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在過去的10年里，數(shù)字計(jì)算和通信的發(fā)展從根本上改變了制造工廠的運(yùn)營模式。智能制造通過工業(yè)自動(dòng)化與信息技術(shù)（IT）的融合，將很快提升工廠的生產(chǎn)靈活性，并可節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、降低成本、提高質(zhì)量和人身安全，從而使工廠的生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到大幅度的優(yōu)化提高。這種新興的智能制造技術(shù)正在經(jīng)歷如下3個(gè)階段。
德國政府實(shí)施智能工廠的主要原因，還是想將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息和通信技術(shù)集成到傳統(tǒng)的制造業(yè)，以維持其全球市場領(lǐng)導(dǎo)地位，并為推廣CPS技術(shù)和產(chǎn)品建立和培育新的市場，成為智能制造技術(shù)的主要供應(yīng)大國。
第一階段——車間、企業(yè)集成
這是一種貫穿車間、跨越企業(yè)的全局制造業(yè)數(shù)據(jù)集成，將顯著改善成本、安全和環(huán)境的影響，具有重大的意義。
在這一階段，智能制造將工廠企業(yè)互連，更好地協(xié)調(diào)制造生產(chǎn)的各個(gè)階段，推進(jìn)車間生產(chǎn)效率的提高。典型的制造車間使用信息技術(shù)、傳感器、智能電動(dòng)機(jī)、電腦控制、生產(chǎn)管理軟件等來管理每個(gè)特定階段或生產(chǎn)過程的操作。然而，這僅僅解決了一個(gè)局部制造島的效率，并非全企業(yè)。
智能制造將整合這些制造島嶼，使整個(gè)工廠共享數(shù)據(jù)。機(jī)器收集的數(shù)據(jù)和人類智慧相互融合，推進(jìn)了車間級優(yōu)化和企業(yè)范圍管理目標(biāo)，包括經(jīng)濟(jì)效益大幅增加、人身安全和環(huán)境可持續(xù)性的實(shí)現(xiàn)。這種“制造智能”的出現(xiàn)將開啟智能制造的第二階段。
第二階段——從車間優(yōu)化到制造智能
這些數(shù)據(jù)配合先進(jìn)計(jì)算機(jī)仿真和建模，將創(chuàng)建強(qiáng)大的“制造智能”，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的變化、柔性制造、最佳生產(chǎn)速度和更快的產(chǎn)品定制。
這一階段應(yīng)用高性能計(jì)算平臺（云計(jì)算）連接各個(gè)工廠和企業(yè)，進(jìn)行建模、仿真和數(shù)據(jù)集成，可以在整個(gè)工廠內(nèi)建立更高水平的制造智能。為了節(jié)約能源、優(yōu)化產(chǎn)品的制造交付，整條生產(chǎn)線和全車間將實(shí)時(shí)、靈活改變運(yùn)行速度，當(dāng)然現(xiàn)在是不可行的。企業(yè)可以開發(fā)先進(jìn)的模型并模擬生產(chǎn)流程，改善當(dāng)前和未來的業(yè)務(wù)流程。例如，制造商能使用納米技術(shù)開發(fā)大量制造產(chǎn)品和設(shè)備的模型。納米技術(shù)是極端小型化高度復(fù)雜設(shè)備、系統(tǒng)和材料的發(fā)展產(chǎn)物。人們普遍預(yù)言：一場行業(yè)技術(shù)和行業(yè)的革新，需要更小、更強(qiáng)、更輕材料和強(qiáng)大精密設(shè)備。
第三階段——制造知識重整市場秩序
隨著制造智能技術(shù)的進(jìn)步，將激勵(lì)制造過程和產(chǎn)品創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)智能制造，顛覆主要市場秩序。
這一階段將廣泛應(yīng)用信息技術(shù)來改變商業(yè)模式，消費(fèi)者習(xí)慣的100多年的大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)供應(yīng)鏈將完全顛覆。靈活可重構(gòu)工廠和IT最優(yōu)化供應(yīng)鏈將改變生產(chǎn)過程，允許制造商按個(gè)人需求定制產(chǎn)品，如同生產(chǎn)藥物特定劑量和配方一樣，客戶會(huì)“告訴”工廠生產(chǎn)什么樣式的汽車，構(gòu)建什么功能的個(gè)人電腦，如何定制一款完美的牛仔褲……這種極富戲劇性的競爭力至關(guān)重要, 越來越多的生產(chǎn)知識創(chuàng)新奠定了智能制造的第三階段。這些改變不會(huì)停留在量變層面上，它們將徹底改變游戲規(guī)則，使產(chǎn)品和工藝市場發(fā)生顛覆性變化。
智能制造是一種高度網(wǎng)絡(luò)連接、知識驅(qū)動(dòng)的制造模式，它優(yōu)化了企業(yè)全部業(yè)務(wù)和作業(yè)流程，可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)力增長、能源可持續(xù)利用、高經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)。智能制造結(jié)合信息技術(shù)、工程技術(shù)和人類智慧，從根本上改變產(chǎn)品研發(fā)、制造、運(yùn)輸和銷售過程，通過零排放、零事故制造提高人身安全、保護(hù)環(huán)境。
要實(shí)現(xiàn)一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能制造，必須在信息實(shí)時(shí)自動(dòng)化識別處理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息物理融合系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全等方面得到突破，這其中涉及到如下智能制造的關(guān)鍵技術(shù)。
1.射頻識別技術(shù)
射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)又稱為無線射頻識別，是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間進(jìn)行機(jī)械或光學(xué)接觸。射頻識別是一種自動(dòng)識別技術(shù)，它將小型的無線設(shè)備貼在物件表面，并采用RFID閱讀器進(jìn)行自動(dòng)的遠(yuǎn)距離讀取，提供了一種精確、自動(dòng)、快速的記錄和收集目標(biāo)的工具。
新一代RFID芯片除了天線端口外，還提供了一條I2C總線連接，因此可以直接連接到微控制器和ASIC上。這就意味著它為后續(xù)的用戶化功能定制開辟了新的道路，可以向最終用戶提供多樣化的服務(wù)，如采用藍(lán)牙通信協(xié)議的RFID可以使用普通手機(jī)作為RFID閱讀器。此外，這種I2C技術(shù)還可以連接上各種傳感器，構(gòu)成簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2.實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)
在實(shí)際生產(chǎn)制造現(xiàn)場，需要對多種材料、零件、工具、設(shè)備等資產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤管理；在制造的某個(gè)階段，材料、零件、工具等需要及時(shí)到位和撤離；生產(chǎn)過程中，需要監(jiān)視在制品的位置行蹤，以及材料、零件、工具的存放位置等。這樣，在生產(chǎn)系統(tǒng)中需要建立一個(gè)實(shí)時(shí)定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以完成生產(chǎn)全程中角色的實(shí)時(shí)位置跟蹤。
實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（Real Time Location System，RTLS）由無線信號接收傳感器和標(biāo)簽無線信號發(fā)射器等組成。一般地，被跟蹤目標(biāo)貼上有源RFID標(biāo)簽，在室內(nèi)布置3個(gè)以上閱讀器天線，使用有源RFID標(biāo)簽來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置；3個(gè)閱讀器天線接收到標(biāo)簽的廣播信號，每個(gè)信號將接收時(shí)間傳遞到一個(gè)軟件系統(tǒng)，使用三角測量來計(jì)算目標(biāo)位置。
3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
今天的工廠布置了越來越多的檢測點(diǎn)，產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)容易被機(jī)器自動(dòng)收集處理，但是人類可以不處理它們。因此，如果機(jī)器在某個(gè)生產(chǎn)區(qū)域可以彼此交流的話，那是相當(dāng)有用的。通過創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)化的檢測環(huán)境，許多處理過程可以做得更加高效、柔性和低成本。非常小的、低成本的無線傳感器分布在生產(chǎn)工廠里，允許對象注冊它們的環(huán)境和無線通信；幾種不同類型的傳感器技術(shù)，如光電、壓力、溫度和紅外傳感器共同努力創(chuàng)建一個(gè)整體情況描述，感受目前環(huán)境發(fā)生變化的一切。
在未來的工廠里，產(chǎn)品和生產(chǎn)設(shè)施將成為活躍的系統(tǒng)組件，控制著自己的生產(chǎn)和物流，它們將構(gòu)成一個(gè)信息物理融合系統(tǒng)——連接互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)空間與現(xiàn)實(shí)物理世界。然而，不同于當(dāng)前機(jī)電一體化系統(tǒng)，它們具有與環(huán)境交互的能力，可以規(guī)劃和調(diào)整自己的行為來適應(yīng)環(huán)境，并且學(xué)習(xí)新的行為模式和策略，從而進(jìn)行自我優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最小批量的快速產(chǎn)品轉(zhuǎn)化和多品種的高效率生產(chǎn)。嵌入式傳感器/致動(dòng)器組件、機(jī)器/機(jī)器通信交流和主動(dòng)語義產(chǎn)品記憶催生了在工業(yè)環(huán)境中節(jié)約資源的優(yōu)化方法，這將促進(jìn)未來工廠以一個(gè)合理的成本實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和復(fù)雜生產(chǎn)。
在生產(chǎn)系統(tǒng)中，要合理利用無線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)吞吐量大小、數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性等特點(diǎn)實(shí)施不同的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如監(jiān)督通信、分散過程控制、無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、故障信息報(bào)警、實(shí)時(shí)定位可分別采用WLAN、RFID、ZigBee/Bluetooth、GPRS、UWB等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
4.信息物理融合系統(tǒng)
信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）也稱為“虛擬網(wǎng)絡(luò)-實(shí)體物理”生產(chǎn)系統(tǒng)，它將徹底改變傳統(tǒng)制造業(yè)邏輯。在這樣的系統(tǒng)中，一個(gè)工件就能算出自己需要哪些服務(wù)。通過數(shù)字化逐步升級現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施，這樣生產(chǎn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全新的體系結(jié)構(gòu)。這意味著這一概念不僅可在全新的工廠得以實(shí)現(xiàn)，而且能在現(xiàn)有工廠一步步升級的過程中得到升華。
在當(dāng)前的工業(yè)制造環(huán)境中，已經(jīng)可以看到將要改變的跡象，從僵化的中央工業(yè)控制轉(zhuǎn)變到分布式智能控制。大量的傳感器以令人難以置信的精度記錄著它們的環(huán)境，并作為一個(gè)獨(dú)立于中心生產(chǎn)控制系統(tǒng)的嵌入式處理器系統(tǒng)作出自己的決策?，F(xiàn)在唯一缺少的是綜合無線網(wǎng)絡(luò)組件，它能實(shí)現(xiàn)永久的交換信息，在復(fù)雜事件、臨界狀態(tài)和情景感知中綜合不同傳感器評估識別，并基于這些感知處理并制定進(jìn)一步的行動(dòng)計(jì)劃。
CPS是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。CPS系統(tǒng)把計(jì)算與通信深深地嵌入實(shí)物過程，使之與實(shí)物過程密切互動(dòng)，從而給實(shí)物系統(tǒng)添加新的能力。
在美國，智能制造提得最多的核心技術(shù)稱為“信息物理融合系統(tǒng)”，而在歐洲，德國提出了工業(yè)4.0的概念，并將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為核心技術(shù)。它們的核心技術(shù)是同根同源的，都是基于互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)（智能組件），其目標(biāo)愿景也是堅(jiān)持計(jì)算和“智能”不脫離實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，最終構(gòu)建一個(gè)大規(guī)模分布式計(jì)算系統(tǒng)的系統(tǒng)。
5.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)
數(shù)字化推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展，在很大程度上得益于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，與此同時(shí)也給工廠的網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)成了威脅。以前習(xí)慣于紙質(zhì)的熟練工人，現(xiàn)在越來越依賴于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化機(jī)器和無處不在的傳感器，而技術(shù)人員的工作就是把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理部件和組件。制造過程的數(shù)字化技術(shù)資料支撐了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)的全過程，這些信息在整個(gè)供應(yīng)鏈得到了共享，但必須得以保護(hù)。工廠花費(fèi)大量的精力以保護(hù)信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)信息，并面臨一種前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。不僅需要從防范數(shù)據(jù)盜竊來保護(hù)技術(shù)資源，還必須防止網(wǎng)絡(luò)入侵破壞生產(chǎn)系統(tǒng)的安全，以避免造成正常生產(chǎn)運(yùn)行的癱瘓。
面對網(wǎng)絡(luò)安全，生產(chǎn)系統(tǒng)采取了一系列IT安全保障技術(shù)和措施，如防火墻、入侵預(yù)防、病毒掃描器、訪問控制、黑白名單、信息加密等。波音公司應(yīng)用回程連接的安全邊界技術(shù)來實(shí)施企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部IT網(wǎng)絡(luò)的隔離，取得了很好的效果。如何創(chuàng)建一個(gè)明確的責(zé)任分工及一個(gè)恰如其分的解決方案是擺在面前亟待解決的問題。
結(jié)束語
最近幾年，德國提出了工業(yè)4.0，美國提出了智能制造，智能制造的關(guān)鍵技術(shù)得到了飛速發(fā)展。它們都對未來的制造工廠描繪了一幅美好的藍(lán)圖。美國智能制造強(qiáng)調(diào)了信息物理融合系統(tǒng)，而德國工業(yè)4.0則強(qiáng)調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將未來工廠看成為一個(gè)物聯(lián)的工廠。但無論如何，其中的關(guān)鍵技術(shù)都是一樣的。
未來要在實(shí)時(shí)、可靠、高效、低成本基礎(chǔ)上解決智能制造所需的傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)，將日常生活中已有的通信設(shè)施、互聯(lián)網(wǎng)資源、個(gè)人的數(shù)字化設(shè)備終端連入未來工廠中得到充分的應(yīng)用。
智能制造的巨大優(yōu)勢在于它是可以逐漸實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用信息物理融合系統(tǒng)技術(shù)來逐步升級正在運(yùn)行的工廠，可以根據(jù)需要集成傳感器，安裝微型服務(wù)器系統(tǒng)組件取代總線系統(tǒng)。這意味著可以從單臺機(jī)器入手，然后擴(kuò)展到整個(gè)工廠。
但也應(yīng)認(rèn)識到，智能制造中的許多關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，如無線網(wǎng)絡(luò)存在過分密集的無線規(guī)劃、缺乏更多的頻率資源、容易受到環(huán)境變化攻擊、實(shí)時(shí)傳輸性能差等問題，要滿足工業(yè)的實(shí)時(shí)、可靠、高效、安全等需求，還應(yīng)在實(shí)時(shí)、高效等關(guān)鍵應(yīng)用中發(fā)揮作用。另外，實(shí)時(shí)定位存在傳感系統(tǒng)欠穩(wěn)定、精度低，沒有實(shí)時(shí)定位行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無法處理敏感信息（隱私）等問題，因而要有一個(gè)可靠、高精度的室內(nèi)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)iGPS，必須關(guān)注敏感的隱私問題。
中國在智能制造領(lǐng)域與西方發(fā)達(dá)國家尚存在一定的差距，各科研院所及企業(yè)必須共同攻關(guān)，使智能制造中的關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到工程應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)我國未來工廠智能制造的美好藍(lán)圖。
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