智能制造新業(yè)態(tài)新模式下的技術熱點及應用推廣成熟度分析

機械工業(yè)信息研究院 杜慧嬋 馬為清 牛江蓉

智能制造新業(yè)態(tài)新模式下的技術熱點及應用推廣成熟度分析

機械工業(yè)信息研究院 杜慧嬋 馬為清 牛江蓉

一、引言

智能制造是機械化、自動化和信息化應用到成熟階段的必然產(chǎn)物。智能制造使得企業(yè)的競爭要素發(fā)生根本性的變化，由之前的材料、能源兩種資源為核心轉變?yōu)椴牧?、能源和信息三種資源為核心的競爭，從而產(chǎn)生了兩種生產(chǎn)力，即以傳統(tǒng)的材料和能源為代表的工業(yè)生產(chǎn)力和以信息為代表的信息生產(chǎn)力，這三種資源、兩種生產(chǎn)力合在一起，促成了智能制造領域新業(yè)態(tài)新模式（以下簡稱“雙新”）的發(fā)展，也形成了未來制造業(yè)的核心競爭力。

二、核心技術熱點

近兩年，在智能制造領域，除了SCM、ERP、CRM、PDM/PLM、MES、BPM、BI等信息化“軟”技術外，結合“雙新”的具體實踐，需要重點深入研究的核心技術包括：賽博物理系統(tǒng)（CPS）、人工智能（AI）、增強現(xiàn)實技術（AR）、基于模型的企業(yè)（MBE）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計算（CC）、工業(yè)大數(shù)據(jù)（IBD）、預測與健康管理（PHM）、混合制造、工廠信息安全及無線傳感器網(wǎng)絡等關鍵技術。

1. 賽博物理系統(tǒng)

賽博物理系統(tǒng)（CPS）是綜合計算、網(wǎng)絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，通過3C技術的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)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(xié)調(diào)和自治等五大功能，從而實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡世界與現(xiàn)實物理世界的融合。

博世集團提出的CPS應用模式

2. 人工智能

人工智能（AI）是研究、開發(fā)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(tǒng)。它企圖了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)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(tǒng)等。

3. 增強現(xiàn)實技術

增強現(xiàn)實技術（AR）是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把現(xiàn)實世界中一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息（視覺、聲音、味道和觸覺等信息），通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間。增強現(xiàn)實技術，不僅展現(xiàn)了真實世界的信息，而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。增強現(xiàn)實技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器溶合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段。

4. 基于模型的企業(yè)

基于模型的企業(yè)（MBE）是一種制造實體，它采用建模與仿真技術對設計、制造和支持服務的全部技術和業(yè)務流程進行改進，進行無縫集成和管理；利用產(chǎn)品和過程模型來定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部過程；并采用科學的模擬與分析工具，在產(chǎn)品生命周期的每一步做出最佳決策，從根本上減少產(chǎn)品創(chuàng)新、開發(fā)、制造和支持的時間和成本。

5. 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種信息，與互聯(lián)網(wǎng)結合形成巨大的網(wǎng)絡。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制。

識別技術是構建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關鍵一環(huán)，其主要包括射頻識別(RFID)技術，基于深度三維圖像的識別技術，以及物體缺陷自動識別技術。

6. 云計算

云計算（CC）是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡訪問，建立可配置的資源共享池（資源包括網(wǎng)絡、服務器、存儲、應用軟件、服務、設計和制造信息），這些資源能夠被快速提取和應用，只需進行簡單的管理和交互。

7. 工業(yè)大數(shù)據(jù)

工業(yè)大數(shù)據(jù)（IBD）是將大數(shù)據(jù)理念應用于工業(yè)領域，將設備數(shù)據(jù)、活動數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、服務數(shù)據(jù)、經(jīng)營數(shù)據(jù)、市場數(shù)據(jù)和上下游產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)等原本孤立、海量、多樣性的數(shù)據(jù)相互連接，實現(xiàn)人與人、物與物、人與物之間的連接，尤其是實現(xiàn)終端用戶與制造、服務過程的連接，通過新的處理模式，根據(jù)業(yè)務場景對時實性的要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息與知識的相互轉換，使其具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力。

相比其他領域的大數(shù)據(jù)，工業(yè)大數(shù)據(jù)具有更強的專業(yè)性、關聯(lián)性、流程性、時序性和解析性等特點。

8. 預測與健康管理

預測與健康管理（PHM）是綜合利用現(xiàn)代信息技術、人工智能技術的最新研究成果，提出的一種全新的管理健康狀態(tài)的解決方案。一般而言，PHM系統(tǒng)主要由六個部分構成：數(shù)據(jù)采集、信息歸納處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預測決策和保障決策。

9. 混合制造

將3D打印（增材制造）技術與傳統(tǒng)機械加工（減材制造）技術有機地結合起來，形成一種新型的制造模式。通過混合制造可以有效借助增材制造的優(yōu)勢實現(xiàn)全新幾何形狀的加工，同時使增材制造技術不再只限于加工小型工件，加工效率也大幅得以提升。同時，融合先進的精密鑄造技術，可以進一步突破工藝限制，提高產(chǎn)品創(chuàng)新的上限。

10. 工廠信息安全

工廠信息安全是將信息安全理念應用與工業(yè)領域，實現(xiàn)對工廠及產(chǎn)品使用維護環(huán)節(jié)所涵蓋的系統(tǒng)及終端進行安全防護。所涉及的終端設備及系統(tǒng)包括：工業(yè)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、過程控制系統(tǒng)（PCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、遠程監(jiān)控系統(tǒng)等網(wǎng)絡設備及工業(yè)控制系統(tǒng)的運行安全，確保工業(yè)以太網(wǎng)及工業(yè)系統(tǒng)不被未經(jīng)授權的訪問、使用、泄露、中斷、修改和破壞，為企業(yè)正常生產(chǎn)和產(chǎn)品正常使用提供信息服務。

11. 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network）是由許多在空間分布的自動裝置組成的一種無線通信計算機網(wǎng)絡，這些裝置使用傳感器監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物等）。無線傳感網(wǎng)絡的每個節(jié)點除配備1個或多個傳感器之外，還裝備1個無線電收發(fā)器、1個微控制器和1個能源（通常為電池）。無線傳感網(wǎng)絡主要包括3個方面：感應、通信和計算（硬件、軟件、算法）。其中的關鍵技術主要有無線數(shù)據(jù)庫技術，如用于無線傳感器網(wǎng)絡的查詢和其他傳感器通信的網(wǎng)絡技術，特別是多次跳躍路由協(xié)議，如摩托羅拉使用在家庭控制系統(tǒng)中的ZigBee無線協(xié)議。在生產(chǎn)系統(tǒng)中，要合理利用無線網(wǎng)絡，根據(jù)任務的實時性、數(shù)據(jù)吞吐量大小、數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性等特點實施不同的無線網(wǎng)絡技術，如監(jiān)督通信、分散過程控制、無線設備網(wǎng)絡、故障信息報警、實時定位可分別采用WLAN、RFID、ZigBee/Bluetooth、GPRS及UWB等網(wǎng)絡技術。

無線傳感器網(wǎng)絡屬于CPS系統(tǒng)的基礎使能技術，也是物聯(lián)網(wǎng)的必要基礎之一，且同樣需要關注信息安全問題。

三、應用推廣成熟度分析

目前，智能制造領域涌現(xiàn)出的新業(yè)態(tài)新模式，其背后依托于技術、管理和政策、法規(guī)、標準體系的支撐，特別是智能制造領域的新技術是新業(yè)態(tài)新模式產(chǎn)生、發(fā)展的支撐，同時也是某種模式或業(yè)態(tài)能否通過試點示范進行推廣的關鍵因素。

當前智能制造領域得到不同程度應用的新技術，除了SCM、ERP、CRM、PDM/PLM、MES、BPM和BI等信息化“軟”技術外，還有上述賽博物理系統(tǒng)（CPS）、人工智能（AI）、增強現(xiàn)實技術（AR）、基于模型的企業(yè)（MBE）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計算（CC）、工業(yè)大數(shù)據(jù)（IBD）、預測與健康管理（PHM）、混合制造、工廠信息安全和無線傳感器網(wǎng)絡等11項關鍵技術。每一大類技術下，按照輸入技術、內(nèi)容技術和平臺技術，又可以細分為若干關鍵基礎技術?？傮w而言，上述11大類技術構成了目前“雙新”的關鍵技術基礎要素。

表 分行業(yè)新業(yè)態(tài)新模式應用的成熟度情況

智能產(chǎn)品（互聯(lián)、感知、適應） √8 √8 √8√8產(chǎn)品&服務數(shù)據(jù)挖掘 √8 √7 √7產(chǎn)品質(zhì)量追溯 √8 √9備件供應 √8 √8遠程診斷維護 √6 √8 √8 √6 √8智能監(jiān)控 √8云平臺服務√6產(chǎn)融對接（P P P等） √8商業(yè)化的回收、報廢和再利用 √8 √7 √7車聯(lián)網(wǎng)（智能交通） √8

結合具體的行業(yè)和產(chǎn)品特點，依據(jù)技術成熟度判斷某種模式或業(yè)態(tài)能否在當前條件下進行應用、示范和推廣。將“雙新”實例的技術和應用成熟度分為9級。

第1級：該技術或?qū)嵗幕驹肀话l(fā)現(xiàn)和闡述。

第2級：形成技術概念或具備完整的而應用方案。

第3級：該項技術或?qū)嵗婕暗暮诵膽镁邆鋵嶒炇已芯亢头治觯P鍵功能在實驗室進行了驗證。

第4級：技術、實例的原理樣機或體系、架構在實驗環(huán)境中得到了驗證。

第5級：該技術或?qū)嵗呀?jīng)建立了完整的應用體系和架構，在實驗室或試運行環(huán)境進行了數(shù)據(jù)、信息或?qū)嵨锏某醪椒抡婺M。

第6級：在仿真模擬環(huán)境下，可以進行大規(guī)模的系統(tǒng)演示。

第7級：在真實的企業(yè)實踐環(huán)境中，進行整體技術系統(tǒng)或單元技術的演示。

第8級：已經(jīng)在行業(yè)或企業(yè)的具體實踐中，實現(xiàn)了整體技術系統(tǒng)或單元技術的應用，并取得了不同程度的增值。

第9級：實例在系統(tǒng)層面或核心單元技術具備成熟的實施方法論、運行規(guī)范和標準，以及效益評估體系。

經(jīng)研究，世界范圍內(nèi)智能制造新業(yè)態(tài)新模式的大部分技術已經(jīng)越過了第6級，且個別技術達到了第8、第9級的水平。同時，不同行業(yè)的技術和應用成熟度處在不同階段，存在一定程度的差異性和不均衡性，如表所示?；趪鴥?nèi)的行業(yè)、企業(yè)現(xiàn)實和技術應用現(xiàn)狀，我國與國外先進水平還有一定差距。

四、結語

本文搜集歸納了智能制造新業(yè)態(tài)新模式實例，按照9級技術成熟度分類后，初步判斷該模式或業(yè)態(tài)在我國行業(yè)、企業(yè)進行單點應用、行業(yè)示范推廣的程度。對新業(yè)態(tài)新模式技術和應用成熟度的綜合判斷，有助于發(fā)現(xiàn)我國和世界先進國家之間的差距和可能存在的嚴重問題，進而采取相應的措施，并為今后的試點示范和推廣工作提供初步的判斷依據(jù)，降低投入風險。