智能工業(yè)

智能工業(yè)簡介

　　智能工業(yè)：是將具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、移動通信等不斷融入到工業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)，大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。［1］ 工業(yè)和信息化部制定的《物聯(lián)網“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中將智能工業(yè)應用示范工程歸納為：生產過程控制、生產環(huán)境監(jiān)測、制造供應鏈跟蹤、產品全生命周期監(jiān)測，促進安全生產和節(jié)能減排。

智能工業(yè)百科

　　智能工業(yè)：是將具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、移動通信等不斷融入到工業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)，大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。［1］ 工業(yè)和信息化部制定的《物聯(lián)網“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中將智能工業(yè)應用示范工程歸納為：生產過程控制、生產環(huán)境監(jiān)測、制造供應鏈跟蹤、產品全生命周期監(jiān)測，促進安全生產和節(jié)能減排。

　　智能工業(yè)的發(fā)展背景

　　18世紀，英國人瓦特發(fā)明了蒸汽機，引發(fā)了第一次工業(yè)革命，開創(chuàng)了以機器代替手工工具的時代。人類從此進入了工業(yè)時代。1870年以后，科學技術的發(fā)展突飛猛進，各種新技術、新發(fā)明層出不窮，并被迅速應用于工業(yè)生產，大大促進了經濟的發(fā)展。這就是第二次工業(yè)革命。當時，科學技術的突出發(fā)展主要表現(xiàn)在三個方面，即電力的廣泛應用、內燃機和新交通工具的創(chuàng)制、新通訊手段的發(fā)明。進入21世紀以后，隨著科技的發(fā)展，以及物聯(lián)網的發(fā)展，智能化成為了科技發(fā)展的趨勢。工業(yè)作為社會經濟的一大主體，推動著社會的進步，其科技的發(fā)展也朝智能化的方向發(fā)展。英國在《經濟學人》發(fā)表文章，宣告“第三次工業(yè)革命”的來臨：十八世紀末在英國發(fā)足的第一次工業(yè)革命，以機器取代了手工；二十世紀初福特發(fā)明完善的流水線大批量生產，掀起了第二次工業(yè)革命；第三次工業(yè)革命則正發(fā)生在我們的身邊，其核心是“制造業(yè)數(shù)字化”，即為“智能工業(yè)”。［2］ 一個制造企業(yè)光有先進制造能力是不夠的，它還必須能夠從產品開發(fā)、生產計劃方方面面快速響應市場，企業(yè)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，利用先進的技術優(yōu)化全過程。信息化，可以為工業(yè)化插上騰飛翅膀。簡單來 說，制造業(yè)信息化技術的主要內容就是“5 個數(shù)字化”，包括設計數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、 生產過程數(shù)字化、管理數(shù)字化和企業(yè)數(shù)字化。 制造業(yè)企業(yè)信息化的關鍵技術歸結為 9 項主要關鍵技術，即數(shù)字、可視、網絡、虛擬、 協(xié)同、集成、智能、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(fā)以 及協(xié)同商務的市場模式的深化，這 9 項關鍵技術的研究與應用，正在企業(yè)信息化工程中發(fā) 揮著越來越巨大的作用。計算機及網絡技術為制造業(yè)帶來了重大變革和轉機，反過來制造 業(yè)不斷增長的需求也推動了數(shù)字技術在產品開發(fā)、制造、發(fā)布方面的不斷發(fā)展和進步。

　　智能工業(yè)的關鍵技術--物聯(lián)網技術

　　智能工業(yè)的實現(xiàn)是基于物聯(lián)網技術的滲透和應用，并與未來先進制造技術相結合，形成新的智能化的制造體系。所以，智能工業(yè)的關鍵技術在于物聯(lián)網技術。

　　物聯(lián)網技術簡介“物聯(lián)網技術”的核心和基礎仍然是“互聯(lián)網技術”，是在互聯(lián)網技術基礎上的延伸和擴展的一種網絡技術；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(lián)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(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網相連接，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡技術叫做物聯(lián)網技術。

　　物聯(lián)網技術的內容包括識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡技術。FRID、NFC，WSN

　　物聯(lián)網技術在工業(yè)領域的應用

　　制造業(yè)供應鏈管理物聯(lián)網應用于企業(yè)原材料采購、庫存、銷售等領域，通過完善和優(yōu)化供應鏈管理體系，提高了供應鏈效率，降低了成本?？罩锌蛙嚕ˋirbus）通過在供應鏈體系中應用傳感網絡技術，構建了全球制造業(yè)中規(guī)模最大、效率最高的供應鏈體系。生產過程工藝優(yōu)化物聯(lián)網技術的應用提高了生產線過程檢測、實時參數(shù)采集、生產設備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平。生產過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。鋼鐵企業(yè)應用各種傳感器和通信網絡，在生產過程中實現(xiàn)對加工產品的寬度、厚度、溫度的實時監(jiān)控，從而提高了產品質量，優(yōu)化了生產流程。產品設備監(jiān)控管理各種傳感技術與制造技術融合，實現(xiàn)了對產品設備操作使用記錄、設備故障診斷的遠程監(jiān)控。GE Oil&Gas集團在全球建立了13個面向不同產品的i-Center，通過傳感器和網絡對設備進行在線監(jiān)測和實時監(jiān)控，并提供設備維護和故障診斷的解決方案。環(huán)保監(jiān)測及能源管理物聯(lián)網與環(huán)保設備的融合實現(xiàn)了對工業(yè)生產過程中產生的各種污染源及污染治理各環(huán)節(jié)關鍵指標的實時監(jiān)控。在重點排污企業(yè)排污口安裝無線傳感設備，不僅可以實時監(jiān)測企業(yè)排污數(shù)據(jù)，而且可以遠程關閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。電信運營商已開始推廣基于物聯(lián)網的污染治理實時監(jiān)測解決方案。工業(yè)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(huán)境中工作人員、設備機器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，將現(xiàn)有分散、獨立、單一的網絡監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網絡監(jiān)管平臺，實現(xiàn)實時感知、準確辨識、快捷響應、有效控制。［3］

　　物聯(lián)網如何改變工業(yè)自動化

　　物聯(lián)網的產業(yè)鏈即所謂的DCM（Device、Connect、Manage）跟工業(yè)自動化的三層架構是互相呼應的，在物聯(lián)網的環(huán)境中，每一層次自原來的傳統(tǒng)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，提升為智能物件，可以識別或擷取各種數(shù)據(jù)；而在Connect（連接）層則是要達到可靠傳遞，除了原有的有線網絡外更擴展到各種無線網絡；而在Manage（管理）層部分，則是要將原有的管理功能進步到智能處理，對擷取到的各種數(shù)據(jù)做更具智能的處理與呈現(xiàn)。傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)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(xiàn)場設備以網絡節(jié)點的形式掛接在現(xiàn)場總線網絡上，依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標準，設備采用功能模塊的結構，通過組態(tài)設計，完成數(shù)據(jù)擷取、A/D轉換、數(shù)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(xiàn)場設備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運行參數(shù)的監(jiān)測、警報和趨勢分析等功能，控制層的功能一般由工業(yè)計算機或PLC等控制器完成，這些控制器具備網絡能力以協(xié)調網絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信，同時也實現(xiàn)現(xiàn)場總線網段與以太網段的連接；第三層信息層提供實現(xiàn)遠程控制的平臺，并連接到企業(yè)自動化系統(tǒng)，同時從控制層提取有關生產數(shù)據(jù)用于制定綜合管理決策。自另一個角度來，物聯(lián)網可以使所謂的自動化跟信息化『兩化融合』的愿景更具體實現(xiàn)，自動化業(yè)者長期以來都朝著信息化目標前進，在物聯(lián)網的基礎下，原先傳統(tǒng)的C/S（Client/Server）架構，可以轉換成B/S（Browser/Server）架構，在生產制造、智能建筑、新能源、環(huán)境監(jiān)控、以及設備控制領域有更廣泛的應用。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。［4］

　　物聯(lián)網技術與工業(yè)技術相結合

　　與未來先進制造技術相結合是物聯(lián)網應用的生命力所在。物聯(lián)網是信息通信技術發(fā)展的新一輪制高點，正在工業(yè)領域廣泛滲透和應用，并與未來先進制造技術相結合，形成新的智能化的制造體系。這一制造體系仍在不斷發(fā)展和完善之中。概括起來，物聯(lián)網與先進制造技術的結合主要體現(xiàn)在8個領域。泛在感知網絡技術　建立服務于智能制造的泛在網絡技術體系，為制造中的設計、設備、過程、管理和商務提供無處不在的網絡服務。面向未來智能制造的泛在網絡技術發(fā)展還處于初始階段。泛在制造信息處理技術　建立以泛在信息處理為基礎的新型制造模式，提升制造行業(yè)的整體實力和水平。泛在信息制造及泛在信息處理尚處于概念和實驗階段，各國政府均將此列入國家發(fā)展計劃，大力推動實施。虛擬現(xiàn)實技術　采用真三維顯示與人機自然交互的方式進行工業(yè)生產，進一步提高制造業(yè)的效率。虛擬環(huán)境已經在許多重大工程領域得到了廣泛的應用和研究。未來，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展方向是三維數(shù)字產品設計、數(shù)字產品生產過程仿真、真三維顯示和裝配維修等。人機交互技術　傳感技術、傳感器網、工業(yè)無線網以及新材料的發(fā)展，提高了人機交互的效率和水平。制造業(yè)處在一個信息有限的時代，人要服從和服務于機器。隨著人機交互技術的不斷發(fā)展，我們將逐步進入基于泛在感知的信息化制造人機交互時代?？臻g協(xié)同技術　空間協(xié)同技術的發(fā)展目標是以泛在網絡、人機交互、泛在信息處理和制造系統(tǒng)集成為基礎，突破現(xiàn)有制造系統(tǒng)在信息獲取、監(jiān)控、控制、人機交互和管理方面集成度差、協(xié)同能力弱的局限，提高制造系統(tǒng)的敏捷性、適應性、高效性。平行管理技術　未來的制造系統(tǒng)將由某一個實際制造系統(tǒng)和對應的一個或多個虛擬的人工制造系統(tǒng)所組成。平行管理技術就是要實現(xiàn)制造系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)的有機融合，不斷提升企業(yè)認識和預防非正常狀態(tài)的能力，提高企業(yè)的智能決策和應急管理水平。電子商務技術　制造與商務過程一體化特征日趨明顯，整體呈現(xiàn)出縱向整合和橫向聯(lián)合兩種趨勢。未來要建立健全先進制造業(yè)中的電子商務技術框架，發(fā)展電子商務以提高制造企業(yè)在動態(tài)市場中的決策與適應能力，構建和諧、可持續(xù)發(fā)展的先進制造業(yè)。系統(tǒng)集成制造技術　系統(tǒng)集成制造是由智能機器人和專家共同組成的人機共存、協(xié)同合作的工業(yè)制造系統(tǒng)。它集自動化、集成化、網絡化和智能化于一身，使制造具有修正或重構自身結構和參數(shù)的能力，具有自組織和協(xié)調能力，可滿足瞬息萬變的市場需求，應對激烈的市場競爭。［3］

　　解決工業(yè)領域物聯(lián)網應用面臨的關鍵技術問題

　　從整體上來看，物聯(lián)網還處于起步階段。物聯(lián)網在工業(yè)領域的大規(guī)模應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(yè)用傳感器　工業(yè)用傳感器是一種檢測裝置，能夠測量或感知特定物體的狀態(tài)和變化，并轉化為可傳輸、可處理、可存儲的電子信號或其他形式信息。工業(yè)用傳感器是實現(xiàn)工業(yè)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代工業(yè)生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產品達到最好的質量?？梢哉f，沒有眾多質優(yōu)價廉的工業(yè)傳感器，就沒有現(xiàn)代化工業(yè)生產體系。工業(yè)無線網絡技術　工業(yè)無線網絡是一種由大量隨機分布的、具有實時感知和自組織能力的傳感器節(jié)點組成的網狀（Mesh）網絡，綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，具有低耗自組、泛在協(xié)同、異構互連的特點。工業(yè)無線網絡技術是繼現(xiàn)場總線之后工業(yè)控制系統(tǒng)領域的又一熱點技術，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測控系統(tǒng)應用范圍的革命性技術，也是未來幾年工業(yè)自動化產品新的增長點，已經引起許多國家學術界和工業(yè)界的高度重視。工業(yè)過程建?！]有模型就不可能實施先進有效的控制，傳統(tǒng)的集中式、封閉式的仿真系統(tǒng)結構已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。工業(yè)過程建模是系統(tǒng)設計、分析、仿真和先進控制必不可少的基礎。此外，物聯(lián)網在工業(yè)領域的大規(guī)模應用還面臨工業(yè)集成服務代理總線技術、工業(yè)語義中間件平臺等關鍵技術問題。［3］ 智能工業(yè)的價值工業(yè)化的基礎是自動化，自動化領域發(fā)展了近百年，理論，實踐都已經非常完善了。特別是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產自動化的不斷興起和過程控制要求的日益復雜營運而生的DCS控制系統(tǒng)，更是計算機技術，系統(tǒng)控制技術、網絡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(lián)網，并能在控制中心監(jiān)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(tǒng)的優(yōu)化程度。有經驗的操作員可以使生產最優(yōu)，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，集中優(yōu)化管理？需要通過物聯(lián)網根據(jù)所有監(jiān)控信息，通過分析與優(yōu)化技術，找到最優(yōu)的控制方法，是物聯(lián)網可以帶給DCS控制系統(tǒng)的。

　　IT信息發(fā)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后，是要在更大范圍解決信息孤島問題。就是要將物與人的信息打通。人獲取了信息之后，可以根據(jù)信息判斷，做出決策，從而觸發(fā)下一步操作；但由于人存在個體差異，對于同樣的信息，不同的人做出的決策是不同的，如何從信息中獲得最優(yōu)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后具有決策能力？智能分析與優(yōu)化技術是解決這個問題的一個手段，在獲得信息后，依據(jù)歷史經驗以及理論模型，快速做出最有決策。數(shù)據(jù)的分析與優(yōu)化技術在兩化融合的工業(yè)化與信息化方面都有旺盛的需求。

　　工業(yè)數(shù)字化轉型，下一代智能機器將是什么

　　科技進步不斷給人類社會帶來新的改變，以新一代信息技術為代表工業(yè)革命已經到來，工業(yè)自動化廠商正在利用物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算等IT和信息技術創(chuàng)造更多的經濟效益。那么，這些工業(yè)自動化工廠未來制造業(yè)中將會發(fā)揮出怎樣的作用？

　　正如為未來汽車鋪設的智能調整公路系統(tǒng)一樣，工業(yè)資產的連通性已經是成為下一波技術落實的基礎，今天的數(shù)字化轉型將為未來智能制造的發(fā)展奠定基礎。

　　在今天，我們在構建工業(yè)基礎設施時依然是類似于電機、渦輪和物流機車等物理機器，表面上看來和十年前的情形差不多，但實際這些資產設備已經經歷了重大的變化。越來越多的設備具有物聯(lián)網連接功能，工業(yè)設備逐漸走進數(shù)字化時代。

　　根據(jù)最近的一份報告，大多數(shù)工業(yè)公司已經認識到工業(yè)物聯(lián)網帶來的重大好處，但有八成人表示他們沒有一個成熟的計劃來把握這個機遇，似乎獲得物聯(lián)網的那些好處并非一件容易的事。

　　其實，隨著工業(yè)設施中傳感器和智能控制系統(tǒng)的發(fā)展成熟，企業(yè)現(xiàn)在可以輕松利用這一技術浪潮，通過連接實現(xiàn)高效的業(yè)務流程，從而提高數(shù)字化成熟度。接下來的幾年，工業(yè)制造將比以往任何時代都要先進。

　　基于人工智能的自動化

　　人工智能給工業(yè)設備運營帶來眾多好處正逐漸被企業(yè)人員所認識，在資產績效管理中利用機器學習軟件算法，通過歷史數(shù)據(jù)的整合分析，可以幫助現(xiàn)場人員預測維護故障設備，為企業(yè)提供更高的準確性、更高級的預警服務。

　　將復雜機器學習算法應用于實時性能數(shù)據(jù)分析，人工智能的價值將得到進一步體現(xiàn)。通過AI技術創(chuàng)造更智能、可以自給自足的機器，同時能使生產線能應對各種需求的變化。

　　現(xiàn)階段，很多企業(yè)仍然處于數(shù)字化轉型的過程，連接所有工廠和車間的機器及設備資產，各種企業(yè)資源計劃系統(tǒng)和不同的數(shù)據(jù)可能會阻礙數(shù)據(jù)分析和市場決策。

　　但通過傳感器通信更多的設備數(shù)據(jù)，基于人工智能的資產業(yè)績管理系統(tǒng)不僅可以組織和標準化數(shù)據(jù)輸入，也可以增強企業(yè)對數(shù)據(jù)進行分析的能力，從而實現(xiàn)更加自動化和準確的決策。

　　對于目前工廠運營的一些手動流程，如發(fā)布工作訂單和日程安排檢查都將實現(xiàn)自動化，從而簡化維護實踐并提高機器的性能。

　　數(shù)字雙胞胎帶來關鍵優(yōu)勢

　　數(shù)字雙胞胎產品在各行各業(yè)的應用越來越普遍，真正的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)將為企業(yè)提供關鍵優(yōu)勢，為運營的資產績效管理提供充足的動力。

　　預先定義資產如何運作和執(zhí)行的內容，然后利用這些信息來構建資產的復制品。字雙胞胎的概念正是基于這樣的想法，通過每個資產的虛擬復制品測試，通知操作員關于設備的健康狀況、使用壽命和性能水平。

　　在數(shù)字化基礎上，企業(yè)完全有能力在一天中的任何時間對機器進行優(yōu)化，以調整出生產線的最高生產力水平。對于過每年每秒都需要進行生產的企業(yè)來說，通過數(shù)字化避免意外停機，將可以節(jié)省數(shù)百萬美元。

　　只要企業(yè)建立了更好理解整個工廠的運營情況的資產的數(shù)字副本，就可以識別出任何異常情況或表現(xiàn)不佳的設備，并酌情采取適當?shù)拇胧?。甚至可以更進一步，這些數(shù)據(jù)最終可以匿名化并在整個行業(yè)內共享出云，使用戶獲得更大的數(shù)據(jù)樣本和更準確的參考。

　　對于一般的資產運營企業(yè)來說，其數(shù)據(jù)收集和分析統(tǒng)計的能力都是有限的，但是，只要會利用廣泛的共享數(shù)據(jù)資源以及同行經驗，將能為資產管理提供更好的性能洞察力，進一步識別出設備的故障和性能問題。