標 題：離散制造資源智能化建模與智能制造網絡優化配置方法
英文題目：Research on the modelling of distributed manufacturing resources and the optimal configuration of intelligent manufacturing networks
作 者：錢成
指導教師：張映鋒 教授
培養院系：機電學院
學 科：工業工程
讀博寄語：讓萬物優雅的互聯
主要研究內容
近年來，隨著先進的信息技術、制造模式以及管理機制的迅猛發展，新一輪科技革命和產業革命蓄勢待發，傳統制造業轉型升級快速推進，綠色化、服務化、智能化、網絡化制造發展趨勢愈發明顯，跨領域、社會化的創新平臺正在重組制造業的創新體系，有力地推動著制造系統向高柔性、快速響應、自組織、自學習的方向演變。然而，現階段制造業在轉型升級過程中也暴露了一些問題，主要表現在以下幾個方面：
(1) 產業融合度較低，傳統制造業與物聯網、移動互聯網、云計算、邊緣計算、大數據等新興產業技術交互不夠緊密，各環節間的信息流傳輸不暢，技術應用場景不夠廣泛；(2) 從產品全生命周期來看，制造業產品附加值較低，處于產業價值鏈的中低端，對于個性化定制產品的處理能力較弱，難以快速響應市場多變的需求；(3) 傳統制造系統底層資源智能化水平較低，上層決策模型難以高效執行，制約了整個制造系統的智能化發展；
(4) 制造執行管控方法大多屬于自動控制基礎上的資源調度配置，制造系統缺乏靈活自主的運作能力，不易實現制造過程自組織、異常環節自適應、生產知識自學習、決策模型自演化等高級智能特性。
本研究針對某大型高端精密裝備、航空發動機等典型高端裝備制造業的生產管理過程，圍繞離散制造資源的智能化建模與多維度制造網絡的自主優化配置方法，探索一種高度靈活自治的制造資源協作網絡結構，設計底層離散資源的全面智能化建模方法，突破智能資源間的高效互訪問與互操作核心機理，解決制造網絡在高效資源發現、靈活協同合作、可靠關系維護、動態學習演化等方面存在的問題，實現復雜離散制造系統資源效率優化與自治性提升的目標，最終為制造業的智能化升級改造與持續健康發展提供理論、方法與技術支持。部分研究內容概況如下：
1. 基于對等網與復雜網絡的分布式資源管理與發現體系架構
離散制造系統中存在著大量的物理網絡連接與虛擬網絡架構，這些復雜的網絡結構保證了制造系統資源的廣泛性與功能的多樣性，卻又一定程度上限制了資源的靈活性與動態性。本研究梳理了制造系統中的典型網絡及其拓撲結構，構建了一種 “工業互聯網-物聯網-數據結構網絡-分析優化模型(如動態貝葉斯網絡)-復雜網絡-人工社交網絡”自下而上式層次結構。
圖1支持制造資源社交行為的多重混雜網絡架構
特別需要說明的是，框架的最上層展現了一個融合了制造資源與人類社會社交網絡的人工社交網絡結構，其中，資源交互方式可以仿照社會系統運作的一些成熟機理，具備自主計算與決策能力的資源個體可以在對等網結構中主動與其他資源建立特定的“社會關系”，以一種高度靈活的方式實現資源協同、任務轉交、工作量平衡、信息傳遞等功能，實現制造資源間以及人機系統間的社會化交互，提升系統整體的動態性、自主性、靈活性與智能化水平。
2. 制造資源建模及資源發現方法
參照多智能體系統架構，可以利用有限自動機或概率狀態機等離散數學工具對制造資源的狀態和事件建立模型。每個制造資源在服務化后通過由尋址規則定義的編碼方式編碼后加入到虛擬的人工社交網絡中，從中獲取輸入事件，并在自身存在任務需求且需要外部調用協作時對外發布輸出事件，在網絡中尋找合適的匹配資源。同時，生產環境中的各種參數變化、性能改變、任務變化等事件都可以由自動機接收并處理，使其相應更新自身狀態或調整在虛擬社交網絡中的參與策略(即改變狀態轉移函數)。制造約束條件、工藝知識等信息可以通過守衛函數控制自動機，保證過程的合法性與準確性，也可以對自動機在社交網絡中的自主行為加以約束。自動機自身也會按照社交網絡的演化方式、尋址規則、關系建立規則等信息，識別分析歷史生產過程，優化參數配置，并協助進行多主體之間的協同優化配置，實現綜合效率提升。
圖2 社交制造網中的資源節點自動機概念模型接口
3. 網絡的形成機理與制造資源社會關系維護機制
為了更好的支撐資源間的互操作，體現資源的功能特性，項目分析了對等網中的幾種典型數據結構，采用前綴(字典)樹表達資源的功能種類、加工性能、生產參數等屬性，將這些資源能力動態的組織在樹結構中，使分布式資源網絡也可以獲得某些層級式控制系統中的管理特性，提升資源效率。通過對等制造網中制造資源之間的邏輯距離也需要規范定義，實現制造網絡中的資源發現，根據功能或能力節點間的距離計算結果，逐漸將任務需求轉發，使得需求與制造能力間的邏輯距離逐漸變小，直至在整個制造網絡中尋找到與需求最匹配的資源節點。
圖3 制造資源網絡數據結構模型示意圖
仿照對等網絡協議的設計思路組織制造資源節點的添加、刪除、更新等操作，以資源間的可替換性及歷史合作場景構建出節點間的連接關系。作為節點個體，為了實現對周圍環境及其他節點的認知，需要與一定數量的其他節點維持通訊關系，支撐整個資源網絡的全局路由及資源發現。通過對網絡進行子空間劃分，管理節點之間的朋友數量關系，維持網絡的正常運行。
4. 動態制造網絡關系演化更新機理
現有的研究對社交網絡中節點自發形成鏈接的機理研究有多種方式，其中較為典型的一種是，節點會傾向于與其相似的節點(“同類”)保持鏈接，同時嘗試與部分與其“不相似”的節點(“異類”)建立并保持聯系，這一過程在社會化學習的環境中保持一個動態平衡。這一策略在對等網絡中有著重要的現實意義，有助于實現資源網絡連通性與搜尋效率間的權衡。實驗過程中可以在網絡聚類系數變化到某個合理區間時保留網絡的鏈接狀態，作為制造系統初始網絡結構，保證網絡的小世界特性。此外，通過在網絡演化中考慮合作頻率或是附加規則，可以使制造資源間的網絡關系鏈接保持在一個最利于高效資源發現的狀態。
圖4 某資源網絡演化示例及聚類系數變化特征
主要創新點
一、制造資源對等網絡模型機理創新
結合分布式哈希表網絡協議核心邏輯，在多智能體系統的基礎上進一步設計了適用于制造系統運行管理的對等網絡結構，清晰的展現了智能資源間的合作、協商、替代、交互等多種關系。與離散制造資源相統一的分布式網絡拓撲結構有利于資源的自主決策與動態配置，也使得資源網絡的可靠性(抗毀性)得到顯著提升。
二、社會化協作驅動的決策方法設計創新
參考社會系統運行機制及社交網絡分析方法，創新性地提出了社會化資源交互模式，巧妙地實現了網絡形成、資源發現、關系維護、社群識別、網絡更新及演化、拓撲結構優化等操作，提高了制造系統智能化水平，同時也為復雜人工智能模型的實施應用提供了基礎保障。
代表性創新成果
一、論文
[1].Exploring the socialized operations of manufacturing resources for service flexibility and autonomy. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 63: no.101912. June, 2020.
[2].A cloud service platform integrating additive and subtractive manufacturing with high resource efficiency. Journal of Cleaner Production, 241: no.118379, Dec. 2019.
[3].A real-time data-driven collaborative mechanism in fixed-position assembly systems for smart manufacturing. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 61: no.101841, Feb. 2020.
[4].ResourceNet: a collaboration network among decentralised manufacturing resources for autonomous exception-handling in smart manufacturing. IET Collaborative Intelligent Manufacturing, 2(3): 109-114. September, 2020.
[5].Evolution of a self-organizing manufacturing network with homophily and heterophily. Procedia CIRP, 83:800-804, Jul. 2019.
二、軟件及技術方案
1.某大型精密設備裝配過程智能化排產管理系統，已交付應用
2.航空發動機集成研發基礎技術研究，已通過中期評審
三、獎項
1.個性定制產品智能物聯制造系統動態優化控制機理及應用，陜西高等學校科學技術一等獎，第8完成人
