當(dāng)前，制造業(yè)正面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力，形成了勞動(dòng)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(gè)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(jì)和運(yùn)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(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的融合，在計(jì)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，并通過自動(dòng)化和智能化的管理實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品的預(yù)測性制造，以滿足個(gè)性化產(chǎn)品制造對(duì)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(duì)它的研究大多僅限于信息物理有限融合及實(shí)現(xiàn)，難以在生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、運(yùn)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(yùn)行管控難以滿足個(gè)性化產(chǎn)品生產(chǎn)的要求。本書通過研究個(gè)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(jì)、統(tǒng)一建模、模型綜合計(jì)算與優(yōu)化、系統(tǒng)驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)，建立面向個(gè)性化產(chǎn)品定制智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和管控方法，對(duì)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(jià)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(gè)性化定制生產(chǎn)的關(guān)鍵這一觀點(diǎn)。第2章介紹個(gè)性化定制智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與運(yùn)行架構(gòu)，從生產(chǎn)線的生命周期出發(fā)，提出設(shè)計(jì)需求與運(yùn)行需求，并以此提出基于組件與模型的設(shè)計(jì)運(yùn)行統(tǒng)一框架；還介紹了項(xiàng)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(yàn)證對(duì)象。第3章介紹信息物理融合組件的設(shè)計(jì)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(gè)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(yàn)證方法，并基于實(shí)例介紹離散事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件形式化模型的功能驗(yàn)證和性能仿真，以證明所提方法的可用性。第5章介紹個(gè)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(yùn)行過程描述，提出設(shè)備資源控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)的形式化建模方法，通過具體的PID計(jì)算過程對(duì)應(yīng)的功能塊網(wǎng)絡(luò)程序?qū)嵗�，�?yàn)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(jí)組件建模的情況下，第6章介紹個(gè)性化定制智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)工具，著重介紹建模工具和仿真工具的實(shí)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(duì)象的虛擬調(diào)試技術(shù)，最后介紹相關(guān)的工具集成實(shí)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(jì)及實(shí)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(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，為個(gè)性化定制智能生產(chǎn)線的即插即生產(chǎn)模式的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)保障。第8章介紹面向個(gè)性化產(chǎn)品定制的可重構(gòu)車間調(diào)度理論，首先對(duì)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(shí)驅(qū)動(dòng)的資源重構(gòu)機(jī)制和基于強(qiáng)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(gè)性化產(chǎn)品的自適應(yīng)生產(chǎn)調(diào)度。第9章針對(duì)設(shè)備動(dòng)態(tài)重構(gòu)在生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)面臨的實(shí)時(shí)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(jì)、可重構(gòu)運(yùn)動(dòng)內(nèi)核環(huán)境的實(shí)現(xiàn)、自適應(yīng)重構(gòu)機(jī)制的構(gòu)建三個(gè)方面闡述設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)如何適應(yīng)個(gè)性化產(chǎn)品定制對(duì)資源重構(gòu)的嚴(yán)苛要求。基于IEC 61499國際標(biāo)準(zhǔn)，我們開發(fā)了適應(yīng)于動(dòng)態(tài)資源重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核，證明了所提運(yùn)動(dòng)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(yùn)行管控實(shí)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(shí)現(xiàn)面向個(gè)性化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、管控運(yùn)行的微服務(wù)架構(gòu)，并以華南理工大學(xué)個(gè)性化定制智能生產(chǎn)線的運(yùn)行為例，驗(yàn)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(shí)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和智能工廠”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)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(duì)信息物理融合制造系統(tǒng)、智能生產(chǎn)線、個(gè)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(diǎn)，在此謹(jǐn)向他們表示感謝。同時(shí)，特別感謝華南理工大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)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(dòng)化研究所分所、武漢華創(chuàng)動(dòng)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(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

作者
2021年12月22日