基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性研究：發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)展望

□付 超 薛 旻 占倩珊 丁曉藝 侯冰冰 吳子健

[合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 230009]

引言

制造業(yè)代表著一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)力水平，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)。過(guò)去的200多年里，在經(jīng)歷了第一次、第二次和第三次工業(yè)革命后，制造業(yè)的世界格局在不斷發(fā)生著變化[1]。以人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代信息技術(shù)的發(fā)展，正推動(dòng)著以智能制造為核心的第四次工業(yè)革命的到來(lái)。如何把握這一輪工業(yè)革命的浪潮，促使制造業(yè)成功完成產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，是當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)?；诖?，圍繞智能制造的發(fā)展歷程，深入分析和揭示智能制造的核心特征和發(fā)展機(jī)理便顯得尤為重要。

智能制造自誕生以來(lái)，就受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[2～4]。新一代信息技術(shù)，作為技術(shù)革命歷史性的突破，在泛在感知、群體智能、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、敏捷響應(yīng)等方面呈現(xiàn)出新的能力和特性，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然、改造社會(huì)、大幅提高生產(chǎn)力，提供了新的技術(shù)支撐。隨著新一代信息技術(shù)和智能制造技術(shù)的不斷融合和發(fā)展，智能制造逐步從傳統(tǒng)制造向數(shù)字化制造、網(wǎng)絡(luò)化制造和以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為核心的新一代智能制造邁進(jìn)[5]。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)主要包含兩個(gè)部分，即人–物理系統(tǒng)（Human-Physical System, HPS），通常是利用人對(duì)物理機(jī)器的操作和控制完成制造任務(wù)。不同于傳統(tǒng)制造，數(shù)字化制造和網(wǎng)絡(luò)化制造中增加了信息系統(tǒng)，用于替代人類(lèi)完成部分勞動(dòng)，可以通過(guò)操作信息系統(tǒng)來(lái)部分控制物理系統(tǒng)。這兩類(lèi)制造模式通常分別被認(rèn)為是人–信息–物理系統(tǒng)（Human-Cyber-Physical System, HCPS）1.0和1.5。然而，新一代智能制造作為未來(lái)制造的前沿方向，被認(rèn)為是HCPS 2.0階段。該階段不僅僅只是HCPS 1.0和1.5的簡(jiǎn)單優(yōu)化，更強(qiáng)調(diào)以人為中心，極大地開(kāi)發(fā)和釋放人的智慧潛力，將人與機(jī)器深入融合在一起，實(shí)現(xiàn)真正的智能化生產(chǎn)。基于HCPS和智能制造的發(fā)展歷程，可以清楚地看到，HCPS為揭示智能制造發(fā)展機(jī)理提供了重要的理論基礎(chǔ)。

基于上述發(fā)現(xiàn)，眾多學(xué)者從HCPS視角出發(fā)，深入剖析智能制造，特別是新一代智能制造的基本原理、技術(shù)特征和發(fā)展趨勢(shì)[6]。明確指出，新一代智能制造是一個(gè)基于HCPS的集成大系統(tǒng)。高度集成、柔性靈活、決策閉環(huán)、以人為中心等是智能制造要具備的重要能力。然而，如何在HCPS視角下提出智能制造獲取所要具備能力的有效方法和途徑，是當(dāng)前圍繞智能制造開(kāi)展的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

為解決這一難題，本文以可重構(gòu)制造系統(tǒng)特征為基礎(chǔ)，圍繞基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性開(kāi)展回顧性綜述分析，在系統(tǒng)性剖析研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性研究展望，為解決基于HCPS視角的智能制造核心能力獲取問(wèn)題提供方法參考。具體而言，本文首先分別介紹了智能制造、HCPS及可重構(gòu)性的定義和內(nèi)涵，并利用Institute for Scientific Information（ISI）數(shù)據(jù)庫(kù)，以“智能制造”“可重構(gòu)”“智能工廠”等為關(guān)鍵詞，對(duì)智能制造可重構(gòu)性的發(fā)展變化進(jìn)行了簡(jiǎn)要的統(tǒng)計(jì)分析。進(jìn)而，本文系統(tǒng)分析了面向智能制造的HCPS研究現(xiàn)狀和面向智能制造的可重構(gòu)制造系統(tǒng)的特征和發(fā)展趨勢(shì)。其中，重點(diǎn)分析了HCPS和可重構(gòu)制造系統(tǒng)之間的關(guān)系，并基于此，給出了基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性的定義和內(nèi)涵。隨后，本文基于上述理論分析結(jié)果，主要圍繞機(jī)床可重構(gòu)性、生產(chǎn)線(xiàn)可重構(gòu)性、智能車(chē)間可重構(gòu)性和智能工廠可重構(gòu)性四個(gè)方面，對(duì)面向智能制造的可重構(gòu)性開(kāi)展了系統(tǒng)而翔實(shí)的回顧性分析。在此基礎(chǔ)上，本文聚焦于智能制造可重構(gòu)方法體系、基于HCPS的可重構(gòu)智能工廠和面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造可重構(gòu)性，闡述了基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性的下一步研究展望。上述研究工作，對(duì)于豐富基于HCPS的智能制造方法體系，推動(dòng)以智能制造為核心的智能工廠的應(yīng)用發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

一、定義和內(nèi)涵

新興信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造的不斷融合推動(dòng)了智能制造的誕生和快速發(fā)展，替代了大量的重復(fù)性體力勞動(dòng)，大幅提高了社會(huì)生產(chǎn)力。Wright和Bourne首次提出智能制造的概念，即通過(guò)集成知識(shí)工程、制造軟件系統(tǒng)、機(jī)器人視覺(jué)和機(jī)器人控制，針對(duì)專(zhuān)家知識(shí)與工人技能進(jìn)行建模，進(jìn)而使智能機(jī)器能夠在無(wú)人干預(yù)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)[4]。該定義主要從技術(shù)層面解釋了智能制造的含義，將智能制造定義為一類(lèi)面向生產(chǎn)制造過(guò)程的工程技術(shù)。

然而，迄今為止，尚無(wú)公認(rèn)的智能制造的標(biāo)準(zhǔn)概念。認(rèn)可度較高的概念是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院提出的，即完全集成和協(xié)作的制造系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)工廠、供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)、客戶(hù)不斷變化的需求和條件。國(guó)內(nèi)多位學(xué)者也曾提出智能制造的相關(guān)概念，其中具有代表性是周佳軍和姚錫凡，他們認(rèn)為智能制造是在新一代信息技術(shù)和人工智能等技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)感知、人機(jī)交互等類(lèi)人行為操作來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理與維護(hù)等一系列流程，是信息化和工業(yè)化融合的集中體現(xiàn)[1]。

智能制造由智能制造系統(tǒng)和智能制造技術(shù)組成，智能制造系統(tǒng)是智能制造的核心[2]。智能制造系統(tǒng)是一類(lèi)由智能裝備、智能控制和智能信息共同組成的人機(jī)一體化制造系統(tǒng)，它集結(jié)了人工智能、柔性制造、虛擬制造、系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)集成、信息處理等學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展[3,7]。

在智能制造的發(fā)展過(guò)程中，同樣伴隨著HCPS（人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)）的演進(jìn)和發(fā)展。換言之，HCPS的不斷發(fā)展也改變著智能制造內(nèi)涵和體系的發(fā)展。HCPS是以人為中心，由人–物理系統(tǒng)（HPS）進(jìn)化而來(lái)，即一種由人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)組成，以?xún)?yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的復(fù)合智能系統(tǒng)[8～11]。HCPS包括HPS、人–信息系統(tǒng)（Human-Cyber-System，HCS）和信息–物理系統(tǒng)（Cyber-Physical-System，CPS）等子系統(tǒng)?；贖CPS視角，王柏村等提出以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主的新一代智能制造，其本質(zhì)就是一個(gè)基于HCPS的集成大系統(tǒng)[6]。

在智能制造系統(tǒng)的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等眾多特性之中，可重構(gòu)性是其中一個(gè)重要的特性。美國(guó)Lowa州立大學(xué)的Lee教授將可重構(gòu)性定義為一種以低成本和短周期重組制造系統(tǒng)的能力[12]。祁海銘將可重構(gòu)性定義為在一定的能量約束條件下，控制系統(tǒng)在故障后通過(guò)應(yīng)用主動(dòng)或被動(dòng)容錯(cuò)控制策略仍然保持可控、可觀測(cè)性的能力[13]。以可重構(gòu)性為核心，可重構(gòu)制造系統(tǒng)的概念被提出了，并受到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，這一概念將在下文中深入分析。

為更直觀地了解面向智能制造的可重構(gòu)性當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，本文以“智能制造”“可重構(gòu)”“智能工廠”等為關(guān)鍵詞，對(duì)智能制造可重構(gòu)性的發(fā)展變化進(jìn)行了簡(jiǎn)要的統(tǒng)計(jì)分析?；贗nstitute for Scientific Information（ISI）數(shù)據(jù)庫(kù)，本文首先統(tǒng)計(jì)了1983～2021年智能制造可重構(gòu)性相關(guān)的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量，以及截至2021年4月前所統(tǒng)計(jì)文章相應(yīng)的引用數(shù)量，如圖1與圖2所示。由圖1、2可得，智能制造可重構(gòu)性相關(guān)研究萌芽于20世紀(jì)80年代，并于2000年后得以加速發(fā)展。同時(shí)，智能制造可重構(gòu)性近五年研究增長(zhǎng)達(dá)到巔峰，并有不斷上升的趨勢(shì)，說(shuō)明該領(lǐng)域在當(dāng)前仍有著可觀的研究前景。

圖1 智能制造可重構(gòu)性研究發(fā)表數(shù)量

圖2 智能制造可重構(gòu)性研究被引用數(shù)量

圍繞智能制造可重構(gòu)性的研究發(fā)表于不同期刊及會(huì)議上，且發(fā)表于會(huì)議居多，其中有近4.478%研究發(fā)表于IFAC Papers Online，如表1所示。

表1 智能制造可重構(gòu)性研究來(lái)源出版物

表2與表3給出智能制造可重構(gòu)性研究的主要來(lái)源國(guó)家/地區(qū)，以及來(lái)自不同國(guó)家/地區(qū)的相關(guān)學(xué)者。目前智能制造可重構(gòu)性相關(guān)研究主要集中于中國(guó)，研究量占比為22.090%，而美國(guó)僅次于中國(guó)，研究量占比為14.328%。相關(guān)研究量最多的三位學(xué)者分別為來(lái)自葡萄牙布拉干薩理工大學(xué)的Leitao Paulo、瑞典呂勒奧理工大學(xué)的Vyatkin Valerity以及中國(guó)華南理工大學(xué)的李迪。

表2 智能制造可重構(gòu)性研究來(lái)源國(guó)家/地區(qū)

表3 智能制造可重構(gòu)性研究相關(guān)學(xué)者

如表4所示，智能制造可重構(gòu)性研究涵蓋不同研究方向，包括工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、機(jī)器人、儀器儀表等。其中，工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)為主要研究方向，研究量占比高達(dá)92.537%與75.522%。同時(shí)，研究方向涉及商業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)、材料科學(xué)、數(shù)學(xué)、光學(xué)等，表明智能制造可重構(gòu)性研究所涉及學(xué)科范圍較廣、領(lǐng)域交叉性較強(qiáng)。

表4 智能制造可重構(gòu)性主要研究方向

本文以5年為單位，進(jìn)一步分析了智能制造可重構(gòu)性不同研究方向的發(fā)展情況，如圖3所示。由圖3可得，智能制造可重構(gòu)性在“工程”“計(jì)算機(jī)科學(xué)”以及“自動(dòng)化控制系統(tǒng)”方面研究量自20世紀(jì)80年代以來(lái)保持穩(wěn)步增長(zhǎng)，并于2006～2010年達(dá)到波峰。2011～2015年相關(guān)研究增長(zhǎng)速度有所減緩，甚至稍有下降，但2016～2020年又恢復(fù)增長(zhǎng)速度，預(yù)估未來(lái)相應(yīng)研究將繼續(xù)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。此外，智能制造可重構(gòu)性在“機(jī)器人”“儀器儀表”及“數(shù)學(xué)”等方面研究量雖然基本保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)速度較為緩慢。

圖3 智能制造可重構(gòu)性主要研究方向的發(fā)展情況

二、基礎(chǔ)理論及發(fā)展現(xiàn)狀

（一）面向智能制造的HCPS研究現(xiàn)狀

智能制造的發(fā)展過(guò)程本質(zhì)上也是HCPS發(fā)展的過(guò)程[14]。HCPS有兩條具有代表性的發(fā)展主線(xiàn)：其一是由CPS擴(kuò)展得到，在CPS的基礎(chǔ)上，HCPS考慮了人在信息傳播技術(shù)的支持下與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間的互動(dòng)和合作[15]。其二是從原始的人–物二元系統(tǒng)（HPS）過(guò)渡到人–網(wǎng)–物三元系統(tǒng)（HCPS）。

國(guó)內(nèi)關(guān)于HCPS的研究還處于起步階段。王柏村等基于HCPS的系統(tǒng)組成和內(nèi)涵，探討了智能制造的演進(jìn)過(guò)程和新一代智能制造的主要特征，從人、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)及系統(tǒng)集成等角度提出發(fā)展建議，為我國(guó)相關(guān)制造企業(yè)踐行HCPS和發(fā)展智能制造技術(shù)提供參考[16]。周濟(jì)等基于HCPS的角度回顧智能制造的發(fā)展進(jìn)程，深度剖析了用于新一代智能制造的HCPS的作用、特征、技術(shù)框架和關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而總結(jié)并展望在智能制造中實(shí)施HCPS所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)[5]。

國(guó)際上關(guān)于HCPS的研究較早于國(guó)內(nèi)，但也處于探索階段。Ma等將人引入傳統(tǒng)的CPS過(guò)程中，提出用于CPS數(shù)據(jù)和決策智能的閉環(huán)計(jì)算框架并且對(duì)該閉環(huán)的關(guān)鍵特征進(jìn)行了定義，通過(guò)審查和比較，總結(jié)了建立人參與的CPS智能閉環(huán)的關(guān)鍵未來(lái)機(jī)遇[17]。Emmanouilidis等提出一種新觀點(diǎn)，即人能夠與認(rèn)知能力聯(lián)系起來(lái)并參與生產(chǎn)制造過(guò)程，并強(qiáng)調(diào)信息管理在工業(yè)系統(tǒng)中的作用，此外，還提供了技術(shù)支持者的示例，這些技術(shù)支持者可以在與生產(chǎn)環(huán)境相關(guān)的應(yīng)用案例中將人置于循環(huán)之中[18]。Wang等基于人工智能發(fā)展過(guò)程，指出傳統(tǒng)制造到智能制造的發(fā)展歷程也是原始HPS到HCPS的發(fā)展歷程，此外，明確表明HCPS揭示了智能制造發(fā)展的基本準(zhǔn)則[15]。Sun等基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和可穿戴科技的系統(tǒng)角度提出健康運(yùn)營(yíng)商4.0（HO4.0）概念，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一框架支持不同技術(shù)的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)這一新概念，此外，開(kāi)發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證所提出的系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)框架的可行性[19]。Flores等從人類(lèi)技能的角度來(lái)對(duì)比人與機(jī)器之間的相似性和優(yōu)勢(shì)，該分析突顯了一些已經(jīng)轉(zhuǎn)移到技術(shù)上的人類(lèi)能力并且提供了人機(jī)能力差異的更新列表，此外，確定了參與HCPS的人為因素以及與HCPS合作時(shí)包括和要求的技能[20]。Liu和Wang回顧了HCPS的發(fā)展進(jìn)程，引出并明確了HCPS中的部分重要概念，進(jìn)而討論了從系統(tǒng)工程的角度建立HCPS科學(xué)基礎(chǔ)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)及未來(lái)研究方向[21]。Wang等構(gòu)造了一個(gè)統(tǒng)一的框架來(lái)理解HCPS中的學(xué)習(xí)和智能并提出一個(gè)對(duì)工業(yè)4.0更加現(xiàn)實(shí)和整體的理解，此外，介紹了HCPS學(xué)習(xí)和智能的要素和子系統(tǒng)，討論了實(shí)施以人為中心的工業(yè)4.0將要面臨的挑戰(zhàn)[22]。由此得出，HCPS是支持智能制造未來(lái)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，從HCPS視角探究智能制造的可重構(gòu)性對(duì)于傳統(tǒng)制造轉(zhuǎn)向智能制造的影響是尤為重要的[5]。

（二）面向智能制造的可重構(gòu)性研究現(xiàn)狀

1.可重構(gòu)制造系統(tǒng)定義

以可重構(gòu)性為核心所形成的制造系統(tǒng)，被稱(chēng)為可重構(gòu)制造系統(tǒng)（Reconfigurable Manufacturing System，RMS）。本文將以RMS為核心深入分析面向智能制造的可重構(gòu)性的研究現(xiàn)狀。1999年，在國(guó)際生產(chǎn)工程研究學(xué)會(huì)（CIRP）年會(huì)上，Koren教授等提出了可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS）的概念：“可重構(gòu)制造系統(tǒng)是一種能在同一零件族內(nèi)快速改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟硬件模塊，迅速調(diào)整生產(chǎn)能力和生產(chǎn)功能以快速響應(yīng)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求和客戶(hù)定制要求的制造系統(tǒng)?！盵23]

北京理工大學(xué)的梁福軍等將可重構(gòu)制造系統(tǒng)定義為：一種對(duì)市場(chǎng)需求變化具有快速響應(yīng)能力的可重新構(gòu)形的可變制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠基于現(xiàn)有自身系統(tǒng)在系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)，通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)件自身變化和數(shù)量增減以及構(gòu)件間連續(xù)變化等方式動(dòng)態(tài)地改變其構(gòu)形，從而達(dá)到根據(jù)發(fā)生的變化調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)功能和生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)短系統(tǒng)研制周期、低重構(gòu)成本以及高加工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)[24]。

2.可重構(gòu)制造系統(tǒng)特征

區(qū)別于傳統(tǒng)制造系統(tǒng)，可重構(gòu)制造系統(tǒng)主要具備重構(gòu)性、經(jīng)濟(jì)性、定制性、集成性、模塊化、可診斷性、可轉(zhuǎn)換性等特征。具體而言，重構(gòu)性是可重構(gòu)制造系統(tǒng)區(qū)別于其他制造系統(tǒng)最本質(zhì)的特點(diǎn)。重構(gòu)性的實(shí)現(xiàn)主要依靠制造模塊的合理劃分和接口的科學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的變化實(shí)現(xiàn)不同的功能。可重構(gòu)制造系統(tǒng)的重構(gòu)性在克服了一般柔性系統(tǒng)的冗余煩瑣和周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了制造柔性?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)的定制性特點(diǎn)可以滿(mǎn)足客戶(hù)個(gè)性化和多樣化的需求，同時(shí)能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)變化和客戶(hù)的需求變化。定制性特點(diǎn)增加了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的柔性和響應(yīng)速度，同時(shí)縮短了研發(fā)周期、降低了管理成本?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)的集成性是指系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備和模塊具備可集成化的能力。一般而言，可重構(gòu)制造系統(tǒng)中的所有主要部件，包括硬件和軟件都是模塊化的。此外，可重構(gòu)制造系統(tǒng)能夠?qū)χ貥?gòu)后的產(chǎn)品加工質(zhì)量和可靠性等進(jìn)行辨識(shí)和檢測(cè)[25]。

3.發(fā)展歷程

第一，可重構(gòu)制造系統(tǒng)出現(xiàn)的原因。可重構(gòu)制造系統(tǒng)的提出和傳統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)制造模式（Transfer Line, TL）以及柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System, FMS）密不可分，傳統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)制造模式和柔性制造系統(tǒng)是制造業(yè)應(yīng)用最為廣泛的兩種基本制造模式，但這兩種制造模式都有其優(yōu)缺點(diǎn)[26]。FMS具有高柔性但生產(chǎn)率較低，TL具有高生產(chǎn)率，但柔性較低。從柔性和生產(chǎn)率的關(guān)系來(lái)看，同時(shí)具備高生產(chǎn)率和高柔性的制造系統(tǒng)目前尚不存在，需要提出一個(gè)兼具高柔性和高生產(chǎn)率的新型制造系統(tǒng)，即可重構(gòu)制造系統(tǒng)。

第二，可重構(gòu)制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)一經(jīng)提出，便受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前而言，圍繞以下三個(gè)方面，形成了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的主要研究方向。（1）系統(tǒng)建模：RMS的系統(tǒng)建模通過(guò)建立能反映RMS的各要素隨時(shí)間發(fā)生變化的隨機(jī)模型，準(zhǔn)確判斷RMS性能與各因素之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化[27～28]。（2）模塊化設(shè)計(jì)：RMS的模塊化設(shè)計(jì)包括硬件和軟件的模塊化設(shè)計(jì)。硬件模塊化設(shè)計(jì)是指采用模塊化設(shè)計(jì)的各種設(shè)備，如可重構(gòu)機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、夾具和物流設(shè)備等。軟件模塊化設(shè)計(jì)是指制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)重構(gòu)過(guò)程中能夠快速完成控制系統(tǒng)的調(diào)整[29～30]。（3）設(shè)施布局與優(yōu)化：RMS的設(shè)施布局與優(yōu)化技術(shù)可以根據(jù)費(fèi)用、質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性等要求，選擇最優(yōu)重構(gòu)方式[31-33]。

（三）HCPS和RMS之間的關(guān)系

HCPS和RMS本質(zhì)上都是一種通過(guò)集成子系統(tǒng)或模塊構(gòu)成的具有一定智能的制造系統(tǒng)，這里從三個(gè)方面對(duì)HCPS和RMS的相同點(diǎn)進(jìn)行闡述和分析，分別是智能性、系統(tǒng)性和集成性。

第一，智能性是HCPS最基本的特征，即系統(tǒng)能夠通過(guò)不斷優(yōu)化調(diào)整進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自身行為趨于最優(yōu)。在智能制造的生產(chǎn)過(guò)程中，RMS能夠通過(guò)增強(qiáng)子系統(tǒng)或模塊的可重構(gòu)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)變化的需求生產(chǎn)出符合客戶(hù)要求的產(chǎn)品，依托于優(yōu)化、調(diào)度、人工智能算法等，使得RMS系統(tǒng)具備了所需的智能性。因此，從智能制造的視角看，HCPS和RMS都具備智能性這一特征。

第二，從系統(tǒng)的角度來(lái)看，HCPS和RMS本質(zhì)上都是一類(lèi)集成系統(tǒng)。HCPS是由人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，其包括HPS、HCS和CPS等子系統(tǒng)。RMS是由多個(gè)可重構(gòu)的子系統(tǒng)或模塊集成的能夠通過(guò)自調(diào)整、自?xún)?yōu)化實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的系統(tǒng)。總的來(lái)看，HCPS和RMS都具備系統(tǒng)性這一特征。

第三，HCPS和RMS都不是由單一系統(tǒng)構(gòu)成，二者都是通過(guò)集成具有不同功能和作用的子系統(tǒng)或模塊得到的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，HCPS和RMS都具備集成性這一特征。

盡管HCPS和RMS具有以上三個(gè)相同點(diǎn)，但二者所強(qiáng)調(diào)的側(cè)重點(diǎn)不同。HCPS強(qiáng)調(diào)的是通過(guò)融合先進(jìn)的人工智能和信息技術(shù)來(lái)智能化制造過(guò)程，而先進(jìn)的人工智能技術(shù)和信息技術(shù)卻是RMS所缺失或者研究較少的方向。RMS強(qiáng)調(diào)的是通過(guò)提高系統(tǒng)的可重構(gòu)性來(lái)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，其中包括機(jī)床可重構(gòu)性、生產(chǎn)線(xiàn)可重構(gòu)性、車(chē)間可重構(gòu)性等，而HCPS相關(guān)研究尚未明確涉及系統(tǒng)的可重構(gòu)性這一特性。

基于上述對(duì)HCPS和RMS的分析，這里給出基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性的新定義，即基于人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的集成系統(tǒng)，深度融合新一代信息技術(shù)和制造業(yè)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期流程的自組織、可重構(gòu)、智能化的復(fù)雜制造系統(tǒng)。

三、關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

圍繞智能制造的可重構(gòu)性特征，以下主要從機(jī)床可重構(gòu)性、生產(chǎn)線(xiàn)可重構(gòu)性、智能車(chē)間可重構(gòu)性和智能工廠可重構(gòu)性開(kāi)展回顧分析。

（一）機(jī)床可重構(gòu)性

在過(guò)去的幾十年里，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，新興因素對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。新興因素，如市場(chǎng)需求的變化、對(duì)于靈活性的需求、產(chǎn)品生命周期縮短、海量的個(gè)性化需求，這些因素都極大地改變了生產(chǎn)環(huán)境，促使制造企業(yè)開(kāi)展生產(chǎn)模式的革新[30]。

可重構(gòu)機(jī)床（Reconfigurable Machine Tools，RMT）是可重構(gòu)制造系統(tǒng)中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備之一，是針對(duì)特征族零部件而設(shè)計(jì)的新一代機(jī)床[25]?？芍貥?gòu)機(jī)床的主要組成部分包括：基礎(chǔ)模塊，如底座、立柱、床身等，以及輔助模塊，也稱(chēng)作動(dòng)態(tài)模塊，用來(lái)執(zhí)行不同的任務(wù)和操作，如主軸、面板、刀架等，輔助部件和基礎(chǔ)部件之間的連接應(yīng)該是模塊化的，以便快速添加和移除[30]。機(jī)床可重構(gòu)性是指以成本效益的方式，在機(jī)床上添加或移除模塊化部件的能力。通過(guò)使用一系列模塊化部件，如驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、部件之間的鏈接、傳感器等來(lái)增強(qiáng)可重構(gòu)機(jī)床的可重構(gòu)性[34]。

Ersal等針對(duì)可重構(gòu)機(jī)床的設(shè)計(jì)提出一種模塊化建模方法，分為構(gòu)件模型開(kāi)發(fā)和構(gòu)件裝配兩個(gè)步驟來(lái)構(gòu)建可重構(gòu)模型[35]。利用機(jī)床投資成本、生產(chǎn)率和設(shè)備可用性等多種評(píng)價(jià)指標(biāo)，Spicer等確定了可重構(gòu)機(jī)床中包含的最優(yōu)模塊數(shù)量[36]。特征選擇方法可用于識(shí)別滿(mǎn)足可重構(gòu)機(jī)床加工要求的最小模塊集合[37]?；谏a(chǎn)流程信息和輔助模塊需求的機(jī)床間相似性度量方法，利用模塊化機(jī)床設(shè)計(jì)機(jī)床單元，實(shí)現(xiàn)機(jī)床可重構(gòu)。在最小化零件之間的移動(dòng)量，以及最小化用于生產(chǎn)的輔助模塊的總變化量的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多目標(biāo)進(jìn)化算法對(duì)需要重構(gòu)的機(jī)床單元進(jìn)行識(shí)別，得到Pareto最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)機(jī)床可重構(gòu)[38]?；谛蜗笏季S的人機(jī)交互設(shè)計(jì)方法可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模仿人的形象思維方式，獲取人的知識(shí)，模擬可重構(gòu)機(jī)床的所有重構(gòu)情形[39]?？紤]到輔助模塊的可用性，即輔助模塊在機(jī)床上的安裝和拆卸，以及輔助模塊在可重構(gòu)機(jī)床之間的運(yùn)轉(zhuǎn)，Bortolini等提出一種線(xiàn)性規(guī)劃優(yōu)化模型對(duì)可重構(gòu)機(jī)床進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理[30]。

（二）生產(chǎn)線(xiàn)可重構(gòu)性

可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)是指面對(duì)市場(chǎng)不確定性、訂單多樣性等不可預(yù)知因素的隨機(jī)性質(zhì)，可重新分配現(xiàn)有制造資源，改變生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)能力，以適應(yīng)新環(huán)境的能力。當(dāng)前可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)的研究主要聚焦于可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)建模、可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)平衡以及可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)評(píng)估三個(gè)方面。

1.可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)建模

可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)建模通過(guò)構(gòu)建可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)模型對(duì)制造過(guò)程中的隨機(jī)性進(jìn)行分析、仿真、優(yōu)化和控制。多年來(lái)，可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)建模問(wèn)題的重要性和復(fù)雜性受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注并開(kāi)展了大量研究。

在基礎(chǔ)研究層面，He等面向智能工廠設(shè)計(jì)了具有高度自動(dòng)化、柔性化、可靠性和可重構(gòu)性的自動(dòng)化柔性傳輸生產(chǎn)線(xiàn)。該生產(chǎn)線(xiàn)由多個(gè)加工單元組合的順序和可重構(gòu)階段組成，可減少平衡和配置生產(chǎn)線(xiàn)的成本[40]。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體清理打磨產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、混線(xiàn)效率低、作業(yè)過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題，通過(guò)結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生提出一條發(fā)動(dòng)機(jī)缸體智能清理打磨生產(chǎn)線(xiàn)，降低了產(chǎn)品廢品率，實(shí)現(xiàn)了車(chē)間無(wú)污染、無(wú)工傷、無(wú)不良品目的[41]。針對(duì)道釘整理裝箱效率低和生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，基于差速傳送帶分離思想設(shè)計(jì)全自動(dòng)道釘整理裝箱生產(chǎn)線(xiàn)，提高了道釘整理裝箱效率和生產(chǎn)線(xiàn)的整體自動(dòng)化程度[42]。

在應(yīng)用研究層面，面向紡織工業(yè)，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)和機(jī)器人技術(shù)針對(duì)服裝生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)了生產(chǎn)線(xiàn)的硬件部署和管理架構(gòu)，促進(jìn)了紡織工業(yè)發(fā)展，提升了現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)[43]。面向自行車(chē)生產(chǎn)過(guò)程，Liu等設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)管理監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，提升了自行車(chē)生產(chǎn)效率和工業(yè)生產(chǎn)安全性[21]。面向手工藝品生產(chǎn)加工過(guò)程，基于數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)構(gòu)建了工藝品結(jié)構(gòu)自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝品加工過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制[44]。

2.可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)平衡

可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)平衡問(wèn)題直接關(guān)系設(shè)施利用率和生產(chǎn)效率，是制造領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。制造業(yè)的生產(chǎn)線(xiàn)通常是細(xì)分后的多工序流水化連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)。在作業(yè)細(xì)分化之后，各工序作業(yè)時(shí)間之間的差異容易造成工序間作業(yè)負(fù)荷不均衡的現(xiàn)象。高負(fù)荷工序不能按時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)，降低生產(chǎn)效率。低負(fù)荷經(jīng)常停工待料，造成工時(shí)損失和工件堆積滯留，阻礙生產(chǎn)線(xiàn)的順暢流通。多年來(lái)，可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)平衡問(wèn)題一直受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，開(kāi)展了大量研究。

在基礎(chǔ)研究層面，針對(duì)預(yù)防維護(hù)下的裝配線(xiàn)平衡問(wèn)題，提出一種帶有重啟策略的多目標(biāo)變鄰域搜索算法，優(yōu)化了正常工作、設(shè)備維護(hù)下的節(jié)拍并調(diào)整了工序[45]。針對(duì)單U型裝配線(xiàn)平衡問(wèn)題，焦玉玲等提出一種基于鄰接矩陣特征的啟發(fā)式算法[46]。針對(duì)2型流水線(xiàn)平衡問(wèn)題，提出混合整數(shù)編程模型并開(kāi)發(fā)基于邏輯的Benders分解算法，縮短了每個(gè)任務(wù)的設(shè)置時(shí)間[47]。考慮到任務(wù)中不同型號(hào)設(shè)備對(duì)任務(wù)作業(yè)次數(shù)、設(shè)備采購(gòu)成本的影響，Niroomand等提出了元啟發(fā)式算法來(lái)高效求解[48]。Li等利用不確定性理論對(duì)不確定任務(wù)時(shí)間進(jìn)行建模，并考慮不相容的任務(wù)集約束，提出了一種能夠逃避鄰域生成得到的局部最優(yōu)的重啟機(jī)制，整合了一個(gè)修復(fù)機(jī)制，使工作站結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步提高解決方案的質(zhì)量[49]。針對(duì)求解大規(guī)模機(jī)加工線(xiàn)平衡問(wèn)題時(shí)存在的復(fù)雜性高和效率低等問(wèn)題，提出面向缸體類(lèi)零件加工特征的層次聚類(lèi)方法，提高了優(yōu)化問(wèn)題的求解效率[50]。針對(duì)求解箱體類(lèi)零件的可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)平衡優(yōu)化模型的效率低問(wèn)題，提出基于多色集合理論方法優(yōu)化求解效率[51]。針對(duì)不確定的市場(chǎng)需求，Delorme等基于貪婪隨機(jī)自適應(yīng)搜索程序框架提出一種新的啟發(fā)式方法[52]。Lahrichi等考慮到分配給工作站操作之間的可訪(fǎng)問(wèn)性、包含性、排除性和優(yōu)先級(jí)約束，提出了多項(xiàng)式精確算法并嵌入到元啟發(fā)式框架中[53]。針對(duì)需求不確定性，提出基于貪婪隨機(jī)自適應(yīng)搜索程序和可變鄰域搜索的啟發(fā)式算法，刻畫(huà)了不確定需求[54]。

在應(yīng)用研究層面，針對(duì)手機(jī)裝配線(xiàn)不平衡問(wèn)題，運(yùn)用Lingo軟件提升產(chǎn)線(xiàn)平衡率實(shí)現(xiàn)裝配線(xiàn)的優(yōu)化改善[55]。針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體機(jī)缸體加工生產(chǎn)線(xiàn)平衡問(wèn)題，提出基于粒子群和模擬退火的混合算法求解機(jī)加工工藝線(xiàn)平衡問(wèn)題[56]。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)不平衡問(wèn)題，萬(wàn)曉琴等根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載平衡原則優(yōu)化裝配組數(shù)量，建立班組自重構(gòu)優(yōu)化模型并提出啟發(fā)式算法求解[57]。

3.可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)評(píng)估

可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)評(píng)估是指從多個(gè)方面（屬性）評(píng)估多個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的過(guò)程。生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響最終規(guī)劃設(shè)計(jì)方案質(zhì)量的因素也很多。因此，有必要針對(duì)制造系統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題，建立系統(tǒng)有效的綜合評(píng)估體系。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)制造系統(tǒng)生產(chǎn)線(xiàn)評(píng)價(jià)體系展開(kāi)了研究。

在基礎(chǔ)研究層面，孫連勝等基于虛擬制造技術(shù)建立制造系統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型以指導(dǎo)制造系統(tǒng)方案實(shí)施并保證系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)[58]。針對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)線(xiàn)健康度難以評(píng)估、量化和預(yù)測(cè)的問(wèn)題，提出結(jié)合物元信息嫡和支持向量機(jī)的生產(chǎn)線(xiàn)健康度評(píng)估預(yù)測(cè)方法，為生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)[59]。

在應(yīng)用研究層面，針對(duì)復(fù)雜的芯片組組裝和測(cè)試生產(chǎn)線(xiàn)，Li等提出了考慮性能區(qū)間和狀態(tài)可變性的生產(chǎn)線(xiàn)評(píng)估方法[60]。針對(duì)核工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)工作場(chǎng)所空氣汞濃度超標(biāo)問(wèn)題，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)法、半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法對(duì)工作場(chǎng)所的汞污染治理效果進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估[61]。針對(duì)AP1000核燃料元件生產(chǎn)線(xiàn)存在核臨界、UF_6泄漏等問(wèn)題，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系并對(duì)生產(chǎn)輻射風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，為企業(yè)管理提供了科學(xué)依據(jù)[62]。

由上述分析可知，關(guān)于可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)的平衡問(wèn)題的理論研究較多，關(guān)于可重構(gòu)生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)建模和評(píng)估的應(yīng)用研究較多。

（三）智能車(chē)間可重構(gòu)性

可重構(gòu)智能車(chē)間是指面對(duì)市場(chǎng)需求不確定性、技術(shù)的更新、制造流程的改變，車(chē)間能夠快速實(shí)現(xiàn)可配置、可縮放和可重用的能力?？芍貥?gòu)智能車(chē)間是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)可重構(gòu)智能車(chē)間進(jìn)行了廣泛的研究，也取得了一定的成果。

在基礎(chǔ)研究層面，針對(duì)現(xiàn)有車(chē)間自動(dòng)編程系統(tǒng)高耦合性問(wèn)題，王泓暉等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于加工特征的可重構(gòu)式車(chē)間自動(dòng)編程系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)耦合性較低且便于維護(hù)和升級(jí)，具有一定的實(shí)用性[63]。針對(duì)生產(chǎn)裝備與操作工人的在線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與信息交互問(wèn)題，提出一種面向服務(wù)的離散車(chē)間可重構(gòu)制造執(zhí)行系統(tǒng)，為操作工人提供了一個(gè)實(shí)時(shí)信息采集與信息交互的工作平臺(tái)[64]。針對(duì)工藝管理在車(chē)間執(zhí)行過(guò)程的集成問(wèn)題，提出一種可重構(gòu)性工作流管理方法，既能滿(mǎn)足制造系統(tǒng)的可重構(gòu)性要求，也能很好地指導(dǎo)車(chē)間生產(chǎn)[65]。針對(duì)車(chē)間布局的小范圍精細(xì)搜索問(wèn)題，Shoham和Linkens等提出基于智能體機(jī)制的混合作業(yè)車(chē)間布局和調(diào)度模型[66～67]。面向不同尺寸設(shè)備，Sherali等提出一種改進(jìn)的混合整數(shù)規(guī)劃模型來(lái)解決車(chē)間設(shè)施布局優(yōu)化問(wèn)題[68]。Ertay等結(jié)合數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法與層次分析法優(yōu)化車(chē)間設(shè)備布局[69]。Azadeh等提出隨機(jī)數(shù)據(jù)包絡(luò)分析和仿真方法在安全和環(huán)境層面找到最佳設(shè)備布局方案[70]。為減少設(shè)備間的搬運(yùn)成本，通過(guò)運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法求解車(chē)間動(dòng)態(tài)布局設(shè)施優(yōu)化問(wèn)題[71]。為減少生產(chǎn)車(chē)間設(shè)備布局物流費(fèi)用，建立車(chē)間設(shè)備布局優(yōu)化問(wèn)題的二次分配模型，并采用蟻群–遺傳混合算法求解該模型[72]。為提高車(chē)間物流搬運(yùn)效率，構(gòu)建智能車(chē)間布局和AGV路徑規(guī)劃集成優(yōu)化模型，并提出帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法求解該模型[73]。為縮短完工時(shí)間，設(shè)計(jì)多目標(biāo)果蠅優(yōu)化算法求解構(gòu)建的以總完工時(shí)間最小為優(yōu)化目標(biāo)的車(chē)間布局和調(diào)度集成優(yōu)化模型[74]。

在應(yīng)用研究層面，面向紗線(xiàn)染整企業(yè)車(chē)間布局問(wèn)題，改進(jìn)系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)分析流程，基于車(chē)間物流強(qiáng)度和車(chē)間面積構(gòu)建優(yōu)化模型并運(yùn)用遺傳算法求解，為開(kāi)發(fā)智能化染整示范性車(chē)間提供了合理的布局方案[75]。面向造船業(yè)中的車(chē)間布局問(wèn)題，構(gòu)建優(yōu)化布局和調(diào)度的集成優(yōu)化模型并運(yùn)用非支配排序遺傳算法Ⅱ求解，為造船業(yè)的綠色制造提供了指導(dǎo)[49]。

由上述分析可知，智能車(chē)間可重構(gòu)性研究主要聚焦于制造資源的可重構(gòu)性，即能根據(jù)需求變化快速有效重構(gòu)車(chē)間資源，如人、設(shè)備、工具等，為車(chē)間設(shè)備和工人提供接口和信息交互平臺(tái)，并有效地實(shí)現(xiàn)人、技術(shù)、設(shè)備集成的能力。

（四）智能工廠可重構(gòu)性

目前而言，直接關(guān)注于智能工廠可重構(gòu)性的研究較少，因此尚沒(méi)有智能工廠可重構(gòu)性的規(guī)范化定義。當(dāng)前圍繞智能工廠可重構(gòu)性的研究大多聚焦于智能工廠的流程可重構(gòu)性、制造過(guò)程可重構(gòu)、組織可重構(gòu)性等內(nèi)容。

在基礎(chǔ)研究層面，面向智能工廠流程可重構(gòu)性，提出一種基于可重構(gòu)流程模型和組件技術(shù)的流程進(jìn)化實(shí)施方法，使得制造執(zhí)行系統(tǒng)流程與用戶(hù)業(yè)務(wù)流程保持一致[76]。針對(duì)復(fù)雜流程工業(yè)過(guò)程中能源流、物流和信息流之間的強(qiáng)耦合性，基于Petri網(wǎng)提出CpnHPN方法，精確描述能源流、物流和信息流，通過(guò)構(gòu)件化封裝理念實(shí)現(xiàn)快速、靈活的多層次可重構(gòu)建模方式[77]?；诂F(xiàn)有加工設(shè)備、刀具、夾具等制造資源，提出一種針對(duì)生產(chǎn)能力擴(kuò)展過(guò)程中的工藝重構(gòu)方法，并設(shè)計(jì)混合遺傳算法完成求解[78]。考慮到組織與過(guò)程優(yōu)化重構(gòu)是優(yōu)化配置制造資源的基礎(chǔ)，王成恩等討論了組織重構(gòu)的影響因素和基本形式，促進(jìn)了供應(yīng)鏈管理、動(dòng)態(tài)聯(lián)盟和網(wǎng)絡(luò)化制造等的發(fā)展[79]。針對(duì)嵌入式計(jì)算設(shè)備之間異構(gòu)資源接入和自適應(yīng)協(xié)同管理問(wèn)題，提出了一種任務(wù)驅(qū)動(dòng)的嵌入式可重構(gòu)異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，有助于形成具有足夠規(guī)?！八懔Α钡闹悄芸臻g“云”計(jì)算平臺(tái)[80]。

在應(yīng)用研究層面，為適應(yīng)醫(yī)療行業(yè)在敏捷性、靈活性以及低成本需求，基于藥品的生產(chǎn)需求以及低級(jí)機(jī)器資源的信息，提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的可重構(gòu)智能制藥工廠生產(chǎn)模式[81]。為將新產(chǎn)品無(wú)縫引入生產(chǎn)并適應(yīng)需求波動(dòng)，提出可重構(gòu)航空生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字制造和柔性裝配技術(shù)，為提升航空生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性提供支持[82]。

由上述綜述可知，關(guān)于智能工廠可重構(gòu)的理論研究和應(yīng)用研究工作較少，亟需相關(guān)研究工作來(lái)彌補(bǔ)空白。

四、研究展望

圍繞基于HCPS的智能制造系統(tǒng)可重構(gòu)性特征，基于上述關(guān)鍵技術(shù)和研究現(xiàn)狀回顧分析，以下主要從智能制造可重構(gòu)性方法體系、基于HCPS的智能工廠可重構(gòu)性和面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造可重構(gòu)性展望未來(lái)研究。

（一）智能制造可重構(gòu)性方法體系

智能制造的目標(biāo)是通過(guò)精確跟蹤過(guò)程狀態(tài)和完整獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以獲得更豐富的信息，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行更科學(xué)的管理和決策，實(shí)現(xiàn)更加柔性和靈活的制造過(guò)程[1～2,16,83]?？芍貥?gòu)性是智能制造的主要特征之一，該特征使得制造過(guò)程能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)需求波動(dòng)，對(duì)制造系統(tǒng)生產(chǎn)能力和功能進(jìn)行調(diào)整。伴隨新興技術(shù)的發(fā)展與演進(jìn)，未來(lái)智能制造可重構(gòu)性方法體系可從以下兩個(gè)方面展開(kāi)：

一是繼續(xù)推進(jìn)基于人工智能的智能制造可重構(gòu)優(yōu)化算法研究。在已有智能制造可重構(gòu)研究中，存在可重構(gòu)機(jī)床配置優(yōu)化、生產(chǎn)線(xiàn)優(yōu)化調(diào)度、生產(chǎn)線(xiàn)平衡以及車(chē)間布局優(yōu)化等優(yōu)化問(wèn)題。這些優(yōu)化問(wèn)題多為NP難問(wèn)題，當(dāng)問(wèn)題規(guī)模較大時(shí)，求解優(yōu)化模型是相當(dāng)困難的。在計(jì)算技術(shù)的推動(dòng)下，啟發(fā)式人工智能方法，如遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等被越來(lái)越多地應(yīng)用于優(yōu)化模型求解中。未來(lái)智能制造可重構(gòu)研究將更加聚焦于啟發(fā)式人工智能方法在上述制造可重構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題中的應(yīng)用，強(qiáng)化不確定復(fù)雜制造環(huán)境下的智能分析和優(yōu)化控制能力，進(jìn)一步完善智能制造可重構(gòu)性方法體系研究。

二是繼續(xù)推進(jìn)制造系統(tǒng)的可重構(gòu)決策支持方法研究?，F(xiàn)有制造系統(tǒng)可重構(gòu)決策大多局限于系統(tǒng)的特定方面，如機(jī)床可重構(gòu)性、生產(chǎn)線(xiàn)可重構(gòu)性、布局規(guī)劃可重構(gòu)性等，而忽視了對(duì)制造系統(tǒng)整體性能的諸多因素進(jìn)行綜合。此外，現(xiàn)有制造系統(tǒng)可重構(gòu)水平評(píng)估研究多采用多屬性決策方法，其評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重大多通過(guò)專(zhuān)家知識(shí)水平和檢驗(yàn)確定，客觀程度有待提高。因此，未來(lái)智能制造可重構(gòu)性研究將針對(duì)制造系統(tǒng)整體可重構(gòu)水平進(jìn)行客觀綜合的評(píng)估，在實(shí)際應(yīng)用中分析、比較多種可重構(gòu)方案并加以選擇，幫助對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行快速重構(gòu)。

（二）基于HCPS的智能工廠可重構(gòu)性

智能工廠由于其涉及制造單元、層次較多，其可重構(gòu)建模優(yōu)化也面臨著更多不確定性、復(fù)雜性等問(wèn)題，因此當(dāng)前智能制造可重構(gòu)性研究大多仍聚焦于機(jī)床、生產(chǎn)線(xiàn)及車(chē)間層面，難以針對(duì)智能工廠提供全面、多層次的可重構(gòu)方案。

面向未來(lái)不確定復(fù)雜制造環(huán)境，基于HCPS的智能工廠憑借HCPS2.0所賦予的強(qiáng)大的智能，利用智能感知、智能決策、智能控制與自主認(rèn)知等技術(shù)，在充分發(fā)揮人類(lèi)智慧的基礎(chǔ)上形成人機(jī)混合增強(qiáng)智能，變革智能工廠的可重構(gòu)性，有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜制造環(huán)境下制造工藝復(fù)雜性、生產(chǎn)任務(wù)多樣性與生產(chǎn)需求波動(dòng)性等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)制造資源的高度動(dòng)態(tài)敏捷可重構(gòu)，滿(mǎn)足高維、動(dòng)態(tài)、多目標(biāo)可重構(gòu)場(chǎng)景的需求，進(jìn)而突破傳統(tǒng)可重構(gòu)邊界，實(shí)現(xiàn)基于HCPS的智能工廠可重構(gòu)性的集成式創(chuàng)新，如圖4所示。

圖4 基于HCPS的智能工廠可重構(gòu)性

首先，基于HCPS的智能工廠將能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜制造系統(tǒng)可重構(gòu)建模與優(yōu)化。面向不確定復(fù)雜制造環(huán)境，基于HCPS的智能工廠可基于工業(yè)大數(shù)據(jù)與工業(yè)大數(shù)據(jù)，挖掘生產(chǎn)制造流程中的“關(guān)聯(lián)關(guān)系”與“因果關(guān)系”，并利用大數(shù)據(jù)智能建模方法對(duì)二者進(jìn)行深度融合，進(jìn)而提出復(fù)雜動(dòng)態(tài)可重構(gòu)過(guò)程混合建模方法，提高復(fù)雜制造系統(tǒng)可重構(gòu)的建模與優(yōu)化求解能力，實(shí)現(xiàn)不確定復(fù)雜制造環(huán)境下的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。

其次，基于HCPS的智能工廠將能實(shí)現(xiàn)高度的動(dòng)態(tài)敏捷可重構(gòu)。新一代HCPS2.0，使得智能工廠能夠基于其自身強(qiáng)大的感知、計(jì)算與分析能力，依據(jù)“知識(shí)庫(kù)”及實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，不斷總結(jié)歸納新的知識(shí)規(guī)律，形成學(xué)習(xí)與認(rèn)知的能力?；谶@一能力，智能工廠可對(duì)不同可重構(gòu)場(chǎng)景中的規(guī)律進(jìn)行歸納、挖掘，構(gòu)建智能可重構(gòu)決策模型，并能對(duì)模型進(jìn)行自學(xué)習(xí)優(yōu)化，從而在滿(mǎn)足復(fù)雜制造環(huán)境高敏捷性、高穩(wěn)定性與高可靠性要求的前提下，自動(dòng)為不同場(chǎng)景中的重構(gòu)需求提供最優(yōu)解決方案，實(shí)現(xiàn)制造資源的高度動(dòng)態(tài)敏捷可重構(gòu)。

最后，基于HCPS的智能工廠將能充分發(fā)揮人類(lèi)智慧，突破傳統(tǒng)可重構(gòu)性邊界?；贖CPS的智能工廠將人的智慧與人工智能有效結(jié)合，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，從而帶來(lái)極大的創(chuàng)新潛能。這一創(chuàng)新潛能將給智能工廠的可重構(gòu)性帶來(lái)根本上的變革，使其不局限于對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線(xiàn)或車(chē)間進(jìn)行簡(jiǎn)單的制造流程重構(gòu)，能夠進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)、研發(fā)的要素加以考慮，突破傳統(tǒng)可重構(gòu)性邊界，進(jìn)行集成式創(chuàng)新，形成面向組織、流程、架構(gòu)，集設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)、管理于一體的高動(dòng)態(tài)、多維度、多目標(biāo)可重構(gòu)場(chǎng)景，大幅提高智能工廠的生產(chǎn)效率。

（三）面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造可重構(gòu)性

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是支撐智能制造的基礎(chǔ)，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造系統(tǒng)可將智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)、智能制造過(guò)程、智能優(yōu)化管理和智能服務(wù)等相集成，實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程和業(yè)務(wù)流程的融合。在面對(duì)市場(chǎng)需求不確定性、技術(shù)更新、制造流程改變時(shí)，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造系統(tǒng)所具備的可重構(gòu)性，可賦予制造系統(tǒng)可配置、可縮放和可重用的能力，這在產(chǎn)品制造質(zhì)量、時(shí)間、成本等方面提供了巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。伴隨制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的不斷深化與新一代信息技術(shù)的加速融入，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造可重構(gòu)性也得到進(jìn)一步提高，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

一是基于數(shù)據(jù)的高效集成。不斷增加的業(yè)務(wù)模式與日趨復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程加大了各類(lèi)業(yè)務(wù)間的數(shù)據(jù)集成難度，進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)在設(shè)備層和邊緣層建設(shè)生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)工業(yè)數(shù)據(jù)充分高效集成，打破數(shù)據(jù)孤島，幫助構(gòu)建全方位、多層次、高集成的智能制造可重構(gòu)模式，可迅速對(duì)制造流程、組織等進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，進(jìn)而提升制造系統(tǒng)對(duì)市場(chǎng)變化和需求的響應(yīng)與交付速度。

二是基于制造業(yè)智能化核心驅(qū)動(dòng)—數(shù)據(jù)智能?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)制造數(shù)據(jù)資源的集成能力，可利用人工智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的深度和廣度進(jìn)行持續(xù)拓展，并形成數(shù)據(jù)智能。數(shù)據(jù)智能可強(qiáng)化面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不確定復(fù)雜制造系統(tǒng)中的決策能力，提高可重構(gòu)模型智能水平，同時(shí)能自動(dòng)化提供可重構(gòu)方案，并對(duì)可重構(gòu)方案進(jìn)行在線(xiàn)評(píng)估、優(yōu)化及學(xué)習(xí)，最終形成具備自學(xué)習(xí)、自決策、自使用能力的新型智能制造系統(tǒng)。

三是基于應(yīng)用開(kāi)放創(chuàng)新。當(dāng)業(yè)務(wù)模式發(fā)生變化或不同業(yè)務(wù)之間開(kāi)展協(xié)同時(shí)，需要對(duì)現(xiàn)有制造系統(tǒng)進(jìn)行定制化二次開(kāi)發(fā)或打通集成。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可軟件化封裝工業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，復(fù)用共性業(yè)務(wù)組件，集成式重構(gòu)包含制造、研發(fā)、銷(xiāo)售、管理等在內(nèi)的業(yè)務(wù)模式，調(diào)整企業(yè)整體生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，從而幫助制造系統(tǒng)構(gòu)建快速適應(yīng)市場(chǎng)變化和滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求的能力，形成智能制造開(kāi)放性可重構(gòu)模式，進(jìn)一步提高智能制造靈活性。

五、結(jié)束語(yǔ)

在分析可重構(gòu)制造系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，梳理面向智能制造的HCPS研究現(xiàn)狀和面向智能制造的可重構(gòu)性發(fā)展趨勢(shì)，剖析HCPS和可重構(gòu)制造系統(tǒng)之間的關(guān)系，給出基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性的定義和內(nèi)涵。在系統(tǒng)分析可重構(gòu)制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，從未來(lái)智能制造可重構(gòu)性方法體系，基于HCPS的智能工廠可重構(gòu)性設(shè)想，以及面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造可重構(gòu)性三個(gè)方面，提出基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性研究展望。

在新一代信息技術(shù)和新一代人工智能的助力下，智能制造成為制造業(yè)重要發(fā)展趨勢(shì)，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，基于HCPS的智能制造可重構(gòu)性的理論探索方興未艾，以智能制造為核心的智能工廠的應(yīng)用探索前景廣闊。