1.2 基于人機物協同的智慧工業關鍵技術研究現狀及發展趨勢

1.2.1 智能感知

智慧工業通過全面感知信息、廣泛傳遞信息、智慧高效處理信息，提高管理與運轉效率。具有高維度感知能力的智能化集成傳感器應用于智慧工業的感知層，有利于提高城市感知信息的準確度，提高感知信息效率，降低信息傳輸量。智能化傳感網關作為智慧城市的底層匯聚節點，將大大降低信息傳輸代價，有利于智慧工業感知信息的深層次泛化，有利于全面感知的深化。通過對現場環境系統中的在線感知，利用異構網絡融合、信息匯聚、決策診斷和反饋控制，能夠實現智慧工業的系統監測、控制與管理。

在智慧工業中，要實現各類設備能夠互聯互通互操作，必須在一個完整的物聯網架構中完成，主要包含三個層次：底層是用來感知信息、獲取數據的感知層，相當于人的五官；中間層是進行數據傳輸的網絡層，通過無線局域網、5G技術等移動通信網將獲得的信息傳遞給應用層，同時將應用層的指令信息傳遞給感知層，相當于人的神經系統；上層則是完成控制決策、數據可視化的應用層，通過與企業的具體應用場合的深度融合，結合企業資源計劃（ERP）系統以及制造執行系統（MES）、云計算等技術，來完成設備間的智能感知與互聯。

傳感器作為物聯網采集信息的終端工具，就如同物聯網的“眼睛”“鼻子”和“耳朵”，是一種不可或缺的存在。目前傳感器主要采用壓電技術、熱式傳感技術、微流控BioMEMS技術、磁傳感技術和柔性傳感技術等。為滿足各種應用需求，傳感器類別非常多樣化，如溫度傳感器、慣性傳感器、模擬類傳感器、磁性傳感器、生物傳感器、力傳感器和超聲波傳感器等。以溫度傳感器為例，其發展大概經歷了以下三個階段：傳統分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器和智能溫度傳感器。目前的智能溫度傳感器包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器和接口電路，有的產品還帶有多路選擇器、中央控制器等。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器，并且是在硬件的基礎上通過軟件實現測試功能，其智能化程度取決于軟件開發水平。智能壓力傳感器是微處理器與壓力傳感器的結合，按它們的實現途徑可以分為非集成化智能壓力傳感器、集成化智能壓力傳感器和混合型智能壓力傳感器。非集成化智能壓力傳感器是把傳統的壓力傳感器、信號調理電路、帶數字總線接口的微處理器組合成一體的智能壓力傳感器系統，其實際上是在傳統壓力傳感器系統上增加了微處理器的連接。

一個真正意義的智能傳感器應具有如下功能：①自校準、自標定和自動補償功能；②自動采集數據、邏輯判斷和數據處理功能；③自調整、自適應功能；④一定程度的存儲、識別和信息處理功能；⑤雙向通信、標準數字化輸出或者符號輸出功能；⑥算法判斷、決策處理功能。與傳統傳感器相比，智能傳感器具有高精度、高可靠性與高穩定性、高信噪比與高分辨率、較強自適應性、高性價比等特點，無疑是未來高新技術的發展熱點之一。集成化是智能傳感器未來發展的一個重要標準，這是實現微小化體積的一個重要方法，而且多位一體的智能傳感器功能更加強大，性價比更高。另外，智能傳感器的網絡化也是未來發展的一個重要趨勢，多個傳感器構成的智能網絡可以對某一個節點的錯誤進行自行診斷與校正。無線技術的應用也是未來智能傳感器的重要發展趨勢之一。利用無線連接技術，智能傳感器的外觀以及性能更加簡潔強大，傳統傳感器因其線纜過多導致其體積臃腫的問題于此便可以很好地解決了。人工智能和智能算法與傳感器的結合也會是傳感器未來發展的重要方向，多組數據在優化算法下無疑會更加精準。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是智慧工業中的重要組成部分，是由眾多位置分散且相互協作的傳感器節點組成的自組織、多跳無線通信網絡。通過分布式的傳感器節點，人們可以獲取監控區域內所需的環境信息。WSN涉及無線通信技術、計算機技術和傳感器技術等，是一項交叉技術學科，在軍事要地監測、工業生產、環境監測等有廣泛應用。相較于有線監控網絡，WSN具有一定的優勢：①可以通過大量部署節點，實現對區域高密度的監測；②使用無線通信傳輸數據，節點易于部署且對原有環境影響極小。隨著近年來世界各國對WSN這一領域的重視和深入、廣泛的研究，WSN在基礎理論、關鍵技術和現場應用等方面已取得顯著成果，這也極大地促進了WSN的發展。隨著無線傳感器技術的日趨成熟，在現有的研究成果基礎之上，一些無線傳感器設備和基于WSN的系統也逐漸在商業方面發揮價值，越來越多的相關產品正在投入使用，包括醫療護理、智能家居、環境監測等方面，給企業帶來了一個更加經濟的選擇。隨著WSN研究的進一步深入和不斷完善，WSN將在各個領域得到越來越廣泛的應用，讓人們的生活和工作更加便捷、高效。