智能技术在制造业的应用对于全世界的科研人员及制造行业来说已经成为了一个热门话题。'Smart manufacturing' (SM)和'Intelligent manufacturing' (IM)这两个名词已被科研人员和制造业从业者作为专用术语广泛使用。虽然SM和IM看上去是类似的，但两者也有一定区别。从智能制造这一名词诞生发展至今，很少有文献考证SM与IM的定义、理念、内涵及技术发展是否一致。为了弥补这个漏洞，本研究通过对以往文献进行定性和定量的分析，系统地比较SM和IM的差异，并阐明两者之间的联系。通过对文献来源、年发行量、关键词频率和研究发展的主要领域进行文献计量分析，可以得出当前智能制造研究的范围和发展趋势。同时，本文对SM与IM的起源、定义、发展及关键技术进行讨论，并对实现架构、行业标准、国家/地区发展重点进行了比较分析。随着工业4.0的发展，人工智能迅速地应用在现代制造业与人-信息-物理系统，SM与IM这两个概念有合二为一的发展趋势，因此深入理解SM和IM变得越来越重要，本研究将为此提供支撑。
在大型化工厂中，输送液体的管道的泄漏是一个重要的问题。管道的破损不仅会影响工厂的正常运行，同时也增加了维护成本。此外，还会使操作人员的生命安全受到威胁。因此，管道泄漏的检测与定位是维护和状态监测中的关键任务。近年来，大型工厂利用红外（IR）相机进行泄漏检测。红外相机可捕捉温度比周围环境温度高（或低）的液体泄漏。本文针对化工厂中的管道泄漏，提出了一种基于红外视频数据和机器视觉技术的检测与定位方法。由于所提出的方法是以视觉技术为基础，无需考虑泄漏液体的物理性质，因此其适用于任何类型的液体（水、油等）泄漏检测。在本方法中，首先对后续帧进行减影和分块处理，然后对每一分块进行主成分分析，提取特征；接着将分块内所有减影帧都转换为特征向量（作为块分类的依据），根据特征向量，采用k-最近邻算法将块分为正常（无泄漏）和异常（泄漏）两类；最后在各异常块上确定泄漏的位置。本文使用了两种不同格式的数据集（由红外相机拍摄的实验室工厂演示装置的视频图像组成）对上述方法进行评估。结果表明，本文提出的利用红外视频进行管道泄漏检测与定位的方法前景可观，具有较高的检测精度以及合理的检测时间。本文最后讨论了该方法在工厂进行实际推广的可能性及局限性。
人类的视线可以有效地传递人们的意图，因此，视线估计方法是智能制造中意图传递的重要研究内容。很多方法通过分析眼部图像，称为眼部图像片，实现视线方向的回归运算。但是，由于眼部图像存在个体差异，这类方法很难建立一个样本无关模型进行视线估计。在本文中，作者假设人眼的外观差异与视线方向差异有直接联系。基于这个假设，本文利用双眼眼部图像片在不同视线时的图像差异估计相应两种视线的差值，构建了差分眼部外观网络（differential eyes' appearances network, DEANet），并在公共数据集中进行训练。本文提出的DEANet主要基于孪生神经网络（Siamese neural network, SNNet）构建，包含两个结构相同的网络分支。多流数据分别输入到此孪生神经网络的两个分支中。两个网络分支共享相同的权值，实现眼部图像片的特征提取，然后对特征进行拼接，从而获得视线方向的差异。只要完成了视线方向差异模型的训练，在少量的校准图像片的情况下，就可以对其他样本的视线方向差异进行估计。由于测试阶段包含了被测试者的眼部信息，因此估计精度进一步提高。此外，本文提出的方法还有效地避免了在训练样本相关模型时需要大量数据的问题。本文还提出了一种参考网格策略，以便在测试阶段有效地选择一些参考眼部图像片，将它们作为网络的一部分输入，从而进一步提高估计精度。在公共数据集上的实验表明，本文提出的方法优于当前的方法。
云制造是实现智能制造的三大关键技术之一。本文提出了一种新的基于属性的计算机辅助设计（CAD）装配模型加密方法，有效地支持云制造中协同设计场景的层次访问控制、完整性验证和变形保护。设计了装配层次访问树（AHAT）作为层次访问结构。部件密文（ACT）文件中包含与属性相关的密文元素，其适用于内容密钥解密而不是CAD装配体文件。我们修改原始的默克尔树（MT）并重建装配体MT。所提出的ABE框架具有将变形保护方法与CAD模型的内容保密性相结合的能力。在标准假设下，所提出的加密方案被证明是安全的。在典型的CAD装配模型上进行的实验仿真表明，该方法在应用中是可行的。
尽管新兴技术在制造系统中得到了广泛应用，但由于客户需求的多样性以及随机性，制造企业仍面临着如何保持高效灵活的生产的问题。由于加快订单交付速度与降低库存成本之间存在矛盾，所以制造企业如何制定合适的生产触发策略是其在动态环境中保持较高竞争力的关键所在。本文主要研究了制造企业在满足随机订单交付的同时降低库存成本的生产触发策略。提出的生产触发策略包括：时间触发策略、事件触发策略和混合触发策略。本文研究了不同生产触发策略的统一理论模型和仿真模型。在每种策略中都同时考虑并实施了零件生产触发策略和产品组装触发策略。在时间触发策略和混合触发策略中还同时考虑了触发周期对系统性能的影响。实验结果表明，如果触发周期设置合适，混合触发策略和时间触发策略能够获得比事件触发策略更快的订单交付时间和更低的库存成本。
智能工艺规划是智能制造系统中的重要组成部分。从制造流程角度出发，工艺规划（process planning, PP）连接着产品设计和实际生产，有着承上启下的关键作用。PP属于非确定性多项式时间困难（NP-hard）问题，现有的问题模型都是非线性形式，因此不能够通过求解现有模型来得到问题的精确解。从工艺网络图的拓扑结构出发，本文提出了一个全新的混合整数线性规划（mixedinteger linear programming, MILP）数学模型，并通过三种优先关系矩阵讨论了网络图中工序的优先关系。该模型能够凭借常用的数学模型求解器，如CPLEX、Gurobi等，来搜寻并获得大部分算例的最优解。该模型通过在5组公开的著名数据集上的测试，证明了其通用性和有效性。实验结果有力地说明了所提模型能够有效地解决工艺规划问题，并获得比当前最先进算法更好的解。
第五代（5G）无线通信网络有望在垂直产业转型中发挥重要的作用。在众多激动人心的5G应用中，通过车用无线通信技术（V2X）通信可更高效地执行工业园区内的物流任务。本文提出了一种基于V2X的工业园区物流管理多层协同框架。该框架包括三层：感知与执行层、物流层以及配置层。除以上三层之间的协同外，本研究还讨论了设备、边缘服务器以及云服务之间的协同。针对工业园区内的高效物流，可通过四项功能来实现任务协同，这四项功能分别是：环境感知与地图构建、任务分配、路径规划，以及车辆运动。为动态协调这些功能，将采用5G切片和V2X通信技术支持的设备边云协同。随后，利用目标级联分析法对工业园区协同方案进行配置和评估。最后，通过一工业园区物流分析案例，验证了所提出协同框架的可行性。
生物工程血管在再生医学和药物筛选等应用中的需求越来越大，但生物工程血管移植物的真正可用性仍然有限。三维（3D）生物打印技术为移植和再生提供了一种潜在的血管或血管化组织结构的制备方法。本文总结了不同血管的基本生物学特性，以及用于制备血管和血管化组织结构的3D生物打印方法和生物墨水设计，重点探讨了小口径血管。
在现代交通系统中，道路作为车辆和行人使用频率最高的民用基础设施之一，其服役状况和使用寿命直接影响通行体验和效率。因此，在路面发生不可逆损伤之前进行路面健康监测和及时养护，对于保障公共交通服务质量以及通行安全至关重要。通过路面结构动力响应监测和路面状况评估可有效表征路面损伤状况。埋入式传感器、图像处理和机器学习是目前常用的三种路面结构动力响应监测技术和分析方法。本文综述了近年来上述三种技术在路面工程中的应用现状，并阐述了这些技术在未来路面工程监测与分析中的发展方向。
废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）饮料瓶等废弃塑料和废弃橡胶轮胎为主要的城市固体废弃物，如不进行合理回收，可能会引发各种环境问题。本研究对这两种废弃物经综合处理后用作沥青路面性能增强改性剂的可行性进行了分析。通过采用三乙烯四胺（TETA）和乙醇胺（EA）对废弃PET进行处理，分析废弃PET经处理获得添加剂的回收机理，同时表征这两种添加剂在改性橡胶沥青过程中的表现。鉴于此，本文采用红外光谱和热分析法对PET添加剂（PET-TETA和PET-EA）进行了研究，进而通过红外光谱、黏度、动态剪切流变和多次应力蠕变恢复等试验对这两种PET添加剂改性的橡胶沥青进行了分析。结果表明：通过化学处理后，废弃PET可被增值回收为功能性添加剂，以提高橡胶沥青的整体性能。本研究所开发的回收方法不仅有助于缓解废弃PET塑料和废弃轮胎的填埋问题，而且可将这些废弃物转变为耐久性路面建设的高附加值新材料。
膜生物反应器（membrane bioreactor, MBR）在中国工业废水处理和回收利用领域发挥了持续性重要作用。MBR技术在其成熟应用阶段的可持续发展有赖于工程和科研双方的互惠互动。本研究针对2003—2019年投入运营和在建的共计182座处理工业废水的大型MBR工程（单体规模≥ 5000 m3·d‒1）进行了全面分析。随着MBR在各工业行业中的推广应用，累积处理规模迅速增长，超大型MBR工程在近期也得到快速发展。依据不同工业废水的特点，对处理工艺、污染物去除效率和实际运行参数进行了归纳，并与城镇污水处理进行了比较；在经济特征方面，对项目总投资、总占地面积、运行能耗等进行了分析。随着膜元件供应商和工程商的快速发展、政府项目不断增加，以及新型灵活的商业模式的发展，中国已形成一个充满活力的MBR市场。MBR技术目前多应用于各大经济带和缺水地区。考虑到工业废水处理和回收利用的巨大市场，可以预见未来MBR在中国各地的进一步推广应用。政策—经济和市场—技术两方面的驱动力表明MBR的发展与国家发展需求一致。为保持MBR的竞争力，本文基于调研和分析结果，对其在工程应用和科学研发两方面的发展进行了展望。
近年来，深度学习为一种基于二维（2D）—三维（3D）配准技术以测量人体膝关节运动的方法，该方法提供了快速完成配准并增加捕捉范围的可能性。但这类方法受限于大量的数据需求，因此，我们提出了一种基于特征的迁移学习法，用于提取荧光透视影像的特征。通过三个受试者以及不到100对荧光透视影像，我们获得了40%的平均配准成功率。本研究提出的基于学习的配准方法，可在荧光透视影像数量有限时使用。