第1章
現代制造系統研究進展

1.1　現代制造系統發展趨勢

制造技術是人類社會生存、發展的前提和基礎。自兩次工業革命以來，人類制造技術獲得了空前發展，生活水平也有了極大的提升，盡管當前以金融、文化、旅游等為要素的第三產業蓬勃發展，但制造業仍然是國民經濟的基礎與支柱，與國家安全也有著密不可分的聯系，是今后我國經濟“創新驅動、轉型升級”的主戰場。18世紀中葉開啟工業文明以來，世界強國的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強大的制造業，就沒有國家和民族的強盛。因此，各個國家都非常重視制造業乃至制造技術的更新換代，這在日本、德國、美國等傳統制造強國中表現尤為明顯。我國已經成為制造大國，但仍然不是制造強國。因此，打造中國制造新優勢，實現由制造大國向制造強國的轉變，對我國新時期的經濟發展很重要，也很迫切。打造具有國際競爭力的制造業，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國的必由之路。

隨著嵌入式計算機技術、信息網絡技術和物聯網技術等技術的快速發展，當前國際制造業出現了新的發展趨勢，國際制造業大國紛紛提出了自己的先進制造業發展規劃，如德國的“工業4.0”戰略計劃、美國的“先進制造業伙伴關系”和“先進制造業國家戰略”計劃、英國的“高價值制造戰略”，以及中國的“中國制造強國戰略”等。隨著未來制造業向著高度信息化、自動化、智能化的方向發展，現代制造系統的概念、模式和實施手段在不斷地延伸和變化。

世界經濟一體化、市場競爭的加劇及用戶驅動對產品的生產提出了更高的要求，這使制造系統的生產組織模式必須從單純的面向產品生產轉變為面向市場和客戶的需求，要求其能夠針對瞬息變化的市場環境做出快速、有效的調整。制造系統內部運行環境也面臨著挑戰，不確定性隨機事件頻繁發生。為了應對這些挑戰，在制造系統的協調和組織結構層面，要求其具有處理動態事件的自組織和自適應能力、加工復雜產品所需的柔性，以及應對干擾保持系統穩健性的能力；在制造系統調度層面，要求調度技術能及時響應干擾，并且能滿足多目標的優化（如時間、質量、成本、柔性等）。因此，如何尋找合理的制造系統生產協調方式和調度技術來有效地應對動態的制造環境，并快速地適應各種動態變化的需求是現代制造系統在當前形勢下必須考慮的關鍵問題。

為了滿足現代制造系統對自組織性、自適應性和穩健性的需求，國內外眾多專家學者針對制造系統的控制系統中的一些共性問題（如控制系統的自適應性、動態自組織性和穩健性等）進行研究，在網絡化技術、計算機信息科學技術和人工智能技術發展的基礎上，以制造系統關鍵需求和應對戰略為源驅動力，從制造系統控制結構和組織模式等多方面入手，提出了很多新的先進制造系統的智能控制與協調組織模式，如多智能體制造系統（Multi-Agent Manufacturing System，MAMS）、分形制造系統（Fractal Manufacturing System，FrMS）、Holonic制造系統（Holonic Manufacturing System，HMS）、生物型制造系統（Biological Manufacturing System，BMS）等。這些智能制造系統控制協調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所有類型的制造系統，各自均有自己的優越性、局限性和使用范圍。然而，在對制造系統智能控制系統的結構和組織模型進行研究時，發現其中智能、自適應、自組織、敏捷、自律協同等很多具有生物學意義的關鍵詞出現得越來越多，而生物系統的最基本特性恰恰是自組織與自適應，這引起了研究者的注意。地球上的生物系統經過漫長的自然進化，生命結構與功能一直在不斷優化與完善，其復雜多樣的控制結構、器官功能及內部各種協調機制在生命系統運作過程中所表現出來的適應性、高效性和可靠性等優良特性尤其值得我們在研究復雜的制造系統智能控制協調機制時借鑒和參考。

那么，生物系統內部的一些優良特性能夠為現代制造系統建模提供什么樣的啟示呢？隨著人工智能控制技術的發展，相關專家、學者對人體自身信息處理系統的研究也越來越多。通過對人體信息處理系統自適應、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，如人工神經網絡、遺傳算法、人工免疫算法等。然而，在人體生理調節系統中起到重要作用的內分泌系統的信息處理機制的研究才剛剛起步，但其中的分布式調節機制卻與現代制造系統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控制機制和規律，并對生物系統的子系統與工程控制中的一些系統結構與功能進行了對比，發現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制。如果從結構上將復雜制造系統與生物系統進行類比，我們會發現兩者有很多相似之處，生物系統中的很多控制協調特性可以借鑒并用到制造系統中（見圖1.1）。

圖1.1　生物系統與制造系統的類比

因此，在這種情況下，對生物內分泌協調控制機制在現代智能制造系統協調控制中的應用進行了研究，提出了基于神經內分泌調節機制的類生物化智能制造系統（Bio-inspired Intelligent Manufacturing System，BIMS）的概念。這是以系統的自組織、小規模自治及自組織為主要特征，通過生物控制論、大系統建模、人工智能等多學科交叉的手段，實現快速響應和高效生產的新型智能制造系統。

生命系統是由最底層的細胞在微觀上根據具體生命形態構成的基本組織，然后不同的組織根據外界刺激和生命體的需要構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。與生命系統類似，現代制造系統也是由許多基礎的組成實體（如物料運輸設備、機器人、AGV、加工設備及其他制造資源）構成的一個高度分散的自治式制造系統。表1.1中可以比較清晰地看出生物系統與制造系統之間存在著深度的相似之處，如細胞類比于制造資源（機床、AGV等），組織類比于制造單元，器官類比于車間，應激源類比于任務（訂單）等。在制造業日趨信息化，而生命科學走向工程化的今天，這種相似性顯得更加突出。因此，在搭建復雜而龐大的現代制造系統時，參考模擬生物系統的結構形式，賦予制造系統的組成實體或子系統一定的自治能力，不僅可以簡化系統各單元的耦合關系，有效提高系統的開放性、靈活性、可重組性和可擴展性，而且可以有效提高整個系統的智能自組織能力和對環境的動態自適應能力。因此，本書受生物內分泌調節機制及其控制結構的啟發，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的控制結構及協調機制進行了相關研究。

表1.1　制造系統與生命系統的類比

綜上所述，本書將“基于神經內分泌系統的智能制造系統控制與協調技術”作為主要研究方向，通過對大量國內外關于智能制造系統的最新研究成果進行研究和分析，實時把握其最新發展動向，密切關注大系統控制論、仿生智能控制、協調算法與智能機器等相關學科的最新研究進展。根據上述分析發現的制造系統存在的問題和實際需求，對類生物化制造系統中的基本組織模型、控制結構、調度算法及協調機制等方面進行深入研究，積極探索新的解決現代制造系統控制協調中的不足、優化制造系統性能的組織模式和控制協調方法，以便將基于神經內分泌系統的優良調控機制更快地推向實際應用，從而提高我國現代制造系統對動態化市場需求的快速敏捷的響應能力，使我國企業能夠在全球化市場的激烈競爭中具有更大的優勢。