智能制造中的建模与仿真
摘要
随着信息技术在制造业领域的应用不断深入,制造系统信息化已从单元数字化制造向集成网络化制造发展,再向全面数字化、网络化、智能化制造发展。建模仿真技术作为集计算机、模型理论、科学计算于一体的综合性信息技术,在制造业信息化的发展过程中发挥着不可替代的作用,广泛应用于设计、生产、测试、维护、采购、销售等产品生命周期的各个阶段。本文回顾和总结了建模与仿真技术在制造业中的研究和应用,从制造单元仿真、制造集成仿真和制造智能仿真等方面分析了制造业中的典型仿真技术。
介绍
经过六十多年的发展,建模与仿真(M&S)技术已成为人类除理论和实验之外认识和改造客观世界的又一重要手段。M&S的应用范围几乎涵盖了经济,社会和军事的方方面面,特别是涉及国力和国家安全的关键领域,如航空航天,军事,医疗,交通,信息,生物,材料,能源,制造,农业,教育等。这些领域的一个共同特点是研究对象具有极高的复杂性、不确定性和非线性。即使是一个系统,也同时具有定量和定性、连续性和离散性特征。这些特点使得采用传统的理论研究方法难以对系统进行全面深入的研究。这些特征也使得应用M&S来研究这些复杂系统成为必要甚至唯一的选择。M&S技术在解决实际问题方面显示出独特的优势
在制造领域,M&S技术的应用可以追溯到1950年代。经过几十年的发展,M&S的应用几乎延伸到产品生命周期的每个阶段,包括设计、生产、测试、维护、采购、供应、销售和售后服务。目前,M&S在制造领域发挥着极其重要的作用。通过与信息技术的融合,制造系统逐步向数字化、网络化、协同化、个性化、服务化、智能化方向发展。制造业对M&S技术的需求也越来越大。
2000年,美国国防高级研究计划局、商务部、能源部和国家科学基金会联合发布了《集成制造技术路线图项目》(IMTR),提出了制造业未来将面临的六大挑战,包括精益高效、提高客户响应速度、全面互联、保持环境可持续性、 知识管理和应用新技术。同时,IMTR提出了四个关键技术领域来应对这些挑战,包括:
面向制造企业的信息系统 (IS)
制造业建模与仿真(M&S)
制造工艺和设备(MPE)
企业集成技术 (TEI)
M&S被认为是应对这些制造挑战的关键技术之一。制造业信息化的发展过程概括为三个基本范式:数字化制造、数字化网络化制造和数字化网络化智能制造,又称新一代智能制造[6]。参考这一观点,本文将制造业中的M&S技术概括为三个阶段:
数字化制造的单元 M&S(制造单元 M&S)
数字化网络化制造的集成 M&S (Manufacturing Integrated M&S)
面向数字化网络化智能制造的智能M&S(Manufacturing Intelligent M&S)
M&S技术在制造业中的演化过程如图1所示。这只是随着时间的推移,制造业中建模和仿真的一般技术发展,即使它在不同的国家、行业、公司规模、涉及的职能等之间有所不同。本文系统综述了M&S技术在制造业的发展与应用,并对相关技术的发展趋势进行了展望。智能M&S不是突然提出的,而是经历了从定量到定性的发展过程。单元M&S为智能M&S奠定技术基础,集成M&S在智能M&S中实现信息互联和任务协调。然后,基于单元M&S和集成的M&S,最终发展成为智能M&S系统。
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