Preface前言

制

造车间是制造工艺活动与生产活动的主要发生场所，完成从虚拟产品向物理产品的转化。以车间作为数字制造

（digital manufacturing，DM）和智能制造（intelligent manufacturing，IM）的实施载体，通过建设数字化、智能化车间，实现制造过程提质增效、敏捷响应外部变化，是制造企业进行数字化转型（digital transformation，DT）的基本方式之一。

本书主要面向离散制造行业，较全面地阐述了数字化与智能化车间的概念、技术、系统实现及应用。本书将数字化车间定义为： 将数字化建模、数字化控制、数字化管理等技术综合应用于车间规划与改善、生产运行、工艺执行、库存物流、质量控制、设施维护等主要业务活动。通过对产品定义数据的数字建模和数字量传递，打通设计、工艺、制造、检测、装配等各个环节； 通过对车间设施及生产流程的数字建模，仿真分析并优化车间的运行性能； 通过引入数字化设备，实现生产过程的数字化控制以及设备状态的数字化监控； 通过引入数据采集手段并建设数字化管控系统，实现产品制造及生产过程数据的自动获取、记录、流转和增值计算，优化车间管理效率和决策效率。本书也认为： 智能化车间是自动化与信息化深度融合的制造车间，它继承了自动化车间、数字化车间、数字孪生车间的基本特征，并更加强调能够在车间活动的关键环节，具备自主性的感知、学习、分析、判断、通信与协调控制能力，实现数据驱动的智能决策，且决策结果能够通过在线或离线控制方式来优化车间活动的运行。

本书是作者多年以来相关科研工作的成果总结，先后得到了国家自然科学基金（编号： 51275191、51875225、

52075202）、国家重点研发项目（编号： 2018YFB1703204）、

广东省引进创新创业团队项目（编号： 2016ZT06D189）、

国家数控重大专项课题（编号： 2014ZX04014101）、国家“863”项目（编号： 2009AA043301、2012AA040909）以及多个工信部智能制造项目的经费支持，书中近20个大大小小的应用案例，也全部来自与企业合作的项目成果。本书理论联系实际，从系统概述与体系架构、优化模型和方法、关键技术与软件系统、综合应用案例4个方面对数字化与智能化车间的研究实施内容进行详细阐述，共分为9章，各章内容如下： 

第1章数字化与智能化车间概述。对制造车间的边界和业务活动进行了梳理，介绍了数字化与智能化车间的提出背景及相关概念，对车间“数字化”“智能化”的内涵和特征进行了定义，提出了数字化与智能化车间的系统架构，对关键使能技术与工具进行了阐述，并归纳了数字化与智能化车间的实施路线和主要实施内容。

第2章车间布局设计与物流仿真优化。结合工程应用案例，对车间布局设计和物流仿真优化中的4个问题进行了研究，包括混流双边装配线平衡设计、机加工车间仿真建模与性能分析、多跨车间布局设计仿真优化、装配线物流集配系统仿真优化设计等内容。

第3章车间生产计划制定与优化。结合汽车、电子、飞机等行业的典型应用案例，对几类车间生产计划优化问题的模型与算法进行详细探讨。

第4章数据驱动的设备故障诊断。首先对设备故障诊断问题进行概述； 然后深入探讨了两类具体的工程问题： 一是数据驱动的轴承故障诊断方法，二是数据驱动的铣削刀具磨损状态识别方法。

第5章基于统计理论的生产过程质量控制。首先对统计过程控制（SPC）相关理论进行了概述； 然后深入探讨了控制图的优化设计方法及应用，包括两类问题： 一是经济最优的变量控制图优化设计，二是经济最优的多工位生产系统属性控制图优化设计。

第6章车间数据采集技术及应用。首先分析了车间制造过程数据的类型及特征； 然后对车间物联网的架构及关键技术进行了探讨； 最后结合典型应用场景，对几类常见的车间数据采集应用进行阐述。

第7章高级计划排程技术及应用。详细阐述了高级计划排程的基本概念、原理、相关理论技术和软件系统，并介绍了4个APS的应用实施案例。

第8章制造执行系统技术及应用。首先回顾了MES的起源与发展过程，归纳了MES的特点和建设意义； 然后从业务活动、数据应用、体系架构3个视角对MES的内涵进行了详细阐述； 最后介绍了MES的产品及汽车制造、飞机装配行业的典型应用案例。

第9章数字化与智能化车间综合应用案例。介绍了3个综合性的应用案例，这些案例分别来源于某3C金属结构件加工企业、某输配电装备（中低压开关柜）制造企业和某工程机械制造企业。

在本书的撰写过程中，得到了华中科技大学机械学院管在林教授及岳磊博士（撰写了第7章）、艾普工华董事长黄刚博士（撰写了第8章部分内容）、华中科技大学船海学院吴军教授（修订了第4章）、南京理工大学何非副教授（提供了第6章部分素材）的帮助，在此表示诚挚谢意，同时感谢本人所指导的博士研究生程一伟、杨朝阳、尹惠、田志鹏、邓宇浩、张聪，以及硕士研究生关辉、卫志栋、徐家宽、孙志娟、桂达、罗远光、马雷博、程佳欣等的支持。另外，特别感谢艾普工华公司、广东省智能机器人研究院、武汉创景可视公司的各位同事，也感谢众多不便署名的合作企业

，它们为本书的撰写提供了很多素材。

作者

2021年3月