本书通过研究智能生产线信息物理系统架构设计、智能生产线信息物理融合统一建模、智能生产线信息物理模型综合计算与优化，智能生产线信息物理系统验证等关键技术，建立面向个性化产品定制智能生产线设计和管控方法，提升我国混线生产能力。

当前，制造业正面临着巨大的转型压力，形成了劳动力成本迅速攀升、产能过剩、竞争激烈的态势，迫使制造企业从低成本竞争转向差异化竞争。在个性化定制智能生产模式下，产品的类型与批量多变、交付周期骤减、质量与成本约束导致生产线设计和运行面临新的挑战。信息物理融合制造系统是信息物理系统在制造系统中的映射，其最终目标是实现信息世界和物理世界的融合，在计算、通信和控制的基础上通过网络化的协同制造，实现生产过程的监控，并通过自动化和智能化的管理实现个性化产品的预测性制造，以满足个性化产品制造对效率、成本、质量的综合要求，也是我国占领未来制造业高地的关键所在。
目前，信息物理融合生产系统的构建及其研究大多局限于概念层次。智能生产线是信息物理融合生产系统核心之一，对它的研究大多仅限于信息物理有限融合及实现，难以在生产线的设计、运行、管控和优化中发挥系统化理论、方法与技术层面的支撑作用，使得信息物理融合制造系统的性能预测、运行管控难以满足个性化产品生产的要求。本书通过研究个性化定制智能生产线的信息物理融合系统架构设计、统一建模、模型综合计算与优化、系统验证等关键技术，建立面向个性化产品定制智能生产线设计和管控方法，对提升我国混线生产能力，具有重要理论意义和工程应用价值。
本书第1章介绍生产模式与制造系统的发展趋势，以工业4.0参考架构为基础，阐述信息物理生产系统是个性化定制生产的关键这一观点。第2章介绍个性化定制智能生产线的设计与运行架构，从生产线的生命周期出发，提出设计需求与运行需求，并以此提出基于组件与模型的设计运行统一框架；还介绍了项目组开发的智能生产线物理原型系统，为后续章节的技术提供相关的验证对象。第3章介绍信息物理融合组件的设计方法，以及多粒度多视角的组件建模方法，并以产品、工艺、资源为例，基于AutomationML标准定义了多粒度、多视角的组件。第4章介绍个性化定制智能生产线的形式化方法，提出一种基于工厂形式化建模语言的形式化建模方法；以“产品–工艺–资源”概念为中心，提出不同层次中生产线的模型仿真与验证方法，并基于实例介绍离散事件驱动系统组件形式化模型的功能验证和性能仿真，以证明所提方法的可用性。第5章介绍个性化定制生产模式下设备控制系统的形式化技术，包括设备控制系统的结构、组成及运行过程描述，提出设备资源控制系统的动态重构的形式化建模方法，通过具体的PID计算过程对应的功能块网络程序实例，验证所提形式化建模方法和工具的有效性和开发模型的可信度。在完成生产线系统不同层级组件建模的情况下，第6章介绍个性化定制智能生产线的设计工具，着重介绍建模工具和仿真工具的实现，包含快速开发所需要的建模和模型转换工具，以及以模型为仿真对象的虚拟调试技术，最后介绍相关的工具集成实现技术。第7章介绍以中间件理念为基础的即插即生产信息物理融合框架，并阐述中间件与软硬件的交互技术；详细介绍中间件与资源交互的资源适配器和与产品交互的产品适配器的设计及实现方法，并论述中间件和软件交互的软件适配器的设计及实现方法，为个性化定制智能生产线的即插即生产模式的实现提供基础保障。第8章介绍面向个性化产品定制的可重构车间调度理论，首先对资源重构与调度进行关系分析和框架介绍，引入本体语义技术，提出知识驱动的资源重构机制和基于强化学习的自适应调度方法，用于支撑生产异常情况下个性化产品的自适应生产调度。第9章针对设备动态重构在生产线运行时面临的实时性和可靠性的挑战，从设备控制系统领域模型的设计、可重构运动内核环境的实现、自适应重构机制的构建三个方面阐述设备运动控制系统如何适应个性化产品定制对资源重构的严苛要求。基于IEC 61499国际标准，我们开发了适应于动态资源重构的网络化运动控制内核，证明了所提运动控制系统可重构方法的有效性。第10章介绍智能生产线的运行管控实施技术，包括如何构建车间的私有云架构，如何采用云原生技术实现面向个性化生产线设计、管控运行的微服务架构，并以华南理工大学个性化定制智能生产线的运行为例，验证了本书中即插即生产相关技术的可行性。
本书由李迪教授、唐浩博士、周楠博士和王忠锋研究员合著，华南理工大学研究生王戈、姚侠楠、张柳、罗子仁、杨泽霖等为本书实例整理和编写提供了支持和帮助。全书由李迪审校。
本书是国家重点研发计划“网络协同制造和智能工厂”重点专项项目（2018YFB1700500）的研究成果总结，在此特向科学技术部表示衷心的感谢。
本书的编写不仅集成了作者对信息物理融合制造系统、智能生产线、个性化定制生产长期的关注、研究和思考，还参考了国内外一些研究学者的思想观点，在此谨向他们表示感谢。同时，特别感谢华南理工大学、中国科学院沈阳自动化研究所、东北大学、华中科技大学、浙江大学、上海交通大学、大连理工大学、海南大学、广州中国科学院沈阳自动化研究所分所、武汉华创动力智能科技有限公司等单位在本书收集资料过程中给予的大力支持和帮助。
由于作者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

作者
2021年12月22日

前言
第1章　绪论1
1.1　个性化定制是未来制造的趋势1
1.2　制造系统及其演变3
1.3　信息物理融合系统概念5
1.4　信息物理融合生产系统是个性化定制智能生产的关键7
参考文献9
第2章　个性化定制智能生产线的设计与运行架构12
2.1　引言12
2.2　个性化定制智能生产线的设计需求14
2.2.1　生产线的功能验证14
2.2.2　生产线的性能仿真14
2.2.3　生产线的虚拟调试15
2.3　个性化定制智能生产线的运行需求16
2.4　个性化定制智能生产线的设计与运行架构17
2.4.1　相关架构18
2.4.2　基于组件模型的个性化定制智能生产线的设计与运行架构19
2.5　个性化礼盒生产线原型平台实例20
2.5.1　UGBP的设计目标20
2.5.2　UGBP的硬件分布及网络构成21
2.5.3　UGBP的产品工艺路线28
2.6　结论30
参考文献30
第3章　个性化定制智能生产线的信息物理融合组件32
3.1　引言32
3.2　组件的设计方法33
3.2.1　组件的定义33
3.2.2　组件的多粒度、多视角建模方法35
3.2.3　组件的通用信息定义37
3.3　基于 AutomationML 的组件建模38
3.3.1　产品、资源、工艺组件的多粒度设计38
3.3.2　产品、资源、工艺组件的多视角建模42
3.4　结论51
参考文献51
第4章　个性化定制智能生产线形式化方法54
4.1　引言54
4.1.1　组件建模54
4.1.2　形式化验证55
4.2　智能生产线形式化建模架构56
4.3　智能生产线形式化建模57
4.3.1　基于EFPD智能生产线PPR组件定义58
4.3.2　工艺组件的形式化定义60
4.3.3　产品组件的形式化定义61
4.3.4　资源组件的形式化定义62
4.3.5　组件交互语义的形式化定义62
4.3.6　基于有色Petri网的形式化模型转换方法63
4.4　组件形式化建模与仿真实例65
4.4.1　组件的模型验证机制65
4.4.2　组件形式化建模实例67
4.4.3　形式化模型验证结果与仿真分析68
4.5　结论71
参考文献71
第5章　设备控制系统的形式化方法74
5.1　引言74
5.2　设备控制系统的形式化建模方法概述75
5.3　设备控制系统的形式化建模语言的语法定义77
5.3.1　语法定义77
5.3.2　基于IEC 61499标准的语法定义80
5.4　设备控制系统的形式化建模语言的语义定义82
5.4.1　基于标记变迁系统的操作语义82
5.4.2　面向时间自动机的转换语义89
5.5　实例94
5.6　结论96
参考文献97
第6章　个性化定制智能生产线的设计工具99
6.1　引言99
6.1.1　智能生产线的模型驱动设计99
6.1.2　智能生产线组件的信息集成101
6.1.3　智能生产线的设计工具链102
6.2　智能生产线的模型驱动设计方法102
6.2.1　模型驱动设计流程103
6.2.2　模型集成架构设计105
6.2.3　模型构建与转换106
6.3　智能生产线的模型驱动工具链的设计与实现108
6.3.1　工具集成平台的选用108
6.3.2　模型驱动工具链的定义109
6.3.3　模型驱动工具链的实现110
6.4　智能生产线的模型驱动工具链集成平台116
6.4.1　模型构建117
6.4.2　规划调度118
6.4.3　模型验证121
6.4.4　虚拟调试124
6.5　结论126
参考文献126
第7章　即插即生产信息物理融合框架及智能适配器129
7.1　引言129
7.2　即插即生产信息物理融合框架131
7.2.1　异构组件的集成方式131
7.2.2　基于中间件的信息物理融合运行框架132
7.2.3　基于服务的中间件与组件交互过程133
7.3　资源适配器134
7.3.1　资源适配器运行机制134
7.3.2　资源适配器实现方案136
7.4　产品适配器142
7.4.1　产品适配器运行机制142
7.4.2　产品适配器实现方案144
7.5　软件适配器149
7.5.1　软件组件AML建模149
7.5.2　软件适配器运行机制152
7.5.3　软件适配器实现方案153
7.6　结论155
参考文献155
第8章　个性化定制智能生产线的资源重构与生产调度158
8.1　引言158
8.1.1　可重构制造系统的研究现状159
8.1.2　资源重构方法的研究现状160
8.1.3　生产调度优化方法的研究现状160
8.2　资源重构与生产调度的二元闭环结构161
8.2.1　资源重构与生产调度的关系分析161
8.2.2　可重构生产线的“对象–过程”建模 163
8.3　本体知识驱动的资源重构机制168
8.3.1　资源重构概念的本体模型168
8.3.2　基于本体映射的多层级匹配方法173
8.3.3　语义推理规则与语义查询语句177
8.4　基于强化学习的自适应生产调度方法182
8.4.1　生产调度的 SMDP 建模182
8.4.2　基于卷积神经网络近似的模型求解方法190
8.5　实例192
8.5.1　资源重构触发实例192
8.5.2　生产调度实例194
8.6　结论198
参考文献198
第9章　设备控制系统的动态重构205
9.1　引言205
9.2　运动控制系统建模语言的元模型概念207
9.2.1　基于MetaGME工具的元模型概念207
9.2.2　设备控制系统组件的元模型概念208
9.3　设备控制系统实时可重构运动内核运行环境的设计211
9.3.1　控制系统的可重构性实现方案211
9.3.2　组件化的内核运行与任务调度框架设计214
9.3.3　基于 IEC 61499标准管理命令的动态重构模块218
9.4　实例222
9.5　结论227
参考文献228
第10章　智能生产线的运行管控实施技术230
10.1　引言230
10.2　智能生产线的运行管控基本架