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（4236）

PDF （1797KB）（11116）

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. 数字孪生成熟度模型

陶飞, 张辰源, 戚庆林, 张贺

计算机集成制造系统 2022, 28 (5): 1267-1281. DOI: 10.13196/j.cims.2022.05.001

摘要（1629）

PDF （4795KB）（1522）

数字孪生作为一种实现信息物理融合,促进数字化转型和智能化提升的有效手段,受到国内外学术界、工业界和政府部门的广泛关注。然而,在数字孪生研究和落地应用过程中,存在以下疑惑和问题:①如何判断是不是数字孪生？②如何评判现有数字孪生能否满足应用需求？③若不满足应用需求如何优化提升？为解决上述问题,基于团队数字孪生前期研究基础,研究提出了一套数字孪生成熟度模型,将数字孪生成熟度分为“以虚仿实(L0)、以虚映实(L1)、以虚控实(L2)、以虚预实(L3)、以虚优实(L4)、虚实共生(L5)”六个等级。为便于不同数字孪生实际应用的成熟度评价操作,基于作者团队前期提出的数字孪生五维模型,从五个维度提出了19项数字孪生成熟度评价因子,并设计了一套数字孪生成熟度评价应用流程。最后,分别面向单元级数字孪生(如机器人)和系统级数字孪生(如车间)开展了数字孪生成熟度评价应用,验证了所提方法的可用性和有效性。数字孪生当前还处于应用的初级阶段,期望相关工作能为进一步认识数字孪生,开展数字孪生学术研究和交流,推广落地应用提供一些参考。

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3. 工业大数据驱动的故障预测与健康管理

金晓航, 王宇, ZHANG Bin

计算机集成制造系统 2022, 28 (5): 1314-1336. DOI: 10.13196/j.cims.2022.05.005

摘要（927）

PDF （9702KB）（912）

新一代人工智能技术的发展与应用装备积累了大量数据,推动着故障预测与健康管理(PHM)进入了工业大数据时代。结合装备的功能作用、结构组成和工作特点,分析装备大数据,进行价值挖掘、信息提取进而实现装备的状态监测、异常预警、故障诊断、寿命预测、智能维护等工作十分迫切。在回顾并剖析当前PHM技术内涵、发展现状与应用的同时讨论了装备工业大数据的特点、分析方法及其工作中的难点和疑点。以风力发电机组和机械硬盘两类典型复杂装备为例,从工业大数据角度对其PHM技术进行探讨,总结当前研究工作的热点与不足,思考未来研究方向,以期为相关领域的研究人员提供一定参考。

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4. 数据驱动的工业智能:现状与展望

任磊, 贾子翟, 赖李媛君, 周龙飞, 张霖, 李伯虎

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 1913-1939. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.001

摘要（814）

PDF （14264KB）（1130）

新一代人工智能的迅猛发展,正在深刻影响全球新一轮工业革命。数据要素作为数字经济时代的核心要素,在智能制造应用需求和新一代人工智能的融合推动下正释放巨大价值。数据驱动的工业智能,尤其是以深度学习为代表的工业智能研究前沿,成为学术界和产业界的关注焦点。鉴于此,从工业数据全生命周期中数据预处理、数据建模、数据分析应用等各个关键环节出发,从各维度分析了数据驱动的工业智能,尤其是基于深度学习的代表性新理论与新技术。同时,深入探讨了面向智能制造的典型应用。最后,指出了数据驱动的工业智能研究领域面临的挑战和未来发展方向,这将为基于新一代人工智能的工业智能这一新兴交叉研究领域的发展,提供重要的理论与技术支撑。

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5. 联邦学习概述:技术、应用及未来

李少波, 杨磊, 李传江, 张安思, 罗瑞士

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 2119-2138. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.018

摘要（805）

PDF （4840KB）（1031）

联邦学习(FL)以多方数据参与为驱动,通过数据加密交互实现数据自身价值的最大化,近年来受到各界研究学者的广泛关注与研究,逐步从基础理论研究走向实际应用,为企业进一步发挥数据价值提供了新技术。在阐述联邦学习定义及分类的基础上,首先对其隐私保护、通信效率、异构性、激励机制等相关技术的国内外研究进展展开了较为全面的分析和总结;其次介绍了当前联邦学习已有的应用平台和框架,并提出了联邦学习在智能制造、医疗、教育等领域的应用框架;最后,结合联邦学习在一些关键的开放性问题上的不足,对其未来发展趋势和方向进行了总结与展望,旨在为联邦学习的理论研究及应用落地提供参考。

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6. 数字孪生智慧燃气系统:概念、架构与应用

王尚刚, 程江峰, 高顺利, 杨顺昆, 史翔, 张晓烨, 靳志军, 崔瑶, 许明, 金小辉, 邹孝付, 陶飞

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2302-2317. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.003

摘要（665）

PDF （11205KB）（479）

燃气作为重要的能源之一,在生活与生产中发挥着重要作用。首先,调研分析了燃气运营呈现出的自动化、精准化、便捷化等发展趋势,并指出当前面临的数据获取不全面、信息系统不兼容、运营操作不精确、用户服务不便捷等挑战。在此基础上,将数字孪生技术与燃气供给侧、输配侧和需求侧的关键场景、关键对象、关键服务紧密结合,提出了数字孪生智慧燃气系统,从物理实体、虚拟模型、数据中心、信息系统及应用服务等5个方面阐述其体系架构和共性关键技术,并探讨分析了数字孪生智慧燃气系统中管网设计、完整性管理、巡检、应急、输配调度及用户服务的解决方案。详细分析了提出的数字孪生智慧燃气系统在燃气企业中的应用实践,以期为智慧燃气的发展与建设提供参考。

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7. 基于时间卷积注意力网络的剩余寿命预测方法

刘丽, 裴行智, 雷雪梅

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2375-2386. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.009

摘要（661）

PDF （4754KB）（384）

剩余使用寿命(RUL)预测对于保障现代工业设备的安全运行、降低维护成本具有重要意义。目前已有基于循环神经网络(RNN)的RUL预测模型结构比较复杂,且缺乏一种从多传感器数据中提取重要退化信息的有效机制。因此,设计了一种新的用于RUL预测的时间卷积注意力网络(TCAN)模型。在TCAN中使用结构相对比较简单的时间卷积神经网络(TCN)来提取传感器数据中的退化特征,然后利用注意力机制从TCN中提取重要的退化特征信息。最后,将学习得到的高层特征表示展开并输入全连接层,输出预测的RUL值。在C-MAPSS数据集上与其他方法相比较,分析了TCAN模型的性能,实验结果表明TCAN可以更有效地提高RUL预测的精度。

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8. 基于深度学习的命名实体识别研究

冀振燕, 孔德焱, 刘伟, 董为, 桑艳娟

计算机集成制造系统 2022, 28 (6): 1603-1615. DOI: 10.13196/j.cims.2022.06.001

摘要（597）

PDF （2416KB）（395）

针对先进制造业多模态异构数据并存导致知识抽取和表示困难等问题,命名实体识别方法成为当前的研究热点。综述了工业上常用的命名实体识别方法,首先介绍了传统的命名实体识别方法,然后阐述了已成为命名实体识别领域主流的基于深度学习方法,从分布式输入表示、上下文编码和标签解码器3个步骤分别对常用方法进行了分类和分析。鉴于基于深度学习方法的研究侧重于分布式输入表示和文本上下文编码模型的设计与改进,对分布式输入表示的各种方法进行了对比,指出其优缺点;对文本上下文编码模型从捕获长距离依赖、局部上下文信息、并行性、信息损失程度、可迁移性等方面进行了对比,指出各模型的特点。最后指出未来需要应对的挑战和研究方向。

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9. 数字孪生连接交互理论与关键技术

陶飞, 马昕, 戚庆林, 刘蔚然, 张贺, 张辰源

计算机集成制造系统 2023, 29 (1): 1-10. DOI: 10.13196/j.cims.2023.01.001

摘要（592）

PDF （2559KB）（1700）

数字孪生作为实现信息物理融合的重要使能技术,备受各行各业广泛关注。基于虚实交互和数模驱动,数字孪生能满足仿真(以虚映实)、控制(以虚控实)、预测(以虚预实)、优化(以虚优实)等应用服务需求,其中连接与交互是实现数字孪生动态运行和虚实空间高效融合的核心关键。针对数字孪生连接交互如何理解与实现的问题,首先从内外两层阐述了数字孪生连接交互内涵,进而提出“准确—实时—一致—安全—可靠”连接交互准则。在此基础上,从“感知—通信—映射—联动—融合”五方面探索建立了一套数字孪生连接交互理论体系,分析了数字孪生连接交互关键技术。基于数字孪生连接交互理论与方法研究,结合笔者前期在物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据和服务的相关研究工作基础,进一步探究并丰富了数字孪生五维模型理论体系,以期为数字孪生的理论研究和应用落地提供系列理论和方法参考。

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10. 基于数字孪生的高端装备智能运维研究现状与展望

高士根, 周敏, 郑伟, 张林鍹, 张斌, 宋海锋, 吴兴堂, 李妮, 王昆玉

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 1953-1965. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.003

摘要（585）

PDF （4039KB）（2383）

大数据、工业物联网、人工智能等使能技术的发展促进了数字孪生与高端装备运维的深度融合,使得传统的“定期修”“故障修”运维模式向“预防修”“状态修”智能运维模式的升级,成为高端装备智能运维领域的研究热点。数字孪生充分利用机理模型、实时传感数据、历史数据以及专家知识等信息,集成多学科、多变量、多层次、多尺度、多粒度、多概率的建模仿真过程,准确表征数据特征并进行高效精准的计算分析,实现虚实空间的高精度、高可靠、高可信的映射及演化,为实际物理系统的状态评估、故障预警与运维决策提供支持。对数字孪生技术在高端装备智能运维领域的发展现状、关键技术及工程应用等进行了梳理,并对未来的挑战与难点进行了总结展望。

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11. 制造企业数字孪生生态系统的研究与应用

陆剑峰, 夏路遥, 张浩, 徐萌颖

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2273-2290. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.001

摘要（542）

PDF （11919KB）（1032）

目前,很多制造企业构建了数字孪生工厂,用于工厂规划、仿真优化及实时监控,但是领域单一、周期短暂的数字孪生系统并不能完全体现制造企业实施智能制造所需的物理与信息世界交互共融理念。针对该问题,从制造企业数字孪生系统构建需求视角,提出制造企业数字孪生生态系统的概念、种群构成及内涵与特征。进而结合数字孪生技术的特点,研究了制造企业内数字孪生系统3个种群的构建过程与方法和3个种群之间的交互配置与动态演化过程。最后,结合某液压缸工厂智能化升级案例对所提出的制造企业数字孪生生态系统构建和演化进行了验证,证明了其能有效地提高制造企业的制造柔性和智能化程度,并能缩短产品研发周期,满足用户对高品质产品的个性化需求。

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12. 数字孪生制造单元多维多尺度建模与边—云协同配置

张超, 周光辉, 肖佳诚, 秦天宇, 周雅光

计算机集成制造系统 2023, 29 (2): 355-371. DOI: 10.13196/j.cims.2023.02.001

摘要（536）

PDF （15272KB）（596）

为了解决离散型智能车间多维、多尺度、高保真建模及其软硬件配置与协同问题,以离散型智能车间的基本实现单元——数字孪生制造单元为对象,从数据—知识混合驱动的角度,探明新一代信息技术赋能下数字孪生制造单元的构成要素与关键特征,提出数字孪生制造单元的多维多尺度智能空间模型及其高保真建模方法。进一步从边—云协同的角度构建软硬件集成的数字孪生制造单元配置模型,建立了基于智能合约的数字孪生制造单元边—云协同运行与智能化管控机制。采用Java Web技术开发了数字孪生制造单元原型系统,并以航空发动机整体叶轮加工过程为案例,验证了所提模型与方法的正确性和有效性。

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13. 多深度四向穿梭车仓储系统调度优化

占翔南, 徐立云, 凌旭峰, 陈晨

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2496-2507. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.020

摘要（507）

PDF （5783KB）（451）

目前,多深度四向穿梭车仓储系统存在多台穿梭车同时作业易造成冲突死锁问题,导致出入库任务阻塞,进而影响系统的作业效率。针对该问题,采用Hopcroft-Tarjan算法对多深度储货区制定路径定向策略,以最小作业时间为目标构建出入库作业调度模型,并设计混合遗传算法对该模型进行求解。为避免迭代过程中易出现非法解的问题,对编码和变异修复机制进行了改进;提出一种基于任务排序的多位置邻域交换法,从而有效增加解空间的多样性。实例研究表明,路径定向策略可以有效避免冲突死锁问题,提升系统作业效率;同时,改进混合遗传算法的收敛速度更快、优化效率更高,能够有效地缩短出入库作业时间,提高出入库调度效率。

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14. 面向产品概念设计的多模态智能交互框架及实现

牛红伟, 郝佳, 曹贝宁, 龙辉, 张非凡, 王国新

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2508-2521. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.021

摘要（471）

PDF （7591KB）（310）

针对传统基于“鼠标+键盘”的计算机辅助设计(CAD)交互模式阻碍设计思维自然表达的问题,剖析了产品概念设计过程对智能人机交互技术的发展需求,探索一种以端对端模型生成及操控为特征的产品概念设计智能交互模式。构建了面向产品概念设计的多模态智能交互框架,分析了框架中涉及的多模态信号同步采集、产品概念设计情境模型构建、多模态信号特征层及决策层融合等关键技术;在此基础上,搭建了脑眼手融合的多模态智能交互系统,并通过两个典型应用案例,展示了所提框架和关键技术的可行性,为实现新一代CAD智能交互系统提供了思路和技术途径。

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15. 基于域适应神经网络与联合分布自适应的无监督故障诊断方法

张钊, 李新宇, 高亮

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2365-2374. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.008

摘要（470）

PDF （2676KB）（349）

故障诊断对于机械设备的健康管理十分重要,当前,数据驱动的故障诊断方法已成为了本领域研究热点。然而,机械设备的工作状态与条件是不断变化的,这导致故障数据分布不同,故障诊断带来了挑战。针对该问题,提出一种基于域适应神经网络与联合分布自适应的无监督故障诊断方法。首先,将不同数据分布的故障诊断数据通过信号转图像的方法进行数据预处理;然后,使用域适应神经网络生成数据分布相似的特征;最后使用联合分布自适应方法处理所生成的特征。该方法可以有效地解决工作状态与条件发生变化所带来的数据分布不同的问题。所生成的模型可以在无标签的情况下,较为准确地诊断在另一个工作状态下采样的故障数据。最后,利用本领域的经典案例——凯斯西储大学轴承数据集,对所提方法进行了测试验证,实验结果证明了该方法的可行性与有效性。

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16. 工业互联网智能调度建模与方法研究综述

赖李媛君, 张霖, 任磊, 王凌

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 1966-1980. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.004

摘要（455）

PDF （3123KB）（776）

工业互联网的建设关键在于云端和边缘端资源协同互补地对工业现场进行全面感知与连接。复杂制造过程的运行效率依赖于云端—边缘端—工业终端的多主体资源的联动控制,云边协同的计算任务与工业现场的制造任务的调度问题,成为决定工业互联网能否高效运行的核心。为此,梳理了近年工业互联网不同场景下计算任务与制造任务调度问题建模与优化方法研究现状,阐述了不同智能调度方法面临的挑战,探讨了未来工业互联网智能调度技术的发展需求和技术途径,为工业互联网环境下的离散制造过程增效提供新的思路。

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17. 基于Mask R-CNN的磁瓦表面缺陷检测算法

郭龙源, 段厚裕, 周武威, 童光红, 吴健辉, 欧先锋, 李武劲

计算机集成制造系统 2022, 28 (5): 1393-1400. DOI: 10.13196/j.cims.2022.05.011

摘要（426）

PDF （2809KB）（189）

磁瓦图像具有光照不均、表面纹理复杂、对比度低等特点,针对传统的缺陷检测算法难以准确分割其中缺陷的问题,提出基于掩膜区域卷积网络(Mask R-CNN)的缺陷检测算法。该算法首先通过限制对比度的自适应直方图均衡化方法对图像进行预处理;然后,采用残差网络50(ResNet50)构建特征金字塔网络(FPN)获取图像信息并提取特征,再采用区域建议网络(RPN)提取缺陷区域的感兴趣区域,得到相应的锚框,并通过全卷积神经网络(FCN)对感兴趣区域内部的像素类别进行预测,以实现缺陷分割;最后通过网络的全连接层实现每个感兴趣区域所属类别和相应锚框坐标的预测。实验结果表明,该算法具有较强的泛化能力,可以对表面存在大量纹理复杂、光照不均和对比度低的磁瓦图像进行精确的缺陷分割,具有较强的鲁棒性。

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18. 基于科学知识图谱的数字孪生发展可视化分析

刘晓冰, 王姝婷, 白朝阳

计算机集成制造系统 2022, 28 (6): 1673-1684. DOI: 10.13196/j.cims.2022.06.007

摘要（418）

PDF （3758KB）（363）

随着工业4.0、智能制造等技术与发展战略的出台,数字孪生领域的研究与应用探索逐渐成为研究热点。通过定量化与可视化的文献计量分析方法,对WoS数据库中数字孪生领域的研究成果进行梳理,并运用科学计量理论算法与可视化分析软件分析了数字孪生领域的文献外部特征,讨论了领域的研究热点以及热点演进趋势,展望了领域未来的研究方向,为关注数字孪生领域的学者与企业实践者提供参考。

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19. 数字孪生驱动的高精密产品智能化装配方法

孙学民, 刘世民, 申兴旺, 黄德林, 鲍劲松

计算机集成制造系统 2022, 28 (6): 1704-1716. DOI: 10.13196/j.cims.2022.06.010

摘要（381）

PDF （8244KB）（333）

为解决高精密产品装配过程中虚拟仿真分析与物理装配脱节导致的装配效率较低、装配质量一致性较差的问题,提出一种数字孪生驱动的高精密产品智能化装配方法。构建了包括装配全要素的高精密产品数字孪生体;针对当前装配工艺文档可读性差、知识关联关系弱等问题,提出一种基于知识图谱的装配工艺表达方式,并利用知识图谱的可推理性对装配工艺进行动态调整;针对产品质量控制问题,提出一种操作—状态—质量三层结构质量控制策略。以某型号汽车发动机缸体单元装配为例,验证了所提方法的实用性。

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20. 航天薄壁件旋压成型数字孪生高保真建模方法

胡富琴, 杨芸, 刘世民, 郑小虎, 吕晓雷, 鲍劲松

计算机集成制造系统 2022, 28 (5): 1282-1292. DOI: 10.13196/j.cims.2022.05.002

摘要（381）

PDF （6301KB）（1466）

为解决制造过程中多学科、多物理量、多尺度、动态时变等因素带来的虚实融合困难问题,以航天薄壁件旋压成型加工过程为对象,提出一种数字孪生高保真建模方法。该方法分别从几何、机理和数据3个层次描述和定义模型,并基于构建的模型研究了旋压加工过程知识获取和数据虚实映射过程。为评估所建模型的有效性,给出了一种数字孪生模型的保真度评估方法。通过案例验证了所提数字孪生高保真建模方法的有效性和模型的可评估性。

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21. 基于视觉感知的表面缺陷智能检测理论及工业应用

柴利, 任磊, 顾锞, 陈佳鑫, 黄博, 叶琦, 曹玮

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 1996-2004. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.006

摘要（372）

PDF （1181KB）（373）

由于在工业产品质量监控中不可比拟的优势,基于视觉感知的表面缺陷检测近年来得到了很多研究者的持续关注,且已广泛应用于不同工业领域,包括汽车工业、半导体加工、玻璃制造、钢铁冶金等。AI学习算法与视觉传感技术的飞速发展为表面缺陷检测研究带来了新的机遇与挑战。综述了基于视觉感知的表面检测研究中的主要方法与进展,重点介绍了图像处理、几何深度学习、面向目标检测的深度学习等方向的研究现状,这些研究有望为表面缺陷智能检测技术的发展带来突破。讨论了工业图像检测与识别在钢铁冶金、大气污染监测以及航空发动机缺陷检测3个领域的应用。最后,提出了值得研究的挑战性问题。

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22. 面向高端装备制造协同优化的人工智能方法研究综述与展望

陆少军, 崔龙庆, 赵婷, 江涛, 刘心报, 杨善林

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 1940-1952. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.002

摘要（360）

PDF （1625KB）（542）

高端装备制造能力是一个国家综合竞争力的重要体现,面向高端装备制造协同优化问题设计基于人工智能的调度决策方法,对于提高高端装备智能制造协同效率具有重要意义。将高端装备制造过程协同优化问题分为制造与库存协同优化、制造与配送协同优化、制造与组装协同优化和制造与维修协同优化4类具有不同特点的问题,并分析了这4类问题的研究现状;从时间优化、成本优化和能源优化的角度,综述了解决上述4类协同优化问题的人工智能方法;在此基础上,提出了面向高端装备制造协同优化的人工智能方法的未来研究方向。

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23. 面向大规模立体仓库货位分配问题的两阶段混合优化算法

黄鹏, 姚锡凡, 胡晓阳, 曾中荣

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2481-2495. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.019

摘要（351）

PDF （4579KB）（182）

为满足金属加工及设备制造企业对大型重载立体仓库安全、高效运作需求,建立了考虑仓库出入库效率、货架稳定性和堆垛机负载均衡要求的货位分配多目标优化模型。针对该模型提出了一种两阶段混合算法(GA-LAHC),该算法集成了遗传算法(GA)和延迟接受爬山算法(LAHC)的优势。同时,设计了货位贪婪交叉算子,以增强遗传算法的信息感知能力,加快算法收敛速度。通过仿真实验对算法的有效性和参数敏感性进行了分析,结果表明所提出的GA-LAHC算法在求解稳定性和求解精度上优于粒子群算法、GA及LAHC。

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24. 改进A*和动态窗口法的移动机器人路径规划

陈娇, 徐菱, 陈佳, 刘卿

计算机集成制造系统 2022, 28 (6): 1650-1658. DOI: 10.13196/j.cims.2022.06.005

摘要（347）

PDF （4615KB）（286）

为解决传统A*算法和动态窗口法在路径规划中存在的问题,提出一种结合A*算法和动态窗口法的移动机器人路径规划融合算法。采用A*算法规划出一条全局路径,采用一种关键折点提取算法剔除全局路径上的冗余拐点和冗余节点,以保证路径全局最优;根据关键节点将全局路径分段,再结合动态窗口法对每段局部路径进行优化,以提高路径的安全性和平滑性。仿真实验验证,融合算法实现了对路径长度、平滑性和安全性的优化,而且能在实际环境中高效率地完成路径规划。

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25. 基于视觉感知的表面缺陷检测综述

苏虎, 张家斌, 张博豪, 邹伟

计算机集成制造系统 2023, 29 (1): 169-191. DOI: 10.13196/j.cims.2023.01.015

摘要（343）

PDF （2897KB）（464）

基于视觉感知的表面缺陷检测,具有高效、可防止二次损伤等优点,被广泛应用于各种工业场景中。近年来深度学习技术的快速发展进一步推动了视觉缺陷检测的进步与应用。以特征的显式提取与自动提取为思路,对基于视觉感知的缺陷检测方法进行综述和分析。首先,简要描述了视觉缺陷检测系统的基本构成,将缺陷检测中的视觉感知归为分类、目标检测和分割3个层次。然后,将现有的视觉检测方法分为基于显式特征提取的(传统方法)和基于自动特征提取的(深度学习方法)。进一步,将基于显式特征提取的方法分为统计法、谱方法和模型法3类,将基于自动特征提取的方法分为整图分类的、目标检测的和像素分割的方法。对每一类方法的特点和适用场景进行了归纳总结与分析。同时,针对工业应用中数据获取成本高的问题,介绍了近年来出现的弱监督缺陷检测方法与异常检测方法,并介绍了具有较大影响力的工业表面缺陷数据集。最后,针对如何减少对大量标注数据的依赖和如何提高检测方法在工业现场的适用性两个关键问题展开讨论,展望了该领域下一步的研究方向。

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26. 众包设计平台工作者关系网络构建与分析

王震, 欧阳啸, 郭伟

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2522-2533. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.022

摘要（339）

PDF （7266KB）（84）

众包利用广泛的社会化设计资源解决企业创新难题,实现企业创新研发模式的升级。为研究众包设计平台工作者之间的关系及形成原因,总结了两类众包设计平台,并基于复杂网络构建两类众包设计平台工作者关系网络,从网络的度分布、平均路径长度、网络直径、集群系数、模块度和社区数量等复杂网络指标探究了网络特性,研究了两类平台不同的网络特征并探究工作者关系网络形成机理。以国内外2个典型众包设计平台为例,验证了所提方法的有效性和适用性。

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27. 面向医药生产的智能机器人及其关键技术研究综述

王可, 张辉, 曹意宏, 易俊飞, 袁小芳, 王耀南

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 1981-1995. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.005

摘要（335）

PDF （5745KB）（322）

医药行业是国计民生的基础,制药业的发展对国民经济和人民生命安全具有重大意义。随着人工智能等技术的发展与成熟,智能机器人在医药生产行业得到了广泛应用。智能机器人的出现使得医药生产在生产效率和质量上实现了新的突破,但也面临不少问题与挑战。鉴于此,综述了智能机器人在医药生产中的最新研究,首先对医药生产中常见的智能机器人以及其在应用时面临的挑战进行了概述,包括无菌制药机器人、灌装密封系统、质量检测机器人、智能搬运机器人等。其次,针对面向医药生产的智能机器人目前所面临的挑战,对基于多源信息感知的控制、人机交互、柔性抓取、瓶口定位、质量检测、路径规划、任务调度等关键技术进行了总结分析。最后,对面向医药生产的智能机器人的未来发展趋势进行了展望。

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28. 考虑绝缘性能的变频调速电机轴承优化设计

贾正阳, 宋俊杰, 汪久根, 洪兆溪, 冯毅雄, 李学军, 黄元通, 郝旭, 谭建荣

计算机集成制造系统 2022, 28 (9): 2726-2738. DOI: 10.13196/j.cims.2022.09.007

摘要（333）

PDF （6416KB）（95）

针对当前工业领域变频调速电机轴承由于绝缘层厚度未规范化导致过早失效的问题,分析了绝缘层对电机轴承电蚀损伤的影响机制,在此基础上建立了绝缘轴承多目标优化模型,并提出改进NSGA-Ⅱ算法进行高效求解。通过电磁场和电路仿真分析揭示了绝缘层厚度对绝缘轴承中轴电流的影响规律,设立疲劳寿命、电蚀寿命、绝缘层表面硬度3个优化目标,借助绝缘轴承结构参数构建种群个体,在NSGA-Ⅱ算法中引入扩大初始种群规模、交配池去重、算术变异算子等改进策略以提高种群多样性。通过地铁牵引电机绝缘轴承实际算例表明,优化后轴承各项性能均得到提升,从而证明了所提优化设计方法具有较强的合理性和有效性。

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29. 设置货箱缓存区的自动小车存储及取货系统订单分批拣选问题

李珍萍, 韩倩倩, 仪明超

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2605-2618. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.029

摘要（332）

PDF （2379KB）（108）

针对自动小车存储及取货系统(AVS/RS)中拣选不同批次订单可能需要出库同一货箱的情况,研究了设置货箱缓存区的订单分批拣选问题。在考虑订单中商品订购数量、货箱中商品存储量,以及货箱缓存区容量的情况下,以订单分批、批次排序、货箱出入库为决策变量,以最小化货箱出库总次数为目标,建立了订单分批拣选联合优化问题的混合整数规划模型。进一步将联合优化问题分解成3个子问题:订单分批问题、货箱出库问题、批次排序问题,并设计了求解模型的三阶段启发式算法。利用不同规模的算例进行模拟计算,验证了三阶段启发式算法的有效性和快速性。通过分析拣选台容量和货箱缓存区容量变化对求解结果的影响,发现增大拣选台容量或货箱缓存区容量均可以降低货箱出库总次数。对于给定的待拣选订单,随着货箱缓存区容量的增大,每增加一个单位货箱缓存区容量所带来的出库货箱次数降低量越来越小。最后通过对比分析设置货箱缓存区和不设置货箱缓存区情况下的订单分批拣选策略,验证了设置货箱缓存区的优越性。

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30. 核电装备全生命周期价值链协同平台研究

冯毅雄, 赵泽田, 胡炳涛, 司恒远, 易树平, 聂婕, 王理, 洪兆溪, 聂为之, 王梦灵, 郭景任, 谭建荣

计算机集成制造系统 2022, 28 (9): 2633-2649. DOI: 10.13196/j.cims.2022.09.001

摘要（329）

PDF （23408KB）（306）

在总结核电装备典型特征的基础上,分析了当前核电装备全生命周期价值链协同面临的挑战,指出建设核电装备全生命周期价值链协同平台的必要性,并设计了一种平台体系架构。针对核电装备价值链协同存在数据交互失信、质量管控失源和运行维护失控问题,提出核电装备全生命周期价值链协同平台的关键技术体系,包括全生命周期价值链协同数据空间构建与挖掘、跨企业协同环境下质量管控与全价值链追溯、多模态数据驱动的智能运维服务与闭环反馈,有效促进价值链参与企业多领域多阶段业务协同,实现全生命周期整体价值共创和持续稳定发展。结合核电装备全生命周期典型业务场景,从数据交互、质量管控和状态预测3个方面开展了初步研究和实践,为未来核电装备全生命周期价值链协同平台进一步落地应用提供参考。

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31. 基于数字孪生的民机运行安全框架体系设计

熊明兰, 王华伟

计算机集成制造系统 2022, 28 (8): 2291-2301. DOI: 10.13196/j.cims.2022.08.002

摘要（323）

PDF （7177KB）（349）

数字孪生技术能够有效解决困扰民机运行过程中的“贫”数据问题,在降低数据采集成本的前提下,可全面表征与认识民机实际状态,支持面向潜在风险的主动安全管理,并实现剩余寿命预测等相关保障维修决策。在该技术下,系统分析了民机运行安全风险因素,建立基于数字孪生的民机运行安全系统体系架构,并对其特征进行了分析;对系统构建的4个关键要素的建模方式、数据采集和实时映射进行了研究,即民机子系统、民机维修、民机运行环境及人员;对系统实现的3个关键技术包括民机运行安全性评估技术、数据与模型融合技术与模型一致性评估技术进行了阐述。最后,通过典型案例说明了数字孪生技术在航空发动机应用中的实现过程。

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32. 故障共享单车的回收修理策略研究

毛敏, 鲍震天, 唐优华, 秦浩, 艾明慧

计算机集成制造系统 2022, 28 (12): 3967-3980. DOI: 10.13196/j.cims.2022.12.023

摘要（317）

PDF （1440KB）（97）

故障共享单车的回收与维护修理会直接影响用户的出行体验,也有相应的运营成本。首先分析了共享单车企业的运营片区回收系统,以总运营成本最小为目标,提出满载装运下故障单车直运、转运和混合3种回收运输策略的选择条件,然后分析了最优装运量下的回收策略选择。研究结果表明,各运营片区中:①无论满载还是最优装运量,至少有一种纯策略会优于混合策略,且维修能力一定时,随着维修延误率的增大,直运会变为转运;②相比满载,最优装运量方式下的直运策略区间更大;③相同纯策略下,维修延误率越大,最优装运量比满载的成本优势越大。最后,在最优装运量装运方式下,每个片区分别选择直运或转运策略,就能得到全网络的回收策略集合,并分析了维修能力一定情况下,随着维修延误率的上升,全网络最优回收策略集合的变化。

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33. 复杂开放水域下智能船舶路径规划与避障方法

杨琪森, 王慎执, 桑金楠, 王朝飞, 黄高, 吴澄, 宋士吉

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 2030-2040. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.009

摘要（315）

PDF （812KB）（235）

针对复杂动态环境下,智能船舶航运过程中的路径规划与避障问题,结合海图与国际海上避碰规则,搭建了仿真平台,并进行马尔可夫决策过程抽象建模。理论分析了深度强化学习方法和传统确定性算法,在深度强化学习算法中设计了适用于智能船舶航行任务的势能引导奖励,并在不同障碍物数量及障碍物状态的条件下,通过实验比较了两者的路径规划与实时避障能力。仿真环境下,深度强化学习方法在不同难度的环境设置下,均表现出了优于传统方法的性能。随着环境难度的增大,传统方法的表现逐渐变差,但是深度强化学习方法性能稳定。深度强化学习方法在实时避碰的决策任务上,具有安全性高、航行时间短、性能稳定等优点。

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34. 基于改进遗传算法的移动机器人全局路径规划

徐兴, 俞旭阳, 赵芸, 刘成星, 吴祥

计算机集成制造系统 2022, 28 (6): 1659-1672. DOI: 10.13196/j.cims.2022.06.006

摘要（312）

PDF （7226KB）（239）

针对遗传算法在路径规划中存在收敛速度过慢、极易早熟、非必要转向次数过多等问题,提出基于灾变策略的改进遗传算法。设计一种区域必经点选择策略产生优质初始种群来提高算法前期收敛速度;引入并改进灾变策略,防止早熟的同时增加种群多样性,以减小种群规模,提高计算速度;设计一种内嵌A*算法的动态变异算子,以提高算法后期的局部搜索能力;采用多约束条件的适应度函数提高路径的平滑度。仿真结果证明,相比遗传算法、改进遗传算法、多种群自适应蚁群算法,所提改进算法能更好地避免早熟,并缩短寻路时间,从而搜索到更优的路径。最后将算法应用于机器人操作系统平台,通过导航试验证明改进算法有效可行,能显著提升移动机器人的稳定性和效率。

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35. 半导体生产车间智能AGV路径规划与调度

李昆鹏, 刘腾博, 阮炎秋

计算机集成制造系统 2022, 28 (9): 2970-2980. DOI: 10.13196/j.cims.2022.09.026

摘要（312）

PDF （2948KB）（201）

在半导体市场需求高速增长及智能制造的背景下,对半导体生产车间中采用自动化物料运输系统的自动导引小车(AGV)路径规划与调度问题进行研究,该问题需同时考虑每台AGV的路径规划及AGV群组间的碰撞避免。基于此提出了两阶段算法,首先分别采用基于数学模型求精确解和基于时间优先级的任务分配算法得到AGV运送半导体工件的任务序列,并根据行走规则生成每台AGV的初始路径。然后设计碰撞检测及避免算法对初始路径中可能发生的碰撞点进行检测,并采取相应的避撞策略,从而获得全局AGV无冲突路径。最后对AGV数量进行灵敏度分析,给出半导体生产车间最优的AGV数量配置建议。实验结果表明,所提算法能够调度AGV在具有4个货架和4个机台的半导体车间中完成480个工件运送任务,并且在算法效率和求解时间上均具有很好的实用性。研究结论可为半导体生产车间采用AGV自动化物料运输系统实现多AGV协同调度提供理论依据和实际参考。

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36. 基于Q—学习的超启发式模型及算法求解多模式资源约束项目调度问题

崔建双, 吕玥, 徐子涵

计算机集成制造系统 2022, 28 (5): 1472-1481. DOI: 10.13196/j.cims.2022.05.018

摘要（310）

PDF （1974KB）（220）

为了更好地解决传统的元启发式算法机制单一和面向问题定制不足等问题,提高算法的整体通用性,本文提出一种基于Q—学习的超启发式模型,并基于该模型设计实现了一种超启发式算法,求解多模式资源约束项目调度问题(MRCPSP)。该模型架构分为高低两层,低层由具有多种异构机制和不同参数的元启发式算子组成,高层则依据Q—学习策略自动选择低层算子。模型将多种优秀的元启发式算法与反馈—学习强化机制有机整合,具备灵活的可扩展性。为检验算法效果,从MRCPSP标杆算例库中选取了上千个规模不等的算例,设计了等价比较实验环节,并与最新公开文献提供的结果进行了比较。结果表明,基于Q—学习的超启发式算法在目标值、通用性、鲁棒性等多项性能指标上均表现优异,可以借鉴应用到其他各种组合优化问题。值得一提的是,针对J30算例的计算结果有多达41个算例获得了比当前公开文献报告的已知最优解更好的结果。

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37. 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（308）

PDF （1503KB）（460）

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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38. 求解多目标混合流水车间调度的改进NSGA-Ⅱ

宋存利

计算机集成制造系统 2022, 28 (6): 1777-1789. DOI: 10.13196/j.cims.2022.06.016

摘要（304）

PDF （3325KB）（177）

针对混合流水车间调度问题,以最小化能耗和最小化最大完工时间为求解目标,建立混合整数线性规划模型,提出求解该问题的改进快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)。算法染色体采用首阶段工件加工顺序码和设备分配码相结合的编码方式,最大程度确保算法在问题的整个解空间搜索Pareto前沿解。针对染色体编码设计了3种不同解码方法,其中两种解码方法与问题目标密切相关,用于引导算法搜寻方向;设计了一种贪婪变异算子,在提高种群多样性的同时兼顾算法的局部搜索能力。为确保Pareto前沿解集的分布性和收敛性,避免算法陷入局部最优,在采用精英保留策略的基础上提出一种全新的选择算子,并通过实验证明了该选择算子的有效性。为进一步节约能源,针对调度方案提出先右移再左移的调整策略,在不改变总完工时间的前提下大大节约了设备的待机和开关机能量。最后通过实验验证了改进NSGA-Ⅱ的有效性。

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39. 基于栅格空间的自适应GB_RRT*机械臂路径规划

张立彬, 林后凯, 谭大鹏

计算机集成制造系统 2022, 28 (6): 1638-1649. DOI: 10.13196/j.cims.2022.06.004

摘要（297）

PDF （5550KB）（161）

为了使移动机械臂在不同危险环境下用较短的搜索时间快速规划较优的避障路径,提出一种基于栅格空间的自适应目标偏向快速搜索随机树算法。结合快速搜索随机树算法渐进最优思想对目标偏向快速搜索随机树算法进行优化,使得搜索路径朝渐进最优解收敛。由于在高维度关节空间内查找相邻节点的计算量较大,通过栅格储存树节点并结合栅格快速查找相邻节点来提升算法效率。利用open表解决目标偏向采样策略引起的重复偏向问题。针对不同环境中偏向阈值难确定的问题提出自适应目标偏向法,结合open表节点的数量变化自适应控制偏向性生长来缩减无效扩展,降低搜索时间和路径代价。为进一步改善路径曲折和代价,采用可变间隔的贪心算法对已规划的路径进行快速优化。仿真实验将所提方法用于不同障碍物环境,结果显示改进算法可以有效缩减搜索时间和路径代价,提升规划稳定性。

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40. 基于生成对抗网络的滚动轴承不平衡数据集故障诊断新方法

郭俊锋, 王淼生, 孙磊, 续德锋

计算机集成制造系统 2022, 28 (9): 2825-2835. DOI: 10.13196/j.cims.2022.09.015

摘要（296）

PDF （4152KB）（200）

在实际工程应用中,滚动轴承在大多数时间都工作在正常状态下,故障状态时间很短。由于成本,让其长时间工作在故障状态是不现实的。这将造成故障诊断数据集的不平衡,即正常的样本远远多于故障的样本,而这会极大地影响故障诊断结果的准确性和稳定性。针对该问题,提出一种基于Wasserstein距离条件梯度惩罚生成对抗网络(CWGAN-GP)的轴承不平衡数据集故障诊断方法,该方法能够稳定地生成高质量的样本。在故障诊断过程中,首先对生成样本的质量进行评估,然后对不平衡数据集进行逐步扩充与平衡。实验表明,该方法能够生成与真实样本高度相似的生成样本,并随着不平衡数据集被逐渐平衡,故障诊断的准确率也得到有效的提高。此外,CWGAN-GP模型在样本生成方面比其他生成模型具有更好的表现。

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