智能制造系統是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，它在制造過程中能以一種高度柔性與集成不高的方式，借助計算機模擬人類專家的智能活動進行分析、推理、判斷、構思和決策等，從而取代或者延伸制造環境中人的部分腦力勞動。

　　同時，收集、存貯、完善、共享、集成和發展人類專家的智能。特征：自組織能力；自律能力；自學習和自維護能力；整個制造環境中智能繼承。

　　智能制造系統架構

　　智能制造系統架構通過生命周期、系統層級和智能功能三個維度構建完成，主要解決智能制造標準體系結構和框架的建模研究。如圖1所示。

　　圖 1 智能制造系統架構

　　1、生命周期

　　生命周期是由設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯系的價值創造活動組成的鏈式集合。生命周期中各項活動相互關聯、相互影響。不同行業的生命周期構成不盡相同。

　　2、系統層級

　　系統層級自下而上共五層，分別為設備層、控制層、車間層、企業層和協同層。智能制造的系統層級體現了裝備的智能化和互聯網協議（IP）化，以及網絡的扁平化趨勢。具體包括：

　　（1） 設備層級包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、機器、機械和裝置等，是企業進行生產活動的物質技術基礎；

　　（2） 控制層級包括可編程邏輯控制器（PLC）、數據采集與監視控制系統（SCADA）、分布式控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）等；

　　（3） 車間層級實現面向工廠/車間的生產管理，包括制造執行系統（MES）等；

　　（4） 企業層級實現面向企業的經營管理，包括企業資源計劃系統（ERP）、產品生命周期管理（PLM）、供應鏈管理系統（SCM）和客戶關系管理系統（CRM）等；

　　（5） 協同層級由產業鏈上不同企業通過互聯網絡共享信息實現協同研發、智能生產、精準物流和智能服務等。

　　3、智能功能

　　智能功能包括資源要素、系統集成、互聯互通、信息融合和新興業態等五層。

　　（1） 資源要素包括設計施工圖紙、產品工藝文件、原材料、制造設備、生產車間和工廠等物理實體，也包括電力、燃氣等能源。此外，人員也可視為資源的一個組成部分。

　　（2） 系統集成是指通過二維碼、射頻識別、軟件等信息技術集成原材料、零部件、能源、設備等各種制造資源。由小到大實現從智能裝備到智能生產單元、智能生產線、數字化車間、智能工廠，乃至智能制造系統的集成。

　　（3） 互聯互通是指通過有線、無線等通信技術，實現機器之間、機器與控制系統之間、企業之間的互聯互通。

　　（4） 信息融合是指在系統集成和通信的基礎上，利用云計算、大數據等新一代信息技術，在保障信息安全的前提下，實現信息協同共享。

　　（5） 新興業態包括個性化定制、遠程運維和工業云等服務型制造模式。

　　4、示例解析

　　智能制造系統架構通過三個維度展示了智能制造的全貌。為更好的解讀和理解系統架構，以可編程邏輯控制器（PLC）、工業機器人和工業互聯網為例，分別從點、線、面三個方面詮釋智能制造重點領域在系統架構中所處的位置及其相關標準。

　　（1）可編程邏輯控制器（PLC）

　　圖 2 PLC在智能制造系統架構中的位置

　　PLC位于智能制造系統架構生命周期的生產環節、系統層級的控制層級，以及智能功能的系統集成，如圖2所示。已發布的PLC標準主要包括：

　　GB/T 15969.1可編程序控制器 第1部分：通用信息應用和實現導則

　　IEC/TR 61131-9可編程序控制器 第9部分：小型傳感器和執行器的單量數字通信接口（SDCI）

　　（2）工業機器人

　　圖 3 工業機器人在智能制造系統架構中的位置

　　工業機器人位于智能制造系統架構生命周期的生產環節、系統層級的設備層級和控制層級，以及智能功能的資源要素，如圖3所示。已發布的工業機器人標準主要包括：

　　GB/T 19399-2003 工業機器人 編程和操作圖形用戶接口

　　GB/Z 20869-2007 工業機器人 用于機器人的中間代碼正在制定的工業機器人標準主要包括：

　　20120878-T-604 機器人仿真開發環境接口

　　20112051-T-604 開放式機器人控制器通訊接口規范

　　（３）工業互聯網

　　圖 4 工業互聯網在智能制造系統架構中的位置

　　工業互聯網位于智能制造系統架構生命周期的所有環節、系統層級的設備、控制、工廠、企業和協同五個層級，以及智能功能的互聯互通。已發布的工業互聯網標準主要包括：

　　GB/T 20171-2006 用于工業測量與控制系統的EPA系統結構與通信規范

　　GB/T 26790.1-2011 工業無線網絡WIA規范 第1部分：用于過程自動化的WIA系統結構與通信規范

　　GB/T 25105-2014 工業通信網絡 現場總線規范 類型10:PROFINET IO規范

　　GB/T 19760-2008 CC-Link控制與通信網絡規范

　　GB/T 31230-2014 工業以太網現場總線EtherCAT

　　GB/T 19582-2008 基于Modbus協議的工業自動化網絡規范

　　GB/Z 26157-2010 測量和控制數字數據通信 工業控制系統用現場總線 類型2：ControlNet和EtherNet/IP規范

　　GB/T 29910-2013 工業通信網絡 現場總線規范 類型20：HART規范GB/T 27960-2011 以太網POWERLINK通信行規規范

　　智能制造系統的特征

　　一個智能制造系統具有什么樣的特征才稱得上智能制造？至少有五點：人機一體化，虛擬現實，具有自組織和超融性的能力，具有學習能力和自我維護能力，有自律的能力。下面我們來進行解讀，什么叫自律能力？

　　一個機器，一個設備要能夠自律，首先它一定要能夠感知，感知和理解環境信息和自身信息，并進行分析和判斷來規劃自身的行為和能力。具有自律能力的設備稱為智能機器，智能機器在一定程度上表現出獨立性、自主性、個性，甚至相互之間能夠協調、運行、競爭，要有自律的能力，能夠感知環境的變化，能夠跟隨環境的變化自己作出決策來調整行動。要做到這一點，一定要有強有力的支持度和記憶支持的模型為基礎，它才可能具有自律能力。

　　智能制造系統不單純是一個人工智能系統，而是人機一體化的智能系統，它不僅有邏輯思維、形象思維，而且具有靈感。它能夠獨立地承擔起分析、判斷、決策的任務。人機一體化的智能系統，在智能機器的配合下能夠更好的發揮出人的潛力，使人機之間表現出一種平等共事、互相理解、互相協作的關系。因此，在智能制造系統當中，高素質、高智能的人將發揮更好的作用。機器智能和人的智能能真正的集成在一起，相互配合、相得益彰，永遠是人機一體化的。

　　最近一段時間以來，我國浙江、江蘇、廣東都提出了機器換人，由于勞動力緊張，招工困難，勞動力成本上升，他們提出了機器換人。政府拿出大量資金來補貼企業，如果你實施機器換人，政府補貼30%。這樣做之后發現，引進一些裝備機器人來之后會操作了，他要的人的素質完全變了。原來是普通勞動者，農民工經過訓練就可以做了，機器人來之后，人反而不適應了。具有編程的人要讓機器人為你服務，要維護機器人，人跟不上了。所以我們在裝備不斷改進的同時，其實工作環境、工作條件對人的要求也都發生了變化。

　　虛擬現實，實現虛擬現實技術也是實現高水平的人機一體化的關鍵技術之一，虛擬現實技術是以計算機為基礎，融合信號處理、動畫技術、智能推理、預測、反真多媒體技術為一體，借助多種音像和傳感器，虛擬展示現實生活當中各種過程、部件，因而能夠模擬制造過程和未來的產品。從感官和視覺上給人獲得完全如真實的感受，它的特點是可以按照人的意志、意念來變化，這種人機結合的新一代的智能界面是智能制造的顯著特征。

　　我們搞自動化工廠，物流自動化也可以利用虛擬現實的技術，我給你設計一條生產線，這個生產線未來是什么樣的，機器是怎么樣的動作？我可以通過我的設計，通過虛擬現實給你展示出來，機器還沒出來，但我可以給你提供未來整個生產線是什么樣的，機器裝備是怎么樣的動作，物流是如何搬運的活動都可以讓你事先看到。我們面對虛擬現實來討論這個方案，你認為哪個地方還不合適需要改進？

　　自組織和超融性，在智能制造系統當中，各組成單元能夠根據任務的需要自行的組成一種結構，它的容性不僅表現在運行方式，而且表現在結構形式上，所以稱這種融性叫超融性。就好像一群人類專家組成的群體，它具有一種生物的特征。根據環境的變化，它可以有自組織的能力。

　　學習能力和自我恢復能力。智能制造系統里能夠在實踐當中不斷充實知識庫，具有自學習能力。在運行當中能進行故障診斷，并對故障進行排除，自行恢復能力。這種特征是 智能制造系統 能夠自我優化，適應各種復雜的環境。作為智能制造，應具有這樣的特征。

　　智能制造系統基礎要素

　　智能制造系統架構通過生命周期、系統層級和智能功能三個維度構建完成，主要解決智能制造標準體系結構和框架的建模研究。

　　生命周期是由設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯系的價值創造活動組成的鏈式集合。

　　系統層級包括設備層、控制層、車間層、企業層和協同層，共五層。智能制造的系統層級體現了裝備的智能化和互聯網協議（IP）化，以及網絡的扁平化趨勢。

　　智能功能包括資源要素、系統集成、互聯互通、信息融合和新興業態五層。

　　（1）資源要素包括設計施工圖紙、產品工藝文件、原材料、制造設備、生產車間和工廠等物理實體，也包括電力、燃氣等能源。此外，人員也可視為資源的一個組成部分。

　　（2）系統集成是指通過二維碼、射頻識別、軟件等信息技術集成原材料、零部件、能源、設備等各種制造資源。由小到大實現從智能裝備到智能生產單元、智能生產線、數字化車間、智能工廠乃至智能制造系統的集成。

　　（3）互聯互通是指通過有線、無線等通信技術，實現機器之間、機器與控制系統之間、企業之間的互聯互通。

　　（4）信息融合是指在系統集成和通信的基礎上，利用云計算、大數據等新一代信息技術，在保障信息安全的前提下，實現信息協同共享。

　　（5）新興業態包括個性化定制、遠程運維和工業云等服務型制造模式。