计算机集成制造系统

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1. 大规模个性化定制：大规模个性化的新发展

肖人彬

计算机集成制造系统 2023, 29 (12): 4215-4226. DOI: 10.13196/j.cims.2023.0651

摘要（3205）

PDF （1797KB）（10371）

在回顾生产模式演变历程的基础上,提出包括客户维、生产维和服务维的三维结构用来描述生产模式,并对每个维度的基本内涵加以明确阐释。基于对个性化需求与个性化产品的分析,发现两者之间存在非同步的不一致性,进而提炼出非常规自然需求超前规律,为此通过引入精准服务,提升两者之间的一致性,形成大规模个性化定制的新的生产模式。在生产模式的三维结构描述下,手工生产和大规模生产已退化为一维结构,而大规模定制和大规模个性化都属于二维结构。提出实现大规模个性化定制的两个核心部分——数据驱动的大规模个性化设计和面向大规模个性化定制的韧性制造系统,重点论述两者包含的若干关键技术。从概念和技术两个层面对精准服务进行阐释。从价值共创的角度分析从手工生产到大规模个性化定制的5种主要生产模式,结果表明：大规模个性化定制通过精准服务,可以有效实现个性化需求,具有充分的价值共创能力。考察中国海尔集团的人单合一模式,分析表明人单合一是大规模定制模式通过精准服务使其在服务维的区间取值从小到大转换得以实现;而大规模个性化定制依托精准服务,可实现生产模式三个维度的整体优化,是大规模个性化生产模式的新发展。

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2. 基于数字孪生的工业机器人三维可视化监控

杜莹莹, 罗映, 彭义兵, 刘璇, 吴竟宁

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 2130-2138. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.027

摘要（296）

PDF （1503KB）（429）

为实现对工业机器人的透明、实时可视化监控,提出一种基于数字孪生的工业机器人三维实时可视化监控系统。该系统基于改进的数字孪生系统框架建立机器人数字孪生体,实现了物理单元建模,以及孪生数据的采集、传输与解析,进而同步映射物理单元与虚拟单元,实现了对机器人的三维实时监控。通过采用所开发的原型系统进行验证,证明了所提系统的可行性和有效性。

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3. 基于深度迁移学习的多点频域振动响应预测

崔振凯, 王成, 何霆, 李海波, 赖雄鸣, 张忆文

计算机集成制造系统 2023, 29 (8): 2524-2536. DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.002

摘要（292）

PDF （4253KB）（525）

针对多输入多输出神经网络(MIMO-ANN)进行多点频域振动响应预测时需要为每个频率点独立建立神经网络模型、独立随机选择神经网络模型初值导致的训练时间长、预测精度低等问题,提出了一种基于多输入多输出人工神经网络(MIMO-ANN)和模型迁移学习的多点频域振动响应预测方法。本研究对于多源不相关载荷未知条件下的基于数据驱动的振动响应预测问题进行了形式化描述,并比较了其与不相关多源载荷已知情况下基于数据驱动的多点频域振动响应预测问题的不同之处。首先,将某频率点下的多个振动响应已知的测点的自功率谱作为输入,多个振动响应未知的测点的自功率谱作为输出,将两部分历史数据集构造成为训练集,利用MIMO-ANN建立该频率下的未知点振动响应预测模型;其次,根据传递函数在频域的连续性,利用该频率下训练好的MIMO-ANN的权值迁移到相邻频率作为其MIMO-ANN的初值;再次,利用此相邻频率下的历史数据进行训练,从而得到此频率下的预测模型;最后,不断循环此过程,直到所有频率点的模型全部训练完成。该方法解决了矩阵病态求逆问题,可以获得更好的神经网络模型的初值,不容易陷入局部最优,加快了神经网络的收敛速度。在圆柱壳声振实验数据集的多点响应预测结果表明,在多源载荷未知条件下,该方法比基于无迁移学习神经网络、多元线性回归、传递函数的方法,预测精度、训练效率更高。

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4. 面向生产计划分析的协同制造过程建模语言及建模仿真系统

张莉, 杨子天, 葛宁, 刘怡

计算机集成制造系统 2023, 29 (5): 1415-1428. DOI: 10.13196/j.cims.2023.05.001

摘要（252）

PDF （5153KB）（474）

跨企业协同制造涉及要素种类多、联动关系复杂、内外部不确定性影响大,导致协同运行能力弱。针对其顶层统筹管理能力弱、缺乏有效的计划分析手段等问题,提出面向生产计划分析的协同制造过程建模语言,为决策层提供不依赖具体生产数据、兼顾不确定因素的领域专用抽象建模和模型仿真工具。总结并凝练协同制造的领域知识,定义其概念模型,基于概念模型制定协同制造过程建模语言CoM-PML;开发基于CoM-PML的建模和仿真系统POMES4CM,通过执行多过程仿真协助企业管理人员分析产品齐套周期、资源利用率等,辅助决策。选取3种复杂产品的协同制造流程进行案例验证,得到具有指导意义的过程模型和生产计划,验证方法和系统的有效性。

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5. 数字孪生车间制造运营管理平台

张永平, 左颖, 刘博, 胡天亮, 刘庭煜, 刘晓军, 吕海洋, 朱毅明, 施一明, 吴恒, 何宏宏, 孙翰林, 张奕帆, 胡鹏飞, 邹孝付, 李瑞琪, 王子同, 陶飞

计算机集成制造系统 2024, 30 (1): 1-13. DOI: 10.13196/j.cims.2024.0065

摘要（246）

PDF （3454KB）（822）

数字孪生使能的制造信息物理融合是数字经济时代制造业发展的主流方向,数字孪生车间作为制造基础单元,能够基于可信数据和模型的融合决策实现面向多场景适配的制造运营管理能力提升。针对制造运营管理精益化、柔性化、智能化发展需求,以及制造运营管理能力与物理需求难适配、制造运营管理模式与物理状态难适用、制造运营管理策略与物理场景难适应的问题,提出了数字孪生车间制造运营管理平台,阐述了其系统组成、特点和关键技术。在此基础上,随着制造运营管理向着包含物理资源和虚拟资源的跨组织、跨企业智能化协同运营延伸,提出了跨组织/跨企业的“组织管理规范洞察决策改善”协同运营管理策略,为支撑车间内、企业内、跨企业等制造运营管理理论研究和应用落地提供系列理论和方法参考。

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6. 基于公理设计的人机协作数字孪生建模技术

刘鑫, 李公法, 向峰, 蒋国璋, 陶波, 江都, 孙瑛

计算机集成制造系统 2023, 29 (11): 3547-3559. DOI: 10.13196/j.cims.2023.0I01

摘要（231）

PDF （3355KB）（293）

人本智造是未来智能制造发展的重要方向,安全可信的人机协作是实现人本智造的基础。数字孪生所强调的以虚映实和以虚控实的思想与以人为核心的人机协作需求相匹配,为面向人本智造的人机协作新范式转变提供了新思路。目前欠缺关于人机协作数字孪生模型建模方法的研究,以满足数字孪生技术在人机协作领域中的应用需求。提出面向人机协作智造的数字孪生建模技术,从机器人模型和协作人员模型两方面展开人机协作模型建模机理分析。首先分析了机器人模型和协作人员模型具备的特征,在此基础上提出机器人模型和协作人员模型的基本组成结构,为人机协作数字孪生模型构建提供理论支持;建立了基于公理化设计理论的人机协作模型构建框架,提出了人机协作数字孪生模型的建模步骤;最后,以人机协作抓取数字孪生模型的构建过程为例,详细介绍了模型的构建过程,验证了所提方法的可行性。

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7. 面向多视图的数字孪生制造单元数据集成与服务方法

王闯, 冯雅倩, 周光辉, 李涵

计算机集成制造系统 2023, 29 (7): 2139-2150. DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.001

摘要（228）

PDF （5553KB）（281）

传统车间在数据集成与服务方面存在智能化程度低、存储介质和生产介质单一的问题,为了解决这些问题,以数字孪生制造单元为研究对象,提出了面向多视图的数据集成与服务方法。首先,基于开放性生产控制和统一架构信息模型,构建了模型与数据实体之间的映射关系,并通过自组织的数据存储方法实现了制造单元的数据集成。其次,设计了面向多视图应用的表述性状态转移数据服务方法。最后,以数字孪生制造单元中具体的生产应用为案例,验证了所提方法具有更少的数据服务耗时和网络请求次数,可以有效提升数据集成的实时性。

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8. 基于数字孪生的生产系统仿真软件关键技术与发展趋势

罗瑞平, 盛步云, 黄宇哲, 菅宇超, 宋堃, 陆应康, 陈庚, 姜峰

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1965-1982. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.015

摘要（221）

PDF （3640KB）（524）

随着设计和制造过程智能化程度的提升,基于数字孪生技术开展生产系统仿真的研究对国产自主化工业软件具有重要意义。在解析基于数字孪生生产系统仿真软件的特征和应用需求的基础上,阐述了生产系统仿真软件的关键技术,包括生产系统孪生模型构建、生产系统仿真优化和离散事件基础仿真引擎;通过整合国内外生产系统仿真软件,总结了生产系统仿真软件的应用;基于数字孪生的生产系统仿真软件的特征,以及软件与数字孪生模型高保真表示、高效构建、高效仿真和人机交互等的紧密结合,探讨了基于数字孪生的生产系统仿真软件开发的技术挑战与发展趋势,以期为我国基于数字孪生的生产系统仿真软件的自主研发提供参考。

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9. 基于改进A*-DWA算法的移动机器人路径规划

刘钰铭, 黄海松, 范青松, 朱云伟, 陈星燃, 韩正功

计算机集成制造系统 2024, 30 (1): 158-171. DOI: 10.13196/j.cims.2022.0634

摘要（204）

PDF （7730KB）（421）

为在能量有限或补给不足的情况下,降低移动机器人的能耗,提高在动态环境下给定任务的完成率,提出一种改进A*算法与动态窗口法相融合的路径规划方法。首先,考虑地面坡度、摩擦等因素,构建机器人能耗模型,提出基于能耗成本的路径搜索新准则。其次,针对路径冗余、多转折造成能量损耗的问题,提出基于动态基准转折惩罚、三角剪枝与弦定弧过渡法相结合的路径优化方法,保证全局路径能耗最优。接着,针对动态窗口法狭窄环境下灵活性差的问题,融合改进A*和动态窗口法并提出航向角自调整策略,增强动态避障能力。最后,设计了全局节能路径偏离评价与能耗评价子函数用于局部节能路径的规划。仿真结果表明,所提方法在能耗、平滑性和动态避障等方面有明显的提升,在复杂、狭窄的场景中应用更具优越性。

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10. 数字孪生驱动的离心泵机组故障诊断方法研究

张胜文, 杨凌翮, 程德俊

计算机集成制造系统 2023, 29 (5): 1462-1470. DOI: 10.13196/j.cims.2023.05.005

摘要（197）

PDF （4409KB）（405）

数字孪生技术不仅是实现信息物理融合的核心,还是实现数字化故障诊断的关键。为了实现物理空间和信息空间的实时映射、故障实时预测、故障信息及时反馈,提出数字孪生驱动的离心泵机组故障诊断方法。首先,利用数字孪生技术构建离心泵机组数字孪生映射模型。然后,基于数字孪生映射模型,通过数据驱动的故障诊断方法实现故障实时预测,利用模型仿真的故障结果验证方法完成故障结果验证,以验证结果作为数字孪生模型修正和深度学习模型调整的条件。最后,借助Unity3D平台实现故障诊断系统的开发,并通过3种工况验证了系统的可行性。

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11. 基于区块链的机械产品数字孪生本体模型协同演进方法

郑孟蕾, 田凌

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1781-1794. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.001

摘要（183）

PDF （3718KB）（293）

为了解决机械产品数字孪生体演进信息同步的基础技术问题,针对多源异构的演进内容和信任可变的协作背景,提出一种基于区块链的机械产品数字孪生本体模型协同演进方法。通过基于本体的表示和封装技术将模型演进信息转换为标准文本数据,在此基础上设计区块构建方案,结合共识算法同步更新授权网络中的各节点模型,通过基于区块链的分布式存储保证所有建模操作互信可溯,并支持冲突识别和轻量发布。将所提方法应用于直升机某离合器的研发过程,取得了良好的效果。

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12. 高性能齿轮传动数据库软件设计与开发

刘怀举, 张洪春, 魏沛堂, 贾晨帆, 李扬

计算机集成制造系统 2023, 29 (8): 2513-2523. DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.001

摘要（169）

PDF （4892KB）（394）

针对我国高性能齿轮传动基础数据管理不规范,齿轮传动数据库和设计软件功能欠缺等问题,设计了高性能齿轮传动数据库软件框架和数据库结构,基于C++语言、Qt应用程序框架和轻量化数据库引擎SQLite开发了高性能齿轮传动数据库软件,并应用于齿轮行业设计分析和生产管理。该软件实现了齿轮材料、工艺、结构、性能等基础数据的高效流程管理和科学数据分析;开发了包括工况分析、寿命预测、轴承选型、结构优化等齿轮传动系统设计模块,实现复杂可变边界条件下齿轮传动系统设计和多目标优化;成功应用于同向平双齿轮传动系统减重、特种车辆重载齿轮数据整理分析等,为高性能齿轮传动行业提供自主可控的有效工具支撑。

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13. 数据—模型融合驱动的流程制造车间数字孪生系统研发

阴艳超, 李旺, 唐军, 阴彦磊

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1916-1929. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.011

摘要（165）

PDF （4747KB）（407）

针对流程制造过程工序间耦合严重、过程建模困难、生产活动规划的联动性和智能化水平较低等问题,提出数据与模型融合驱动的、覆盖工艺流程全变量空间的车间多维数字孪生模型及其系统架构。融合车间生产全要素孪生模型与动态生产数据,建立了贯穿生产过程中不同工序的设备实体对象模型,从几何、物理、行为、规则等多个维度对耦合生产线实体对象特征进行刻画,实现了工艺设备静动态多维属性的数字化精准映射。在此基础上,搭建了包括物理产线、虚拟产线、信息服务等支撑多系统数据交互映射的车间数字孪生系统,研发了基于开放平台通信—统一架构(OPC UA)与Kepware的通信技术的静动态虚实映射和迭代运行机制,实现了从车间物理制造流程耦合向各孪生体参数间耦合的转换。最后,基于某流程制造企业制丝生产试验线开展应用验证,为解决流程工业耦合复杂而造成的协同交互与迭代运行难题提供了方法和实现途径。

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14. 产品风格计算研究现状与展望

罗仕鉴, 王瑶, 刘长奥, 田馨, 沈诚仪

计算机集成制造系统 2023, 29 (10): 3425-3439. DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.018

摘要（165）

PDF （3637KB）（318）

随着人工智能、生物测量技术的发展,产品风格认知和智能生成方式不断衍化,风格研究在产品设计开发、用户研究和产品族设计中发挥着巨大作用,而当前对风格研究的演进脉络和未来发展趋势尚未有完整、系统的讨论。以2000年~2023年作为研究时间跨度,通过对427个出版物的系统回顾和67篇核心文献的聚类挖掘,从产品风格的认知测量、产品风格的智能计算、产品风格的商业设计、产品风格的审美评估4个维度对产品风格研究内涵进行解读,分析以产品风格化设计思维的认知与测量技术、产品风格化概念设计的知识提取与表达技术、产品风格化概念设计的生成与演化技术、产品风格化概念设计的智能优化评价技术为主的关键技术发展,并从群智协同创新驱动的产品风格化设计、人工智能生成内容引领的云端智能设计平台、中国风格智能文化创意产品设计、产品风格化创新设计生态四方面,针对性地提出产品风格计算的研究热点和未来发展方向,为产品风格计算研究提供理论依据。

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15. 金属增材制造过程熔池动态监测研究综述

王奉涛, 杨守华, 吕秉华, 彭世通, 郭嘉楠, 赵永杰

计算机集成制造系统 2023, 29 (7): 2245-2259. DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.010

摘要（157）

PDF （2625KB）（259）

金属增材制造技术是近年来信息技术、新材料技术与制造技术等多学科融合发展的先进制造技术之一,然而,制件质量稳定性差和工艺可重复性低等缺点限制了该技术的广泛应用。其主要原因是金属增材制造过程是一个复杂的多物理场耦合的动态过程,而熔池作为重要载体包含着丰富的过程特征信息。熔池动态特征信息与制件质量和工艺可重复性密切相关,因此监测熔池动态能够为提高制件质量和工艺可重复性提供有力的数据支撑。通过对该领域文献的调研,总结了金属增材制造过程中熔池温度和形貌动态监测技术的研究现状,分析了现有技术存在的问题,展望了未来金属增材制造过程动态监测的研究方向和技术方法。

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16. 多因素改进蚁群算法的路径规划

杨立炜, 付丽霞, 郭宁, 杨振, 郭翰卿, 徐兴毅

计算机集成制造系统 2023, 29 (8): 2537-2549. DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.003

摘要（145）

PDF （3435KB）（189）

针对目前服务于移动机器人的全局路径规划算法求解目标单一无法应对复杂且多变的实际环境等问题,提出一种多因素改进蚁群算法。首先,提出了RGB-2D栅格法模拟移动机器人的真实地面路况环境,并针对对角障碍情形,运用邻域矩阵探索法实现障碍检测,有效提高了路径的安全性;其次,为克服传统路径规划以距离为单一指标的局限性,构建综合考虑路径安全性、颠簸性、平滑性以及路程最短性的多因子启发式函数;考虑到传统蚁群算法早期搜索的盲目性,提出了初始信息素阶梯分配原则;然后,将信息素进行分类,按优化目标叠加每条路径上的信息素,运用最大最小蚂蚁策略和信息素挥发因子自调整策略避免局部最优;最后,运用动态切点调整法平滑路径,进一步提高路线质量。仿真实验表明,改进算法在复杂环境中具有良好的适应能力,且路径综合性能指标优于对比文献算法,可为实际环境中的多因素路径规划提供有效参考。

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17. 数字孪生驱动的车间自动导引车路径规划

萧筝, 程书培, 郑东伟, 严俊伟, 娄平, 汪星刚

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1905-1915. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.010

摘要（143）

PDF （1997KB）（510）

针对车间物流配送中的自动导引车(AGV)路径规划问题,以某企业自动化总装车间为研究对象,提出一种数字孪生驱动的AGV路径规划方法。建立了车间数字孪生环境模型,设计了基于环境地图孪生模型的无冲突路径规划算法。对于车间内实时到达的配送任务订单,采用改进的A*算法结合环境地图孪生模型中的动态邻接矩阵和时间窗矩阵,按任务优先级顺序为相应的AGV规划无冲突路径,并实时更新孪生模型中的数据。所提方法使AGV配送的任务完成时间和冲突调整时间分别平均减少13.4%和17.54%。

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18. 基于深度Q网络的多起点多终点AGV路径规划

黄岩松, 姚锡凡, 景轩, 胡晓阳

计算机集成制造系统 2023, 29 (8): 2550-2562. DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.004

摘要（142）

PDF （2088KB）（182）

自动引导小车(AGV)在工厂中承担不同节点之间的物料运输工作,在考虑全局路径最优的情况下需要对AGV进行多起点多终点的路径规划。针对现有深度强化学习算法研究多考虑单起点达到单终点的路径规划情况,涉及多起点多终点的情况时泛化性能较差的问题,提出一种基于深度Q网络(DQN)的AGV全局路径规划求解模型。首先通过改进算法的输入的AGV状态和改进奖励函数的设置提升算法收敛的效率;再利用改变训练初始点位置的方式提升数据的丰富度和模型对环境的感知程度,并以此提升模型对不同起点单个终点环境下路径规划的泛化能力;最后在训练过程中插入不同终点下AGV的状态数据,以获得模型对多终点路径规划的能力。通过在不同规模环境下的仿真与A*算法和快速扩展随机树算法的对比实验和模型的扩展性实验,验证了该方法在多终点情况下的路径规划能力。

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19. 净水厂数字孪生模型构建方法研究与实践

周圣文, 郭顺生, 杜百岗, 王磊, 郭钧, 李益兵, 彭兆, 于磊

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1867-1881. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.007

摘要（131）

PDF （8241KB）（241）

为解决净水厂数字孪生模型构建问题,基于数字孪生五维模型,结合净水厂全流程工艺要求提出全要素数字孪生模型构建方法。通过净水厂多层次多尺度数字孪生几何模型,对净水厂全要素及其关系进行数字化呈现;通过标识解析、数据采集、语义描述和有限状态机行为搭建净水厂数字孪生信息模型,实现物理世界与数字空间的虚实映射和数字化表达;通过“机理+智能”混合驱动搭建净水厂数字孪生决策模型,对净水厂的运行机理和规律进行刻画。基于所提理论和方法设计开发了数字孪生净水厂运维管控一体化平台,为构建净水厂数字孪生模型提供了参考。

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20. 数字孪生机床的内涵、体系架构及关键技术

张雷, 刘检华, 庄存波, 姚梦琪, 陈福华, 袁苗苗, 王勇

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1983-1995. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.016

摘要（131）

PDF （3163KB）（352）

为了在智能制造大背景下充分利用新一代信息技术促进机床智能化升级,实现机床高质量发展,详细阐述了数字孪生机床的内涵和体系架构,在此基础上给出数据感知与融合、机理—数据—知识混合驱动的数字孪生模型构建与虚实同步、多层级参数动态优化与协同调控3项数字孪生机床关键技术;最后,给出数字孪生机床的工程案例,为数字孪生技术赋能机床智能化研究奠定了基础,推动了机床智能化发展。

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21. 基于改进A*算法和系统短期状态预测的仓储AGV路径规划方法

王云峰, 曹小华, 郭兴

计算机集成制造系统 2023, 29 (11): 3897-3908. DOI: 10.13196/j.cims.2021.0403

摘要（130）

PDF （3701KB）（162）

针对目前仓储自动导引车(AGV)路径规划中存在的转弯次数多、冲突节点多的问题,首先针对单AGV提出一种基于障碍预测的改进A*算法,引入“AGV方向感”概念,通过判断和比较目标位置和AGV所在位置,同时结合障碍矩阵,在传统A*算法中的启发函数中加入“方向函数”,使AGV可以提前预知障碍而另寻最佳路径;其次在单AGV路径规划基础上考虑减少路径中冲突节点数量,提出一种基于系统短期状态预测的多AGV路径规划方法;最后搭建仿真实验平台验证改进A*算法和路径规划方法的有效性。实验结果表明,改进的A*算法和基于短期状态预测多AGV路径规划方法可以有效减少转弯次数和路径中冲突节点数量,降低任务总完成时间。

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22. 面向复杂生产场景的数字孪生模型分布式渲染方法

杨艳芳, 高居建, 王奇, 舒亮

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1811-1823. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.003

摘要（129）

PDF （3177KB）（226）

针对生产线数字孪生场景模型数量庞大、逻辑关系复杂、运动模型状态多、动态信息量大,单机渲染方案难以满足逻辑计算与渲染输出的实时性要求,提出一种逻辑计算与实时渲染并行处理的分布式渲染方法。将场景数据分为逻辑数据和实时渲染数据,逻辑数据分布在控制端,渲染数据分布在渲染端,实现了多机并行渲染。以同步各渲染端动态模型的行为状态为切入点,设计了图形处理器多线程机制,实现了逻辑数据计算与运动实体同步判定计算;构建了包括车间状态数据、观察与投影矩阵等在内的同步数据包,结合主从同步数据传输与解析机制,实现了运动模型的快速精准同步。验证表明,在相同模型规模场景下,分布式渲染方法相比单机渲染可以将运行帧数由22.1提升至66.6,在不同模型规模下显著增加渲染帧数,明显提升渲染效果。

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23. 群智创新设计研究现状与进展

罗仕鉴, 张德寅, 邵文逸, 沈诚仪, 郭和睿, 卢杨, 钟方旭

计算机集成制造系统 2024, 30 (2): 407-423. DOI: 10.13196/j.cims.2023.0594

摘要（127）

PDF （2880KB）（160）

人工智能时代下,群智创新设计是将创新设计同下一代互联网、人工智能、大数据、区块链等新兴数字技术结合,来解决社会复杂设计问题的综合创新手段。从计算机科学、设计学和社会学的角度出发,通过文献调研的方式,探讨了不同创新阶段的代表性研究、社会创新范式的衍变和群体智慧的发展;分析了群智创新设计的研究现状,系统地提出群智创新设计的体系内容,包括本体—行为—价值三层次理论模型、群智创新主体、群智创新环节、关键技术及研究范围。最后,针对群智计算与群智创新设计的融合发展路径,提出群智创新设计未来的发展趋势。研究对推动人工智能时代下创新设计的发展具有重要意义。

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24. 基于参考轨迹的移动机器人避碰决策及轨迹跟踪方法

聂振邦, 于海斌

计算机集成制造系统 2023, 29 (9): 2879-2889. DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.001

摘要（123）

PDF （4934KB）（176）

针对车间物流移动机器人轨迹跟踪的鲁棒控制问题,提出一种基于参考轨迹信息的避碰决策及轨迹跟踪控制方法。首先,基于参考轨迹全局信息构建了避碰触发条件,较现有的基于当前相对位置和相对速度信息的避碰条件更为精准,避免非必要的避碰动作;然后,综合考虑参考轨迹全局信息和避碰触发条件,设计了考虑避碰约束的移动机器人模型预测轨迹跟踪控制算法。仿真结果表明,本文所提方法在时间扰动和位置扰动下具有良好的避碰与轨迹跟踪性能,可实现多种场景下多移动机器人的鲁棒轨迹跟踪控制。

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25. 基于体素的机械臂连续碳纤维3D打印路径规划

张帆, 魏培祥, 赵圆圆, 涂一文, 谭跃刚

计算机集成制造系统 2023, 29 (5): 1517-1527. DOI: 10.13196/j.cims.2023.05.010

摘要（121）

PDF （9068KB）（215）

碳纤维长纤3D打印对路径的连续性和复杂构型的无支撑成型均提出了需求。传统三轴熔融沉积3D打印采用平面切片和基于轮廓的路径规划方法,由于成型方向的单一性,悬空结构无法避免支撑的产生;由于采用基于轮廓的路径规划,缺少内部几何信息,无法扩展到曲面空间。针对以上问题,提出了基于机械臂的连续碳纤维3D打印曲面切片和曲面连续路径规划方法。通过三维模型的体素化处理,保证空间信息的完整性;在无支撑无碰撞约束下,分解成系列体素曲面层,保证无支撑成型;采用Fast Marching网格测地线算法,形成曲面空间的连续等距螺旋偏置路径,并对路径进行平滑优化,保证路径的连续性;最后生成用于机械臂3D打印的Gcode路径文件。通过多种三维模型路径规划仿真对比和打印实验,证明了该方法的可行性,实现了曲面分层的无支撑连续路径规划。

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26. 基于自适应网络的球磨机负荷预测方法

潘福成, 殷航, 周晓锋, 李帅, 刘舒锐, 贾冬妮

计算机集成制造系统 2023, 29 (10): 3229-3238. DOI: 10.13196/j.cims.2023.10.001

摘要（120）

PDF （3264KB）（150）

鉴于多工况环境下的数据漂移限制了深度学习方法预测球磨机负荷的效果,提出一种基于自适应网络的球磨机负荷预测方法。首先建立基于深度相关对齐的磨矿分级工况划分模型;然后将相对位置编码引入Transformer,对注意力机制进行解耦来将位置信息直接编码进注意力机制,进而提高预测性能;进一步提出一种自适应网络,将分布匹配正则化项应用于Transformer模型的隐层特征,通过减少不同工况之间的分布差异来学习模型隐藏状态的共同参数,提高模型泛化能力;最后采用基于Boosting的方法学习隐藏状态的重要性。试验结果表明,所提自适应预测网络可以明显提高预测球磨机负荷参数的准确性,而且在面对未知工况时预测性能也领先于对比方法。

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27. 基于混合驱动的进给系统数字孪生模型自适应更新法

黄华, 李嘉然, 赵秋舸, 支晓波

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1840-1851. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.005

摘要（119）

PDF （2494KB）（296）

为了解决传统建模方法搭建的数控机床进给系统模型形式单一且缺乏与物理空间的在线实时交互,导致仿真结果精度低的问题,提出一种基于机理模型和数据驱动模型混合驱动的进给系统数字孪生模型自适应更新方法。该方法针对进给系统多领域耦合的特点,利用物理建模工具Simulink／Simscape建立了机电一体化数字孪生机理模型,同时基于长短记忆神经网络建立了数字孪生数据驱动模型,二者混合构成进给系统数字孪生模型。在此基础上,采用带有遗忘因子的递推最小二乘算法更新模型,提高了模型的适应性。通过双轴进给系统的虚实同步运动实验验证了所提方法的有效性。

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28. 基于联合学习的概念设计知识抽取与图谱构建

黄悦欣, 余隋怀, 初建杰, 苏兆婧, 王晗宇, 丛扬帆, 樊皓

计算机集成制造系统 2023, 29 (7): 2313-2326. DOI: 10.13196/j.cims.2023.07.015

摘要（118）

PDF （4754KB）（197）

为提高产品概念设计过程中设计知识获取效率,解决设计知识碎片化、推理性差、可视化程度不高等问题,提出了基于联合学习的设计知识抽取与图谱构建方法。首先,根据设计知识需求和产品概念设计流程,构建了面向产品概念设计的设计知识图谱框架,然后,分析了设计知识提取过程中实体关系重叠问题,建立了基于联合学习的设计知识抽取模型,该模型通过ELECTRA算法进行语义编码,利用联合学习方法将实体关系抽取转换为各关系上两实体映射。通过真实设计数据和DuIE公共数据集对比实验表明,该模型知识抽取效果显著优于对比模型。最后,将该方法应用于文化创意产品设计知识图谱开发,为设计师提供关联化、可推理、可视化的设计知识,辅助进行产品概念设计。

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29. 改进TD3的SDN车联网边缘计算卸载策略

李国燕, 薛翔, 刘毅, 潘玉恒

计算机集成制造系统 2023, 29 (5): 1627-1634. DOI: 10.13196/j.cims.2023.05.019

摘要（117）

PDF （1541KB）（218）

针对车联网场景下计算任务卸载至远端云中造成的延迟波动和能耗增加问题,搭建了融合软件定义网络和移动边缘计算的车联网系统模型。为了最小化车联网中计算卸载的时延和能耗,设计了一种基于深度强化学习的动态计算卸载策略。该策略从计算任务的能耗和时延这两个维度进行建模,并提出在传统的双延迟深度确定性策略梯度的基础上加入Softmax和优先经验回放的改进算法(SP-TD3)。仿真实验结果表明,设计的计算卸载策略在不同车辆数下对于能耗和时延有较为优越的性能。

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30. 基于深度学习的产品色彩情感化设计

丁满, 袁云磊, 张新新, 孙鸣宇

计算机集成制造系统 2023, 29 (5): 1647-1656. DOI: 10.13196/j.cims.2023.05.021

摘要（117）

PDF （4501KB）（238）

为准确把握用户对于产品色彩的情感意象感知规律,创新性生成符合用户情感偏好的产品色彩设计方案,提出一种基于深度学习的产品色彩情感化设计方法。首先运用语义差异法和GoogLeNet模型构建产品色彩情感意象数据集;然后,基于产品色彩情感意象数据集与条件深度卷积生成对抗网络(C-DCGAN)搭建产品色彩设计方案生成模型,创新性生成产品色彩设计方案。最后,以出租车色彩设计为例,验证了所提方法的有效性与适用性。

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31. 考虑多维误差的复杂装配过程数字孪生建模方法

周光辉, 邹永成, 张超, 常丰田, 门松辰

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1824-1839. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.004

摘要（116）

PDF （4634KB）（212）

针对多维误差耦合作用下大型固体火箭发动机等复杂产品装配过程中装配精度难以预测的问题,引入数字孪生概念,揭示制造误差、装配变形与定位误差耦合的装配偏差传递机理,据此提出一种复杂装配过程多维度高保真数字孪生模型构建及其驱动的装配精度在线分析方法。首先,从制造误差和装配变形耦合的角度,提出面向装配精度在线分析的数字孪生框架。其次,研究复杂装配过程数据感知模型、点云几何模型和装配变形机理模型的构建与融合方法,形成复杂装配过程多维度高保真数字孪生模型。在此基础上以装配特征为节点,基于雅可比矩阵和非理想表面模型,通过接入装配现场数据实现复杂装配过程装配精度在线分析与预测。最后,以大型固体火箭发动机喷管智能装配平台为对象,验证所提技术、方法与模型的正确性和有效性。

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32. 优化改进RRT和人工势场法的路径规划算法

辛鹏, 王艳辉, 刘晓立, 马希青, 徐东

计算机集成制造系统 2023, 29 (9): 2899-2907. DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.003

摘要（116）

PDF （2257KB）（143）

针对传统快速搜索随机数(RRT)算法在规划路径中随机性较大,搜索效率较低且规划的路径不利于机器人移动等缺点,从3个方向进行改进。首先,对于随机树扩展时随机性较大的问题,将传统的扩展方向加入改进人工势场法约束,使得随机树偏向目标点生长;其次,将改进RRT算法规划的路径进行关键点提取,并优化路径;最后,将优化后的路径按照关键点分段使用改进评价函数的动态窗口法。实验表明,优化改进RRT算法相较于传统A*算法、传统RRT算法在路径长度、路径规划时间以及拐点等方面效果都更好,融合算法在复杂环境中规划出的路径能够很好地避开障碍物,路径更加平滑且更短。

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33. 基于卷积—反残差和组合注意力机制的航天器多余物检测

花诗燕, 李大伟, 贾书一, 汪俊

计算机集成制造系统 2024, 30 (1): 53-66. DOI: 10.13196/j.cims.2022.0432

摘要（116）

PDF （5254KB）（169）

航天器密闭电子设备内腔多余物给航天器飞行安全带来了巨大隐患。由于多余物体积小、与设备内常规组件形态结构相似且易被其他组件遮挡,采用现有的方法对其进行检测时误检、漏检频发。为解决上述问题,提出一种基于卷积—反残差和组合注意力机制的航天器密闭电子设备多余物检测网络RPDN。首先,网络通过构建卷积—反残差模块,保证了多余物细粒度特征的完整性;其次,设计组合注意力机制,增强了多余物特征的表征能力;最后,结合多尺度特征融合模块与目标检测层从多维度进行目标预测。实验结果表明RPDN在各项评价指标上均取得了良好的效果,mAP达到92.16%,检测效率达到了13FPS,实现了航天器密闭电子设备内腔多余物高效、精准检测。

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34. 嵌入区块链信息传递功能的绿色供应链决策

林强, 刘名武, 王晓斐

计算机集成制造系统 2024, 30 (1): 355-368. DOI: 10.13196/j.cims.2021.0437

摘要（115）

PDF （3828KB）（151）

针对消费者不完全信任绿色产品及供应链高交易成本问题,基于区块链的技术效应特征构建绿色供应链博弈模型,对比分析绿色供应链未实施和实施区块链两种情形下的决策,并从不同价值目标视角探讨绿色供应链实施区块链的充分条件。研究表明,当实施区块链所产生的价值增益较高或价值增益较低但绿色产品潜在市场规模削弱因子大于一定程度时,绿色供应链才有足够的动力实施区块链。通过算例分析进一步发现,绿色产品的价格弹性系数、制造商绿色努力成本系数以及消费者绿色偏好度之间的关系将影响绿色供应链实施区块链的条件。实施区块链后,制造商和零售商均将提高销售价格。实施区块链所产生的价值增益越大,产品批发价格越高,但对产品零售价格的影响具有差异性。

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35. 滚动轴承数字孪生几何模型精细建模

王艳青, 闫月晖, 马嵩华, 魏永利, 岳鹏军, 胡天亮

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1882-1893. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.008

摘要（114）

PDF （4031KB）（280）

针对滚动轴承数字孪生几何模型构建过程中,因被赋予理想的光滑表面而缺乏表面形貌信息,导致模型配合面与物理实体一致性差的问题,提出滚动轴承数字孪生几何模型精细建模方法,基于分形理论、点云变换和点云重建技术构建了带有表面形貌特征的滚动轴承数字孪生精细几何模型。通过对滚动轴承的数字孪生精细几何模型和光滑几何模型进行仿真分析,并与实验采集的滚动轴承振动数据在时频域参数上进行对比验证,表明相比传统的光滑几何模型,滚动轴承的数字孪生精细几何模型更符合实际运行情况。

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36. 云—雾—边缘协同的数字孪生制造系统仿真过程动态扰动响应方法

孟麒, 胡天亮, 马嵩华

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1996-2005. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.017

摘要（114）

PDF （2827KB）（211）

鉴于现有仿真技术对制造过程动态响应能力不足,数字孪生技术为仿真系统对制造过程的动态映射提供了解决方案,但仍存在设备运行过程中动态扰动识别困难且扰动识别模型的训练过程受制于计算和数据资源,导致耗时较长,以及用于识别动态扰动和构建约束条件的数据为离线或半离线状态,不能满足实时响应要求的问题。针对以上问题,提出一种基于云—雾—边缘协同的数字孪生制造仿真过程动态扰动响应方法。在云端使用公共数据集训练普适化模型并使用边缘端数据训练个性化模型来提升扰动识别精度,雾端通过部署云端训练的个性化模型保证扰动识别速度,同时将识别的扰动更新到数字孪生仿真模型中。边缘端负责采集实时信号并上传至雾端。经实验验证,扰动约束更新机制能够准确更新扰动,从而对运行过程中的扰动做出快速响应。

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37. 质量功能展开的量化模型与方法:研究评述及展望

雒兴刚, 赵子瑄, 李晶, 张忠良

计算机集成制造系统 2023, 29 (5): 1668-1683. DOI: 10.13196/j.cims.2023.05.023

摘要（113）

PDF （16057KB）（400）

质量功能展开(QFD)是一种定性与定量分析相结合的质量管理方法,其以顾客需求为驱动,将质量管理的重心前移到产品设计阶段,从而在源头上保证产品的质量。自QFD提出以来,很多学者结合人工智能方法、最优化理论、计算机技术、应用数学工具等,在QFD基本理论和框架的基础上提出了一些新的扩展模型和方法。因此,针对近年来涉及QFD量化模型与方法的国内外研究文献进行了梳理、分类、比较和评述,并结合近期研究前沿从4个方面总结了未来需要重点关注的QFD相关研究领域。

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38. 双指柔顺夹持手结构设计及其力感知

吴全会, 施罗杰, 潘柏松, 邵旭辉

计算机集成制造系统 2024, 30 (1): 14-27. DOI: 10.13196/j.cims.2022.0102

摘要（111）

PDF （3616KB）（154）

针对机械手抓取形状多样化的目标件和调整夹持力大小的问题,设计了一种具有力感知的复合驱动双指柔顺夹持手。首先基于人手指关节双指贴合抓取原理,分析不规则目标件外形轮廓抓取特征,提出一种复合驱动的双指柔顺夹持手结构;其次根据柔顺夹持手驱动特点和夹取力的控制要求,采用气缸与步进电机相结合的混合驱动方式,并结合夹持手力传感器反馈,实现对不规则形状目标件的包络贴合抓取;最后对所设计的复合驱动双指夹持手进行了样机研制和力感知柔性抓取验证,测试结果实现夹持手指根节角度调整范围为-15°~15°,夹持手接触力传感器测试误差5%左右。该夹持手结构为精准夹取形状多样性的目标件提供了可靠的技术支撑,也为多指夹持手机构设计和夹持力感知研究提供了理论借鉴。

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39. 基于元动作理论的驱传系统数字孪生模型构建

杨欣, 樊振刚, 冉琰, 张根保, 王治超, 陈一凡

计算机集成制造系统 2023, 29 (6): 1795-1810. DOI: 10.13196/j.cims.2023.06.002

摘要（108）

PDF （4212KB）（410）

针对面向实际工程应用的数字孪生技术,探索了基于元动作理论的机电设备驱传系统数字孪生体模型框架的构建及其关键技术。阐述了从零部件到元动作理论的历史渊源,对元动作理论的相关概念及其引入数字孪生技术的原由进行了介绍,对比了其与传统方法的不同,在此基础上从元动作的优势和特点出发,以元动作理论为底层架构,将其引入驱传系统的数字孪生技术。提出驱传系统数字孪生体的内涵并详细定义了单元级、链级、系统级孪生体3个层次,搭建了基于元动作理论的驱传系统数字孪生体的五维框架。以某型号数控转台的驱传系统为例构建了实时监控数字孪生系统实例,给出了数字孪生技术的应用框架,验证了该数字孪生模型具有一定的实际意义与工程应用价值。

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40. 面向设备点检故障根因分析的因果知识建模方法

周彬, 花豹, 陆玉前, 李心雨, 李婕, 鲍劲松

计算机集成制造系统 2023, 29 (8): 2708-2721. DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.017

摘要（108）

PDF （4834KB）（182）

设备点检记录是支撑故障原因分析与处理的重要信息来源,目前亟需对设备点检故障中的根因信息进行有效挖掘,以提升设备预防性维护的可靠性。鉴于此,首次将因果科学论引入制造领域,提出一种面向设备点检故障根因分析的因果知识建模方法。首先,从设备点检故障文档中提取事件知识,构建故障运维因果知识图谱;其次,定义故障运维因果知识规则,形成结构因果图模型;进而,设计一种基于ISPN的因果效应估计学习模型,对故障知识中混杂影响因素进行估计计算,挖掘出影响设备故障发生的语义关系,补全图谱节点间隐含的因果性语义链路;最后,以冶金设备点检故障文档的知识测试了所提方法,验证了因果知识模型估计设备故障根因知识间因果效应的可行性。

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