1.3 智能制造關鍵技術

1.物聯網

物聯網（Internet of Things, IOT）即“萬物相連的互聯網”，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡，通過將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成一個巨大網絡，實現在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯互通。物聯網是通過RFID、紅外線感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

物聯網的基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理。整體感知可以利用RFID、二維碼、智能傳感器等感知設備來感知、獲取物體的各類信息。可靠傳輸是通過對互聯網、無線網絡的融合，將物體的信息實時、準確地傳送，以便信息交流、分享。智能處理是使用各種智能技術，對感知和傳送到的數據、信息進行分析處理，實現監測與控制的智能化。智能制造系統的運行，需要物聯網的統籌細化，通過基于無線傳感網絡、RFID、傳感器的現場數據采集應用，用無線傳感網絡對生產現場進行實時監控，將與生產有關的各種數據實時傳輸給控制中心，上傳給大數據系統并進行云計算。為了能有效管理一個跨學科、多企業協同的智能制造系統，物聯網是必需的。德國工業4.0計劃就推出了“工業物聯網”的概念，從而實現制造流程的智能化升級。

2.RFID和實時定位技術

識別功能是智能制造服務環節關鍵的一環，需要的識別技術主要有RFID技術、基于深度三維圖像識別技術，以及物體缺陷自動識別技術。基于深度三維圖像識別技術的任務是識別出圖像中有什么類型的物體，并給出物體在圖像中所反映的位置和方向，是對三維世界的感知和理解。在結合了人工智能科學、計算機科學和信息科學之后，三維圖像識別技術在智能制造服務系統中成為識別物體幾何情況的關鍵技術。以RFID技術、傳感技術、實時定位技術為核心的實時感知技術已廣泛用于制造要素信息的識別、采集、監控與管理。RFID是無線通信技術中的一種，通過識別特定目標應用的無線電信號，讀寫出相關數據，而不需要機械接觸或光學接觸來識別系統和目標。無線射頻可分為低頻、高頻和超高頻三種，RFID讀寫器可分為移動式和固定式兩種。RFID標簽貼附于物件表面，可自動遠距離讀取、識別無線電信號，可作快速、準確記錄和收集用途。使用RFID技術能夠簡化業務流程，增強企業的綜合實力。RFID技術可以在產品全生命周期中為訪問、管理和控制產品數據與信息提供可能。

在生產制造現場，企業要對各類別材料、零件和設備等進行實時跟蹤管理，監控生產中制品、材料的位置、行蹤，包括相關零件和工具的存放等，這就需要建立實時定位管理體系。通常的做法是將有源RFID標簽貼在跟蹤目標上，然后在室內放置三個以上的閱讀器天線，這樣就可以方便地對跟蹤目標進行定位查詢。

3.信息物理系統

信息物理系統（Cyber Physical Systems, CPS）是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C（Computing、Communication、Control）技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治五大功能，從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。CPS可以將資源、信息、物體及人緊密聯系在一起，從而創造物聯網及相關服務，并將生產工廠轉變為一個智能環境。

CPS取代了以往制造業的邏輯。在該系統中，一個工件能計算出哪些服務是自己所需的，在現有生產設施升級后，該生產系統的體系結構就被徹底改變了。這意味著現有工業可通過不斷升級得以改造，從而改變以往僵化的中央工業控制系統，轉變成智能分布式控制系統，并應用傳感器精確記錄所處環境，使用生產控制中心獨立的嵌入式處理器系統做出決策。CPS作為這一生產系統的關鍵技術，在實時感知條件下，實現了動態管理和信息服務。CPS被應用于計算、通信和物理系統的一體化設計中，其在實物中嵌入計算與通信的過程，使這種互動增加了實物系統的使用功能。在美國，智能制造關鍵技術即信息物理技術，該技術也被德國稱為核心技術，其主攻方向為智能化應與實際生產緊密聯系起來。

4.工業大數據

工業大數據是從客戶需求到銷售、訂單、計劃、研發、設計、工藝、制造、采購、供應、庫存、發貨和交付、售后服務、運維、報廢或回收再制造等整個產品全生命周期各個環節所產生的各類數據及相關技術和應用的總稱。其以產品數據為核心，極大地延展了傳統工業數據范圍，同時還包括工業大數據相關技術和應用。工業大數據是智能制造的關鍵技術，主要作用是打通物理世界和信息世界，推動生產型制造向服務型制造轉型。工業大數據技術是使工業大數據中所蘊含的價值得以挖掘和展現的一系列技術與方法，包括數據規劃、采集、預處理、存儲、分析挖掘、可視化和智能控制等。工業大數據應用則是對特定的工業大數據集，集成應用工業大數據系列技術與方法，獲得有價值信息的過程。

依托大數據系統，采集現有工廠設計、工藝、制造、管理、監測、物流等環節的信息，實現生產的快速、高效及精準分析決策。這些數據綜合起來，能夠幫助發現問題、查找原因、預測類似問題重復發生的概率，幫助完成安全生產、提升服務水平、改進生產水平、提高產品附加值。應用大數據分析系統，可以對生產過程數據進行分析處理。鑒于制造業已經進入大數據時代，智能制造還需要高性能計算機系統和相應網絡設施。云計算系統提供計算資源專家庫，通過現場數據采集系統和監控系統，將數據上傳至云端進行處理、存儲和計算，計算后能夠發出云指令，對現場設備進行控制（例如控制工業機器人）。

5.傳感器技術

智能制造與傳感器緊密相關。現在各式各樣的傳感器在企業里用得很多，有嵌入的、絕對坐標的、相對坐標的、靜止的和運動的，這些傳感器是支持人們獲得信息的重要手段。傳感器用得越多，人們可以掌握的信息就越多。傳感器很小，可以靈活配置，改變起來也非常方便。傳感器屬于基礎零部件的一部分，它是工業的基石、性能的關鍵和發展的瓶頸。傳感器的智能化、無線化、微型化和集成化是未來智能制造技術發展的關鍵之一。

6.人工智能技術

人工智能（Artificial Intelligence, AI）是研發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的科學。它企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統、神經科學等。

7.網絡安全系統

數字化對制造業的促進作用得益于計算機網絡技術的進步，但同時也給工廠網絡埋下了安全隱患。隨著人們對計算機網絡依賴程度的提高，自動化機器和傳感器隨處可見，將數據轉換成物理部件和組件成了技術人員的主要工作。產品設計、制造和服務的整個過程都用數字化技術資料呈現出來，整個供應鏈所產生的信息又可以通過網絡成為共享信息，這就需要對其進行信息安全保護。針對網絡安全生產系統可采用IT保障技術和相關的安全措施，例如設置防火墻、預防被入侵、掃描病毒儀、控制訪問、設立黑白名單、加密信息等。工廠信息安全是將信息安全理念應用于工業領域，實現對工廠及產品使用維護環節所涵蓋的系統及終端進行安全防護。所涉及的終端設備及系統包括工業以太網、數據采集與監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA）系統、分布式控制系統（Distributed Control System, DCS）、過程控制系統（Process Control System, PCS）、可編程序控制器（Programmable Logic Controller, PLC）、遠程監控系統等網絡設備及工業控制系統。應確保工業以太網及工業系統不被未經授權的訪問、使用、泄漏、中斷、修改和破壞，為企業正常生產和產品正常使用提供信息服務。