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（4231）

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（1628）

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. 数字孪生模型评价指标体系

张辰源,陶飞

计算机集成制造系统 2021, 27 (8): 2171-2486. DOI: 10.13196/j.cims.2021.08.001

摘要（1179）

PDF （3882KB）（1084）

数字孪生作为实现数字化、智能化、服务化等理念的重要使能技术,以及助力数字经济与实体经济融合发展的有效手段,受到各行各业的广泛关注。随着数字孪生逐渐从理论研究迈向落地实践,在实际应用对数字孪生模型的要求更加多元的同时,对数字孪生模型性能的透明度也提出了更高的要求。然而,数字孪生模型在构建校验、运行管理、重构优化、迁移复用、流通交付等阶段缺乏系统性评价理论和方法指导,难以分析和量化数字孪生模型的质量、性能、适用性或共生性、适应性和价值,严重阻碍了数字孪生的深入推广和应用。针对上述问题,首先对不同阶段的数字孪生模型性能需求进行分析,在此基础上,提炼出8项数字孪生模型评价准则,进而构建了一套数字孪生模型评价指标体系,并给出了29项评价指标的量化计算参考方法,以期为数字孪生模型各阶段的决策过程提供参考。

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4. 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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5. 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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6. 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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7. 未来装备探索:数字孪生装备

陶飞, 张辰源, 张贺, 程江峰, 邹孝付, 徐慧, 王勇, 谢兵兵

计算机集成制造系统 2022, 28 (1): 1-16. DOI: 10.13196/j.cims.2022.01.001

摘要（698）

PDF （7397KB）（896）

工程装备、制造装备、医疗装备等各类装备是加快国家基础建设,提升国家经济实力和保障医疗健康的重要基础。在新环境、新趋势、新背景下,如何充分融合新一代信息技术,助力装备数智化升级,实现装备软硬系统的自主可控,是实现装备高质量发展,推动数字经济与实体经济融合发展的关键。基于作者团队前期提出的数字孪生五维模型理论基础,探讨了数字孪生装备的概念和组成,分析了数字孪生装备理想特征能力和关键技术,提出了数字孪生装备三阶段发展路径,并在纺织车间物流装备和复材加工车间热压罐装备上对相关理论开展了实践。

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8. 云架构CAD软件及其关键技术与应用综述

赵飞宇

计算机集成制造系统 2022, 28 (4): 959-978. DOI: 10.13196/j.cims.2022.04.001

摘要（683）

PDF （6223KB）（404）

互联网和云计算等先进信息技术在制造领域的深度渗透和落地应用,催生了一种以“共享群智,云端协同”为特征的新型软件即服务(SaaS)工业软件——云架构CAD软件。在解析云架构CAD软件基本概念、特征和应用需求的基础上,阐述了云架构CAD软件的关键技术,包括SaaS云计算服务、3D模型轻量级可视化、三维几何造型、CAD模型数据交换;通过整合目前商业化或非营利性运行的各类云架构CAD软件,分别从基于3D打印云平台的在线3D建模和基于云的工业级产品设计两个方面,总结了云架构CAD软件的应用场景;基于云架构CAD软件的应用和发展需求,以及与5G、数字孪生等的紧密关联,探讨了智能制造背景下云架构CAD软件的技术挑战与趋势。

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9. 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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10. 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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11. 面向生产线仿真的数字孪生逻辑模型构建方法

施佳宏, 刘晓军, 刘庭煜, 陶飞, 胡天亮, 孙铮, 徐俊, 戚庆林, 黄佳圣, 朱铭浩, 岳士超

计算机集成制造系统 2022, 28 (2): 442-454. DOI: 10.13196/j.cims.2022.02.010

摘要（605）

PDF （8601KB）（1210）

生产线仿真是保证生产设计方案正确、合理、高效的前提,其中对生产线逻辑的正确性仿真最为关键。为实现基于数字孪生的生产线仿真技术,提出面向生产线仿真的数字孪生逻辑模型构建方法。首先提出生产线仿真系统组成架构,然后从几何、物理、生产行为、仿真规则4个维度阐述数字孪生逻辑模型的构建方法,详细介绍几何属性、物理属性的定义方法,采用有限状态机定义的生产行为,并定义行为信息传递规则、同步推进规则和互斥优先规则3类仿真规则。基于模型构建方法开发了生产线逻辑仿真原型系统,通过生产线实例仿真验证了建模方法的有效性。

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12. 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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13. 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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14. 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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15. 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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16. 工业数字孪生系统的概念、系统结构与运行模式

李浩,王昊琪,刘根,王军令等

计算机集成制造系统 2021, 27 (12): 3373-3390. DOI: 10.13196/j.cims.2021.12.001

摘要（540）

PDF （8609KB）（843）

数字孪生的理念与技术最初在制造业形成,随着建模仿真与控制技术的进步,以及新一代信息技术的发展,数字孪生在城市、农业、建筑等10余领域、50多个方向快速推广,这一理念目前已成为这些领域的前沿与热点方向。在对比不同类别的数字孪生系统的关键问题、主要应用场景、关键技术和数据来源等基础上,提出了工业数字孪生系统(iDTS)的概念,总结了iDTS的典型特点,包括以人为中心、“人-机-环境”相互融合、系统高保真度和孪生模型复杂性;iDTS通过由物理层、感知层、孪生层、应用层和控制层组成的系统结构来支撑系统的运行;在此基础上,提出了一个四阶段的iDTS成熟度模型,并分别定义了以仿真为主和以控制为主的iDTS。最后,结合具体工业应用场景,分析了本地化配置的运行模式、基于“云-端”的运行模式、基于“云-边-端”的运行模式和基于分布式计算的运行模式4种iDTS的运行模式,并通过典型案例描述了不同iDTS的运行模式。

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17. 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（535）

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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18. 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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19. 产品评论数据驱动的质量功能展开客户需求挖掘

胡尧, 肖人彬, 张文旭

计算机集成制造系统 2022, 28 (1): 184-196. DOI: 10.13196/j.cims.2022.01.018

摘要（493）

PDF （3836KB）（787）

针对现有质量功能展开(QFD)客户需求及其权重研究所含主观因素较多,从而造成QFD分析结果客观性较差的问题,提出一种产品评论数据驱动的QFD客户需求挖掘方法。首先提出了基于关注度隐含狄利克雷分布模型完成主题提取,利用Word2Vec相似度匹配形成客户需求集合。然后基于发明问题的解决理论(TRIZ)的需求映射模型,形成了规范化客户需求表达。最后引用改进比例重要度并增设两种阈值,以改进粗数的单值权重转化规则,从而得到客户需求最终权重。将规范化客户需求及其权重输入到质量屋模型,以实现数据驱动的QFD分析。通过实例验证了所提方法的可行性和有效性。

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20. 基于正向投影灰靶模型的多目标流水车间调度优化

朱光宇, 张峥

计算机集成制造系统 2022, 28 (4): 1087-1098. DOI: 10.13196/j.cims.2022.04.012

摘要（478）

PDF （2468KB）（227）

为获得高维多目标置换流水车间调度问题的高质量解、良好性能解集,基于灰靶理论提出综合客观权重正向投影灰靶模型,解决多目标置换流水车间调度优化过程中信息获取不足的问题。首先,定义包含四目标调度问题的数学模型,同时在多目标优化领域中定义灰靶模型,用靶心距评判Pareto前端的优劣,提取目标函数值间的不确定性信息。为克服同一剖切面上不同Pareto前端的靶心距不同的问题,且更全面获取解空间信息,提出正向投影灰靶模型。进一步,在所提模型中引入由CRITIC法和熵权法组合的综合客观权重,提取目标函数值间的波动性和相关性信息,建立综合客观权重正向投影灰靶模型。将模型与遗传算法结合,提出基于正向投影灰靶模型的多目标进化算法求解高维多目标置换流水车间调度问题。通过3组实验,4种比较算法,验证了所提方法的有效性。

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21. 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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22. 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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23. 基于数字孪生的车间三维可视化监控系统

周成, 孙恺庭, 李江, 于存贵, 居里锴

计算机集成制造系统 2022, 28 (3): 758-768. DOI: 10.13196/j.cims.2022.03.010

摘要（469）

PDF （9680KB）（369）

针对当前制造车间监控透明度低、方式单一、实时性差、缺乏模型等问题,参考数字孪生理论模型,以工业物联网平台作为系统服务平台,提出一种基于数字孪生的车间三维可视化监控系统六维模型,并介绍了系统开发流程。在此基础上对系统开发中的孪生数据采集、虚拟车间构建、数据实时映射等关键技术进行了阐述。同时,针对车间数据采集困难的现状,提出基于工业物联网平台的孪生数据采集方法。以印章生产车间为应用对象,设计开发了印章生产车间三维可视化监控系统,验证了所提模型的有效性,为车间三维可视化监控的实现提供了参考。

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24. 基于联邦学习的边缘智能协同计算与隐私保护方法

刘庆祥,许小龙,张旭云,窦万春

计算机集成制造系统 2021, 27 (9): 2604-2610. DOI: 10.13196/j.cims.2021.09.013

摘要（464）

PDF （2487KB）（391）

联邦学习中,终端将更新后的模型参数值,而不是原始数据传递至服务器,从而成为保障边缘计算中数据隐私安全的关键技术。因此,提出了基于联邦学习的边缘计算方法(FLBEC),在保护用户隐私的同时,减少终端参与联邦学习的开销。首先设计了基于联邦学习的边缘计算系统架构,提出了隐私保护机制。分析了终端参与联邦学习时间和能耗,提出了研究的目标,即保护边缘计算中用户隐私,同时在保证精度的前提下,减少联邦学习时间和能耗。然后,从参与者选择、本地更新和全局聚合3个方面提出了改进后的联邦学习算法。最后通过对比实验验证了在FLBEC算法中,绝大多数终端在达到目标精度的前提下可以大幅度地降低联邦学习时间和能耗,从而减少联邦学习开销,表明了FLBEC算法的优越性。

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25. 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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26. 增强现实在复杂产品装配领域的关键技术研究与应用综述

魏禛, 郭宇, 汤鹏洲, 李晗, 郑冠冠, 蒲俊, 吉荣华

计算机集成制造系统 2022, 28 (3): 649-662. DOI: 10.13196/j.cims.2022.03.001

摘要（447）

PDF （6271KB）（502）

增强现实技术的快速发展引起了装配领域的关注和研究。为研究增强现实在复杂产品装配领域的应用现状,在解析增强装配的概念、内涵的基础上,探究了增强装配系统的典型架构,提出一种基于增强现实的复杂产品智能装配体系框架;通过分析国内外增强装配技术的相关研究和应用,阐述增强装配系统相关的跟踪注册、人机交互、虚实融合、内容创作等关键技术;总结了增强装配系统在装配指导、装配训练、装配仿真与规划3个方面的应用模式和技术特点;基于复杂产品装配技术的应用和实际需求,探讨了增强现实技术在装配领域的发展与挑战。

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27. 基于知识图谱的分布式光伏运维方案匹配方法

欧一鸣,苏雍贺,靳健,倪玮晨,陶飞

计算机集成制造系统 2021, 27 (7): 1860-1870. DOI: 10.13196/j.cims.2021.07.002

摘要（440）

PDF （4391KB）（447）

为了提高分布式光伏运维效率,设计了一种利用专业领域知识图谱匹配运维方案的方法。该方法基于运维诉求与分布式光伏运维知识图谱中的信息,匹配准确的运维方案,为运维人员提供方案支持。首先陈述了在单一故障、诉求完整的状况下以知识图谱为媒介匹配运维方案的方法;再基于复合型运维诉求设计了先拆分诉求再分别匹配的流程;然后针对实践中诉求要素缺失的问题,利用知识图谱提供的联想能力,使该方法能够补全诉求并匹配方案。实验对比分析表明,该方法准确度较高,并且在实践中具有理想的可靠性。

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28. 区块链安全、隐私与性能问题研究综述

曹雪莲,张建辉,刘波

计算机集成制造系统 2021, 27 (7): 2078-2094. DOI: 10.13196/j.cims.2021.07.022

摘要（431）

PDF （2251KB）（316）

作为构建低成本信任通道、实现价值互联的关键技术,区块链研究在近几年急剧涌现,其中安全、隐私与性能成为最受关注的问题。为助益破解挑战,从问题分析、技术进展与作用机制视角针对区块链安全、隐私与性能问题展开综述,包括:①基于区块链层次结构与运行原理,就对等网络、共识机制和智能合约层面的安全问题及攻防措施进行分析评估;②基于区块链隐私威胁基本原理,比较分析不同隐私保护对象的分级隐私保护策略;③通过分析性能制约因素,评估基于链上与链下两种扩容路线的最新研究进展。此外,针对安全、隐私与性能的现存问题,分别提出可能的解决思路并指出未来研究方向。

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29. 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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30. 基于数字孪生的产品设计过程和工作量预测方法

王昊琪, 李浩, 文笑雨, 罗国富, 孙春亚

计算机集成制造系统 2022, 28 (1): 17-30. DOI: 10.13196/j.cims.2022.01.002

摘要（422）

PDF （5902KB）（610）

为解决由于实际产品设计过程和理想的仿真过程状态不一致而导致的产品设计复杂性预测不准确的问题,研究了基于数字孪生的产品设计过程及其工作量预测方法。构建了产品设计数字孪生系统五维结构模型。详细定义了虚拟空间的产品设计数字孪生模型,包括功能数字孪生模型、设计师数字孪生模型和设计活动数字孪生模型。从知识的角度出发,提出了产品设计工作量预测和功能变更传播分析方法,为产品设计复杂性管理提供了精准服务。最后,以微小卫星无线极光探测任务的系统设计为例证明了,通过所构建的产品设计数字孪生模型和系统服务,能够有效评估、预测和管理设计过程的复杂性。

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31. 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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32. 改进鲸鱼算法求解工程设计优化问题

刘景森,马义想,李煜

计算机集成制造系统 2021, 27 (7): 1884-1897. DOI: 10.13196/j.cims.2021.07.004

摘要（417）

PDF （2656KB）（254）

为了更好求解工程设计优化问题,提升鲸鱼算法的寻优性能和应用能力,提出一种基于分段式随机惯性权重和最优反馈机制的鲸鱼优化算法。在随机游走觅食策略中引入基于当前全局最优解的反馈机制,加快算法收敛速度,增强求解稳定性;在收缩包围策略和螺旋气泡网捕食策略中引入分段式随机惯性权重,提高算法的寻优精度和跳出局部极值的能力;对越界处理进行修正和改进,消除了进化成果可能丢失的隐患。通过理论分析证明了该改进算法与基本鲸鱼算法的时间复杂度相同。6种代表性对比算法在12个复杂基准测试函数和3个工程优化设计问题上的实验结果表明,该改进算法的寻优性能、求解稳定性、对不同问题的适用性和有效性均明显优于其他5种对比算法。

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33. 国产CAD软件重启之路

何援军

计算机集成制造系统 2021, 27 (11): 3057-3075. DOI: 10.13196/j.cims.2021.11.002

摘要（409）

PDF （5249KB）（336）

回顾了国产CAD软件开发和应用的发展史,展示了我国在CAD和计算机图形学方面的基础研究,以及大型应用软件系统的开发和实际应用。以上海市CAD应用工程软件产品白玉兰CAD为例,梳理了我国在CAD软件开发中形成的理论基础、技术基础、算法基础、系统设计基础和应用定制基础。论证了重启国产CAD软件的可能性,提出一些重启策略,并给出一些重启方案。

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34. 基于人机仿真技术的炮手操作姿势多指标量化评估模型

赵祎乾,吴天宇,顾森,李亚军,朱天陆

计算机集成制造系统 2021, 27 (8): 2350-2361. DOI: 10.13196/j.cims.2021.08.017

摘要（406）

PDF （5851KB）（178）

为解决火炮瞄准、装填、维修、行战转换过程中炮手操作姿势的量化评估问题,以人机仿真技术为支撑,立足于多指标维度,自上而下基于应用层、表现层、逻辑层、数据层、知识层构建一种综合评估模型。面向模型中的评估数据分析部分,结合灰色关联分析、理想解相似度顺序偏好、灰色接近关联度与灰色关联聚类算法开发了炮手操作姿势评估数据分析系统DASGOPE 1.0,并以某型牵引榴弹炮瞄准机手轮操作评估为例对模型应用进行探讨。首先建立炮手人体与手轮设计方案的数字化模型;其次仿真炮手操作手轮的动态行为与过程,并引入双手手腕、双肘部、躯干、臂部、膝盖、脚踝8项指标对炮手操作姿势进行评估;最后结合DASGOPE 1.0系统计算与分析评估数据。研究表明,评估模型具有良好的可用性;针对火炮人机操控设备的多组设计方案,通过评估炮手操作方案中对应操作姿势的合理性,实现了最优或优选方案的快速辨别与提取,为后续操控设备的优化提供了指导。

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35. 求解柔性作业车间调度的遗传算法综述

黄学文, 陈绍芬, 周阗玉, 孙宇婷

计算机集成制造系统 2022, 28 (2): 536-551. DOI: 10.13196/j.cims.2022.02.018

摘要（403）

PDF （5643KB）（300）

柔性作业车间调度(FJSP)是一类具有广泛应用背景的调度问题,作为求解FJSP最受欢迎的算法之一,遗传算法引起了广泛关注。针对求解FJSP的遗传算法,特别是5类主要染色体编码方法以及相关的交叉和变异算子进行全面综述,并从编码可行性、编码空间与解空间的映射关系、染色体存储空间、解码复杂性、编码完备性、遗传操作复杂性和遗传操作多样性7个维度综合评价了5类编码方法。结果表明,MSOS-I编码是遗传算法求解FJSP较好的染色体编码方法,其染色体结构简单,并可选用较多类型的交叉和变异算子。

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36. HCPS视角下智能制造的发展与研究

王柏村,易兵,刘振宇,周源,周艳红

计算机集成制造系统 2021, 27 (10): 2749-2761. DOI: 10.13196/j.cims.2021.10.001

摘要（392）

PDF （1873KB）（424）

基于“以人为本”和“两化融合”的理念,人—信息—物理系统(HCPS)为认识和发展新一代智能制造提供了理论支撑。为了更好地理解HCPS和智能制造之间的关系,以及把握智能制造的发展趋势,详细分析了HCPS的系统组成与内涵,在此基础上,讨论了智能制造的发展演进和新一代智能制造的主要特征。基于HCPS视角综述了智能制造的相关研究进展,包括新一代人工智能、新一代智能制造、智能制造与其他系统融合等方面。最后,从人、信息系统、物理系统及系统集成等角度提出发展建议,以期为我国相关领域践行HCPS理念与发展智能制造技术提供参考。

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37. 基于数字孪生的离散制造车间可视化实时监控方法

吴鹏兴,郭宇,黄少华,杨能俊,熊伟杰,郭具涛

计算机集成制造系统 2021, 27 (6): 1605-1616. DOI: 10.13196/j.cims.2021.06.007

摘要（389）

PDF （1876KB）（387）

针对离散制造车间实时监控困难、调控能力差、管理不透明等问题,采用面向对象的方法,提出一种基于数字孪生的离散制造车间可视化实时监控方法。首先,搭建了基于数字孪生的离散制造车间可视化实时监控方法体系架构,明确了其关键实现流程;然后,分别围绕4个关键技术:基于AutomationML与OPC UA的数据建模及传输方法、事件驱动的虚实映射方法、基于复杂事件处理的车间逻辑建模方法、信息可视化及推送,详细阐述了该可视化实时监控的实现方法。最后,以某航天产品机加车间为应用案例,结合实际生产过程和开发的原型系统,验证了该监控方法的有效性。

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38. 双足机器人步态控制的深度强化学习方法

冯春,张祎伟,黄成,姜文彪,武之炜

计算机集成制造系统 2021, 27 (8): 2341-2349. DOI: 10.13196/j.cims.2021.08.016

摘要（383）

PDF （3448KB）（195）

针对双足机器人行走过程中的步态稳定控制问题,提出一种改进深度Q网络的深度强化学习方法。首先,将深度Q网络算法与确定性策略梯度相结合,提出用修正Double-Q网络优化操作—评论网络的评论网络,给出一种改进的深度Q网络;然后,建立双足机器人连杆模型,在常规的平整路面上将改进的深度Q网络用于作为智能体的双足机器人进行步态控制训练。MATLAB仿真结果表明,与深度Q网络和深度确定性策略梯度算法相比,所提算法有更好的训练速度且其回报曲线具有良好的平滑性。在CPU训练下,经过20 h左右深度强化学习能够完成智能体训练。双足机器人在较小的力矩和长距离下能够稳定快步行走。

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39. 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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40. 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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