針對制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中的一些共性問題（如控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性、動態(tài)自組織性和穩(wěn)健性等）進(jìn)行研究，在網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、計算機(jī)信息科學(xué)技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，以制造系統(tǒng)關(guān)鍵需求和應(yīng)對戰(zhàn)略為源驅(qū)動力，從制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和組織模式等多方面入手，提出了很多新的先進(jìn)制造系統(tǒng)的智能控制與協(xié)調(diào)組織模式，如多智能體制造系統(tǒng)（Multi-Agent Manufacturing System，MAMS）、分形制造系統(tǒng)（Fractal Manufacturing System，F(xiàn)rMS）、Holonic制造系統(tǒng)（Holonic Manufacturing System，HMS）、生物型制造系統(tǒng)（Biological Manufacturing System，BMS）等。這些智能制造系統(tǒng)控制協(xié)調(diào)模式基本上是相互獨立的，并且針對制造需求也各不相同，沒有一種智能控制模型能夠適應(yīng)所有類型的制造系統(tǒng)，各自均有自己的優(yōu)越性、局限性和使用范圍。然而，在對制造系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組織模型進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)其中智能、自適應(yīng)、自組織、敏捷、自律協(xié)同等很多具有生物學(xué)意義的關(guān)鍵詞出現(xiàn)得越來越多，而生物系統(tǒng)的最基本特性恰恰是自組織與自適應(yīng)，這引起了研究者的注意。地球上的生物系統(tǒng)經(jīng)過漫長的自然進(jìn)化，生命結(jié)構(gòu)與功能一直在不斷優(yōu)化與完善，其復(fù)雜多樣的控制結(jié)構(gòu)、器官功能及內(nèi)部各種協(xié)調(diào)機(jī)制在生命系統(tǒng)運作過程中所表現(xiàn)出來的適應(yīng)性、高效性和可靠性等優(yōu)良特性尤其值得我們在研究復(fù)雜的制造系統(tǒng)智能控制協(xié)調(diào)機(jī)制時借鑒和參考。

那么，生物系統(tǒng)內(nèi)部的一些優(yōu)良特性能夠為現(xiàn)代制造系統(tǒng)建模提供什么樣的啟示呢？隨著人工智能控制技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)專家、學(xué)者對人體自身信息處理系統(tǒng)的研究也越來越多。通過對人體信息處理系統(tǒng)自適應(yīng)、自組織、分布式信息處理等特點的研究，人們提出了很多不同的智能算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、人工免疫算法等。然而，在人體生理調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起到重要作用的內(nèi)分泌系統(tǒng)的信息處理機(jī)制的研究才剛剛起步，但其中的分布式調(diào)節(jié)機(jī)制卻與現(xiàn)代制造系統(tǒng)中的很多控制情況相似。從生物控制論的角度解釋了人體的一些自適應(yīng)控制機(jī)制和規(guī)律，并對生物系統(tǒng)的子系統(tǒng)與工程控制中的一些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)兩者在很多方面具有驚人的相似性，并且都可以通過相同或相似的組成部分來描述其控制機(jī)制。如果從結(jié)構(gòu)上將復(fù)雜制造系統(tǒng)與生物系統(tǒng)進(jìn)行類比，我們會發(fā)現(xiàn)兩者有很多相似之處，生物系統(tǒng)中的很多控制協(xié)調(diào)特性可以借鑒并用到制造系統(tǒng)中（見圖1.1）。

圖1.1　生物系統(tǒng)與制造系統(tǒng)的類比

因此，在這種情況下，對生物內(nèi)分泌協(xié)調(diào)控制機(jī)制在現(xiàn)代智能制造系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了基于神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制的類生物化智能制造系統(tǒng)（Bio-inspired Intelligent Manufacturing System，BIMS）的概念。這是以系統(tǒng)的自組織、小規(guī)模自治及自組織為主要特征，通過生物控制論、大系統(tǒng)建模、人工智能等多學(xué)科交叉的手段，實現(xiàn)快速響應(yīng)和高效生產(chǎn)的新型智能制造系統(tǒng)。

生命系統(tǒng)是由最底層的細(xì)胞在微觀上根據(jù)具體生命形態(tài)構(gòu)成的基本組織，然后不同的組織根據(jù)外界刺激和生命體的需要構(gòu)成具有一定功能的器官，再由不同功能的器官組成不同的生命形態(tài)。與生命系統(tǒng)類似，現(xiàn)代制造系統(tǒng)也是由許多基礎(chǔ)的組成實體（如物料運輸設(shè)備、機(jī)器人、AGV、加工設(shè)備及其他制造資源）構(gòu)成的一個高度分散的自治式制造系統(tǒng)。表1.1中可以比較清晰地看出生物系統(tǒng)與制造系統(tǒng)之間存在著深度的相似之處，如細(xì)胞類比于制造資源（機(jī)床、AGV等），組織類比于制造單元，器官類比于車間，應(yīng)激源類比于任務(wù)（訂單）等。在制造業(yè)日趨信息化，而生命科學(xué)走向工程化的今天，這種相似性顯得更加突出。因此，在搭建復(fù)雜而龐大的現(xiàn)代制造系統(tǒng)時，參考模擬生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，賦予制造系統(tǒng)的組成實體或子系統(tǒng)一定的自治能力，不僅可以簡化系統(tǒng)各單元的耦合關(guān)系，有效提高系統(tǒng)的開放性、靈活性、可重組性和可擴(kuò)展性，而且可以有效提高整個系統(tǒng)的智能自組織能力和對環(huán)境的動態(tài)自適應(yīng)能力。因此，本書受生物內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制及其控制結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，分別從激素的分泌、傳遞及反饋等方面對類生物化制造系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究。

表1.1　制造系統(tǒng)與生命系統(tǒng)的類比

綜上所述，本書將“基于神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的智能制造系統(tǒng)控制與協(xié)調(diào)技術(shù)”作為主要研究方向，通過對大量國內(nèi)外關(guān)于智能制造系統(tǒng)的最新研究成果進(jìn)行研究和分析，實時把握其最新發(fā)展動向，密切關(guān)注大系統(tǒng)控制論、仿生智能控制、協(xié)調(diào)算法與智能機(jī)器等相關(guān)學(xué)科的最新研究進(jìn)展。根據(jù)上述分析發(fā)現(xiàn)的制造系統(tǒng)存在的問題和實際需求，對類生物化制造系統(tǒng)中的基本組織模型、控制結(jié)構(gòu)、調(diào)度算法及協(xié)調(diào)機(jī)制等方面進(jìn)行深入研究，積極探索新的解決現(xiàn)代制造系統(tǒng)控制協(xié)調(diào)中的不足、優(yōu)化制造系統(tǒng)性能的組織模式和控制協(xié)調(diào)方法，以便將基于神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的優(yōu)良調(diào)控機(jī)制更快地推向?qū)嶋H應(yīng)用，從而提高我國現(xiàn)代制造系統(tǒng)對動態(tài)化市場需求的快速敏捷的響應(yīng)能力，使我國企業(yè)能夠在全球化市場的激烈競爭中具有更大的優(yōu)勢。