智能制造概论

本教材作为智能制造概论类教材，能够为智能制造工程专业的学生学习智能制造的基本概念、结构体系和关键技术，了解下一代智能制造的发展方向提供非常大的帮助。同时，为了有利于学生创新能力的培养，书中注重知识节点及其关联。

 

本书结合近年来智能制造技术的发展，详细介绍了智能制造的基本概念、结构体系和关键技术，并提出了下一代智能制造的发展方向。基于作者制造业信息化方面的经验、与若干著名企业在数字化方面的合作与联系、对国内外很多著名企业数字化情况的广泛考察和了解，从多视角解读智能制造的本质、内涵和关键技术，凝练智能制造中的若干意识和观念。为了有利于学生创新能力的培养，书中注重知识节点及其关联。本书既可作为智能制造本科专业必修课程教材，也可以作为其它专业学生选修智能制造课程的教材以及智能制造企业人员培训教材。

李培根，男，华中科技大学教授，中国工程院院士。现任中国机械工程学会理事长，曾任教育部高等学校机械学科教学指导委员会主任委员。

第1篇智能制造基础
第1章智能制造发展历程简介

1.1从自动化到智能化

1.2学术概念的提出

1.3智能制造的国际合作计划

1.4世界主要国家的智能制造发展战略与实践

参考文献

第2章智能制造的基本概念和架构

2.1定义

2.2内涵

2.3支撑系统

2.3.1工业互联网

2.3.25G技术

2.3.3数据库

2.3.4信息安全

2.4功能系统

2.4.1智能设计

2.4.2制造过程控制优化

2.4.3智能供应链

2.4.4智能服务

参考文献

第3章现代制造的基本理念

3.1可持续发展

3.1.1绿色制造

3.1.2面向人和社会

3.2以客户为中心

3.2.1顾客主义和商业长期主义

3.2.2以客户为中心的产品开发

3.2.3大规模个性化定制

3.2.4预测性维护与服务制造

3.3精益生产

参考文献

 

 

第2篇智能制造核心技术

第4章数据获取与处理

4.1数据的来源、特点与类型

4.2数据获取技术

4.3数据处理技术

4.4数据获取与处理在智能制造中的应用

4.5数据获取与处理的发展趋势

参考文献

第5章数字孪生

5.1数字孪生的概念与发展

5.2数字孪生的模型

5.3数字孪生的关键技术

5.4数字孪生在智能制造中的应用

5.5数字孪生的发展趋势

参考文献

第6章建模与仿真技术

6.1建模与仿真技术的定义

6.2建模与仿真技术的特点

6.3建模与仿真技术的技术体系/关键技术

6.4建模与仿真技术在智能制造中的典型应用案例

6.5建模与仿真技术的发展趋势

参考文献

第7章工业机器人

7.1工业机器人的概念与发展

7.2工业机器人的结构与功能

7.3工业机器人的关键技术

7.4工业机器人在智能制造中的应用

7.5工业机器人的发展趋势

参考文献

第8章智能控制

8.1智能控制的概念及其发展

8.2智能控制的特点

8.3智能控制的关键技术

8.4智能控制在智能制造中的应用

8.5智能控制的发展趋势

参考文献

第9章智能调度

9.1智能调度的概念及其发展

9.2智能调度的特点

9.3智能调度的关键技术

9.3.1数学规划方法与求解器

9.3.2启发式方法

9.3.3智能优化方法

9.4智能调度的发展趋势

参考文献

第10章工业互联网平台

10.1工业互联网及其层次结构

10.2工业互联网平台及其基础、核心与关键

10.3工业互联网平台的技术体系与关键技术

10.4工业互联网平台的应用场景

10.5工业互联网平台的构建方式

参考文献

第3篇从企业进化维度看智能制造

第11章产品进化

11.1花开花落

11.2智能产品的技术要素

11.3智能产品的目标功能进化

11.4智能产品的基础功能要素

11.5智能产品开发的若干考虑

参考文献

第12章过程进化

12.1过程进化的目的

12.2过程进化的载体

12.3过程进化的方式

12.4主要过程的进化

12.4.1产品设计开发过程进化

12.4.2工艺过程进化

12.4.3车间生产过程进化

12.4.4服务过程进化

参考文献

第13章企业生态系统进化

13.1基本概念

13.2企业生态系统竞争与合作

13.3供应链生态进化

13.4生态系统创新

13.5企业员工生态

13.6数字生态系统

13.7企业数字生态空间的广度和深度

13.8生态系统下的商业模式创新

参考文献

第4篇智能制造精要及前沿趋势

第14章数据驱动

14.1数据流动与数据驱动

14.2数据驱动产品创新

14.3数据驱动过程

14.4数据驱动工作流和新的业务活动

14.5数据驱动企业战略和模式

14.5.1数据驱动企业战略

14.5.2数据驱动企业运营模式改变

14.6数据驱动的企业需要新组织架构

14.7勿为迷幻的数据所驱动

参考文献

第15章软件定义

15.1华丽超越

15.2软件定义的含义

15.3软件定义产品功能和性能

15.4软件定义加工生产

15.5软件定义市场

15.6软件定义企业能力

参考文献

第16章虚实融合

16.1CPS和虚实融合

16.2虚拟空间中的产品状态及场景

16.3产品中的虚拟空间

16.4虚实空间的叠加和融合

16.5虚拟过程

16.6虚实融合的交汇点： 人的体验

参考文献

第17章整体联系

17.1整体观和系统观

17.2产品的整体观

17.3数字化、智能化生产系统中的整体联系

17.4企业战略中的整体联系

17.5整体联系的关键是数据分析

17.6知识分工： 也是一种整体联系

参考文献

第18章下一代智能制造

18.1人机共融

18.1.1人机共融的概念与发展

18.1.2人机共融的特点

18.1.3人机共融的关键技术

18.1.4人机共融在智能制造中的应用

18.1.5人机共融的发展趋势

18.2云机器人

18.2.1云机器人的概念与发展

18.2.2云机器人的特点与功能

18.2.3云机器人的关键技术

18.2.4云机器人在智能制造中的应用

18.2.5云机器人的发展趋势

18.3数字工程师

18.3.1数字工程师的概念和发展

18.3.2数字工程师的特点和作用

18.3.3数字工程师的关键技术

18.3.4数字工程师在智能制造中的应用

18.3.5数字工程师的发展趋势

18.4商业智能

18.4.1商业智能的概念与发展

18.4.2商业智能的功能和特点

18.4.3商业智能的关键技术

18.4.4商业智能在智能制造中的应用

18.4.5商业智能的发展趋势

参考文献

英文缩略词表

智能制造成为中国制造强国方略的主攻方向，自然受到制造业、学界以及政府的广泛关注。企业的工程技术和管理人员都希望了解智能制造的相关知识。一些学校甚至增设了智能制造工程专业，只要有工科，即使未设智能制造专业，也一定会开设智能制造的相关课程。
智能制造本身是跨专业的，所涉及的知识几乎与所有的工科专业有关； 智能制造是跨行业的，其核心技术不仅覆盖所有的制造行业，即便在某些非制造行业也能适用。因此，智能制造的知识面很宽，所涉及的知识点又很专。对于一个欲详细了解智能制造相关知识的人而言，往往觉得无可适从。
不管是教师、学生乃至工程师，欲全面地掌握智能制造相关的知识基本上是不可能的。但欲了解智能制造相关的单元知识，其书籍、资料颇丰，如大数据、人工智能、虚拟现实(包括增强现实等)、模拟与仿真、增材制造、物联网、工业互联网、传感技术、计算机视觉……。因此，要了解智能制造的相关单元技术并不难。
编写智能制造的教材甚难，其中智能制造概论或导论之类的教材尤难。其难在于，既要使读者认识智能制造的概貌，又不能以偏概全； 既要让读者初通智能制造的相关技术和知识，又不能让技术和知识淹没了智能制造的本质与内涵； 欲让读者对智能制造在企业的各环节或流程(设计、加工、供应……)的子系统有所认识，又不至于让子系统遮蔽整体联系； 欲使读者对某些行业智能制造的特点略知一二，又不能对未见诸教材的行业之智能制造了无概念。君不见，行业大类有离散和流程制造之分，仅流程一类又有石油、化工、制药、冶金、纺织……。即使在流程一类的不同行业中其特点迥异，欲使读者对不同类型行业的智能制造特点形成概念，何其难哉！载体如产品、装备、工具……，五花八门，成千上万； 环节如设计、加工、生产计划、供应、销售……，千差万别！数字智能技术如何应用在迥异的行业、五花八门的载体和千差万别的环节？有何共同的规律？
的确，对于智能制造的学习者而言，智能制造概论或导论教材尤为重要，因为它是智能制造入门的向导。
令人欣喜的是，中国工程院周济院士编著的《智能制造导论》新近出版。书中不仅介绍了智能制造相关的单元技术，且含有离散和流程制造业的诸多案例，还创造性地提出了智能制造的三个范式，是一本难得的好教材。笔者希望本书既呈现给学生或刚接触智能制造的工程师们以智能制造的概貌，而又不能让读者犹如摸象盲人之“无明众生”； 它在让读者关注智能制造的关键技术的同时，更需要让读者明白智能制造的内涵与真谛； 在让读者了解智能制造分系统及其实现方式的同时，还应该让读者明白数字智能技术在不同系统中应用的共性规律； 需要让读者了解典型行业的智能制造应用情况，更需要凝练适合于不同行业的一些理念和意识。相信本书能够在若干方面与《智能制造导论》互补。
对于智能制造的实践者而言，智能产品创新需要什么样的思维？数字智能技术用于企业各环节、各分系统的基本思想是什么？智能制造进程的推进需要总体把握什么？即便是从事智能制造的基层工程师，如何从整体联系中更清晰地认识自己所从事的工作之作用和意义？一名优秀的智能制造相关的工程师重要的潜质是什么？恐怕是融会贯通在他工作中的某些意识和思维，这种意识和思维使他能够不假思索地走在智能制造的正确方向。优秀恰恰是使其形成习惯的那些意识和思维！
企业高层的管理及技术人员，更需要站在更高的层次上俯视和体验智能制造。置身于智能制造中的高层人士恐怕需要有两个我： 一个在数字世界中醒着看制造，另一个在制造的物理世界中冥想其孪生的比特世界。虽然大学生和初学者不可能很快达到这种境界，但至少要明白什么样的境界是他应该向往的。
鉴于上述考虑，本书不仅概要地介绍智能制造相关的技术，更着重智能制造所需的意识和思维方式的提炼(如第11~17章所示)，以弥补一般同类教材或书籍之未尽。这也应该算是本书的特色。
本书在主要章节中均列举了“节点”和“问题”。通过节点和节点之间的关联，读者更容易系统地掌握相关知识，且有助于读者在实践中形成联想和创新的能力； “问题”也能使读者更深刻地领悟相关知识，并能进一步思考和延伸阅读。
文中收集的大量资料和案例，有助于读者对问题的理解，并可作为企业智能制造实践中的参考。书中自然融入了作者自己学习智能制造理论和诸多企业智能制造实践后形成的感悟，如第2章中关于智能制造的内涵，主要表现在对不确定性问题、非固定模式问题、非结构化问题及其整体联系问题的处理； 拓扑优化设计、车间智能优化调度问题等； 第13章中关于企业数字生态空间的广度和深度； 第14章中数据流动与数据驱动的区别、软件定义的含义、对不同视角(生产工艺、功能、特定目标、客户)的整体联系的总结、十六字精要等，均体现了作者自己的见解。
本书第18章也特别值得一读。真正代表未来智能制造水平的一些前沿技术，如数字员工(数字工程师)、商业智能、云化机器人、人机共融等，均是下一代智能制造发展的方向。所有欲了解智能制造发展趋势的读者对这一章定当极有兴趣。
本书可作为智能制造专业必修课之主干教材，亦可用作智能制造相关专业的辅修教材。本书也适合于企业的工程技术及管理人员使用，甚至对于关注智能制造的行政官员，这也是一本通俗易懂且易获得要领的参考书。
李培根构思了全书的结构和大纲，书中第2篇、第18章以及2.3节和2.4节由高亮教授所撰写，其余为李培根所作。
感谢张秋玲编审对智能制造系列教材的发起和推动，感谢清华大学出版社为此系列教材出版所作的重大贡献，感谢刘杨编辑为本书的出版所付出的努力。
鉴于作者对智能制造的理解和认识的局限，书中错误在所难免，敬请读者批评指正。
2020年11月