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（3035）

PDF （1797KB）（10353）

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（580）

PDF （4039KB）（2323）

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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3. 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（582）

PDF （2559KB）（1672）

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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4. 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（1614）

PDF （4795KB）（1506）

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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5. 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（378）

PDF （6301KB）（1461）

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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6. 基于区块链的服务质量综合评估框架与算法

闫志强,杨翰宇,程冠杰,刘洪荣,邓水光,刘冠宇,杨明

计算机集成制造系统 2021, 27 (9): 2708-2720. DOI: 10.13196/j.cims.2021.09.023

摘要（327）

PDF （4508KB）（1338）

企业为了保证自己业务的灵活性与高效性,经常需要购买外部服务来执行业务流程中的活动,然而现有服务评价体系很难保证评价的真实性与准确性。区块链技术凭借其分布式存储、共识机制以及智能合约等优势可以替代第三方来对服务进行评价。有研究者提出了一个基于区块链的框架来解决该问题,然而,该框架只存储用户反馈的服务质量(QoS)值,没有给出有效的QoS评价机制。为解决以上问题,提出了基于区块链与智能合约技术的存储服务属性、客户及反馈的Qos客观评价框架。同时,为了弥补区块链存储数据无法防止源头作弊的弊端,以及为用户提供更高的参考价值,提出高斯混合模型估参拆分和复杂动态赋权结合算法来对提供商与用户的QoS值进行综合评价。实验证明,所提方法基本能够有效过滤掉恶意评价,确保得出的QoS值在真实范围内。

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7. 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（603）

PDF （8601KB）（1206）

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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8. 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（808）

PDF （14264KB）（1121）

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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9. 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（1171）

PDF （3882KB）（1073）

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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10. 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（537）

PDF （11919KB）（1022）

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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11. 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（804）

PDF （4840KB）（1019）

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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12. 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（917）

PDF （9702KB）（900）

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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13. 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（695）

PDF （7397KB）（882）

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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14. 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（538）

PDF （8609KB）（836）

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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15. 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（245）

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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16. 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）（785）

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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17. 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（451）

PDF （3123KB）（770）

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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18. 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（421）

PDF （5902KB）（606）

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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19. 带有缓存约束的作业车间调度求解方法

罗焕,陈浩杰,宋小欣,张剑

计算机集成制造系统 2021, 27 (10): 2880-2888. DOI: 10.13196/j.cims.2021.10.012

摘要（278）

PDF （1311KB）（597）

针对已有的启发式算法在应用于带有缓存约束的作业车间调度时求解精度不高的问题,提出将解决方案从工件层级扩展到工序层级,并采用遗传算法对问题进行求解,以得到精度更高的解。同时,为避免传统遗传算法过早收敛和陷入局部最优,结合自适应交叉变异概率和良种交叉算子对算法进行改进。最后,通过实验计算结果,验证了算法能在同等缓存容量下获得精度更高的解。

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20. 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（534）

PDF （15272KB）（592）

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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21. 制造企业工业互联网平台应用水平与绩效评价体系构建与实践

李君,周勇,邱君降,刘帅,文莎,张旭

计算机集成制造系统 2021, 27 (7): 1843-1859. DOI: 10.13196/j.cims.2021.07.001

摘要（352）

PDF （5654KB）（543）

为科学评价企业应用工业互联网平台的水平及成效,引导企业建立健全上平台用平台的路径和机制,推动我国工业互联网平台应用生态持续健康发展,提出一套用于引导和规范平台健康发展的工业互联网平台评价体系,从战略与组织、基础条件、平台应用、业务创新和效能效益5个维度建立了评价的基本框架,给出了具体的评价体系,并基于该体系建设了一套专业评估系统。通过系统采集1 400余家企业工业互联网平台应用数据,从设备上云、工业知识沉淀复用、工业APP创新应用等不同视角全面分析了我国制造企业工业互联网平台应用水平与效能效益,为制造企业、平台服务商、行业组织、政府等相关方开展工业互联网平台应用推广、科学评价平台应用成效提供了有益的借鉴。

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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（359）

PDF （1625KB）（537）

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. 基于约束采样RRT的机械臂运动规划

张振, 李新宇, 董昊臻, 周林, 高亮

计算机集成制造系统 2022, 28 (6): 1616-1626. DOI: 10.13196/j.cims.2022.06.002

摘要（282）

PDF （4961KB）（532）

鉴于快速搜索随机树(RRT)方法进行机械臂运动规划时,存在节点利用率低、拓展导向性差、路径粗糙等问题,提出一种基于约束采样的RRT算法。改进了稀疏节点产生机制,通过减少重复性采样提高了全局搜索效率;提出动态采样域策略,根据采样情况动态调整采样区域大小来提高拓展方向的确定性,从而减少无用节点;采用贪婪策略提高节点的利用率,减少迭代次数。搜索完成后,剔除路径中的冗余节点,并用B样条曲线进行轨迹平滑,提高了轨迹质量。通过二维地图、Robotic System Toolbox仿真实验,以及机器人操作系统中的机械臂避障测试和真机实验,验证了该算法的可行性和有效性。

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24. 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）（524）

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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25. 自主智能制造:社会—信息—物理交互、参考体系架构与运作机制

姚锡凡, 黄宇, 黄岩松, 麦海锋, 杨尔辅, 于洪年

计算机集成制造系统 2022, 28 (2): 325-338. DOI: 10.13196/j.cims.2022.02.001

摘要（373）

PDF （7835KB）（523）

走向自主是智能制造未来发展的必然趋势,但并不意味着将人排除在制造系统之外,自主制造仍需要以人为中心进行设计。从系统科学的角度出发,在分析物理回路中人机交互和工业4.0自主性的基础上,探讨社会—信息—物理交互的自主智能制造系统的基本构成、元素交互和参考体系架构以及人在其中的角色,进而将人在回路里、回路上和回路外理念分别置于智慧制造的物理空间、信息空间和社会空间,形成三位一体的自主社会信息物理生产系统,最后以混合人工智能方法驱动的按订单生产作业调度问题为例对其运作机制加以展示说明。

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26. 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）（521）

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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27. 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）（509）

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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28. 支持快速设计与性能跟踪的夹具数字孪生模型

马嵩华, 胡凯鑫, 胡天亮

计算机集成制造系统 2022, 28 (9): 2718-2725. DOI: 10.13196/j.cims.2022.09.006

摘要（232）

PDF （14668KB）（509）

为满足精密零件切削加工中的装夹定位要求,支持夹具快速变型设计,研究了面向精密制造支持快速设计与性能跟踪的夹具数字孪生模型。基于数字孪生理论建立了夹具高保真模型,定义包括基于功构模型的夹具组成模型、基于设计理论的结构模型和基于蒙皮模型(SMS)的精度模型,以支持夹具的快速变型设计;跟踪切削加工过程中夹具的振动数据和表面质量数据,形成动态感知数据集,实现夹具的装配精度仿真和装夹稳定性预测。通过建立夹具快速设计及性能跟踪原型系统,验证了夹具数字孪生模型的有益性,实现了长生命周期下精密零件切削加工的装夹稳定性和定位精度。

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29. 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（446）

PDF （6271KB）（499）

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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30. 智能车间质量数据集成及可视化分析平台设计

陈亮,吴梦婷

计算机集成制造系统 2021, 27 (6): 1641-1649. DOI: 10.13196/j.cims.2021.06.010

摘要（347）

PDF （1368KB）（486）

为充分利用车间产生的质量数据,解决车间综合质量管理问题,建立了智能车间质量数据集成及可视化分析平台。首先针对平台的整体建设目标设计了系统功能架构;其次,利用基于模板的自然语言生成技术为传统的可视化图表添加文本描述,并在文本中嵌入可视化图表,通过文本与图表之间的交互帮助用户进行数据的可视化探索,减少用户在两者之间频繁切换的问题;最后以某企业制造车间工程质量管理为例,对智能车间质量数据集成及可视化分析平台进行应用验证,结果表明该平台实现了以质量为核心的智能制造,且文本和可视化彼此丰富增强了可视化效果。

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31. 基于主轴驱动电流杂波的立铣刀复杂工况下磨损状态辨识

王民,刘利明,宋铠钰,杨斌,王琛

计算机集成制造系统 2021, 27 (12): 3429-3438. DOI: 10.13196/j.cims.2021.12.005

摘要（241）

PDF （5677KB）（479）

为保证刀具寿命并控制工件废品率,提出一种通过提取主轴驱动电流信号中因刀具磨损和振动异常激发的杂波信号,并利用卷积神经网络实现立铣刀磨损状态辨识的方法。该方法基于刀具磨损和振动异常会导致主轴驱动电流信号出现不规则杂波成分的试验结果,利用傅里叶级数拟合将电流波形分解为反映电流有效值准静态变化的谐波成分和反映立铣刀刃口和后刀面磨损状态以及振动异常的电流杂波信号,然后将电流杂波信号输入到卷积神经网络中进行立铣刀状态特征提取和分类。实验结果表明,该方法可排除切削振动和切削参数对刀具磨损状态辨识准确性的影响,能够实现复杂工况下立铣刀磨损状态的准确辨识,为预测立铣刀剩余寿命和科学制定立铣刀更换规则打下基础。

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32. 基于数字孪生的生产单元可视化管控

马靖,王译晨,赵明,蒋增强,鄂明成,王强

计算机集成制造系统 2021, 27 (5): 1256-1268. DOI: 10.13196/j.cims.2021.05.002

摘要（356）

PDF （9374KB）（476）

在新型信息技术赋能生产系统更多分布式增强型智能特性的前提下,为了通过生产单元的精准化运行管控来提升生产过程的整体管控能力,基于数字孪生技术的虚实融合特性,围绕数字孪生驱动的生产单元(DTPC)可视化管控方法展开研究。通过分析生产单元的可视化管控需求,研究DTPC可视化管控架构,在此基础上围绕DTPC可视化管控模型构建、可视化管控规则设计,以及基于边缘计算网关的虚实同步技术等关键实现方法展开研究。通过实例验证了所提方法的合理性和有效性。

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33. 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）（473）

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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34. 基于迁移学习的刀具剩余寿命预测方法

蔡伟立,胡小锋,刘梦湘

计算机集成制造系统 2021, 27 (6): 1541-1549. DOI: 10.13196/j.cims.2021.06.001

摘要（365）

PDF （1088KB）（470）

在新加工工艺条件下,针对历史工艺条件下的刀具剩余寿命预测模型失效,且新工艺条件下缺乏足够的训练样本构建新预测模型的问题,提出一种基于动态对抗域适应的迁移学习方法,以快速构建新工艺条件下的刀具剩余寿命预测模型。首先,利用历史工艺条件下带寿命标签的过程监控数据样本,预训练源域的刀具剩余寿命预测模型。其次,通过对抗域适应训练,利用新工艺条件下的少量目标域样本,对源域预训练得到的预测模型进行部分模型参数的调整。利用调整后的模型进行新工艺条件下的刀具剩余寿命预测。最后,更新目标域样本,重复进行对抗域适应训练与预测操作,直至结束。以轮槽铣刀的加工为例,验证了所提方法的有效性。

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35. 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（659）

PDF （11205KB）（470）

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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36. 基于数字孪生的多轴数控机床轮廓误差抑制方法

张雷,刘检华,庄存波,王勇

计算机集成制造系统 2021, 27 (12): 3391-3402. DOI: 10.13196/j.cims.2021.12.002

摘要（328）

PDF （6912KB）（465）

针对数控机床高速高精加工过程中轮廓误差控制难的问题,提出一种基于数字孪生的轮廓误差抑制方法,并以数控机床的关键执行部件——多轴进给系统为具体对象,构建面向轮廓误差的“建模-预测-控制”闭环抑制技术框架。该方法针对多轴进给系统多属性交叉耦合的特点,建立其高保真数字孪生体,并通过数字-物理空间的多粒度信息传递,实现跨时间尺度下数字孪生体与物理实体在不同维度的虚实精确同步。通过对数字孪生体进行降阶表征,建立轮廓误差多因素动态影响关系模型,融合多粒度信息实现对轮廓误差的动态预估。基于轮廓误差动态预估结果,提出轮廓误差综合抑制方法,实现对时变运动控制参数下多轴进给系统的插补控制。最后,通过小型三轴数控机床的虚实同步运动实验,验证了所提方法的有效性。

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37. 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（506）

PDF （5783KB）（447）

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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38. 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（337）

PDF （2897KB）（444）

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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39. 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）（442）

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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40. 穿梭车自动存取系统任务调度算法适配性研究

刘刚, 王艳艳, 黄珂, 满荣军, 吴耀华

计算机集成制造系统 2022, 28 (5): 1435-1448. DOI: 10.13196/j.cims.2022.05.015

摘要（239）

PDF （5641KB）（434）

多层穿梭车自动存取系统集存储和拣选功能于一体,利用高层货架实现货物密集存储,穿梭车、提升机等多设备并行作业。多层穿梭车自动存取系统作业效率较高,但是设备调度方案与配置参数等因素均会影响系统性能。通过剖析多层穿梭车自动存取系统的工作流程和设备服务时间,研究穿梭车和提升机并行工作的约束规则,建立了以出库时间最小为优化目标的混合整数规划模型。在模型求解方面上,分别使用禁忌搜索算法、遗传算法改进了蚁群算法,并提出一种Gurobi与启发式算法结合的求解新思路,经过实验验证,求解精度和求解效率有较大提升。最后,通过计算不同的任务规模实例分析了3种改进算法的求解性能,建立了一套出库任务规模与精确求解的适配方案,减少了系统订单作业时间,提高了系统作业效率。

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