當(dāng)前，制造業(yè)正面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力，形成了勞動力成本迅速攀升、產(chǎn)能過剩、競爭激烈的態(tài)勢，迫使制造企業(yè)從低成本競爭轉(zhuǎn)向差異化競爭。在個性化定制智能生產(chǎn)模式下，產(chǎn)品的類型與批量多變、交付周期驟減、質(zhì)量與成本約束導(dǎo)致生產(chǎn)線設(shè)計和運行面臨新的挑戰(zhàn)。信息物理融合制造系統(tǒng)是信息物理系統(tǒng)在制造系統(tǒng)中的映射，其最終目標(biāo)是實現(xiàn)信息世界和物理世界的融合，在計算、通信和控制的基礎(chǔ)上通過網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同制造，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，并通過自動化和智能化的管理實現(xiàn)個性化產(chǎn)品的預(yù)測性制造，以滿足個性化產(chǎn)品制造對效率、成本、質(zhì)量的綜合要求，也是我國占領(lǐng)未來制造業(yè)高地的關(guān)鍵所在。
目前，信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建及其研究大多局限于概念層次。智能生產(chǎn)線是信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)核心之一，對它的研究大多僅限于信息物理有限融合及實現(xiàn)，難以在生產(chǎn)線的設(shè)計、運行、管控和優(yōu)化中發(fā)揮系統(tǒng)化理論、方法與技術(shù)層面的支撐作用，使得信息物理融合制造系統(tǒng)的性能預(yù)測、運行管控難以滿足個性化產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。本書通過研究個性化定制智能生產(chǎn)線的信息物理融合系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、統(tǒng)一建模、模型綜合計算與優(yōu)化、系統(tǒng)驗證等關(guān)鍵技術(shù)，建立面向個性化產(chǎn)品定制智能生產(chǎn)線設(shè)計和管控方法，對提升我國混線生產(chǎn)能力，具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值。
本書第1章介紹生產(chǎn)模式與制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，以工業(yè)4.0參考架構(gòu)為基礎(chǔ)，闡述信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)是個性化定制生產(chǎn)的關(guān)鍵這一觀點。第2章介紹個性化定制智能生產(chǎn)線的設(shè)計與運行架構(gòu)，從生產(chǎn)線的生命周期出發(fā)，提出設(shè)計需求與運行需求，并以此提出基于組件與模型的設(shè)計運行統(tǒng)一框架；還介紹了項目組開發(fā)的智能生產(chǎn)線物理原型系統(tǒng)，為后續(xù)章節(jié)的技術(shù)提供相關(guān)的驗證對象。第3章介紹信息物理融合組件的設(shè)計方法，以及多粒度多視角的組件建模方法，并以產(chǎn)品、工藝、資源為例，基于AutomationML標(biāo)準(zhǔn)定義了多粒度、多視角的組件。第4章介紹個性化定制智能生產(chǎn)線的形式化方法，提出一種基于工廠形式化建模語言的形式化建模方法；以“產(chǎn)品–工藝–資源”概念為中心，提出不同層次中生產(chǎn)線的模型仿真與驗證方法，并基于實例介紹離散事件驅(qū)動系統(tǒng)組件形式化模型的功能驗證和性能仿真，以證明所提方法的可用性。第5章介紹個性化定制生產(chǎn)模式下設(shè)備控制系統(tǒng)的形式化技術(shù)，包括設(shè)備控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成及運行過程描述，提出設(shè)備資源控制系統(tǒng)的動態(tài)重構(gòu)的形式化建模方法，通過具體的PID計算過程對應(yīng)的功能塊網(wǎng)絡(luò)程序?qū)嵗�，驗證所提形式化建模方法和工具的有效性和開發(fā)模型的可信度。在完成生產(chǎn)線系統(tǒng)不同層級組件建模的情況下，第6章介紹個性化定制智能生產(chǎn)線的設(shè)計工具，著重介紹建模工具和仿真工具的實現(xiàn)，包含快速開發(fā)所需要的建模和模型轉(zhuǎn)換工具，以及以模型為仿真對象的虛擬調(diào)試技術(shù)，最后介紹相關(guān)的工具集成實現(xiàn)技術(shù)。第7章介紹以中間件理念為基礎(chǔ)的即插即生產(chǎn)信息物理融合框架，并闡述中間件與軟硬件的交互技術(shù)；詳細(xì)介紹中間件與資源交互的資源適配器和與產(chǎn)品交互的產(chǎn)品適配器的設(shè)計及實現(xiàn)方法，并論述中間件和軟件交互的軟件適配器的設(shè)計及實現(xiàn)方法，為個性化定制智能生產(chǎn)線的即插即生產(chǎn)模式的實現(xiàn)提供基礎(chǔ)保障。第8章介紹面向個性化產(chǎn)品定制的可重構(gòu)車間調(diào)度理論，首先對資源重構(gòu)與調(diào)度進(jìn)行關(guān)系分析和框架介紹，引入本體語義技術(shù)，提出知識驅(qū)動的資源重構(gòu)機制和基于強化學(xué)習(xí)的自適應(yīng)調(diào)度方法，用于支撐生產(chǎn)異常情況下個性化產(chǎn)品的自適應(yīng)生產(chǎn)調(diào)度。第9章針對設(shè)備動態(tài)重構(gòu)在生產(chǎn)線運行時面臨的實時性和可靠性的挑戰(zhàn)，從設(shè)備控制系統(tǒng)領(lǐng)域模型的設(shè)計、可重構(gòu)運動內(nèi)核環(huán)境的實現(xiàn)、自適應(yīng)重構(gòu)機制的構(gòu)建三個方面闡述設(shè)備運動控制系統(tǒng)如何適應(yīng)個性化產(chǎn)品定制對資源重構(gòu)的嚴(yán)苛要求�；�于IEC 61499國際標(biāo)準(zhǔn)，我們開發(fā)了適應(yīng)于動態(tài)資源重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化運動控制內(nèi)核，證明了所提運動控制系統(tǒng)可重構(gòu)方法的有效性。第10章介紹智能生產(chǎn)線的運行管控實施技術(shù)，包括如何構(gòu)建車間的私有云架構(gòu)，如何采用云原生技術(shù)實現(xiàn)面向個性化生產(chǎn)線設(shè)計、管控運行的微服務(wù)架構(gòu)，并以華南理工大學(xué)個性化定制智能生產(chǎn)線的運行為例，驗證了本書中即插即生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的可行性。
本書由李迪教授、唐浩博士、周楠博士和王忠鋒研究員合著，華南理工大學(xué)研究生王戈、姚俠楠、張柳、羅子仁、楊澤霖等為本書實例整理和編寫提供了支持和幫助。全書由李迪審校。
本書是國家重點研發(fā)計劃“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和智能工廠”重點專項項目（2018YFB1700500）的研究成果總結(jié)，在此特向科學(xué)技術(shù)部表示衷心的感謝。
本書的編寫不僅集成了作者對信息物理融合制造系統(tǒng)、智能生產(chǎn)線、個性化定制生產(chǎn)長期的關(guān)注、研究和思考，還參考了國內(nèi)外一些研究學(xué)者的思想觀點，在此謹(jǐn)向他們表示感謝。同時，特別感謝華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、東北大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)、海南大學(xué)、廣州中國科學(xué)院沈陽自動化研究所分所、武漢華創(chuàng)動力智能科技有限公司等單位在本書收集資料過程中給予的大力支持和幫助。
由于作者水平有限，書中難免存在疏漏之處，懇請廣大讀者批評指正。

作者
2021年12月22日