数字化与智能化车间（智能制造系列丛书）

数字化智能化车间建设是实现智能生产的关键。本书介绍了数字化智能化车间的基本概念，提出了数字化智能化车间的体系架构模型，对数字化智能化车间技术体系中的虚拟车间建模与仿真优化、制造物联网技术及应用、生产过程智能管控、基于大数据的车间运行智能决策支持等关键内容进行了深入探讨，并结合企业应用案例进行详细说明。

朱海平，华中科技大学机械学院教授，工业工程系副主任，"数字制造与装备技术" 国家重点实验室和"制造装备数字化"国家工程中心核心成员。从事制造系统建模与优化、可靠性分析与维修决策、制造执行系统(MES)关键技术研究与应用等方面的科研和教学工作。先后主持或作为核心成员参与完成国家自然科学基金项目3项、国家863项目6项、国家973课题1项、企业横向课题多项。获2011年国家科技进步二等奖，2008年教育部科技进步一等奖，2008年军队科技进步三等奖，2010年中国机械联合会一等奖，获2009年度优秀科技特派员称号。

Preface前言

制

造车间是制造工艺活动与生产活动的主要发生场所，完成从虚拟产品向物理产品的转化。以车间作为数字制造

（digital manufacturing，DM）和智能制造（intelligent manufacturing，IM）的实施载体，通过建设数字化、智能化车间，实现制造过程提质增效、敏捷响应外部变化，是制造企业进行数字化转型（digital transformation，DT）的基本方式之一。

本书主要面向离散制造行业，较全面地阐述了数字化与智能化车间的概念、技术、系统实现及应用。本书将数字化车间定义为： 将数字化建模、数字化控制、数字化管理等技术综合应用于车间规划与改善、生产运行、工艺执行、库存物流、质量控制、设施维护等主要业务活动。通过对产品定义数据的数字建模和数字量传递，打通设计、工艺、制造、检测、装配等各个环节； 通过对车间设施及生产流程的数字建模，仿真分析并优化车间的运行性能； 通过引入数字化设备，实现生产过程的数字化控制以及设备状态的数字化监控； 通过引入数据采集手段并建设数字化管控系统，实现产品制造及生产过程数据的自动获取、记录、流转和增值计算，优化车间管理效率和决策效率。本书也认为： 智能化车间是自动化与信息化深度融合的制造车间，它继承了自动化车间、数字化车间、数字孪生车间的基本特征，并更加强调能够在车间活动的关键环节，具备自主性的感知、学习、分析、判断、通信与协调控制能力，实现数据驱动的智能决策，且决策结果能够通过在线或离线控制方式来优化车间活动的运行。

本书是作者多年以来相关科研工作的成果总结，先后得到了国家自然科学基金（编号： 51275191、51875225、

52075202）、国家重点研发项目（编号： 2018YFB1703204）、

广东省引进创新创业团队项目（编号： 2016ZT06D189）、

国家数控重大专项课题（编号： 2014ZX04014101）、国家“863”项目（编号： 2009AA043301、2012AA040909）以及多个工信部智能制造项目的经费支持，书中近20个大大小小的应用案例，也全部来自与企业合作的项目成果。本书理论联系实际，从系统概述与体系架构、优化模型和方法、关键技术与软件系统、综合应用案例4个方面对数字化与智能化车间的研究实施内容进行详细阐述，共分为9章，各章内容如下：

第1章数字化与智能化车间概述。对制造车间的边界和业务活动进行了梳理，介绍了数字化与智能化车间的提出背景及相关概念，对车间“数字化”“智能化”的内涵和特征进行了定义，提出了数字化与智能化车间的系统架构，对关键使能技术与工具进行了阐述，并归纳了数字化与智能化车间的实施路线和主要实施内容。

第2章车间布局设计与物流仿真优化。结合工程应用案例，对车间布局设计和物流仿真优化中的4个问题进行了研究，包括混流双边装配线平衡设计、机加工车间仿真建模与性能分析、多跨车间布局设计仿真优化、装配线物流集配系统仿真优化设计等内容。

第3章车间生产计划制定与优化。结合汽车、电子、飞机等行业的典型应用案例，对几类车间生产计划优化问题的模型与算法进行详细探讨。

第4章数据驱动的设备故障诊断。首先对设备故障诊断问题进行概述； 然后深入探讨了两类具体的工程问题： 一是数据驱动的轴承故障诊断方法，二是数据驱动的铣削刀具磨损状态识别方法。

第5章基于统计理论的生产过程质量控制。首先对统计过程控制（SPC）相关理论进行了概述； 然后深入探讨了控制图的优化设计方法及应用，包括两类问题： 一是经济最优的变量控制图优化设计，二是经济最优的多工位生产系统属性控制图优化设计。

第6章车间数据采集技术及应用。首先分析了车间制造过程数据的类型及特征； 然后对车间物联网的架构及关键技术进行了探讨； 最后结合典型应用场景，对几类常见的车间数据采集应用进行阐述。

第7章高级计划排程技术及应用。详细阐述了高级计划排程的基本概念、原理、相关理论技术和软件系统，并介绍了4个APS的应用实施案例。

第8章制造执行系统技术及应用。首先回顾了MES的起源与发展过程，归纳了MES的特点和建设意义； 然后从业务活动、数据应用、体系架构3个视角对MES的内涵进行了详细阐述； 最后介绍了MES的产品及汽车制造、飞机装配行业的典型应用案例。

第9章数字化与智能化车间综合应用案例。介绍了3个综合性的应用案例，这些案例分别来源于某3C金属结构件加工企业、某输配电装备（中低压开关柜）制造企业和某工程机械制造企业。

在本书的撰写过程中，得到了华中科技大学机械学院管在林教授及岳磊博士（撰写了第7章）、艾普工华董事长黄刚博士（撰写了第8章部分内容）、华中科技大学船海学院吴军教授（修订了第4章）、南京理工大学何非副教授（提供了第6章部分素材）的帮助，在此表示诚挚谢意，同时感谢本人所指导的博士研究生程一伟、杨朝阳、尹惠、田志鹏、邓宇浩、张聪，以及硕士研究生关辉、卫志栋、徐家宽、孙志娟、桂达、罗远光、马雷博、程佳欣等的支持。另外，特别感谢艾普工华公司、广东省智能机器人研究院、武汉创景可视公司的各位同事，也感谢众多不便署名的合作企业

，它们为本书的撰写提供了很多素材。

作者

2021年3月

Contents目录

第1章数字化与智能化车间概述00

1.1背景00

1.1.1制造企业转型升级的机遇与措施00

1.1.2数字化、网络化、智能化是实现转型升级的关键技术00

1.2制造系统与制造车间00

1.2.1制造系统00

1.2.2制造车间00

1.3数字化与智能化车间的内涵及特征0

1.3.1从传统车间到数字化与智能化车间的演化过程0

1.3.2数字化车间的定义及内涵0

1.3.3数字孪生车间0

1.3.4如何理解设备和车间的“智能”0

1.3.5智能化车间的基本特征0

1.3.6数字化与智能化车间的系统架构0

1.4数字化与智能化车间的关键使能技术与工具0

1.4.1关键使能技术0

1.4.2关键功能部件0

1.4.3核心工业软件0

1.5数字化与智能化车间的实施规划0

1.5.1数字化与智能化车间的实施路线0

1.5.2数字化与智能化车间的主要实施内容0

参考文献0

第2章车间布局设计与物流仿真优化0

2.1概述0

2.1.1车间布局设计0

2.1.2物流仿真优化0

2.2混流双边装配线平衡设计0

2.2.1混流双边装配线平衡问题描述0

2.2.2混流双边装配线平衡问题建模0

2.2.3工程实例及效果分析0

2.3机加工车间仿真建模与性能分析0

2.3.1机加工车间简介0

2.3.2基于Plant Simulation的车间仿真建模0

2.3.3机加工生产线的产能仿真分析与改善0

2.3.4立体仓库仿真验证0

2.3.5AGV运输系统仿真分析0

2.4多跨车间布局设计仿真优化0

2.4.1多跨车间布局建模与物流仿真分析0

2.4.2基于遗传算法和神经网络的多跨车间布局仿真优化0

2.5装配线物流集配系统仿真优化设计0

2.5.1物料集配模式简介0

2.5.2集配区储位和拣料工位任务方案的仿真优化0

2.5.3物料集配系统其他参数的仿真优化0

参考文献

第3章车间生产计划制定与优化

3.1引言

3.2随机和模糊机会约束下的多产品集结生产计划优化

3.2.1考虑跨阶段生产的多产品集结生产计划模型

3.2.2多产品集结生产计划的随机模糊优化模型

3.2.3案例分析

3.3基于风险评估的多生产线计划优化

3.3.1生产计划的风险值定义

3.3.2生产计划风险评估与优化模型

3.3.3实例分析

3.4汽车冲压车间作业调度优化

3.4.1冲压车间作业调度问题描述

3.4.2冲压车间多目标作业调度优化模型

3.4.3多目标混合人工蜂群求解算法

3.4.4案例分析

3.5汽车混流装配生产线排序优化

3.5.1汽车排序优化问题建模

3.5.2求解汽车排序优化问题的离散小世界优化算法

3.5.3实例分析

3.6基于多层次网络模型的装配计划优化

3.6.1多层次装配计划优化模型

3.6.2求解多层次装配计划优化模型的混合算法

3.6.3实例分析

参考文献

第4章数据驱动的设备故障诊断

4.1设备故障诊断问题概述

4.1.1设备状态监测与故障诊断

4.1.2刀具状态监测与寿命预测

4.2数据驱动的轴承故障诊断方法

4.2.1轴承故障实验数据

4.2.2基于栈式剪枝稀疏去噪自编码器的故障诊断方法

4.2.3基于密度峰快速查找聚类算法的故障诊断方法

4.2.4基于S变换和深度卷积神经网络的故障诊断方法

4.3数据驱动的铣削刀具磨损状态识别方法

4.3.1铣削刀具磨损概述

4.3.2铣削刀具磨损实验数据

4.3.3基于PSO优化的SVM的刀具磨损状态识别

4.3.4基于BSOGMHMM模型的刀具磨损状态识别

参考文献

第5章基于统计理论的生产过程质量控制

5.1统计过程控制概述

5.1.1经典SPC控制图

5.1.2自相关过程与残差控制图

5.1.3多变量SPC控制图

5.1.4非参数控制图

5.1.5多工序选控图

5.2经济最优的变量控制图优化设计

5.2.1过程的单一失控机制与混合失效机制

5.2.2时变质量偏移下的均值控制图优化

5.2.3随机质量偏移下的EWMA控制图优化

5.2.4混合失效下基于延迟监控策略的均值控制图优化

5.2.5混合失效下的多变量EWMA控制图优化

5.3经济最优的多工位生产系统属性控制图优化设计

5.3.1问题描述

5.3.2各工位的稳态概率计算

5.3.3成本计算与优化模型

5.3.4启发式规则和禁忌搜索相结合的求解算法

5.3.5应用案例分析

参考文献

第6章车间数据采集技术及应用

6.1车间制造过程数据的类型及特征

6.1.1制造过程数据的类型

6.1.2制造过程数据的特征

6.2车间物联网的架构及关键技术

6.2.1车间物联网的总体架构

6.2.2车间物联网的关键技术

6.3车间数据采集的若干应用场景

6.3.1数控机床状态数据采集

6.3.2基于RFID的在制品跟踪

6.3.3基于OPC的装配生产线数据采集

6.3.4基于UWB技术的移动物体定位与跟踪

参考文献

第7章高级计划排程技术及应用

7.1高级计划排程概述

7.1.1APS的起源与发展

7.1.2APS与ERP/MES的关系

7.2APS的基本原理与技术特征

7.2.1APS基本原理

7.2.2APS的技术特征

7.2.3TOC理论在APS中的应用

7.3APS软件系统介绍

7.4APS应用实施案例

7.4.1某PCB企业的实施案例

7.4.2某PCBA企业的实施案例

7.4.3某3C精密结构件加工企业的实施案例

7.4.4某阀门企业的实施案例

参考文献

第8章制造执行系统技术及应用

8.1MES概述

8.1.1MES的起源与发展

8.1.2如何理解MES

8.1.3MES的标准化

8.1.4MES的发展趋势

8.2理解MES的3个视角

8.2.1业务活动视角

8.2.2数据应用视角

8.2.3体系架构视角

8.3MES产品实现

8.3.1MES产品架构的特点

8.3.2UniMax产品简介

8.4MES典型行业应用案例

8.4.1汽车制造行业案例

8.4.2飞机装配行业案例

参考文献

第9章数字化与智能化车间综合应用案例

9.1面向3C金属结构件加工的数字化与智能化车间建设

9.1.1总体建设框架

9.1.2主要建设内容

9.1.3建设效果

9.2中低压开关柜智能工厂体系架构研究及应用

9.2.1中低压开关柜行业的特点

9.2.2中低压开关柜智能工厂体系架构

9.2.3中低压开关柜智能工厂的功能框架

9.2.4中低压开关柜智能工厂建设实践

9.3工程机械数字化车间建设

9.3.1自动化生产单元与生产线

9.3.2自动化仓储与物流设施

9.3.3数字化生产执行过程管控平台

9.3.4可视化生产控制中心