智能制造概论_刘强_9787111681496_上海联诚图书有限公司

本书首先介绍了制造技术和智能制造的发展历程，讨论了智能制造的内涵与特征、构成要素和参考架构模型等智能制造技术基础，介绍了智能传感技术、工业互联网和物联网、大数据、云计算和边缘计算、虚拟现实/增强现实/混合现实技术、人工智能和数字孪生等新一代智能制造支撑技术；以智能工厂和智能生产为主题，并结合实际案例，讨论了横向集成、纵向集成和端到端集成三大集成技术，以及动态感知、实时分析、自主决策和精准执行四项功能应用使能技术；*后阐述了推进和实施智能制造的基本原则、发展阶段、演进范式、典型模式和具体步骤，展望了智能制造的未来。通过学习本书，读者可以了解智能制造发展的历程，理解和掌握智能制造的基础理论和关键技术，了解智能工厂和智能生产的构建及实现场景，并探讨智能制造的未来发展方向和技术路线。
本书可作为高等院校智能制造工程、机械工程及相关专业开设的智能制造概论、智能制造导论以及智能制造工程基础等课程的教材，也可作为智能制造其他课程教学和培训的参考书。

制造活动是人类进化、生存、生活和生产活动中一个永恒的主题，是人类建立文明的基础。人类初的制造活动萌芽于原始工具制造，人类文明也因此产生。迄今为止，人类文明的发展经历了原始文明、农业文明、工业文明等。制造技术（Manufacturing Technology）正是随人类的自身生存和生活需求、制造活动实践和社会生产力进步而产生和发展的。
从16世纪开始，受文艺复兴的影响，欧洲开始发生科学革命和启蒙运动，为工业革命准备了科学原理、知识和方法。17631870年英国发生了次工业革命，蒸汽机的发明使人类社会进入了工业时代，现代意义上的制造概念和制造业也随之诞生。在英语中制造（manufacturing）的词根是来自拉丁文的manu和facere，分别具有手工的和做的意义。次工业革命之后，制造的概念是指通过机器进行制作或生产产品，特别是大批量地制作或生产产品。与工业化进程和产业革命紧密相联，制造业先后已经历了机械化、电气化和信息化三个阶段，现在正处于第四个阶段智能化，人们称之为四次工业革命，即工业10、工业20、工业30和工业40。
近年来，制造技术面临产品性能指标越来越高，个性化越来越强的要求，以及不断缩短的交付期、不断增高的成本、更加严苛的环保压力和日益复杂的制造系统等挑战。同时，新一代信息通信技术和新一代人工智能技术也在与制造技术深度融合，给制造业带来新的理念、模式、技术和应用，展现出未来制造技术和制造业发展的新前景。为了应对挑战，先进工业国家均推出了重要的国家制造发展战略，2013年德国推出了《Industrie 40》（工业40），2015年中国发布了制造强国战略《中国制造2025》，2018年美国发布了《Strategy for American Leadership in Advanced Manufacturing》（先进制造业美国领导力战略）报告，2019年11月德国又正式发布了《Industriestrategie 2030》（工业战略2030），在各个国家的发展战略中，不约而同地将智能制造定位为振兴工业发展战略的关键，智能制造成为全球工业界关注的重点和学术界研究的前沿热点。
1989年，美国爱荷华大学教授Andrew Kusiak首次明确提出了智能制造系统（Intelligent Manufacturing System），并将智能制造定义为通过集成知识工程、制造软件系统和机器人控制来对制造技工们的技能与专家知识进行建模，以使智能机器可自主地进行小批量生产。此后，对智能制造的认识不断发展，基于对工业革命与现代制造概念形成及发展的分析，以及对制造业和制造技术发展永恒目标的认识，通过进一步分析工业40时代的特征，我们对工业40时代的智能制造内涵有了进一步的认识，即：智能制造是先进制造技术与新一代信息技术、新一代人工智能等新技术深度融合形成的新型制造系统和制造技术，它以产品全生命周期价值链的数字化、网络化和智能化集成为主线，以企业内部纵向管控集成和企业外部网络化协同集成为支撑，以实际生产系统及其对应的各层级数字孪生映射融合构建的赛博物理生产系统CPPS（Cyber Physical Production System，也称为信息物理生产系统）为核心，建立起具有动态感知、实时分析、自主决策和精准执行功能的智能工厂，进行虚实融合的智能生产，实现高效、优质、低耗、绿色、安全的制造和服务。
本书作为面向智能制造工程、机械工程和制造工程等专业本科生的智能制造概论教材，旨在以工业40时代对智能制造的新概念、新内涵和新特征的认识为基础，力求全面系统地介绍智能制造发展历史、理论基础、支撑技术和使能技术、推进和实施智能制造的原则和步骤等。书中介绍了智能感知、工业互联网、工业大数据、云计算和边缘计算、虚拟现实/增强现实/混合现实、人工智能和数字孪生等新一代智能制造支撑技术；以智能工厂和智能生产为主题，并结合实际案例，展开讨论了横向集成、纵向集成和端到端集成三大集成技术，以及动态感知、实时分析、自主决策和精准执行4项功能应用技术；后阐述了推进和实施智能制造的基本原则、发展阶段、演进范式、典型模式和具体步骤，探讨了制造新形态和工厂新模式，展望了智能制造的未来。
本书的第1章为概述，概要介绍了制造技术的发展历史，分析了从工业10到工业40不同发展阶段之间制造技术变迁的特点，提出工业40时代制造业优质、高效、低耗、绿色、安全的总体目标及其新的内涵；介绍了不同阶段智能制造的发展特点和主要工业发达国家关于智能制造发展的国家战略，阐述了现代意义上的制造一词的定义和智能制造的基本概念，对德国、美国、日本和我国在智能制造发展方面的特点和优势进行了分析比较；后介绍了本课程的教学目标与主要教学内容安排。
第2章为智能制造技术基础，在给出智能制造内涵定义的基础上，分析了智能制造的关键特征；从智能设计、智能产品、智能生产、智能管理和智能服务五个方面，阐述了智能制造的核心构成要素及其基本内容；详细介绍了当前流行的智能制造五种参考架构模型，即：工业40参考架构模型、基于工业互联网参考架构的智能制造体系架构、智能制造生态系统模型、工业价值链参考架构和智能制造单元、智能制造三链模型，分析了各个模型的特点以及相互联系。
第3章为新一代智能制造支撑技术，重点介绍了新一代信息技术和人工智能技术等支撑新一代智能制造发展的关键技术。该章从基本概念及工作原理、核心算法或关键技术以及智能制造的应用支撑等方面，重点讨论了智能传感技术、工业互联网和物联网、大数据、云计算和边缘计算、人工智能、虚拟现实/增强现实/混合现实技术和数字孪生。
第4章为智能工厂和智能生产，阐述了从数字化工厂到智能工厂的发展过程，总结了智能工厂的基本特征；从工厂自动化的标准化层级结构出发，介绍了智能工厂的架构、赛博物理系统CPS（Cyber Physical System，也称为信息物理系统）的构成；特别是从应用使能技术（包括技术集成和应用功能实现）的角度，讨论了在智能工厂中的横向、纵向和端到端的三大集成的技术实现，以及在智能生产系统中动态感知、实时分析、自主决策和精准执行四项功能应用技术，介绍了多个智能工厂、智能生产具体场景和智能制造过程实现的实例。
第5章为智能制造演进范式与发展路径，详细阐述了推进和实施智能制造的三要三不要基本原则及其具体内容，介绍了企业智能化发展的计算机化、连接、可视、透明、预测、自适应六个阶段，智能制造从数字化制造到网络化制造、再到新一代智能制造的三个演进范式，提出了企业实施智能制造的五个具体步骤，介绍了未来制造的新形态和未来工厂模式，后展望了智能制造的未来。
作为一本教材，本书在各章前面设有导读，以方便读者了解各章的内容主线及其相互关系，在各章后安排了思考题和习题或思考与讨论题，便于教学过程中应用。另外，读者也可根据书后列出的参考文献进行拓展阅读和深入学习。
本书编者在北京航空航天大学从事智能制造、控制工程和先进数控技术方面的教学和研究工作多年，自2015年到2019年底，应邀在多个国内外重要学术会议和专题论坛上，做有关智能制造方面的主旨或专题报告。在教学、科研和学术交流中的思考和积累为本书的写作奠定了重要的基础。2017年编者与丁德宇为主编，符刚、郭源生和刘明雷作为副主编，共计有43位专家参与编写的《智能制造之路专家智慧实践路线》（机械工业出版社出版）一书出版后，编者即开始考虑撰写一本面向本科教学的智能制造概论方面的教学参考书，适逢机械工业出版社组织有关智能制造的系列教材，于是便有了此书写作和出版的计划安排。
本书在撰写过程中，得到了编者所在单位及同事的指导、支持和帮助。于靖军教授对本书出版立项给予了大力支持，并一直关心本书编著、出版的进展情况；编者指导的在读博士研究生王柳权、朱三颖、臧辰鑫等参与了部分文献收集、分析等工作，书中还直接引用了编者指导的已毕业博士研究生刘焕、皮世威、佟鑫和硕士研究生肖遥等人的相关论文以及课题研究中的一些成果；2019年编者负责组织开设了北航机械工程及自动化学院智能制造工程本科专业的新课程智能制造工程基础，在教学过程中与郑联语、魏巍、肖文磊、杜福洲等任课教师的交流及研讨，也使编者获益匪浅；责任编辑舒恬为本书的高质量出版付出了大量努力和辛勤工作。在此，向给予编者支持帮助的领导、同事、学生和友人等致以深深的谢意！
在本书的撰写过程中，编者参阅了大量论文、专著以及其他形式的参考资料，在书后的参考文献中列出，以便于读者拓展阅读。在此，特向所有参考文献的原作者表示衷心的感谢！同时，由于参考文献较多，在书中的参考或引用之处未能一一对应标注，敬请原作者和读者谅解！
虽然在撰写过程中编者已尽努力以求至善，但受编者业务水平和时间的限制，书中不可避免地还存在不足甚至可能是错误之处，敬请读者批评指正！
书稿完成之日，正值又一个教师节即将到来之际，编者有幸受邀作为从教30周年以上的教师代表参加表彰大会并领奖，临会有感而发，赋小诗一首：
三尺讲台天地宽，
烛炬成灰苦亦甘。
卅年沧桑寸心在，
唯念桃李报春还。
抄录此诗于此，以为逾30年从教生涯之写照，并与读者共勉。对于中国制造，路漫漫则修远，任重更待砥砺前行，愿我们弘扬唯实致真、探奥拓新精神，为制造强国的建设做出贡献。

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