人機物共融製造模式與應用

第1章　從傳統製造到人機物共融製造    001
1.1　概述    002
1.1.1　製造業的發展    002
1.1.2　製造業生產類型的劃分    004
1.1.3　有色金屬工業的發展狀況    013
1.1.4　人機物共融製造模式    014
1.2　本書的內容安排    016

第2章　人機物共融製造模式的產生    019
2.1　製造範式和製造模式的演變    020
2.1.1　製造範式的演變過程    020
2.1.2　製造模式模型    027
2.1.3　人機物共融製造模式的形成    028
2.2　人機物共融智慧製造系統的產生    036
2.2.1　機械化和電氣化時代的製造系統    037
2.2.2　資訊化時代的智慧製造系統    039
2.2.3　數位經濟時代的智慧製造系統    042
2.3　產品服務系統的演變    051
2.3.1　工業互聯網環境中產品結構的變化    051
2.3.2　產品服務系統平臺    055
2.4　持續的商業模式創新    060
2.4.1　商業模式概念    060
2.4.2　商業模式變革    061

第3章　人機物共融製造模式    065
3.1　工業互聯網的核心理念和技術    066
3.1.1　系統建模與模擬    066
3.1.2　大資料分析建模    069
3.1.3　資訊融合技術    074
3.2　工業4.0 的核心理念和技術    081
3.2.1　數字孿生    081
3.2.2　數字主線    088
3.2.3　資訊物理系統    089
3.3　人機物共融智慧理論    091
3.3.1　人機融合智慧理論    091
3.3.2　人機物共融系統    094
3.4　人機物共融製造模式及機理    098
3.4.1　人機物共融製造模式模型    098
3.4.2　人機物共融的智慧製造機理    099
3.4.3　人機物協同感知、認知和決策    101

第4章　有色金屬工業人機物共融製造系統    105
4.1　有色金屬工業智慧製造的需求    106
4.1.1　行業挑戰及發展方向    106
4.1.2　傳統資訊系統構成    108
4.2　有色金屬工業人機物共融的智慧製造系統    112
4.2.1　 有色金屬工業人機物共融的智慧製造系統架構    113
4.2.2　基於知識圖譜的人機物融合框架    118
4.2.3　基於資訊物理系統的人機物協同決策模型    123
4.2.4　 基於多種使用者介面的人機物交互模式與介面    134
4.3　可持續商業模式創新    138
4.3.1　商業模式變革的概念框架    138
4.3.2　可持續商業模式變革    139
4.4　產品服務系統    140

第5章 　有色金屬工業人機物協同決策模型    143
5.1　產供銷一體化計畫運營決策    145
5.1.1　有色金屬產品和原料價格預測方法    147
5.1.2　原料採購計畫優化    152
5.1.3　訂單延遲預測模型    153
5.1.4　供應鏈模擬模型    156
5.2　關鍵工序跨層域優化控制    159
5.2.1　銅熔煉工藝過程機理模型    160
5.2.2　閃速爐熔煉過程機理和預測模型    170
5.2.3　各裝備及關鍵設備狀態監測模型    173
5.2.4　熔煉過程的優化控制模型    176
5.3　調度生產預測性運營與優化    178
5.3.1　多爐協同作業優化模型    179
5.3.2　關鍵設備預測性維護模型    186
5.3.3　維護調度優化模型    194

第6章　智慧型網路協同製造系統應用    199
6.1　智慧型網路協同製造系統建設背景    200
6.1.1　 有色金屬工業智慧型網路協同製造系統平臺的建設需求    200
6.1.2　系統建設內容    200
6.1.3　系統建設路線    204
6.2　人機物共融的智慧型網路協同製造平臺體系架構    209
6.2.1　智慧型網路協同平臺體系架構    209
6.2.2　設備/ 工序/ 車間數位孿生模型    214
6.2.3　 資料互聯/ 服務共用/ 流程管理的跨域集成框架    223
6.3　基於HCPS 的業務協同決策支援系統    233
6.3.1　產供銷一體化計畫    234
6.3.2　主工藝跨層域優化控制    254
6.3.3　設備智慧維護與調度聯合優化決策    261
6.4　平臺支援技術    264
6.4.1　門戶管理    264
6.4.2　後臺管理    264

參考文獻    265

資訊、機械、系統工程和管理等學科的發展，特別是以工業互聯網、大資料、人工智慧等為代表的新一代資訊技術的出現，促進了智慧製造理論的快速發展，現有生產方式和製造模式亟待革新。

人、資訊、物理三元融合系統突破了資訊物理二元系統的局限性，形成人機物融合智慧，人和設備作為智慧部件存在於萬物互聯的計算系統之中。在人機物融合的智慧環境中，各類感測器採集的客觀資料和人類五官感知到的主觀資訊有效地結合起來，融合人的先驗知識，形成人機物感知融合；資訊處理階段將人的認知方式與電腦的計算能力有機融合起來，構建包括各種工業模型和資料模型的數位模型，實現人機物認知協同；人機物協同決策將人在決策中體現的價值效應加入數位模型逐漸反覆運算的演算法之中相互匹配，形成有機化與概率化相互協調的優化判斷，實現人、資訊、物理系統的協同優化和決策，並將性能評估結果回饋至物理系統；智慧控制層面根據人機物協同決策結果修正數位模型的參數，通過修正後的參數控制和執行物理系統。人機物感知融合、模型融合和決策融合貫穿在人機物協同決策的全過程，不斷提高資訊系統自主決策的準確率，以及設備、工藝、流程等物理物件的自主決策和運行優化能力，逐漸減少人參與決策的比例，為製造系統的智慧化發展帶來難得的機遇。

人機物融合智慧與製造系統相結合，在製造領域形成了人機物交互、人機物協同和人機物融合等層面的人機物共融智慧製造環境，催生了人機物共融製造模式。在製造企業的生產過程中，業務流程、服務和資料等產品/製造/管理資訊，分佈在設備、工序、車間和企業等不同層級，以及採購、生產、運營服務等不同業務部門之間，形成了產品/製造/管理等企業資訊的跨層域分佈；同時，產品種類多和工藝差異導致生產工藝多、流程長，設備與裝置更加複雜；更進一步，全流程不確定性影響因素多，決策效率低。
 
這些因素使得研發麵向企業流程精細管控的智慧型網路協同製造平臺面臨三大挑戰性難題：①如何實現企業資料、服務和流程管理的跨域集成？②如何實現流程跨層域協同優化控制與預測運營？③如何構建覆蓋企業全流程精細管控的智慧協同製造平臺？這些問題成為了企業智慧製造系統構建的瓶頸，需要研究面向智慧製造環境的人機物融合框架、人機物交互機理、人機物協同決策模型的理論與方法，構建支持產供銷一體化計畫、主工藝跨層域優化控制、關鍵裝備預測性維護與調度生產聯合優化協同決策的人機物共融智慧製造系統。在產品運營過程，將產品融入平臺或生態系統或服務解決方案，以產品即服務的形式銷售，形成產品運營服務平臺，支援產品的智慧運營和服務。在新型商業模式的形成過程中，結合新一代資訊技術的發展，持續地變革商業模式，連接企業的合作夥伴。

本書共6章。第1章對製造業的發展、製造業生產類型的劃分、有色金屬工業的發展狀況、人機物共融製造模式進行綜述，並為全書內容的展開進行鋪墊；第2章介紹製造範式的演變過程、製造模式模型及變革、製造系統的發展歷程、產品服務方式的演變、商業模式及創新過程；第3章結合人機物融合智慧的思想，系統地介紹人機物共融系統、人機物共融製造模式及機理，以及建模、資訊融合、數位孿生、資訊物理系統等支撐技術；第4章結合有色金屬工業智慧製造的需求，探討有色金屬工業人機物共融的智慧製造系統、可持續的商業創新以及產品服務系統；第5章探討支持產供銷一體化計畫、主工藝跨層域優化控制、關鍵裝備預測性維護與調度生產聯合優化的人機物協同決策模型，支援有色金屬工業的智慧型網路協同製造；第6章結合有色金屬工業網路協同製造的需求，給出有色金屬工業人機物共融的智慧型網路協同製造平臺體系架構，建立企業各級設備、工序和工藝的數位模型，並設計給出產供銷一體化、主工藝跨層域優化控制與預測運行等協同決策功能。

本書受到國家重點研發計畫專案“面向有色金屬冶煉流程精細管控的網路協同製造關鍵技術與平臺研發”（2019YFB1704700）、國家自然科學基金專案（62273261）和“湖南省科技創新計畫”（2021RC4047）的資助。感謝專案執行過程中加拿大工程院沈衛明院士的指導，以及專案組韓瑜教授、李勇剛教授和王學雷教授的共同協作。在編寫過程中，得到同濟大學電子與資訊工程學院系統工程專業博士研究生劉清、王子淳、汪韓、王晨澤等同學的協助，浙大城市學院李飛副教授對書稿進行了校正，在此表示衷心感謝。

由於本書涉及範圍比較廣，所討論問題比較新也比較複雜，難免會有不足之處，誠摯地歡迎廣大讀者批評指正。

著者