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編輯推薦： 本书深入探讨了智能制造中的系统工程技术，介绍了相关模式和技术的概念解析、产生背景、发展历程、最新进展以及应用案例。 內容簡介： 本书深入探讨了智能制造中的系统工程技术，介绍了相关模式和技术的概念解析、产生背景、发展历程、最新进展以及应用案例。 第1章介绍了智能制造新模式的发展，强调了智能制造系统的关键作用。第2章通过案例展示了系统工程在高度不确定和风险环境中的适应性和必要性。第3章总结了基于模型的系统工程方法论和建模技术的最新发展。第4章深入探讨了制造系统的生命周期管理。第5章汇总了系统架构与集成的理论方法和技术。第6章介绍了体系工程的相关方法，讨论了在复杂制造系统中的应用。第7章阐述了数字工程在智能制造中的角色及其创新推动力。第8章介绍了数学规划、应用随机模型和智能优化等定量模型和算法，以及在智能制造系统优化中的应用。 本书可作为机械工程、工业工程、管理科学与工程、信息工程等相关专业本科生及研究生的教学及参考用书，同时对智能制造领域的科研和管理人员也具有参考价值。 目錄： 前言 第1章概论1 11智能制造系统1 111制造与生产2 112制造系统与生产系统2 12生产系统的布局11 121生产系统布局概述11 122生产系统布局的典型形式12 123典型布局模式间的对比18 124作业空间布置20 125其他类型布局21 13制造模式23 131流水线生产23 132精益生产27 133柔性自动化与敏捷制造30 134工业40与智能制造新模式34 14智能制造：支持生产的信息系统36 141智能制造系统的演进37 142数字化研发40 143数字化车间43 144数字化工厂管理46 145数字化维修服务48 15总结49 16拓展阅读材料50 习题50 参考文献50 第2章高端装备中的系统工程52 21引言52 22复杂产品的定义与特点52 221复杂产品的定义53 222复杂产品的特点53 23系统工程的基本概念54 231系统工程的概览55 232系统工程的起源59 233系统工程的价值60 24复杂产品系统工程流程60 241技术流程61 242技术管理流程78 243协议流程86 244使能流程88 245剪裁流程94 25复杂产品系统工程实践案例分析95 251国际空间站系统工程实践案例95 252哈勃太空望远镜系统工程实践案例98 26总结103 27拓展阅读材料104 习题104 参考文献104 第3章基于模型的系统工程106 31引言106 32基于模型的系统工程的出现106 321系统复杂性的演进及特征107 322系统论的启示与困境109 323系统工程的新发展——基于模型的系统工程110 33基于模型的系统工程基本概念与原理114 331基本概念114 332基本原理119 34基于模型的系统工程方法论128 341方法论定义128 342主流方法论介绍128 343面向领域问题的方法论开发原理和方法132 35基于模型的系统工程建模技术137 351本体建模技术137 352系统建模技术139 353系统集成开发环境141 36总结143 37拓展阅读材料144 习题144 参考文献145 第4章产品生命周期管理148 41引言148 42生命周期概念149 421生命周期概念的产生与发展149 422生命周期有关概念的定义149 423典型生命周期模型151 43产品生命周期管理方法155 431生命周期阶段划分155 432概念阶段生命周期管理158 433开发阶段生命周期管理163 434生产阶段生命周期管理167 435使用和支持阶段生命周期管理168 436退役阶段生命周期管理168 44产品生命周期管理技术169 441产品数据管理170 442PLM技术框架175 443系统生命周期管理177 444PLM与相关技术177 45制造系统生命周期管理179 451制造系统生命周期179 452先进制造与生命周期管理技术180 46总结184 47拓展阅读材料184 习题185 参考文献185 第5章智能制造系统架构与集成187 51引言187 52智能制造系统架构与集成的价值187 521智能制造系统的组成特征188 522智能制造系统生命周期演进189 523基于模型的系统架构与集成190 53系统架构与集成理论方法191 531架构方法的发展192 532架构开发与决策方法195 533系统集成、验证与确认方法208 54基于模型的系统架构与集成技术212 541系统架构建模技术212 542基于模型的系统集成、验证与确认技术216 55智能制造参考架构221 551RAMI 40222 552NIST智能制造生态系统223 56总结223 57拓展阅读材料223 习题224 参考文献224 第6章智能制造与体系工程227 61引言227 62智能制造体系228 621体系228 622智能制造的体系特征230 623智能制造体系面临的挑战232 63体系工程定义233 64体系工程流程235 641体系生命周期模型235 642工程流程237 65体系工程相关方法与建模仿真技术243 651基于能力的规划方法243 652使命任务工程方法249 653体系工程中的博弈论方法255 654体系工程中的建模仿真技术257 66总结259 67拓展阅读材料260 习题260 参考文献260 第7章智能制造的数字工程262 71引言262 72数字工程概述262 721背景介绍262 722数字工程的定义265 723国际数字工程战略概述268 724国内数字工程相关指导文件273 73数字工程在智能制造中的角色274 731持久权威的真相源274 732数字工程支撑的智能制造系统277 733数字工程推动智能制造快速创新279 74数字工程的实际应用案例280 741无人水下航行器数字化工程案例研究281 742F35数字线索和先进制造实践案例282 743基于数字工程的生产制造智能化转型案例285 75数字工程的挑战和解决方案289 751数字工程面临的挑战289 752数字工程解决方案292 76总结295 77拓展阅读材料295 习题296 参考文献296 第8章智能制造系统优化298 81引言298 82数学规划298 821数学规划概述298 822线性规划299 823整数规划303 824非线性规划306 內容試閱： 为了深入贯彻教育、科技、人才一体化推进的战略思想，加快发展新质生产力，高质量培养卓越工程师，在新一代信息技术、绿色环保、新材料、国土空间规划、智能网联和新能源汽车、航空航天、高端装备制造、重型燃气轮机、新能源、生物产业、生物育种、未来产业等领域组织编写了一批战略性新兴领域“十四五”高等教育系列教材。本套教材属于高端装备制造领域。 高端装备技术含量高，涉及学科多，资金投入大，风险控制难，服役寿命长，其研发与制造一般需要组织跨部门、跨行业、跨地域的力量才能完成。它可分为基础装备、专用装备和成套装备，例如：高端数控机床、高端成形装备和大规模集成电路制造装备等是基础装备，航空航天装备、高速动车组、海洋工程装备和医疗健康装备等是专用装备，大型冶金装备、石油化工装备等是成套装备。复杂产品的产品构成、产品技术、开发过程、生产过程、管理过程都十分复杂，例如人形机器人、智能网联汽车、生成式人工智能等都是复杂产品。现代高端装备和复杂产品一般都是智能互联产品，既具有用户需求的特异性、产品技术的创新性、产品构成的集成性和开发过程的协同性等产品特征，又具有时代性和永恒性、区域性和全球性、相对性和普遍性等时空特征。高端装备和复杂产品制造业是发展新质生产力的关键，是事关国家经济安全和国防安全的战略性产业，其发展水平是国家科技水平和综合实力的重要标志。 高端装备一般都是复杂产品，而复杂产品并不都是高端装备。高端装备和复杂产品在研发生产运维全生命周期过程中具有很多共性特征。本套教材围绕这些特征，以多类高端装备为主要案例，从培养卓越工程师的战略性思维能力、系统性思维能力、引领性思维能力、创造性思维能力的目标出发，重点论述高端装备智能制造的基础理论、关键技术和创新实践。在论述过程中，力图体现思想性、系统性、科学性、先进性、前瞻性、生动性相统一。通过相关课程学习，希望学生能够掌握高端装备的构造原理、数字化网络化智能化技术、系统工程方法、智能研发生产运维技术、智能工程管理技术、智能工厂设计与运行技术、智能信息平台技术和工程实验技术，更重要的是希望学生能够深刻感悟和认识高端装备智能制造的原生动因、发展规律和思想方法。 1高端装备智能制造的原生动因 所有的高端装备都有原始创造的过程。原始创造的动力有的是基于现实需求，有的来自潜在需求，有的是顺势而为，有的则是梦想驱动。下面以光刻机、计算机断层扫描仪（CT）、汽车、飞机为例，分别加以说明。 光刻机的原生创造是由现实需求驱动的。1952年，美国军方指派杰伊·拉斯罗普（Jay WLathrop）和詹姆斯·纳尔（James RNall）研究减小电子电路尺寸的技术，以便为炸弹、炮弹设计小型化近炸引信电路。他们创造性地应用摄影和光敏树脂技术，在一片陶瓷基板上沉积了约为200μm宽的薄膜金属线条，制作出了含有晶体管的平面集成电路，并率先提出了“光刻”概念和原始工艺。在原始光刻技术的基础上，又不断地吸纳更先进的光源技术、高精度自动控制技术、新材料技术、精密制造技术等，推动着光刻机快速演进发展，为实现半导体先进制程节点奠定了基础。 CT的创造是由潜在需求驱动的。利用伦琴（Wilhelm CRntgen）发现的X射线可以获得人体内部结构的二维图像，但三维图像更令人期待。塔夫茨大学教授科马克（Allan MCormack）研究辐射治疗时，通过射线的出射强度求解出了组织对射线的吸收系数，解决了CT成像的数学问题。英国电子与音乐工业公司工程师豪斯费尔德（Godfrey NHounsfield）在几乎没有任何实验设备的情况下，创造条件研制出了世界上第一台CT原型机，并于1971年成功应用于疾病诊断。他们也因此获得了1979年诺贝尔生理学或医学奖。时至今日，新材料技术、图像处理技术、人工智能技术等诸多先进技术已经广泛地融入CT之中，显著提升了CT的性能，扩展了CT的功能，对保障人民生命健康发挥了重要作用。 汽车的发明是顺势而为的。1765年瓦特（James Watt）制造出了第一台有实用价值的蒸汽机原型，人们自然想到如何把蒸汽机和马力车融合到一起，制造出用机械力取代畜力的交通工具。1769年法国工程师居纽（NicolasJoseph Cugnot）成功地创造出世界上第一辆由蒸汽机驱动的汽车。这一时期的汽车虽然效率低下、速度缓慢，但它展示了人类对机械动力的追求和变革传统交通方式的渴望。19世纪末卡尔·本茨（Karl Benz）在蒸汽汽车的基础上又发明了以内燃机为动力源的现代意义上的汽车。经过一个多世纪的技术进步和管理创新，特别是新能源技术和新一代信息技术在汽车产品中的成功应用，使汽车的安全性、可靠性、舒适性、环保性以及智能化水平都产生了质的跃升。 飞机的发明是梦想驱动的。飞行很早就是人类的梦想，然而由于未能掌握升力产生及飞行控制的机理，工业革命之前的飞行尝试都是以失败告终。1799年乔治·凯利（George Cayley）从空气动力学的角度分析了飞行器产生升力的规律，并提出了现代飞机“固定翼+机身+尾翼”的设计布局。1848年斯特林费罗（John Stringfellow）使用蒸汽动力无人飞机第一次实现了动力飞行。1903年莱特兄弟（Orville Wright和Wilbur Wright）制造出“飞行者一号”飞机，并首次实现由机械力驱动的持续且受控的载人飞行。随着航空发动机和航空产业的快速发展，飞机已经成为一类既安全又舒适的现代交通工具。 数字化、网络化、智能化技术的快速发展为高端装备的原始创造和智能制造的升级换代创造了历史性机遇。智能人形机器人、通用人工智能、智能卫星通信网络、各类无人驾驶的交通工具、无人值守的全自动化工厂，以及取之不尽的清洁能源的生产装备等都是人类科学精神和聪明才智的迸发，它们也是由于现实需求、潜在需求、情怀梦想和集成创造的驱动而初步形成和快速发展的。这些星星点点的新装备、新产品、新设施及其制造模式一定会深入发展和快速拓展，在不远的将来一定会融合成为一个完整的有机体，从而颠覆人类现有的生产方式和生活方式。 2高端装备智能制造的发展规律 在高端装备智能制造的发展过程中，原始科学发现和颠覆性技术创新是最具影响力的科技创新活动。原始科学发现侧重于对自然现象和基本原理的探索，它致力于揭示未知世界，拓展人类的认知边界，这些发现通常来自基础科学领域，如物理学、化学、生物学等，它们为新技术和新装备的研发提供了理论基础和指导原则。颠覆性技术创新则侧重于将科学发现的新理论新方法转化为现实生产力，它致力于创造新产品、新工艺、新模式，是推动高端装备领域高速发展的引擎，它能够打破现有技术路径的桎梏，创造出全新的产品和市场，引领高端装备制造业的转型升级。 高端装备智能制造的发展进化过程有很多共性规律，例如：①通过工程构想拉动新理论构建、新技术发明和集成融合创造，从而推动高端装备智能制造的转型升级，同时还会产生技术溢出效应。②通过不断地吸纳、改进、融合其他领域的新理论新技术，实现高端装备及其制造过程的升级换代，同时还会促进技术再创新。③高端装备进化过程中各供给侧和各需求侧都是互动发展的。 以医学核磁共振成像（MRI）装备为例，这项技术的诞生和发展，正是源于一系列重要的原始科学发现和重大技术创新。MRI技术的根基在于核磁共振现象，其本质是原子核的自旋特性与外磁场之间的相互作用。1946年美国科学家布洛赫（Felix Bloch）和珀塞尔（Edward MPurcell）分别独立发现了核磁共振现象，并因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。传统的MRI装备使用永磁体或电磁体，磁场强度有限，扫描时间较长，成像质量不高，而超导磁体的应用是MRI技术发展史上的一次重大突破，它能够产生强大的磁场，显著提升了MRI的成像分辨率和诊断精度，将MRI技术推向一个新的高度。快速成像技术的出现，例如回波平面成像（EPI）技术，大大缩短了MRI扫描时间，提高了患者的舒适度，拓展了MRI技术的应用场景。功能性MRI（fMRI）的兴起打破了传统的MRI主要用于观察人体组织结构的功能制约，它能够检测脑部血氧水平的变化，反映大脑的活动情况，为认知神经科学研究提供了强大的工具，开辟了全新的应用领域。MRI装备的成功，不仅说明了原始科学发现和颠覆性技术创新是高端装备和智能制造发展的巨大推动力，而且阐释了高端装备智能制造进化过程往往遵循着“实践探索、理论突破、技术创新、工程集成、代际跃升”循环演进的一般发展规律。 高端装备智能制造正处于一个机遇与挑战并存的关键时期。数字化网络化智能化是高端装备智能制造发展的时代要求，它既蕴藏着巨大的发展潜力，又充满着难以预测的安全风险。高端装备智能制造已经呈现出“数据驱动、平台赋能、智能协同和绿色化、服务化、高端化”的诸多发展规律，我们既要向强者学习，与智者并行，吸纳人类先进的科学技术成果，更要持续创新前瞻思维，积极探索前沿技术，不断提升创新能力，着力创造高端产品，走出一条具有特色的高质量发展之路。 3高端装备智能制造的思想方法 高端装备智能制造是一类具有高度综合性的现代高技术工程。它的鲜明特点是以高新技术为基础，以创新为动力，将各种资源、新兴技术与创意相融合，向技术密集型、知识密集型方向发展。面对系统性、复杂性不断加强的知识性、技术性造物活动，必须以辩证的思维方式审视工程活动中的问题，从而在工程理论与工程实践的循环推进中，厘清与推动工程理念与工程技术深度融合，工程体系与工程细节协调统一，工程规范与工程创新互相促进，工程队伍与工程制度共同提升，只有这样才能促进和实现工程活动与自然经济社会的和谐发展。 高端装备智能制造是一类十分复杂的系统性实践过程。在制造过程中需要协调人与资源、人与人、人与组织、组织与组织之间的关系，所以系统思维是指导高端装备智能制造发展的重要方法论。系统思维具有研究思路的整体性、研究方法的多样性、运用知识的综合性和应用领域的广泛性等特点，因此在运用系统思维来研究与解决现实问题时，需要从整体出发，充分考虑整体与局部的关系，按照一定的系统目的进行整体设计、合理开发、科学管理与协调控制，以期达到总体效果最优或显著改善系统性能的目标。 高端装备智能制造具有巨大的包容性和与时俱进的创新性。近几年来，数字化网络化智能化的浪潮席卷全球，

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