“十四五”職業教育人工智能技術應用專業系列教材

智能制造技術與應用

孟廣斐周蘇◎主編

朱準王赟周斌斌◎副主編

內容簡介

本書針對職業院校學生的發展需求，較為系統、全面地介紹了智能制造的相關概念、

理論與應用知識，內容包括制造概述、智能制造基礎、信息物理系統（CPS）、CPS技術體

系與應用體系、基于智能代理的智能制造、離散型和流程型智能制造、工業大數據思維、

工業大數據運用、智能制造信息技術、智能制造裝備技術、協同制造與個性化定制、智能

制造生產管理、遠程運維與智能服務、智能制造安全與法律等，可幫助學生扎實地打好智

能制造的知識基礎。教師和學生可依照學習進度與需求，選學相關內容。

本書適合作為高等職業教育院校、技師學院智能制造、人工智能、工業智能機器人等相

關專業的教材，也可作為對人工智能、智能制造相關領域感興趣的讀者的自學參考用書。

圖書在版編目（CIP）數據

智能制造技術與應用/孟廣斐，周蘇主編.—北京：

中國鐵道出版社有限公司，2022.1

“十四五”職業教育人工智能技術應用專業系列教材

ISBN978-7-113-28609-5

Ⅰ.①智…Ⅱ.①孟…②周…Ⅲ.①智能制造系統-

職業-教育Ⅳ.①TH166

中國版本圖書館CIP數據核字（2021）第247221號

書名：智能制造技術與應用

作者：孟廣斐周蘇

策劃：汪敏

責任編輯：汪敏彭立輝?????????編輯部電話：（010）51873628

封面設計：鄭春鵬

責任校對：焦桂榮

責任印制：樊啟鵬

出版發行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區右安門西街8號）

網址：http:///51eds/

印刷：三河市興博印務有限公司

版次：2022年1月第1版2022年1月第1次印刷

開本：787mm×1092mm1/16印張：16.75字數：415千

書號：ISBN978-7-113-28609-5

定價：46.00元

版權所有?侵權必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質量問題，請與本社教材圖書營銷部聯系調換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報電話：（010）63549461

前言

前言

制造業是一個國家綜合國力最重要的體現，也是決定民眾生活質量的重

要條件，發展制造業是改善人們生活和社會進步的必經之路。經過數十年的

發展，如今，中國已經成為名副其實的制造大國，先進裝備產品銷往世界各

地。制造的傳承和進步需要靠人的經驗、知識和創新，轉型迫在眉睫。從制

造大國走向制造強國，是我們共同的目標。

德國正在推動的工業4.0、美國的信息物理系統（CPS），都提出了以互

聯網和大數據為手段，以知識為核心的智能制造。中國同樣高度重視工業化

和信息化相融合的智能制造。

“工欲善其事，必先利其器。”在智能制造時代來臨之際，我們必須首先

厘清發展中國制造的思路。本書相關智能制造領域豐富和全面的知識內容，

相信能夠解答大家對智能制造的疑惑，并為如何通過大數據實現智能制造的

方法提供參考。

本書是為職業教育智能制造、人工智能、工業機器人等相關專業“智

能制造導論”等課程設計編寫，是具有豐富應用案例與實踐特色的教材。

針對職業教育學生的發展需求，本書較為系統、全面地介紹了智能制造的

相關概念、理論與應用知識，內容包括制造概述、智能制造基礎、信息物

理系統（CPS）、CPS技術體系與應用體系、基于智能代理的智能制造、離

散型與流程型智能制造、工業大數據思維、工業大數據運用、智能制造信

息技術、智能制造裝備技術、協同制造與個性化定制、智能制造生產管理、

遠程運維與智能服務、智能制造安全與法律等，共14課。每課的編寫都做

了以下安排：

（1）精選的導讀案例，以深入淺出的方式，激發讀者的自主學習興趣。

（2）解釋基本原理，讓學生切實理解和掌握智能制造相關知識與應用。

（3）淺顯易懂的案例，注重培養扎實的基本理論知識，重視培養學習方法。

（4）思維與實踐并進，為學生提供自我評價的作業，讓學生自我建構智能

制造的基本觀念與技術。在書最后的附錄中給出了各課作業的參考答案。

（5）研究性學習（或課程實踐、課程學習與實踐總結），依托互聯網環

境完成精心設計的研究性小組活動或課程實踐活動，以帶來真切的實踐體驗。

I

智能制造技術與應用

■課程進度安排

本課程的教學進度設計見“課程教學進度表”，供教師授課和學生學習

參考。

課程教學進度表

（20—20學年第學期）

課程號：課程名稱：智能制造技術與應用學分：2.5

周學時：3總學時：48（其中理論學時：32課外實踐學時：16）

主講教師：

校歷章節（或實訓、習題課等）

序號學時教學方法課后作業布置

周次名稱與內容

11課程引言（任課老師補加）3

22第1課制造概述2+1

33第2課智能制造基礎2+1

44第3課信息物理系統（CPS）2+1

55第4課CPS技術體系與應用體系2+1

66第5課基于智能代理的智能制造2+1

77第6課離散型和流程型智能制造2+1作業

研究性學習

課程實踐活動

883導讀案例（課程實踐）

99第7課工業大數據思維2+1課文

1010第8課工業大數據運用2+1

1111第9課智能制造信息技術2+1

1212第10課智能制造裝備技術2+1

1313第11課協同制造與個性化定制2+1

1414第12課智能制造生產管理2+1

1515第13課遠程運維與智能服務2+1

作業

第課智能制造安全與法律

1616142+1課程學習與實訓總結

填表人（簽字）：日期：

系（教研室）主任（簽字）：日期：

II

前言

■建議測評手段

本課程的教學評測可以從以下幾個方面入手：

（1）每課課前的“導讀案例”（共14項）。

（2）結合每課的課后作業（四選一標準選擇題，共14組）。

（3）結合每課的課后“研究性學習”（共11項）。

（4）智能制造課程實踐（第11、13課，共2項）。

（5）“課程學習與實踐總結”（第14課）。

（6）平時學習考勤記錄。

（7）任課老師認為必要的其他考核方法。

最后，綜合上述得分折算為本課程百分制成績。

本書特色鮮明、易讀易學，適合作為高等職業教育院校相關專業的

教材，也可供對人工智能和智能制造相關領域感興趣的讀者閱讀參考。

本書的編寫得到嘉興技師學院、溫州商學院、杭州匯萃智能科技有

限公司、浙大城市學院等多所院校師生的支持，王文、李濤、原瑞彬、

東超、陸雄雄等參與了本書的部分編寫工作，在此一并表示感謝！

本書配套授課電子課件，需要的教師可登錄http://www.tdpress.

com/51eds/免費注冊，審核通過后下載，也可聯系作者索取（E-mail:zhousu@

；QQ:81505050）。

由于時間倉促，編者水平有限，書中難免存在疏漏與不妥之處，懇

請讀者批評指正。

周蘇

2021年9月于嘉興南湖

III

目錄

目錄

第1課制造概述................................................................................1

1.1制造與制造技術...............................................................4

1.1.1制造.....................................................................4

1.1.2制造業.................................................................5

1.1.3制造技術..............................................................5

1.1.4制造系統..............................................................7

1.1.5綠色制造..............................................................7

1.2工業革命.........................................................................8

1.2.1第一次工業革命....................................................8

1.2.2第二次工業革命....................................................9

1.2.3第三次工業革命....................................................9

1.2.4第四次工業革命..................................................10

1.3智能制造的提出.............................................................11

1.3.1數字化階段.........................................................11

1.3.2數字化+網絡化階段..........................................12

1.3.3數字化+網絡化+智能化階段............................13

1.4中國智能制造的發展......................................................14

第2課智能制造基礎......................................................................18

2.1智能制造概述................................................................21

2.1.1我國的智能制造示范............................................21

2.1.2智能制造的發展軌跡...........................................21

2.2智能制造原理................................................................22

2.2.1分布式網絡化.....................................................23

2.2.2智能技術............................................................24

2.2.3智能機器............................................................25

2.3智能制造系統（IMS）......................................................25

2.3.1自律能力............................................................26

2.3.2人機一體化........................................................26

2.3.3虛擬現實............................................................27

I

智能制造技術與應用

2.3.4自組織超柔性.....................................................27

2.3.5學習與維護.........................................................27

2.4分布式數控（DNC）.......................................................28

2.5智能制造能力成熟度等級................................................29

第3課信息物理系統（CPS）..........................................................33

3.1CPS的提出...................................................................37

3.2從電影《天空之眼》了解CPS........................................38

3.3CPS技術本質與內涵......................................................40

3.3.1CPS的狹義內涵.................................................40

3.3.2CPS的廣義內涵.................................................41

3.4實體空間與賽博空間......................................................42

3.5CPS面向工業智能化的技術特性.....................................43

3.5.1智能化工業系統基本概念.....................................44

3.5.2CPS面向工業智能的特性....................................44

3.5.3CPS工業智能的技術本質....................................47

第4課CPS技術體系與應用體系...................................................51

4.1從人的智慧來理解CPS..................................................54

4.2CPS的5C技術體系架構................................................55

4.2.1智能連接層.........................................................56

4.2.2智能分析層........................................................57

4.2.3智能網絡層.........................................................57

4.2.4智能認知層........................................................58

4.2.5智能配置與執行層...............................................59

4.3工業智能的CPS實現.....................................................60

4.4CPS應用體系...............................................................61

4.4.1產業鏈與產業要素...............................................62

4.4.2工業軟、硬件與工業互聯網..................................63

4.4.3應用體系的五個層次...........................................63

4.5層級化CPS的應用........................................................64

4.5.1CPS層級定義與設計框架....................................65

4.5.2CPS的三個基本單元...........................................66

4.6CPS的基礎應用條件......................................................67

第5課基于智能代理的智能制造....................................................71

5.1包容體系結構概述.........................................................75

5.1.1“中文房間”思維實驗..........................................75

II

目錄

5.1.2建立包容體系結構...............................................76

5.2包容體系結構的實現......................................................76

5.2.1艾倫機器人.........................................................77

5.2.2赫伯特機器人.....................................................77

5.2.3托托機器人........................................................77

5.3智能代理的定義和特點...................................................78

5.3.1智能代理的定義..................................................78

5.3.2智能代理的特點..................................................79

5.4系統內的協同合作..........................................................79

5.5智能代理典型應用場景...................................................81

5.5.1實體機器人.........................................................82

5.5.2醫療診斷............................................................82

5.5.3搜索引擎............................................................82

5.6基于代理的智能制造模式................................................83

5.6.1多智能體系統.....................................................83

5.6.2分布式系統中的代理應用.....................................84

5.6.3整子制造系統.....................................................85

5.6.4基于代理的運作過程...........................................85

第6課離散型與流程型智能制造....................................................89

6.1離散型智能制造概述......................................................91

6.1.1離散制造業的生產特點........................................91

6.1.2離散制造業的智能制造........................................92

6.1.3離散型智能制造基本特征.....................................93

6.2離散型智能制造總體架構................................................95

6.3離散型智能制造的關鍵要素............................................96

6.3.1企業層關鍵要素..................................................96

6.3.2工廠/車間層關鍵要素.........................................97

6.3.3生產資源層關鍵要素...........................................97

6.3.4一體化網絡環境建設與智能決策支持....................99

6.4流程型智能制造概述....................................................100

6.4.1流程工業的行業特點.........................................101

6.4.2流程型智能制造的定義......................................102

6.5流程型智能制造架構....................................................103

6.5.1流程型智能制造總體架構...................................103

6.5.2流程型智能制造的關鍵要素................................104

6.5.3流程型智能制造的發展......................................105

III

智能制造技術與應用

第7課工業大數據思維.................................................................109

7.1制造還是思維..............................................................113

7.1.1智能制造的核心................................................113

7.1.2向智能制造轉型................................................113

7.1.3工業大數據定義................................................114

7.1.4從大數據到智能制造.........................................115

7.2大數據推動的三個方向.................................................116

7.2.1避免可見的生產問題.........................................116

7.2.2將不可見問題顯性化.........................................117

7.2.3從設計端避免問題.............................................118

7.3未來智慧工廠的無憂慮制造..........................................119

7.4從產品制造到價值創造.................................................121

7.4.1以創造價值為產品設計導向................................121

7.4.2用大數據建立產品服務系統................................121

7.5工業大數據的機遇與挑戰..............................................122

第8課工業大數據運用.................................................................126

8.1從解決問題到避免問題.................................................129

8.1.1基于統計科學的質量管理體系............................129

8.1.2選擇生產系統的維護機會窗................................130

8.2大數據分析——實現最優方案.......................................131

8.2.1電動汽車電池組最優更換方案............................131

8.2.2早期故障自感知的多工位壓力機.........................133

8.2.3歐姆龍能耗管理智能分析服務............................134

8.3預測隱性問題——實現系統自省....................................137

8.3.1能自省的“卷對卷”制造系統............................138

8.3.2大數據建模實現的智能壓縮機控制......................139

8.3.3智能機器人健康管理系統...................................141

第9課智能制造信息技術.............................................................145

9.1多傳感器信息融合技術.................................................149

9.1.1技術體系架構...................................................150

9.1.2技術的發展趨勢................................................150

9.1.3多傳感器信息的應用.........................................151

9.2物聯網技術.................................................................152

9.2.1物聯網技術框架................................................152

9.2.2物聯網關鍵技術................................................153

IV

目錄

9.3工業互聯網.................................................................156

9.3.1工業互聯網定義................................................156

9.3.2工業互聯網構成................................................157

9.3.3工業互聯網典型模式.........................................158

9.4工業云技術.................................................................159

9.4.1工業云定義.......................................................159

9.4.2云技術.............................................................159

9.4.3“云”的核心.....................................................160

第10課智能制造裝備技術...........................................................163

10.1制造裝備概述............................................................166

10.1.1先進制造裝備的范疇........................................166

10.1.2先進制造裝備的先進性....................................168

10.1.3智能機床的概念..............................................169

10.2機器人技術................................................................169

10.2.1機器人的定義.................................................170

10.2.2工業機器人的分類...........................................170

10.2.3工業機器人的組成...........................................172

10.2.4工業機器人的特點...........................................173

10.3增材制造技術............................................................173

10.3.1增材制造過程.................................................174

10.3.2增材制造工藝發展...........................................174

10.3.3增材制造的分類..............................................175

10.4智能檢測技術............................................................176

10.4.1智能檢測系統組成...........................................176

10.4.2智能視頻監控技術...........................................177

10.4.3光電檢測技術.................................................177

10.4.4太赫茲檢測技術..............................................177

10.4.5智能超聲檢測技術...........................................178

10.5數控機床技術............................................................179

10.6自動導引運輸車（AGV）..............................................179

第11課協同制造與個性化定制....................................................183

11.1協同制造的定義.........................................................185

11.2協同制造的總體架構...................................................187

11.3協同制造組成要素分析...............................................188

11.4個性化定制場景.........................................................189

11.4.1個性化定制案例..............................................189

V

智能制造技術與應用

11.4.2個性化定制內涵..............................................190

11.5個性化定制系統架構..................................................190

11.6典型案例...................................................................192

11.6.1協同制造典型案例...........................................192

11.6.2消費者需求驅動的定制模式..............................193

11.6.3生產與維護的協同優化與排程...........................194

第12課智能制造生產管理...........................................................200

12.1產品生命周期管理（PLM）..........................................202

12.2制造執行系統（MES）.................................................203

12.2.1MES系統需求.................................................204

12.2.2MES模型建立................................................205

12.2.3關鍵集成技術.................................................205

12.3MES的系統邊界........................................................205

12.4精益管理...................................................................208

12.5智能制造工廠............................................................208

12.5.1企業信息系統架構...........................................209

12.5.2綜合信息系統.................................................210

12.5.3生產管理系統.................................................210

12.5.4工業控制系統.................................................210

12.5.5ERP、MES和PCS集成..................................211

12.5.6數字孿生模型.................................................211

12.6案例：三一重工18號廠房..........................................212

第13課遠程運維與智能服務........................................................216

13.1遠程運維的概念.........................................................219

13.1.1制造業遠程運維的意義....................................219

13.1.2遠程運維技術發展歷程....................................220

13.1.3遠程運維核心技術...........................................220

13.2遠程運維系統架構......................................................222

13.2.1遠程運維系統的組成........................................223

13.2.2遠程運維系統的功能........................................223

13.2.3基于狀態的遠程運維系統.................................224

13.2.4遠程運維關鍵技術...........................................224

13.3服役系統智能健康管理...............................................225

13.4智能供應鏈................................................................226

13.4.1智慧供應鏈的特點...........................................226

13.4.2智能供應鏈系統..............................................227

VI

目錄

13.5智能制造服務............................................................227

13.5.1智能服務的定義..............................................228

13.5.2智能服務三層結構...........................................228

13.5.3智慧農業解決方案——約翰迪爾精智農機..........229

13.5.4以智能裝備為基礎的產品服務系統....................230

第14課智能制造安全與法律........................................................236

14.1人工智能與安全.........................................................239

14.1.1人才和基礎設施短缺........................................239

14.1.2安全問題不容忽視...........................................240

14.1.3設定倫理要求.................................................240

14.1.4強力保護個人隱私...........................................241

14.2智能制造系統信息安全...............................................241

14.2.1傳統網絡與制造系統網絡比較...........................242

14.2.2智能制造系統信息安全著力點...........................243

14.2.3智能制造系統信息安全需求..............................243

14.3智能制造系統安全保障技術框架..................................244

14.3.1安全功能........................................................245

14.3.2安全分類........................................................245

附錄作業參考答案....................................................................252

參考文獻..........................................................................................254

VII

第1課

制造概述

學習目標

知識目標：

（1）通過學習，熟悉制造、制造業、制造技術、制造系統和綠色制造等相關基礎概念。

（2）了解工業革命的發展歷程，熟悉工業革命各個階段的內容與內涵。

（3）了解智能制造概念提出的時代背景與發展歷程，熟悉工業4.0和中國制造的內容

與內涵。

素質目標：

（1）熱愛學習，勤于思考，掌握學習方法，提高學習能力。

（2）培養熱愛勞動、熱愛工業、關心社會進步的優良品質。

（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業素質。

能力目標：

（1）掌握專業知識的學習方法，培養閱讀、思考與研究的能力。

（2）提高“研究性學習小組”的參與、組織和活動能力，具備團隊精神。

重點難點：

（1）理解是什么內在動力推動工業革命的不斷發展。

（2）掌握專業知識的學習方法，培養閱讀、思考與研究的能力。

（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業素質。

導讀案例

中國連續11年成為世界最大制造業國家

“‘十三五’期間，我國工業增加值由23.5萬億元增加到31.3萬億元，連續11年成為世界

最大的制造業國家。”工業和信息化部部長肖亞慶說。“十三五”時期，我國制造強國和網絡

強國建設取得明顯成效，各項主要目標任務如期完成（見圖1-1）。

2020年，我國工業增加值達到31.3萬億元，對世界制造業貢獻的比重接近30%。“十三五”

a

時期高技術制造業增加值平均增速達到了10.4%，高于規模以上企業增加值的平均增速

①規模以上企業：我國自1996年開始使用的一個統計學術語，與“規模以下”企業相對，2011年1月起用于

代指年主營業務收入