智能制造系統(tǒng)設(shè)計教學大綱

《智能制造系統(tǒng)設(shè)計》課程教學大綱課程名稱智能制造系統(tǒng)設(shè)計DesignofIntelligentManufacturingSystem開課單位********課程性質(zhì)****課程類別*******課程代碼********學分3總學時48理論學時40實驗學時8上機學時實踐學時適用專業(yè)智能制造工程先修課程高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、機械制造技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)等授課語言中文一、課程簡介（一）課程中文簡介“新一代人工智能正在全球范圍內(nèi)蓬勃興起，要以智能制造為主攻方向，促進我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價值鏈中高端”?！吨悄苤圃煜到y(tǒng)設(shè)計》是智能制造專業(yè)的核心課程。本課程全面貫徹教育部提出的“推動現(xiàn)有工科交叉復(fù)合、工科與其他學科交叉融合、應(yīng)用理科向工科延伸，形成新興交叉學科專業(yè)，培育新的工科領(lǐng)域”的政策，促進人工智能賦能傳統(tǒng)制造。該課程以“深度運籌學”為理論基礎(chǔ)，打破制造、管理中的信息孤島，形成智能制造系統(tǒng)設(shè)計體系。通過該課程的學習，掌握智能制造體系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和基本方法。了解智能制造在國內(nèi)外的歷史及現(xiàn)狀，理解智能制造的發(fā)展趨勢，明確制造系統(tǒng)核心為關(guān)系研究。通過智能制造系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)的學習，掌握智能制造體系設(shè)計的數(shù)學基礎(chǔ)掌握智能制造體系設(shè)計的底層建模邏輯。通過智能制造體系設(shè)計目標學習，掌握設(shè)計落腳點是質(zhì)量、效率與安全，并最終落實到產(chǎn)品成本上，熟悉工廠運行的主要管理體系及法規(guī)要求，掌握發(fā)現(xiàn)問題與設(shè)計約束方法。通過設(shè)計對象—智能制造模塊的學習，掌握智能制造體系基本組成及要求，各模塊的運行原理、機制及軟硬件，不同類型制造企業(yè)的運行特點，熟悉各模塊的銜接。通過設(shè)計方法—深度運籌學的學習，掌握以運籌學為底層邏輯，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建立系統(tǒng)模型，通過圖深度學習尋找智能制造系統(tǒng)的“滿意解”，從而創(chuàng)新系統(tǒng)運行準則，掌握相應(yīng)的設(shè)計方法及優(yōu)化方法。通過智能制造設(shè)計過程的學習，掌握以8D報告為模板的智能制造體系設(shè)計步驟，理解智能制造系統(tǒng)的MES、ERP、APS，CRM，WMS、PLM等構(gòu)成的多尺度復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，圍繞生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化、物流路徑規(guī)劃、客戶關(guān)系優(yōu)化、產(chǎn)品研發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)安全等，掌握智能制造的工業(yè)數(shù)據(jù)管理、工業(yè)信息安全和二次開發(fā)。通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的挖掘和深度學習，掌握以深度運籌為核心、Pytorch為平臺的智能制造系統(tǒng)設(shè)計項目。（二）課程英文簡介"Thenewgenerationofartificialintelligenceisboomingaroundtheworld,anditisnecessarytotakeintelligentmanufacturingasthemaindirectiontopromoteChina'sindustrytothemiddleandhighendoftheglobalvaluechain."IntelligentManufacturingSystemDesignisthecorecourseofintelligentmanufacturing.ThiscoursefullyimplementstheMinistryofEducation'sproposalof"promotingthecross-compoundingofexistingengineering,thecross-integrationofengineeringandotherdisciplines,theextensionofappliedsciencetoengineering,theformationofemerginginterdisciplinarymajors,andthecultivationofnewengineeringfields",andpromotesartificialintelligencetoempowertraditionalmanufacturing.Thiscourseisbasedonthetheoryof"deepoperationalresearch",breakingtheinformationislandinmanufacturingandmanagement,andformingthedesignsystemofintelligentmanufacturingsystem.Throughthestudyofthecourse,thestudentsmasterthebasictheoryandbasicmethodofitsdesign.Andtheygraspthehistoryandstatusquoofintelligentmanufacturingathomeandabroad,graspthedevelopmenttrendofintelligentmanufacturing,andmasterthecoreofmanufacturingsystemistherelationshipresearch.Throughthestudyofthedesignbasisofintelligentmanufacturingsystem,masterthemathematicalbasisandtheunderlyingmodelinglogic.Throughthedesigngoallearningofintelligentmanufacturingsystem,masterthedesignfocusisquality,efficiency,safetyandtheproductcost,graspthemainmanagementsystemandregulatoryrequirementsoffactoryoperationandmasterthemethodoffindingproblemsanddesignconstraints.Throughthestudyofdesignobject-intelligentmanufacturingmodule,theygraspthebasiccompositionandrequirementsofintelligentmanufacturingsystem,operationprinciple,mechanismandsoftwareandhardwareofeachmodule,operationcharacteristicsofdifferenttypesofmanufacturingenterprises,andgetfamiliarwiththeconnectionofeachmodule.Throughthestudyofthedesignmethod-deepoperationsresearch,mastertheestablishmentofsystemmodelswithcomplexnetworksbasedontheunderlyinglogicofoperationsresearch,andfindthe"satisfactorysolution"ofintelligentmanufacturingsystemthroughgraphdeeplearning,soastoinnovatetheoperatingcriteriaofthesystemandmasterthecorrespondingdesignmethodsandoptimizationmethods.Throughthelearningofintelligentmanufacturingdesignprocess,masterthedesignstepsofintelligentmanufacturingsystembasedon8Dreportasatemplate,masterthecomplexnetworkstructuredesignstepsofintelligentmanufacturingsystem,masterthecorrespondingdesignmethodsandoptimizationmethods.Understandthemulti-scalecomplexnetworkofMES,ERP,APS,CRM,WMS,PLMandothercomponentsofintelligentmanufacturingsystem,andmastertheindustrialdatamanagement,industrialinformationsecurityandsecondarydevelopmentofintelligentmanufacturingaroundproductionschedulingoptimization,logisticspathplanning,customerrelationshipoptimization,productresearchanddevelopment,andnetworksecurity.Throughminingindustrialdataanddeeplearning,mastertheintelligentmanufacturingsystemdesignprojectwithdeepoperationresearchasthecoreandPytorchastheplatform.二、課程目標及其對畢業(yè)要求的支撐（一）課程目標通過該課程的學習，能運用智能制造系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和基本方法，全面落實習近平總書記要求：要以智能制造為主攻方向，促進我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價值鏈中高端。能運用工廠運行的主要管理體系及法規(guī)要求，提出問題與設(shè)計約束。熟悉智能制造體系基本組成及要求，能運用以深度運籌學為底層邏輯，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建立系統(tǒng)模型，通過圖深度學習尋找智能制造系統(tǒng)的“滿意解”，從而提出系統(tǒng)運行的新準則。能運用以8D報告為模板的智能制造體系設(shè)計步驟，確定智能制造系統(tǒng)構(gòu)成的多尺度復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，具備以深度運籌為核心、Pytorch為平臺的智能制造系統(tǒng)設(shè)計項目的能力。課程目標1（知識目標）：能夠運用智能制造系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和基本方法；課程目標2（能力目標）：能設(shè)計以深度運籌為核心的智能制造系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)項目；課程目標3（素質(zhì)目標）：能夠以深度運籌學為底層邏輯，建立系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。（二）課程目標對畢業(yè)要求的支撐畢業(yè)要求畢業(yè)要求分解指標點課程目標1.工程知識：能夠?qū)?shù)學、自然科學、計算、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決智能制造領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。1.4掌握解決工程問題的基本思路和方法，具備綜合應(yīng)用智能制造工程專業(yè)知識解決復(fù)雜機械系統(tǒng)工程技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題的能力。12.問題分析：能夠應(yīng)用數(shù)學、自然科學和工程科學的第一性原理，識別、表達并通過文獻研究分析智能制造領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問題，綜合考慮可持續(xù)發(fā)展的要求，以獲得有效結(jié)論。2.3認識到智能制造工程技術(shù)復(fù)雜工程問題解決方案的多樣性，能夠借助文獻研究，分析智能制造工程技術(shù)復(fù)雜工程問題的影響因素，并獲取有效結(jié)論。23.設(shè)計/開發(fā)解決方案：能夠針對智能制造領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問題開發(fā)和設(shè)計解決方案，設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，體現(xiàn)創(chuàng)新性，并從健康與安全、全生命周期成本與凈零碳要求、法律與倫理、社會與文化等角度考慮可行性。3.2能夠針對智能制造工程技術(shù)復(fù)雜工程問題進行智能制造系統(tǒng)的開發(fā)和優(yōu)化，提出合理的設(shè)計、運行與管理技術(shù)方案，并體現(xiàn)創(chuàng)新意識。35.使用現(xiàn)代工具：能夠針對智能制造領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性。5.1具備以深度運籌為核心、Pytorch為平臺的智能制造系統(tǒng)設(shè)計項目的能力。28.個人與團隊：能夠在多樣化、多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。8.3能夠在多學科背景下的團隊中，作為負責人，熟悉本專業(yè)相關(guān)的跨學科領(lǐng)域的基本理論，有效組織、協(xié)調(diào)團隊工作，并進行合理決策。39.溝通：能夠就智能制造領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設(shè)計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應(yīng)指令；能夠在跨文化背景下進行溝通和交流，理解、尊重語言和文化差異。9.2具備一定的國際視野，能夠閱讀并理解外文科技文獻，了解專業(yè)領(lǐng)域的國際發(fā)展趨勢，較熟練地使用外語進行溝通和交流。110.項目管理：理解并掌握智能制造領(lǐng)域工程項目相關(guān)的管理原理與經(jīng)濟決策方法，并能夠在多學科環(huán)境中應(yīng)用。10.1掌握工程管理的相關(guān)原理知識和經(jīng)濟決策方法，了解智能制造系統(tǒng)中涉及的工程管理與經(jīng)濟決策問題。三、課程教學內(nèi)容第一章緒論—制造系統(tǒng)核心關(guān)系研究教學目的與要求：通過緒論講解，掌握智能制造在國內(nèi)外的歷史及現(xiàn)狀，理解智能制造設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計的差異，明確深度運籌是系統(tǒng)設(shè)計的底層邏輯，智能制造系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵。教學重點與難點：重點：系統(tǒng)設(shè)計的底層邏輯難點：系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵支撐的課程目標：本章支撐課程目標1（“能夠運用智能制造系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和基本方法”）第一節(jié)智能制造系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)狀一、智能制造系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)狀二、智能制造系統(tǒng)設(shè)計面臨的問題第二節(jié)智能制造系統(tǒng)設(shè)計的底層邏輯一、圖論是智能制造系統(tǒng)設(shè)計的基石二、運籌學是智能制造系統(tǒng)設(shè)計的底層邏輯第三節(jié)智能制造系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵一、異構(gòu)張量—實現(xiàn)四流融合二、標簽—利用經(jīng)驗提升預(yù)測能力三、中心性—量化節(jié)點重要程度四、層析池化—多級網(wǎng)絡(luò)的信息匯聚五、圖預(yù)測—智能制造系統(tǒng)的求解工具六、符號回歸—發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)中的深層規(guī)律第二章智能制造系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)教學目的與要求：通過智能制造系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)的講解，理解智能制造體系的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，掌握智能制造體系設(shè)計的基本理論和底層邏輯。教學重點與難點：重點：運籌學難點：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)支撐的課程目標：本章支撐課程目標1（“能夠運用智能制造系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和基本方法”）第一節(jié)數(shù)學簡介一、數(shù)學全貌，尤其是《高等數(shù)學》之后的近現(xiàn)代數(shù)學；二、現(xiàn)代數(shù)學在智能制造系統(tǒng)中的基本原理和核心概念；三、數(shù)學方法在制造過程優(yōu)化、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、質(zhì)量控制等方面的具體應(yīng)用。第二節(jié)圖論一、圖論基本概念和實際應(yīng)用中的含義；二、圖的分類、性質(zhì)及在智能制造中的具體應(yīng)用；三、復(fù)雜圖與簡單圖在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中嵌入；四、譜圖論的基礎(chǔ)知識，分析和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第三節(jié)隨機過程一、隨機過程的基本定義、分類和性質(zhì)；二、常見隨機過程模型及應(yīng)用場景；三、隨機過程的統(tǒng)計特性及動態(tài)行為；四、隨機微分過程建模。第四節(jié)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)一、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本概念與特征；二、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析；三、異構(gòu)張量與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。第五節(jié)運籌學一、運籌學簡介-理論基礎(chǔ)；二、運籌學的核心-八大分支；三、運籌學應(yīng)用的方法。第六節(jié)力學簡介一、基礎(chǔ)力學；二、固體力學；三、振動力學；四、流體力學；五、流變學；六、熱力學；七、本構(gòu)建模法則。第7節(jié)振動與噪聲一、振動系統(tǒng)力學模型-基本元素；二、建立振動微分方程-拉格朗日方程法；三、振動系統(tǒng)固有特性-如何分析；四、振動系統(tǒng)隔振-降低振動危害；五、噪聲分析基礎(chǔ)-基本物理量；六、噪聲評價與降噪-減少噪聲影響；七、振動與噪聲在智能制造中應(yīng)用-工業(yè)的耳朵。第8節(jié)數(shù)字圖像處理一、數(shù)字圖像的基本概念；二、數(shù)字圖像處理的主要算法。第三章設(shè)計目標-發(fā)現(xiàn)問題與設(shè)計約束教學目的與要求：智能制造系統(tǒng)設(shè)計的目標是提高質(zhì)量、效率與安全，并最終體現(xiàn)在運營成本上。通過本章學習，熟悉質(zhì)量、效率、安全與成本的基本概念、評級標準和分析工具，能夠提取系統(tǒng)的問題并為設(shè)計設(shè)置優(yōu)化條件，從而找出智能制造系統(tǒng)的斷點。教學重點與難點：重點：系統(tǒng)分析工具難點：提取系統(tǒng)問題支撐的課程目標：本章支撐課程目標1（“能夠運用智能制造系統(tǒng)設(shè)計的基本理論和基本方法”）第一節(jié)質(zhì)量工程一、質(zhì)量體系簡介-保證生產(chǎn)效果；二、質(zhì)量體系內(nèi)容-7大原則；三、質(zhì)量體系5大工具；四、質(zhì)量管理7大工具；五、CPK過程能力指數(shù)。六、質(zhì)量工程與智能制造的關(guān)系-提取質(zhì)量問題第二節(jié)工業(yè)工程一、工業(yè)工程的核心-提高整體效率；二、工業(yè)工程的關(guān)鍵-八大浪費；三、工作研究的方法與技術(shù)-發(fā)現(xiàn)問題；四、現(xiàn)場改善-確定問題背后的問題；五、制程防呆-避免問題。六、工業(yè)工程與智能制造的關(guān)系-提取效率問題第三節(jié)安全工程一、安全事故的分類以及企業(yè)中傷亡程度的界定；二、多數(shù)學交叉的安全評估方法；三、事故樹中的事件和邏輯門的定義及作用；四、能量法在安全工程中的重要作用；五、安全工程與智能制造的關(guān)系-提取安全問題。第四節(jié)成本管理一、公司種類及承擔責任。二、成本分析方法。三、成本管理工程與智能制造的關(guān)系-提取競爭力問題。第四章設(shè)計對象—智能制造模塊教學目的與要求：通過智能制造模塊的講解，掌握智能制造體系基本組成及要求，各模塊的運行原理、機制及軟硬件，不同類型制造企業(yè)的運行特點，熟悉各模塊的銜接。教學重點與難點：重點：智能制造體系基本組成及要求難點：各模塊的運行原理、機制及算法支撐的課程目標：本章支撐課程目標2（“能設(shè)計以深度運籌為核心的智能制造系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)項目”）第一節(jié)ERP一、ERP的基本概念、理論和算法二、ERP對物質(zhì)資源、資金資源和信息資源管理。第二節(jié)MES一、MES的基本概念、理論和算法二、MES對制造過程的整體評測和優(yōu)化第三節(jié)APS一、APS的基本概念、理論和算法二、業(yè)務(wù)模型、模擬及數(shù)學算法。第四節(jié)WMS一、WMS的基本概念、理論和算法；二、虛倉管理、即時庫存管理及物流成本管理。第五節(jié)PLM一、PLM的基本概念、理論和算法；二、產(chǎn)品生命周期項目管理；三、數(shù)字化仿真和保密管理。第六節(jié)CRM一、CRM的基本概念、理論和算法二、客戶關(guān)系管理、4P及分析。第五章設(shè)計方法—深度運籌學習教學目的與要求：深度運籌學理論是智能制造設(shè)計的方法基礎(chǔ)，它以運籌學為底層邏輯，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建立系統(tǒng)模型，通過圖深度學習尋找智能制造系統(tǒng)的“滿意解”，從而創(chuàng)新系統(tǒng)運行準則。教學重點與難點：重點：深度運籌學難點：圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支撐的課程目標：本章支撐課程目標3（“能夠以深度運籌學為底層邏輯，建立系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型”）第一節(jié)算法一、常見的深度學習算法；二、算法的改進。第二節(jié)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一、圖深度學習入門；二、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；三、訓練和優(yōu)化圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；四、應(yīng)用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。第三節(jié)深度運籌學一、深度運籌學的概念；二、深度運籌學的作用；三、深度運籌學實例應(yīng)用。第四節(jié)學習平臺Pytorch一、Python和PyTorch的基本概念；二、Python和PyTorch的安裝及運行。第六章設(shè)計過程—8D報告教學目的與要求：通過對質(zhì)量體系中問題整改方法8D報告的講解，掌握智能制造體系的設(shè)計步驟，掌握相應(yīng)的設(shè)計方法及優(yōu)化方法。教學重點與難點：重點：8D報告難點：智能制造的調(diào)研支撐的課程目標：本章支撐課程目標3（“能夠以深度運籌學為底層邏輯，建立系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型”）第一節(jié)8D報告一、8D報告中的基本步驟和質(zhì)量工具二、8D報告實例第二節(jié)設(shè)計過程一、調(diào)研二、藍圖三、實施四、上線優(yōu)化五、持續(xù)改進四、實驗（實踐）環(huán)節(jié)及要求無五、課程思政育人（一）課程思政教學總體設(shè)計思路（200-300字）該課程從習近平總書記的要求“新一代人工智能正在全球范圍內(nèi)蓬勃興起，要以智能制造為主攻方向，促進我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價值鏈中高端”入手，強化學生的使命擔當。通過講解黨的二十大報告中堅持把發(fā)展經(jīng)濟的著力點放在實體經(jīng)濟上，推進新型工業(yè)化，加快建設(shè)制造強國、質(zhì)量強國、航天強國、交通強國、網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國；學習黨的二十屆三中全會提出的“新質(zhì)生產(chǎn)力是創(chuàng)新起主導作用，擺脫傳統(tǒng)經(jīng)濟增長方式、生產(chǎn)力發(fā)展路徑，具有高科技、高效能、高質(zhì)量特征，符合新發(fā)展理念的先進生產(chǎn)力質(zhì)態(tài)”；全面貫徹教育部提出的“推動現(xiàn)有工科交叉復(fù)合、工科與其他學科交叉融合、應(yīng)用理科向工科延伸，形成新興交叉學科專業(yè)，培育新的工科領(lǐng)域”