智慧型工業

北京工商大學季鑄教授認為，智慧型工業是物理設備、電腦網路、人腦智慧相互融合、三位一體的新型工業體系。

基本介紹

• 中文名：智慧型工業
• 提出者：季鑄
• 類型：新型工業體系
• 基礎：物聯網技術的滲透和套用

簡介

智慧型工業：是將具有環境感知能力的各類終端、基於泛在技術的計算模式、移動通信等不斷融入到工業生產的各個環節，大幅提高製造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，將傳統工業提升到智慧型化的新階段。工業和信息化部制定的《物聯網“十二五”發展規劃》中將智慧型工業套用示範工程歸納為：生產過程控制、生產環境監測、製造供應鏈跟蹤、產品全生命周期監測，促進安全生產和節能減排。

智慧型工業的發展背景

18世紀，英國人瓦特發明了蒸汽機，引發了第一次工業革命，開創了以機器代替手工工具的時代。人類從此進入了工業時代。1870年以後，科學技術的發展突飛猛進，各種新技術、新發明層出不窮，並被迅速套用於工業生產，大大促進了經濟的發展。這就是第二次工業革命。當時，科學技術的突出發展主要表現在三個方面，即電力的廣泛套用、內燃機和新交通工具的創製、新通訊手段的發明。

進入21世紀以後，隨著科技的發展，以及物聯網的發展，智慧型化成為了科技發展的趨勢。工業作為社會經濟的一大主體，推動著社會的進步，其科技的發展也朝智慧型化的方向發展。英國在《經濟學人》發表文章，宣告“第三次工業革命”的來臨：十八世紀末在英國發足的第一次工業革命，以機器取代了手工；二十世紀初福特發明完善的流水線大批量生產，掀起了第二次工業革命；第三次工業革命則正發生在我們的身邊，其核心是“製造業數位化”，即為“智慧型工業”。

一個製造企業光有先進制造能力是不夠的，它還必須能夠從產品開發、生產計畫方方面面快速回響市場，企業的競爭力是全方位的問題。計算機可以模擬所有的過程，提前驗證設計要求，利用先進的技術最佳化全過程。信息化，可以為工業化插上騰飛翅膀。簡單來 說，製造業信息化技術的主要內容就是“5 個數位化”，包括設計數位化、製造裝備數位化、 生產過程數位化、管理數位化和企業數位化。 製造業企業信息化的關鍵技術歸結為 9 項主要關鍵技術，即數字、可視、網路、虛擬、 協同、集成、智慧型、綠色、安全。隨著全球化經濟、知識經濟、產品的虛擬可視化開發以 及協同商務的市場模式的深化，這 9 項關鍵技術的研究與套用，正在企業信息化工程中發 揮著越來越巨大的作用。計算機及網路技術為製造業帶來了重大變革和轉機，反過來製造 業不斷增長的需求也推動了數位技術在產品開發、製造、發布方面的不斷發展和進步。

智慧型工業的關鍵技術--物聯網技術

智慧型工業的實現是基於物聯網技術的滲透和套用，並與未來先進制造技術相結合，形成新的智慧型化的製造體系。所以，智慧型工業的關鍵技術在於物聯網技術。

物聯網技術簡介

“物聯網技術”的核心和基礎仍然是“網際網路技術”，是在網際網路技術基礎上的延伸和擴展的一種網路技術；其用戶端延伸和擴展到了任何物品和物品之間，進行信息交換和通訊。因此，物聯網技術的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、雷射掃描器等信息感測設備，按約定的協定，將任何物品與網際網路相連線，進行信息交換和通訊，以實現智慧型化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網路技術叫做物聯網技術。

物聯網技術的內容

包括識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網路技術。

FRID、NFC，WSN

物聯網技術在工業領域的套用

製造業供應鏈管理物聯網套用於企業原材料採購、庫存、銷售等領域，通過完善和最佳化供應鏈管理體系，提高了供應鏈效率，降低了成本。空中客車（Airbus）通過在供應鏈體系中套用感測網路技術，構建了全球製造業中規模最大、效率最高的供應鏈體系。

生產過程工藝最佳化物聯網技術的套用提高了生產線過程檢測、實時參數採集、生產設備監控、材料消耗監測的能力和水平。生產過程的智慧型監控、智慧型控制、智慧型診斷、智慧型決策、智慧型維護水平不斷提高。鋼鐵企業套用各種感測器和通信網路，在生產過程中實現對加工產品的寬度、厚度、溫度的實時監控，從而提高了產品質量，最佳化了生產流程。

產品設備監控管理各種感測技術與製造技術融合，實現了對產品設備操作使用記錄、設備故障診斷的遠程監控。GE Oil&Gas集團在全球建立了13個面向不同產品的i-Center，通過感測器和網路對設備進行線上監測和實時監控，並提供設備維護和故障診斷的解決方案。

環保監測及能源管理物聯網與環保設備的融合實現了對工業生產過程中產生的各種污染源及污染治理各環節關鍵指標的實時監控。在重點排污企業排污口安裝無線感測設備，不僅可以實時監測企業排污數據，而且可以遠程關閉排污口，防止突發性環境污染事故的發生。電信運營商已開始推廣基於物聯網的污染治理實時監測解決方案。

工業安全生產管理把感應器嵌入和裝備到礦山設備、油氣管道、礦工設備中，可以感知危險環境中工作人員、設備機器、周邊環境等方面的安全狀態信息，將現有分散、獨立、單一的網路監管平台提升為系統、開放、多元的綜合網路監管平台，實現實時感知、準確辨識、快捷回響、有效控制。

物聯網如何改變工業自動化

物聯網的產業鏈即所謂的DCM(Device、Connect、Manage)跟工業自動化的三層架構是互相呼應的，在物聯網的環境中，每一層次自原來的傳統功能大幅進化，在Device(設備)達到所謂的全面感知，就是讓原本的物，提升為智慧型物件，可以識別或擷取各種數據；而在Connect(連線)層則是要達到可靠傳遞，除了原有的有線網路外更擴展到各種無線網路；而在Manage(管理)層部分，則是要將原有的管理功能進步到智慧型處理，對擷取到的各種數據做更具智慧型的處理與呈現。

傳統的工業自動化控制系統主要包括3個層次，分別是設備層(device layer)、控制層(control layer)、以及信息層(information layer)。設備層的功能是將現場設備以網路節點的形式掛接在現場匯流排網路上，依照現場匯流排的協定標準，設備採用功能模組的結構，通過組態設計，完成數據擷取、A/D轉換、數字濾波、溫度壓力補償、PID控制等各種功能；控制層是自動化的基礎，從現場設備中獲取數據，完成各種控制、運行參數的監測、警報和趨勢分析等功能，控制層的功能一般由工業計算機或PLC等控制器完成，這些控制器具備網路能力以協調網路節點之間的數據通信，同時也實現現場匯流排網段與乙太網段的連線；第三層信息層提供實現遠程控制的平台，並連線到企業自動化系統，同時從控制層提取有關生產數據用於制定綜合管理決策。

自另一個角度來，物聯網可以使所謂的自動化跟信息化『兩化融合』的願景更具體實現，自動化業者長期以來都朝著信息化目標前進，在物聯網的基礎下，原先傳統的C/S(Client/Server)架構，可以轉換成B/S(Browser/Server)架構，在生產製造、智慧型建築、新能源、環境監控、以及設備控制領域有更廣泛的套用。具體而言，自動化資料如果沒有經過訊息化的集成，一般使用者還是無法使用；同樣的，如果僅有訊息化功能，卻缺乏自動化的內容，一樣也是空泛無用，兩者缺一不可。

物聯網技術與工業技術相結合

與未來先進制造技術相結合是物聯網套用的生命力所在。物聯網是信息通信技術發展的新一輪制高點，正在工業領域廣泛滲透和套用，並與未來先進制造技術相結合，形成新的智慧型化的製造體系。這一製造體系仍在不斷發展和完善之中。概括起來，物聯網與先進制造技術的結合主要體現在8個領域。

泛在感知網路技術　建立服務於智慧型製造的泛在網路技術體系，為製造中的設計、設備、過程、管理和商務提供無處不在的網路服務。面向未來智慧型製造的泛在網路技術發展還處於初始階段。

泛在製造信息處理技術　建立以泛在信息處理為基礎的新型製造模式，提升製造行業的整體實力和水平。泛在信息製造及泛在信息處理尚處於概念和實驗階段，各國政府均將此列入國家發展計畫，大力推動實施。

虛擬現實技術　採用真三維顯示與人機自然互動的方式進行工業生產，進一步提高製造業的效率。虛擬環境已經在許多重大工程領域得到了廣泛的套用和研究。未來，虛擬現實技術的發展方向是三維數字產品設計、數字產品生產過程仿真、真三維顯示和裝配維修等。

人機互動技術　感測技術、感測器網、工業無線網以及新材料的發展，提高了人機互動的效率和水平。製造業處在一個信息有限的時代，人要服從和服務於機器。隨著人機互動技術的不斷發展，我們將逐步進入基於泛在感知的信息化製造人機互動時代。

空間協同技術　空間協同技術的發展目標是以泛在網路、人機互動、泛在信息處理和製造系統集成為基礎，突破現有製造系統在信息獲取、監控、控制、人機互動和管理方面集成度差、協同能力弱的局限，提高製造系統的敏捷性、適應性、高效性。

平行管理技術　未來的製造系統將由某一個實際製造系統和對應的一個或多個虛擬的人工製造系統所組成。平行管理技術就是要實現製造系統與虛擬系統的有機融合，不斷提升企業認識和預防非正常狀態的能力，提高企業的智慧型決策和應急管理水平。

電子商務技術　製造與商務過程一體化特徵日趨明顯，整體呈現出縱向整合和橫向聯合兩種趨勢。未來要建立健全先進制造業中的電子商務技術框架，發展電子商務以提高製造企業在動態市場中的決策與適應能力，構建和諧、可持續發展的先進制造業。

系統集成製造技術　系統集成製造是由智慧型機器人和專家共同組成的人機共存、協同合作的工業製造系統。它集自動化、集成化、網路化和智慧型化於一身，使製造具有修正或重構自身結構和參數的能力，具有自組織和協調能力，可滿足瞬息萬變的市場需求，應對激烈的市場競爭。

解決工業領域物聯網套用面臨的關鍵技術問題

從整體上來看，物聯網還處於起步階段。物聯網在工業領域的大規模套用還面臨一些關鍵技術問題，概括起來主要有以下幾個方面。

工業用感測器　工業用感測器是一種檢測裝置，能夠測量或感知特定物體的狀態和變化，並轉化為可傳輸、可處理、可存儲的電子信號或其他形式信息。工業用感測器是實現工業自動檢測和自動控制的首要環節。在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種感測器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，並使產品達到最好的質量。可以說，沒有眾多質優價廉的工業感測器，就沒有現代化工業生產體系。

工業無線網路技術　工業無線網路是一種由大量隨機分布的、具有實時感知和自組織能力的感測器節點組成的網狀(Mesh)網路，綜合了感測器技術、嵌入式計算技術、現代網路及無線通信技術、分散式信息處理技術等，具有低耗自組、泛在協同、異構互連的特點。工業無線網路技術是繼現場匯流排之後工業控制系統領域的又一熱點技術，是降低工業測控系統成本、提高工業測控系統套用範圍的革命性技術，也是未來幾年工業自動化產品新的增長點，已經引起許多國家學術界和工業界的高度重視。

工業過程建模　沒有模型就不可能實施先進有效的控制，傳統的集中式、封閉式的仿真系統結構已不能滿足現代工業發展的需要。工業過程建模是系統設計、分析、仿真和先進控制必不可少的基礎。

此外，物聯網在工業領域的大規模套用還面臨工業集成服務代理匯流排技術、工業語義中間件平台等關鍵技術問題。

智慧型工業的價值

工業化的基礎是自動化，自動化領域發展了近百年，理論，實踐都已經非常完善了。特別是隨著現代大型工業生產自動化的不斷興起和過程控制要求的日益複雜營運而生的DCS控制系統，更是計算機技術，系統控制技術、網路通訊技術和多媒體技術結合的產物。DCS的理念是分散控制，集中管理。雖然自動設備全部聯網，並能在控制中心監控信息而通過操作員來集中管理。但操作員的水平決定了整個系統的最佳化程度。有經驗的操作員可以使生產最優，而缺乏經驗的操作員只是保證了生產的安全性。是否有辦法做到分散控制，集中最佳化管理？需要通過物聯網根據所有監控信息，通過分析與最佳化技術，找到最優的控制方法，是物聯網可以帶給DCS控制系統的。
IT信息發展的前期其信息服務對象主要是人，其主要解決的問題是解決信息孤島問題。當為人服務的信息孤島問題解決後，是要在更大範圍解決信息孤島問題。就是要將物與人的信息打通。人獲取了信息之後，可以根據信息判斷，做出決策，從而觸發下一步操作；但由於人存在個體差異，對於同樣的信息，不同的人做出的決策是不同的，如何從信息中獲得最優的決策？另外“物”獲得了信息是不能做出決策的，如何讓物在獲得了信息之後具有決策能力？智慧型分析與最佳化技術是解決這個問題的一個手段，在獲得信息後，依據歷史經驗以及理論模型，快速做出最有決策。數據的分析與最佳化技術在兩化融合的工業化與信息化方面都有旺盛的需求。