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（2462）

PDF （1797KB）（9050）

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（235）

PDF （3454KB）（792）

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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3. 数字孪生五维模型及十大领域应用

陶飞等

计算机集成制造系统 2019, 25 (第1): 1-18. DOI: 10.13196/j.cims.2019.01.001

摘要（3667）

PDF （15226KB）（2571）

数字孪生(Digital Twin)作为践行智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市等先进理念的使能技术与手段,近期备受学术界和企业界关注,尤其是数字孪生的落地应用更是关注热点。模型是数字孪生的基础与核心,而传统数字孪生三维模型已无法满足现阶段技术发展与应用需求。在此背景下,为推动数字孪生技术在相关领域和行业的进一步应用,在数字孪生车间研究过程中,提出了数字孪生五维模型的概念,以适应新需求。基于前期相关研究,在进一步阐述数字孪生五维模型后,结合相关合作企业实际应用需求,重点探讨了数字孪生五维模型在卫星/空间通信网络、船舶、车辆、发电厂、飞机、复杂机电装备、立体仓库、医疗、制造车间、智慧城市10个领域的应用思路与方案,以期为相关领域践行数字孪生理念与技术提供参考。

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4. 数字孪生及其应用探索

陶飞,刘蔚然,刘检华,刘晓军,刘强,屈挺,胡天亮,张执南,向峰,徐文君,王军强,张映锋,刘振宇,李浩等

计算机集成制造系统 2018, 24 (第1): 1-18. DOI: 10.13196/j.cims.2018.01.001

摘要（2708）

PDF （7947KB）（1832）

数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性,具有实时同步、忠实映射、高保真度特性,能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。随着数字孪生车间概念的提出,数字孪生在智能制造中的应用潜力得到越来越多的关注。分析了数字孪生在企业应用和理论研究上的进展,基于前期提出的数字孪生的五维结构模型,提出数字孪生驱动的6条应用准则,探索了数字孪生驱动的14类应用设想与实施过程中所需突破的关键问题与技术,为未来开展数字孪生的进一步落地应用提供理论和方法论参考。

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5. 基于双单元制造模式的车间调度控制系统

付宜利，代勇，马玉林

摘要（228）

基于敏捷制造思想研究了离散生产类型的先进制造车间的调度控制系统。在研究双单元制造模式运行和组织特点的基础上，给出了单元重组方法。研究了先进制造车间生产任务管理、生产计划、车间调度、生产运行控制、生产信息管理等问题，提出了以单元动态重组技术为基础的车间生产调度控制系统。

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6. 数字孪生模型构建理论及应用

陶飞, 张贺, 戚庆林, 徐俊, 孙铮, 胡天亮, 刘晓军, 刘庭煜, 关俊涛, 陈畅宇, 孟凡伟, 张辰源, 李志远, 魏永利, 朱铭浩, 肖斌

计算机集成制造系统 2021, 27 (1): 1-15. DOI: 10.13196/j.cims.2021.01.001

摘要（3105）

PDF （8983KB）（4256）

数字孪生作为实现数字化转型和促进智能化升级的重要使能途径,一直备受各行各业关注,已从理论研究走向了实际应用阶段。数字孪生是以多维虚拟模型和融合数据双驱动,通过虚实闭环交互,来实现监控、仿真、预测、优化等实际功能服务和应用需求,其中数字孪生模型构建是实现数字孪生落地应用的前提。针对如何构建数字孪生模型问题,首先提出了数字孪生模型“四化四可八用”构建准则。基于所提出的构建准则,从“建—组—融—验—校—管”6个方面探索建立了一套数字孪生模型构建理论体系。并基于所提出的数字孪生模型构建准则和理论体系,结合笔者团队承担的国家重点研发计划项目“基于数字孪生的智能生产过程精确建模理论与方法”,以数字孪生车间为例,从车间要素实体建模、生产过程动态建模、生产系统仿真建模3个方面对数字孪生车间模型构建理论与技术开展了研究和实践。相关工作期望能为数字孪生构建和进一步落地应用提供理论参考。

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7. 考虑产品属性层次性的评论挖掘及需求获取方法

纪雪,高琦,李先飞,高菲

计算机集成制造系统 2020, 26 (第3): 747-759. DOI: 10.13196/j.cims.2020.03.017

摘要（369）

PDF （2034KB）（1448）

为提高需求获取的准确性,提出一种考虑产品属性层次性的评论挖掘及需求获取方法。首先,采用基于层次主题模型的半监督方法挖掘大量文本评论数据,得到产品属性层次结构树。其次,基于依存句法分析抽取产品属性对应的情感极性相关词,并对其量化表示为情感极性值,再基于属性间的加权层次关系对缺失的情感极性值进行补充。最后,计算每个产品属性的平均用户满意度,并分析确定下一代产品的开发需求。通过挖掘汽车之家口碑数据获取用户需求的案例,证明了所提方法的有效性。

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8. 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（201）

PDF （7730KB）（406）

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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9. 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（694）

PDF （7397KB）（867）

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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10. 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（803）

PDF （4840KB）（1017）

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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11. 面向精度提升与工艺改进的容差分配多目标模型融合方法

郭飞燕, 宋长杰, 张硕, 童清云, 白雪涛, 刘连喜

计算机集成制造系统 2024, 30 (3): 926-941. DOI: 10.13196/j.cims.2023.0336

摘要（17）

PDF （2790KB）（114）

在现代机械产品装配容差优化过程中,多以简单加权求和的方式构建多目标容差优化模型,求解效果较差且与装配现场的适用性不强。鉴于此,以装配精度提升与工艺改进为目标导向,首先,考虑配合误差引起的零件上不同关键特征间的位姿变动,构建装配误差传递累积模型与协调尺寸链,精准预测装配误差与多装配体间的协调误差;其次,结合各制造环节误差数据与装配精度累积数据,分别建立加工成本、质量损失、修配成本3个单目标优化模型,并以此提出可避免容差数据优化失衡与优化方向偏离的多目标模型权重参数分配方法,构建多目标容差优化分配模型;最后,采用加速粒子群算法求解得到面向工艺性能提升的各组成环误差数值。以某型航天器分段式机翼对接装配优化为例,在改进产品定位装夹方式之前,机翼对接外形阶差与修配成本分别降低94.68%与83.49%;在使用外形卡板定位后,通过优化使上述两项装配指标分别降低11.21%与8.50%,有效地保障了产品型面装配精度与对接协调质量。

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12. 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（124）

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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13. 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（912）

PDF （9702KB）（892）

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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14. 基于人工智能技术的大数据分析方法研究进展

王万良,张兆娟,高楠,赵燕伟

计算机集成制造系统 2019, 25 (第3): 529-547. DOI: 10.13196/j.cims.2019.03.001

摘要（1075）

PDF （2155KB）（1130）

人工智能、大数据、云计算、物联网等信息技术为推动集成制造快速发展提供了关键技术手段。近年来,采用人工智能技术进行大数据分析取得了突破性进展。系统总结了基于人工智能技术的大数据分析方法的最新研究进展。从大数据的聚类、关联分析、分类和预测4个主要的数据挖掘任务出发,分析了大数据环境下机器学习的研究现状;针对深度学习这一热点,总结了基于MapReduce、Spark的分布式深度学习实现,以及面向大数据分析的深度学习算法改进相关研究;从群智能、进化算法两方面梳理了基于计算智能的大数据分析相关研究;针对大数据平台,特别对大数据分析和深度学习集成框架进行了归纳,介绍了大数据机器学习系统和算法库;分析了大数据分析中人工智能技术面临的主要挑战,并提出了进一步的研究方向。

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15. 基于数字孪生的盾构机换刀机器人监控系统

殷光淼, 朱国力, 谢哲, 王一新

计算机集成制造系统 2024, 30 (3): 811-824. DOI: 10.13196/j.cims.2023.0240

摘要（38）

PDF （8189KB）（89）

为解决当前盾构换刀机器人缺乏有效监控方式的问题,设计了基于数字孪生的盾构机换刀机器人监控系统。系统通过Unity3D仿真平台构建孪生模型,利用机器人运动学模型在实时数据驱动下映射物理实体的运动状态,实现换刀机器人可视化监控,并利用虚拟现实技术提高系统沉浸性和可交互性。同时,针对有限元仿真软件获取力学数据的方式耗时较长、难以满足监控系统实时性要求的问题,构建了基于BP神经网络的换刀机器人力学数据监测模型,可快速获取末端执行器的应力和形变数据以保证系统安全性。最后,开发了盾构机换刀机器人数字孪生监控系统原型样机,验证了所提监控系统的有效性和可行性。

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16. 基于文献计量的数字工程研究进展与趋势分析

袁刚, 刘晓军

计算机集成制造系统 2024, 30 (3): 765-773. DOI: 10.13196/j.cims.2023.0I07

摘要（61）

PDF （2367KB）（85）

数字工程被认为是系统工程在数字化时代的延伸,具有能有效缩短装备研制周期、提升产品质量、优化工程体系等优点,实现装备采办过程由“以文本为中心”向“以数据为中心”的范式转变。为全面系统地分析数字工程的发展概况和研究动态,通过对Web of Science数据库中“Digital Engineering”相关文献进行CiteSpace计量分析,分别从发文量、研究领域与文献分布、所属国家与机构分布、作者与机构合作知识图谱、共被引知识图谱、关键词共现等不同角度审视研究主题结构,结合可视化知识图谱对数字工程研究的现状、趋势和热点进行了分析。分析结果表明,数字工程研究具有多学科、跨领域的交叉特性,已跨入快速上升期;已初步形成多个数字工程研究团队,但核心作者较分散;美国、英国、德国等发达国家投入数字工程研究力度大且取得成果丰硕,而我国在数字工程研究的资助和战略部署方面亟待加强。此外,从研究趋势的演进来看,未来数字工程研究的重点将聚焦于基于模型的系统工程、Digital Twin等技术体系。最后,进行全文结论性总结,指出数字工程面临的挑战以及未来重点发展方向。

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17. 大型单件小批生产的计划与控制模式

姜思杰，徐晓飞，战德臣，杨波

摘要（344）

大型单件小批生产是大型企业集团的典型生产模式之一，这类企业的生产计划与控制是企业管理的重要组成部分。本文在深入研究各种生产计划与控制模式的基础上，提出了网络计划和MRP计划相结合的一种实用模式，并简要介绍支持该模式的HEC-PPC系统，从而为大型单件小批生产类型企业的生产计划与控制问题，提供了一种可行的解决方案和途径。

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18. 寻求合作伙伴的定性搜索算法

毛宁，陈庆新，于兆勤，伍乃骐

摘要（292）

提出了一种企业能力与任务需求之间的逻辑模型，运用数学方法描述了企业寻求合作伙伴的过程，针对部分优化目标，提出了两种实用的计算机搜索算法，并对它们的优化性能进行了必要的理论分析，最后通过一个例子具体说明了算法的执行过程。

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19. 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（162）

PDF （4747KB）（403）

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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20. 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（216）

PDF （3640KB）（512）

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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21. 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（536）

PDF （11919KB）（1016）

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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22. 金属切削仿真的驱动模型及其耦合机制研究

郭必成, 王福增, 黄辉, 姜峰

计算机集成制造系统 2023, 29 (12): 4102-4118. DOI: 10.13196/j.cims.2021.0460

摘要（51）

PDF （10416KB）（173）

针对目前金属切削仿真存在的精度问题,提炼了典型数值仿真算法及其耦合过程的“平衡”本质问题,揭示了典型数值仿真算法中产生温度—应力耦合以及温度—热物理属性耦合的本质原因。建立了影响Fe-Cr-Ni不锈钢切削仿真精度的3个仿真模型,包括本构模型、热物理属性模型和摩擦模型,并进行正交切削试验验证了仿真模型的准确性。同时,进行切削仿真试验,利用仿真结果分别说明了本构模型、热物理属性模型和摩擦模型对仿真结果的显著影响,分析了仿真过程中分别由本构模型以及热物理属性模型驱动的温度—应力耦合以及温度—热物理属性耦合作用,并依据两个耦合作用讨论了切削过程的鲁棒性。

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23. 数据挖掘算法在作业车间调度问题中的应用

王艳红, 赵也践, 刘文鑫

计算机集成制造系统 2024, 30 (2): 520-536. DOI: 10.13196/j.cims.2021.0559

摘要（69）

PDF （2517KB）（111）

为了从与日俱增的车间生产数据中提取调度规则来指导生产调度任务,提出一种基于数据挖掘的调度算法。将最小化最大完工时间设置为性能指标,从作业车间的离线生产数据中建立合适的调度样本集;将建立的调度样本集按合适的比例分为训练集和测试集;用数据挖掘算法中的分类回归树(CART)从训练集中获取有效的调度知识,形成CART树状调度规则库;为了验证所得调度规则的有效性,将调度规则与遗传算法结合,设计了一种基于数据挖掘和调度规则的遗传算法作为调度算法来求解作业车间调度问题。通过对不同作业车间经典算例进行仿真与测试,验证了所提调度规则和调度算法的有效性与优越性。

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24. 联邦企业体系结构框架研究

嵇文路，夏安邦

摘要（360）

PDF （943KB）（731）

为解决企业工程活动中关于企业体系结构框架和方法学的评价、建立、选择和使用等具体问题，阐述了系统化的研究步骤和方法。首先介绍了联邦企业体系结构框架及其方法学、使用指南、参考模型。然后利用ISO标准通用企业参考体系结构和方法学，研究联邦企业体系结构框架，并探讨二者之间的匹配关系，研究及评价的具体参照物包括通用企业参考体系结构和方法学元模型中的主要组件，主要内容包括：生命周期、模型框架、建模语言、方法学、参考模型、通用企业模型概念、企业模型工具和企业模块等。最后，总结了联邦企业体系结构框架的优点和不足之处。

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25. 面向离散制造业的深度学习无代码开发平台

王宇, 王挺, 宋纯贺, 崔勇, 王怀震, 祝景阳

计算机集成制造系统 2022, 28 (7): 2091-2101. DOI: 10.13196/j.cims.2022.07.015

摘要（246）

PDF （4869KB）（262）

深度学习技术在现代离散制造业中有很多应用场景,是支撑离散制造业由数字化、网络化阶段向智能化转型的关键技术之一。对离散制造业的从业者而言,使用传统开发方式,应用深度学习技术解决生产场景中问题的学习成本很高,需要从业者同时具备较深的开发能力和深度学习知识背景。为了尽可能地降低离散制造业从业人员进行深度学习功能开发的成本,在对离散制造业的特性、深度学习在离散制造业的应用情况和人工智能开发模式进行充分了解之后,提出了适用于离散制造业的深度学习无代码开发平台的构建方案,并进行了实现,最后应用企业级的项目进行了应用效果对比,证明了该开发平台的优异性能。

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26. 基于深度强化学习的非置换流水车间调度问题

肖鹏飞, 张超勇, 孟磊磊, 洪辉, 戴稳

计算机集成制造系统 2021, 27 (1): 192-205. DOI: 10.13196/j.cims.2021.01.018

摘要（415）

PDF （7698KB）（637）

针对传统调度算法不能有效利用历史数据进行学习,实时性较差而难以应对复杂多变的实际生产调度环境等问题,首次提出一种基于时序差分法的深度强化学习算法。该方法综合神经网络和强化学习实时性、灵活性的优势,直接依据输入的加工状态进行行为策略选取,更贴近实际订单响应式生产制造系统的调度决策过程。通过将调度问题转化为多阶段决策问题,用深度神经网络模型拟合状态值函数,把制造系统加工状态特征数据输入模型,采用时序差分法训练模型,把启发式算法或分配规则作为调度决策候选行为,结合强化学习在线评价—执行机制,从而为每次调度决策选取最优组合行为策略。在非置换流水车间标准问题集上的测试结果表明,该算法能够取得低于实例上界的较优解。

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27. 数字孪生车间——一种未来车间运行新模式

陶飞,张萌,程江峰,戚庆林

计算机集成制造系统 2017, 23 (第1期): 1-9. DOI: 10.13196/j.cims.2017.01.001

摘要（1937）

PDF （2615KB）（1323）

随着新一代信息技术(如云计算、物联网、大数据、移动互联、人工智能等)与制造的融合和落地应用,世界各国相继提出了各自国家层面的制造发展战略。代表性的如工业4.0、工业互联网、基于CPS的制造、中国制造2025和互联网+制造、面向服务的制造或服务型制造等。这些战略虽提出的背景不同,但其共同目标之一是实现制造的物理世界和信息世界的互联互通与智能化操作,其共同瓶颈之一是如何实现制造的物理世界和信息世界之间的交互与共融。针对这一难题,基于数字孪生(Digital Twin),提出了数字孪生车间(Digital Twin Workshop)的概念,阐述了数字孪生车间的系统组成、运行机制、特点、关键技术等。在此基础上探讨了基于车间孪生数据的车间物理世界和信息世界的交互与共融理论和实现方法。

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28. 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（339）

PDF （4615KB）（255）

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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29. 基于预警控制限自学习的滚动轴承早期故障预测

樊盼盼, 袁逸萍, 马占伟, 高建雄, 张育超

计算机集成制造系统 2024, 30 (1): 227-238. DOI: 10.13196/j.cims.2021.0736

摘要（50）

PDF （4123KB）（119）

传统滚动轴承故障预警通常采用固定阈值分级报警,存在较多的误报警和漏报警。如何有效地从振动信号里学习能表征其健康状态的指标,自学习故障预警控制限,是解决该问题的关键所在。因此,提出一种预警控制限自学习的轴承早期故障预测方法。首先,采用短时傅里叶变换提取振动数据的故障特征;其次,提出基于矩阵变量高斯卷积深度置信网络的健康指标构建方法,在不破坏二维样本空间内部结构的同时将故障特征组合抽象成高层特征,通过全连接层构建健康指标;再次,拟合正常运行状态健康指标的概率分布的及检验拟合优度,并以上侧分位数作为故障预警控制限;最后,以国际标准轴承数据集验证了所提方法的有效性。

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30. 多轴3D打印技术研究进展

汤朋飞, 赵先锋, 史红艳, 胡波, 丁井虎

计算机集成制造系统 2023, 29 (12): 4145-4160. DOI: 10.13196/j.cims.2021.0429

摘要（85）

PDF （5676KB）（151）

3D打印技术通过逐层堆积的方式成型,克服了零件制造的几何限制,受到了学术界和工业界的广泛关注。但这种定向构建方式会导致零件存在阶梯效应,强度不足且需要添加支撑结构等一系列问题。为了解决传统层式打印存在的问题,研究人员开发了多轴3D打印技术。多轴3D打印技术使用多自由度机器人对零件进行动态构建,克服了传统层式打印的限制,显示出了极高的零件制造灵活性。鉴于此,对多轴3D打印技术进行了回顾,首先分析了传统3D打印存在的一些问题,然后综述了多轴3D打印技术的研究进展,包括多轴3D打印技术在路径规划、零件力学性改善、去支撑化、消除阶梯效应以及大尺寸打印上的研究概况。最后探讨了多轴3D打印技术目前存在的问题和未来可能发展的方向。

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31. 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（578）

PDF （2559KB）（1659）

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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32. 基于序列贝叶斯更新的锂电池剩余寿命预测

赵斐, 郭明, 刘学娟

计算机集成制造系统 2024, 30 (2): 635-642. DOI: 10.13196/j.cims.2021.0658

摘要（63）

PDF （1683KB）（89）

针对贝叶斯方法在更新模型参数时无法充分利用历史退化数据的问题,提出基于序列贝叶斯的在线更新方法实时估计锂电池退化模型参数。构建基于指数函数的非线性维纳退化模型描述变工况下锂电池容量的退化路径,并采用最大似然估计法估计初始时刻的模型参数;利用实时容量监测数据,基于序列贝叶斯更新方法在线更新退化模型中的漂移系数;推导锂电池剩余寿命的概率密度函数并预测剩余寿命。通过对不同工况下的锂电池退化数据进行实例验证表明,与基于幂指数和线性函数的退化模型相比,由于序列贝叶斯方法能够实时更新锂电池非线性退化模型参数,采用所提模型预测的剩余寿命精度更高。

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33. 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（291）

PDF （4253KB）（523）

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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34. 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（159）

PDF （3637KB）（316）

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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35. 企业外部网的访问控制技术与系统的研究

丁轶凡，吉逸

摘要（238）

比较了三种企业外部网访问控制方案，提出基于SOCKS技术的企业外部网网络框架，阐述系统中使用的SOCKS、Kerberos、GSSAPI等关键技术，进而实现了一种安全、有效的企业外部网系统。

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36. 基于超图嵌入的行车故障多元关系知识表示方法

张飞, 周彬, 鲍劲松, 李心雨

计算机集成制造系统 2024, 30 (2): 445-459. DOI: 10.13196/j.cims.2022.0916

摘要（74）

PDF （5973KB）（129）

鉴于常规知识图谱仅能处理二元关系,而故障知识包含大量“多现象—多原因—多方法”的多元耦合关系,强制转化将会破坏关系的完整性,造成严重的信息失真,为采用知识超图处理此类复杂多元关系以保证数据的完整性,设计了一种基于超图嵌入的行车故障多元关系知识表示方法。通过梳理行车故障单中现象、原因、方法等数据之间的多元关联,构建适用于表征多元耦合关系的行车故障本体模型,以该本体模型为知识超图的模式层建立行车故障知识超图;基于BERT模型和超图卷积网络获取故障知识的嵌入向量表示,并实现了相似故障检索。最后,以上海某钢铁公司收集的行车故障调查单为实例,验证了所提方法的有效性。

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37. 不确定条件下考虑相互影响的研发项目组合选择优化

杜先进, 孙树栋, 王军强, 郝京辉

摘要（214）

PDF （888KB）（334）

深入分析了研发项目组合选择过程中的项目间收益、技术和资源的相互影响，应用模糊集理论进行研发项目的不确定参数定义。在项目相互独立基本模型的基础上，建立了考虑相互影响的研发项目组合选择优化数学模型；运用定性的可能性原理完成了模糊规划模型的清晰化过程，针对清晰型数学模型，提出利用遗传算法的宏观和微观策略进行求解；最后，应用算例验证了优化方法和算法的有效性。

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38. 曲率信息驱动的飞机蒙皮装配变形建模方法

李成渝, 胡俊山, 田威, 朱永凯, 石章虎

计算机集成制造系统 2023, 29 (8): 2622-2632. DOI: 10.13196/j.cims.2023.08.010

摘要（47）

PDF （6096KB）（128）

在飞机零组件装配过程中,蒙皮的变形严重影响产品的形面精度质量。面向蒙皮装配变形的监测需求,提出一种由曲线到曲面的建模方法,将多条粘有正交光纤光栅的形状记忆合金丝安装于蒙皮表面,通过实验标定方法实现光栅波长偏移量到合金丝曲线曲率的准确转换,再将曲率信息转化为曲线点的空间坐标信息,最后对每条曲线的坐标系进行配准,完成壁板蒙皮装配形状的建模。仿真和实验表明,提出的方法可以实现蒙皮在装配场景下的弯曲形态感知。实验以光学仪器C-Track的测量结果为基准,模型中蒙皮特征点对距离的绝对误差平均值和最大值分别为3.58 mm和8.67 mm,相对误差平均值和最大值分别为0.70%和1.94%。同时,还对曲线建模误差的变化规律进行了分析:数学论证和仿真结果均表明误差随曲率采样点间隔的变化呈现递增趋势且递增速度与曲线的挠率和曲率相关;并还指出误差随点位递推次序的变化并非一定呈现单增趋势,其与曲率的单调性等因素相关。

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39. 基于文献计量分析的工业互联网综述与展望

唐国锋, 冯子钰, 李丹, 艾兴政

计算机集成制造系统 2023, 29 (9): 3216-3228. DOI: 10.13196/j.cims.2023.09.029

摘要（74）

PDF （5444KB）（293）

当前,工业互联网的发展已从概念普及进入实践深耕阶段,相关研究和应用也逐渐成为理论界和实务界关注的焦点。为全面深入了解国内外工业互联网研究现状,并对未来进行展望,利用文献计量方法对相关研究文献进行分析。研究表明,工业互联网研究进程可划分为探索期(2012年~2016年)和发展期(2017年~现在)两个阶段;文献关键词呈现出从概念界定、底层技术到行业应用、服务质量管理、能耗管理等方面的演化趋势;文献研究主题大致按照“环境—技术—应用”的逻辑脉络进行呈现,且高频关键词可各聚类为5个团簇。最后,从时间和聚类视角对相关研究进行了讨论,并对未来研究进行了展望。

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40. 基于数字孪生的自动化集装箱码头多AGV动态调度

李玉, 苌道方, 高银萍, 凌强

计算机集成制造系统 2023, 29 (12): 4175-4190. DOI: 10.13196/j.cims.2021.0449

摘要（96）

PDF （3422KB）（196）

自动导引车(AGV)调度是自动化集装箱码头作业的关键环节,其效率也是影响码头整体作业效率的决定性因素之一。为了应对作业中不确定事件、信息不对称以及生产信息透明度低等问题对AGV调度效率和稳定性产生的影响,提出了一种基于数字孪生的自动化集装箱码头多AGV动态调度方法,通过码头物理空间和孪生空间的闭环交互以提高调度效率和减少调度偏差。构建了一种多AGV动态调度数字孪生框架和调度问题模型,深入探索了数据服务平台、数字孪生多维多尺度模型的构建、虚实一致性验证的运行机理以及码头虚实交互;详细阐述了基于数字孪生的多AGV动态调度流程和相应算法设计,并以某自动化码头实际的AGV调度过程为例,设计了原型系统来验证所提出AGV调度模式的有效性。

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