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分布式协同制造系统及关键技术

作者: 朱海华

出版社: 电子工业出版社

出版时间: 2023-10

版次: 1

ISBN: 9787121464379

定价: 139.00

装帧: 其他

页数: 292页

分类: 工程技术

分布式制造资源协同管控的过程越来越充满了不确定性，多目标、不确定性事件频繁发生，且经常伴有持续变化而又不可预知的任务(任务的变化、紧急订单的出现等)和事件(资源故障、等待某个制造资源等)，生产负荷基本上呈动态性与非线性。如何快速有效地应对制造环境中出现的各种不确定性因素是当前制造系统必须考虑的一个关键问题。移动互联网、大数据、人工智能等技术的出现为传统制造业的升级转型提供了可能。本书围绕分布式协同制造关键技术，由制造模式的变革和制造系统的发展引出分布式协同制造的理念、框架、建模方法、关键使能技术等内容，以及相关应用实践案例。朱海华：南京航空航天大学副教授，硕士研究生导师。机械工程学会生产工程分会生产系统专业委员会委员兼秘书，江苏省\"双创”优秀博士人才计划、\"绿杨金凤”优秀博士人才计划，国家留学基金委公派留学英国。长期致力于智能制造系统与技术领域的研究，在智能制造装备、制造系统自动化与智能化等研究方向取得了系列成果。主持承担国家和省部级科研项目10 余项，包括国家自然科学基金航天先进制造技术研究联合基金重点项目、国家重点研发计划、国防基础科研项目等，发表学术论文20 余篇，专著1部。第1章  绪论001

引言001

1.1  “互联网+”制造002

1.2  制造系统的发展与现状003

1.2.1  个性化定制推动制造系统升级003

1.2.2  分布式协同制造系统的新发展005

1.3  新一代关键使能技术概述006

1.3.1  工业物联网007

1.3.2  云计算008

1.3.3  大数据009

1.3.4  数字孪生010

1.4  分布式协同制造的研究范畴011

1.4.1  分布式制造资源的接入011

1.4.2  虚拟制造社会与柔性制造系统构建012

1.4.3  制造服务全生命周期管理013

1.4.4  分散制造资源的高效协作与集成013

1.5  本章小结014

第2章  分布式协同制造的概念与模式015

引言015

2.1  个性化定制需求对制造模式的挑战015

2.1.1  从大规模生产到个性化定制015

2.1.2  企业如何实现大规模个性化定制017

2.2  分布式协同制造的基本概念019

2.2.1  分布式智能制造的体系框架019

2.2.2  分布式智能制造的需求021

2.2.3  分布式协同的概念023

2.2.4  分布式智能制造的典型体系架构025

2.3  分布式协同制造的模式026

2.3.1  云制造026

2.3.2  社会化制造028

2.3.3  共享制造029

2.3.4  分布式协同制造模式的局限性与调整030

2.4  本章小结031

第3章  分布式协同制造系统架构032

引言032

3.1  需求分析032

3.2  系统的整体架构035

3.3  系统的基本组成元素036

3.3.1  制造资源037

3.3.2  制造能力038

3.3.3  制造服务039

3.3.4  主体关系039

3.4  系统的运行方式040

3.5  分布式协同制造的典型应用042

3.6  本章小结044

第4章  面向云定制的分布式协同制造理论模型与建模方法045

引言045

4.1  任务描述建模046

4.1.1  协同制造任务和逻辑制造单元046

4.1.2  分布式协同制造加工路线信息模型049

4.1.3  协同制造任务分解过程及建模051

4.2  分布式协同制造资源建模052

4.2.1  分布式协同制造资源信息模型构建052

4.2.2  分布式协同制造技术资源模型构建054

4.2.3  分布式协同制造支撑资源模型构建056

4.3  分布式协同制造服务建模057

4.3.1  分布式协同制造服务模型构建058

4.3.2  制造服务规则建模060

4.4  分布式协同制造系统建模061

4.4.1  分布式协同制造模块化设计061

4.4.2  分布式协同制造过程模型构建063

4.5  本章小结064

第5章  分布式制造资源协同生产运行机制065

引言065

5.1  面向复杂产品的多层级任务分解方法065

5.1.1  基于物料清单的制造任务分解065

5.1.2  基于物料清单的元任务分解067

5.2  多维度制造任务聚合方法068

5.2.1  元任务的聚合维度068

5.2.2  任务粒度与加工精度等级分类器070

5.2.3  基于高斯分布的尺寸分类器072

5.2.4  基于LOUVAIN算法的元任务聚类075

5.3  基于任务驱动的分布式制造资源协同生产运行机制080

5.3.1  协同生产的特点080

5.3.2  协同生产中的制造任务分配081

5.4  本章小结084

第6章  面向分布式制造过程的网络协同管控平台设计085

引言085

6.1  总体架构085

6.1.1  平台架构086

6.1.2  技术架构087

6.2  边缘智能协同子系统089

6.2.1  系统架构090

6.2.2  功能架构092

6.3  云端智能协同子系统093

6.3.1  系统架构093

6.3.2  技术架构095

6.3.3  云端应用管理中心095

6.4  工业智能服务引擎098

6.4.1  工业智能服务引擎架构098

6.4.2  工业智能开发环境及工具099

6.5  OpenAPI服务100

6.5.1  OpenAPI架构101

6.5.2  OpenAPI标准接口102

6.6  云边协同工业模型库110

6.6.1  模型综合管理111

6.6.2  模型分类及搜索113

6.6.3  模型测试验证114

6.7  系统适配技术路线114

6.8  本章小结116

第7章  异构制造资源实时信息主动感知与集成技术117

引言117

7.1  异构制造资源实时信息主动感知与集成体系架构117

7.1.1  智能制造对象的配置118

7.1.2  实时数据的感知与获取120

7.1.3  实时制造信息的集成120

7.1.4  应用服务121

7.2  主动感知与多协议解析的硬件接口121

7.2.1  主动感知技术122

7.2.2  制造服务接入技术122

7.2.3  多协议解析的硬件接口124

7.2.4  通信接口设计和通信协议设计125

7.2.5  数据访问接口设计126

7.3  异构制造资源实时信息集成服务129

7.3.1  数据处理服务129

7.3.2  集成服务131

7.4  异构制造资源实时信息跟踪与追溯132

7.5  本章小结134

第8章  分布式制造资源服务化封装与云端接入技术135

引言135

8.1  制造资源虚拟化研究框架135

8.2  制造资源虚拟化理论方法138

8.2.1  制造资源类型模型139

8.2.2  制造资源类型属性模型140

8.2.3  制造资源实例模型141

8.2.4  服务资源模型143

8.3  基于Java Web的制造资源虚拟化实现方法146

8.3.1  制造资源虚拟化实现流程146

8.3.2  制造资源虚拟化实例147

8.4  本章小结154

第9章  面向制造任务与资源匹配的分布式优化调度方法156

引言156

9.1  分布式制造资源概述156

9.1.1  分布式制造资源的分类156

9.1.2  分布式制造资源的特性158

9.1.3  分布式制造资源优化调度过程分析159

9.2  分布式制造资源的预处理方法161

9.2.1  制造任务的形式化描述161

9.2.2  任务分解原则162

9.2.3  任务分解方法163

9.2.4  分布式制造资源的初选165

9.3  分布式制造资源优化配置问题描述与模型建立166

9.3.1  问题描述166

9.3.2  模型建立167

9.4  基于MSMOPSO算法的分布式制造资源优化配置问题求解170

9.4.1  多目标粒子群优化算法170

9.4.2  基于MSMOPSO算法的问题求解过程172

9.4.3  最优决策选择177

9.5  实验仿真与结果分析177

9.5.1  多目标优化算法评估177

9.5.2  仿真实验182

9.6  本章小结185

第10章  分布式产线自组织自适应协同方法186

引言186

10.1  装备智能体建模187

10.1.1  装备智能体构建问题描述187

10.1.2  装备智能体体系结构188

10.1.3  装备智能体功能结构190

10.1.4  装备智能体总体方案模型191

10.2  多智能体产线动态调度系统建模192

10.2.1  多智能体产线动态调度系统物理架构192

10.2.2  多智能体产线动态调度系统运行机制194

10.3  多智能体产线自组织协作机制196

10.3.1  多智能体协作关键技术研究196

10.3.2  基于改进合同网协议的装备智能体协作机制200

10.3.3  基于多智能体的异常事件调整策略204

10.4  多智能体产线调度策略自适应优化208

10.4.1  深度强化学习驱动的动态调度机制分析208

10.4.2  多智能体产线多目标动态调度问题模型213

10.4.3  基于复合奖励模型的CNP-DQN算法221

10.5  仿真实验229

10.5.1  实验设计229

10.5.2  实验结果分析231

10.6  本章小结235

第11章  基于数字孪生的分布式制造过程可视化管控方法236

引言236

11.1  基于Unity 3D的智能工厂数字孪生模型构建技术236

11.1.1  构建车间孪生模型的基本要求237

11.1.2  车间孪生模型构建流程238

11.1.3  基于3ds Max的三维建模技术239

11.1.4  基于Unity 3D的孪生车间构建242

11.2  信息集成与处理244

11.2.1  分布式车间RFID数据采集的实现245

11.2.2  多源异构信息数据集成246

11.2.3  数据管理Agent客户端构建247

11.2.4  基于JSON格式的多源异构数据统一集成处理247

11.3  动态映射与实时交互249

11.3.1  孪生车间动态映射249

11.3.2  孪生数据实时交互251

11.4  基于数字孪生的三维可视化系统252

11.4.1  基于UGUI图表看板的数据映射253

11.4.2  响应式数据动态映射254

11.4.3  孪生虚拟车间的可视化系统254

11.5  模型驱动的分布式制造过程可视化管控257

11.6  本章小结263

第12章  分布式制造资源协同管控集成系统应用案例264

引言264

12.1  INDICS平台架构264

12.2  航空航天电子元器件智能制造案例267

12.2.1  航空航天电子元器件行业面临的问题和挑战267

12.2.2  工业互联网平台赋能航空航天电子元器件行业部署实施方案267

12.2.3  应用成效和推广价值269

12.3  纺织服装行业数字化转型公共服务应用案例269

12.3.1  纺织服装行业面临的问题和挑战269

12.3.2  工业互联网平台赋能纺织服装行业部署实施方案269

12.3.3  应用成效和推广价值271

12.4  钢铁行业一体化生产智能管控案例271

12.4.1  钢铁行业面临的问题和挑战271

12.4.2  工业互联网平台赋能钢铁行业部署实施方案272

12.4.3  应用成效和推广价值273

12.5  基于数字孪生的黑灯工厂应用案例274

12.5.1  企业工厂监控面临的问题和挑战274

12.5.2  数字孪生技术赋能企业工厂监控部署实施方案274

12.5.3  应用成效和推广价值275

12.6  航空航天行业供应链协同优化应用案例276

12.6.1  航空航天行业供应链面临的问题和挑战276

12.6.2  工业互联网平台赋能航空航天行业供应链部署实施方案276

12.6.3  应用成效和推广价值277

12.7  本章小结
内容简介:
分布式制造资源协同管控的过程越来越充满了不确定性，多目标、不确定性事件频繁发生，且经常伴有持续变化而又不可预知的任务(任务的变化、紧急订单的出现等)和事件(资源故障、等待某个制造资源等)，生产负荷基本上呈动态性与非线性。如何快速有效地应对制造环境中出现的各种不确定性因素是当前制造系统必须考虑的一个关键问题。移动互联网、大数据、人工智能等技术的出现为传统制造业的升级转型提供了可能。本书围绕分布式协同制造关键技术，由制造模式的变革和制造系统的发展引出分布式协同制造的理念、框架、建模方法、关键使能技术等内容，以及相关应用实践案例。
作者简介:
朱海华：南京航空航天大学副教授，硕士研究生导师。机械工程学会生产工程分会生产系统专业委员会委员兼秘书，江苏省\"双创”优秀博士人才计划、\"绿杨金凤”优秀博士人才计划，国家留学基金委公派留学英国。长期致力于智能制造系统与技术领域的研究，在智能制造装备、制造系统自动化与智能化等研究方向取得了系列成果。主持承担国家和省部级科研项目10 余项，包括国家自然科学基金航天先进制造技术研究联合基金重点项目、国家重点研发计划、国防基础科研项目等，发表学术论文20 余篇，专著1部。
目录:
第1章  绪论001

引言001

1.1  “互联网+”制造002

1.2  制造系统的发展与现状003

1.2.1  个性化定制推动制造系统升级003

1.2.2  分布式协同制造系统的新发展005

1.3  新一代关键使能技术概述006

1.3.1  工业物联网007

1.3.2  云计算008

1.3.3  大数据009

1.3.4  数字孪生010

1.4  分布式协同制造的研究范畴011

1.4.1  分布式制造资源的接入011

1.4.2  虚拟制造社会与柔性制造系统构建012

1.4.3  制造服务全生命周期管理013

1.4.4  分散制造资源的高效协作与集成013

1.5  本章小结014

第2章  分布式协同制造的概念与模式015

引言015

2.1  个性化定制需求对制造模式的挑战015

2.1.1  从大规模生产到个性化定制015

2.1.2  企业如何实现大规模个性化定制017

2.2  分布式协同制造的基本概念019

2.2.1  分布式智能制造的体系框架019

2.2.2  分布式智能制造的需求021

2.2.3  分布式协同的概念023

2.2.4  分布式智能制造的典型体系架构025

2.3  分布式协同制造的模式026

2.3.1  云制造026

2.3.2  社会化制造028

2.3.3  共享制造029

2.3.4  分布式协同制造模式的局限性与调整030

2.4  本章小结031

第3章  分布式协同制造系统架构032

引言032

3.1  需求分析032

3.2  系统的整体架构035

3.3  系统的基本组成元素036

3.3.1  制造资源037

3.3.2  制造能力038

3.3.3  制造服务039

3.3.4  主体关系039

3.4  系统的运行方式040

3.5  分布式协同制造的典型应用042

3.6  本章小结044

第4章  面向云定制的分布式协同制造理论模型与建模方法045

引言045

4.1  任务描述建模046

4.1.1  协同制造任务和逻辑制造单元046

4.1.2  分布式协同制造加工路线信息模型049

4.1.3  协同制造任务分解过程及建模051

4.2  分布式协同制造资源建模052

4.2.1  分布式协同制造资源信息模型构建052

4.2.2  分布式协同制造技术资源模型构建054

4.2.3  分布式协同制造支撑资源模型构建056

4.3  分布式协同制造服务建模057

4.3.1  分布式协同制造服务模型构建058

4.3.2  制造服务规则建模060

4.4  分布式协同制造系统建模061

4.4.1  分布式协同制造模块化设计061

4.4.2  分布式协同制造过程模型构建063

4.5  本章小结064

第5章  分布式制造资源协同生产运行机制065

引言065

5.1  面向复杂产品的多层级任务分解方法065

5.1.1  基于物料清单的制造任务分解065

5.1.2  基于物料清单的元任务分解067

5.2  多维度制造任务聚合方法068

5.2.1  元任务的聚合维度068

5.2.2  任务粒度与加工精度等级分类器070

5.2.3  基于高斯分布的尺寸分类器072

5.2.4  基于LOUVAIN算法的元任务聚类075

5.3  基于任务驱动的分布式制造资源协同生产运行机制080

5.3.1  协同生产的特点080

5.3.2  协同生产中的制造任务分配081

5.4  本章小结084

第6章  面向分布式制造过程的网络协同管控平台设计085

引言085

6.1  总体架构085

6.1.1  平台架构086

6.1.2  技术架构087

6.2  边缘智能协同子系统089

6.2.1  系统架构090

6.2.2  功能架构092

6.3  云端智能协同子系统093

6.3.1  系统架构093

6.3.2  技术架构095

6.3.3  云端应用管理中心095

6.4  工业智能服务引擎098

6.4.1  工业智能服务引擎架构098

6.4.2  工业智能开发环境及工具099

6.5  OpenAPI服务100

6.5.1  OpenAPI架构101

6.5.2  OpenAPI标准接口102

6.6  云边协同工业模型库110

6.6.1  模型综合管理111

6.6.2  模型分类及搜索113

6.6.3  模型测试验证114

6.7  系统适配技术路线114

6.8  本章小结116

第7章  异构制造资源实时信息主动感知与集成技术117

引言117

7.1  异构制造资源实时信息主动感知与集成体系架构117

7.1.1  智能制造对象的配置118

7.1.2  实时数据的感知与获取120

7.1.3  实时制造信息的集成120

7.1.4  应用服务121

7.2  主动感知与多协议解析的硬件接口121

7.2.1  主动感知技术122

7.2.2  制造服务接入技术122

7.2.3  多协议解析的硬件接口124

7.2.4  通信接口设计和通信协议设计125

7.2.5  数据访问接口设计126

7.3  异构制造资源实时信息集成服务129

7.3.1  数据处理服务129

7.3.2  集成服务131

7.4  异构制造资源实时信息跟踪与追溯132

7.5  本章小结134

第8章  分布式制造资源服务化封装与云端接入技术135

引言135

8.1  制造资源虚拟化研究框架135

8.2  制造资源虚拟化理论方法138

8.2.1  制造资源类型模型139

8.2.2  制造资源类型属性模型140

8.2.3  制造资源实例模型141

8.2.4  服务资源模型143

8.3  基于Java Web的制造资源虚拟化实现方法146

8.3.1  制造资源虚拟化实现流程146

8.3.2  制造资源虚拟化实例147

8.4  本章小结154

第9章  面向制造任务与资源匹配的分布式优化调度方法156

引言156

9.1  分布式制造资源概述156

9.1.1  分布式制造资源的分类156

9.1.2  分布式制造资源的特性158

9.1.3  分布式制造资源优化调度过程分析159

9.2  分布式制造资源的预处理方法161

9.2.1  制造任务的形式化描述161

9.2.2  任务分解原则162

9.2.3  任务分解方法163

9.2.4  分布式制造资源的初选165

9.3  分布式制造资源优化配置问题描述与模型建立166

9.3.1  问题描述166

9.3.2  模型建立167

9.4  基于MSMOPSO算法的分布式制造资源优化配置问题求解170

9.4.1  多目标粒子群优化算法170

9.4.2  基于MSMOPSO算法的问题求解过程172

9.4.3  最优决策选择177

9.5  实验仿真与结果分析177

9.5.1  多目标优化算法评估177

9.5.2  仿真实验182

9.6  本章小结185

第10章  分布式产线自组织自适应协同方法186

引言186

10.1  装备智能体建模187

10.1.1  装备智能体构建问题描述187

10.1.2  装备智能体体系结构188

10.1.3  装备智能体功能结构190

10.1.4  装备智能体总体方案模型191

10.2  多智能体产线动态调度系统建模192

10.2.1  多智能体产线动态调度系统物理架构192

10.2.2  多智能体产线动态调度系统运行机制194

10.3  多智能体产线自组织协作机制196

10.3.1  多智能体协作关键技术研究196

10.3.2  基于改进合同网协议的装备智能体协作机制200

10.3.3  基于多智能体的异常事件调整策略204

10.4  多智能体产线调度策略自适应优化208

10.4.1  深度强化学习驱动的动态调度机制分析208

10.4.2  多智能体产线多目标动态调度问题模型213

10.4.3  基于复合奖励模型的CNP-DQN算法221

10.5  仿真实验229

10.5.1  实验设计229

10.5.2  实验结果分析231

10.6  本章小结235

第11章  基于数字孪生的分布式制造过程可视化管控方法236

引言236

11.1  基于Unity 3D的智能工厂数字孪生模型构建技术236

11.1.1  构建车间孪生模型的基本要求237

11.1.2  车间孪生模型构建流程238

11.1.3  基于3ds Max的三维建模技术239

11.1.4  基于Unity 3D的孪生车间构建242

11.2  信息集成与处理244

11.2.1  分布式车间RFID数据采集的实现245

11.2.2  多源异构信息数据集成246

11.2.3  数据管理Agent客户端构建247

11.2.4  基于JSON格式的多源异构数据统一集成处理247

11.3  动态映射与实时交互249

11.3.1  孪生车间动态映射249

11.3.2  孪生数据实时交互251

11.4  基于数字孪生的三维可视化系统252

11.4.1  基于UGUI图表看板的数据映射253

11.4.2  响应式数据动态映射254

11.4.3  孪生虚拟车间的可视化系统254

11.5  模型驱动的分布式制造过程可视化管控257

11.6  本章小结263

第12章  分布式制造资源协同管控集成系统应用案例264

引言264

12.1  INDICS平台架构264

12.2  航空航天电子元器件智能制造案例267

12.2.1  航空航天电子元器件行业面临的问题和挑战267

12.2.2  工业互联网平台赋能航空航天电子元器件行业部署实施方案267

12.2.3  应用成效和推广价值269

12.3  纺织服装行业数字化转型公共服务应用案例269

12.3.1  纺织服装行业面临的问题和挑战269

12.3.2  工业互联网平台赋能纺织服装行业部署实施方案269

12.3.3  应用成效和推广价值271

12.4  钢铁行业一体化生产智能管控案例271

12.4.1  钢铁行业面临的问题和挑战271

12.4.2  工业互联网平台赋能钢铁行业部署实施方案272

12.4.3  应用成效和推广价值273

12.5  基于数字孪生的黑灯工厂应用案例274

12.5.1  企业工厂监控面临的问题和挑战274

12.5.2  数字孪生技术赋能企业工厂监控部署实施方案274

12.5.3  应用成效和推广价值275

12.6  航空航天行业供应链协同优化应用案例276

12.6.1  航空航天行业供应链面临的问题和挑战276

12.6.2  工业互联网平台赋能航空航天行业供应链部署实施方案276

12.6.3  应用成效和推广价值277

12.7  本章小结

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分布式协同制造系统及关键技术

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