智能工業

智能工業簡介

　　智能工業：是將具有環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生產的各個環節，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，將傳統工業提升到智能化的新階段。［1］ 工業和信息化部制定的《物聯網“十二五”發展規劃》中將智能工業應用示范工程歸納為：生產過程控制、生產環境監測、制造供應鏈跟蹤、產品全生命周期監測，促進安全生產和節能減排。

智能工業百科

　　智能工業：是將具有環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生產的各個環節，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，將傳統工業提升到智能化的新階段。［1］ 工業和信息化部制定的《物聯網“十二五”發展規劃》中將智能工業應用示范工程歸納為：生產過程控制、生產環境監測、制造供應鏈跟蹤、產品全生命周期監測，促進安全生產和節能減排。

　　智能工業的發展背景

　　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年以后，科學技術的發展突飛猛進，各種新技術、新發明層出不窮，并被迅速應用于工業生產，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，即電力的廣泛應用、內燃機和新交通工具的創制、新通訊手段的發明。進入21世紀以后，隨著科技的發展，以及物聯網的發展，智能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能化的方向發展。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“制造業數字化”，即為“智能工業”。［2］ 一個制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、生產計劃方方面面快速響應市場，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，利用先進的技術優化全過程。信息化，可以為工業化插上騰飛翅膀。簡單來 說，制造業信息化技術的主要內容就是“5 個數字化”，包括設計數字化、制造裝備數字化、 生產過程數字化、管理數字化和企業數字化。 制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、網絡、虛擬、 協同、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應用，正在企業信息化工程中發 揮著越來越巨大的作用。計算機及網絡技術為制造業帶來了重大變革和轉機，反過來制造 業不斷增長的需求也推動了數字技術在產品開發、制造、發布方面的不斷發展和進步。

　　智能工業的關鍵技術--物聯網技術

　　智能工業的實現是基于物聯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，智能工業的關鍵技術在于物聯網技術。

　　物聯網技術簡介“物聯網技術”的核心和基礎仍然是“互聯網技術”，是在互聯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、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡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絡技術。FRID、NFC，WSN

　　物聯網技術在工業領域的應用

　　制造業供應鏈管理物聯網應用于企業原材料采購、庫存、銷售等領域，通過完善和優化供應鏈管理體系，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，構建了全球制造業中規模最大、效率最高的供應鏈體系。生產過程工藝優化物聯網技術的應用提高了生產線過程檢測、實時參數采集、生產設備監控、材料消耗監測的能力和水平。生產過程的智能監控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。鋼鐵企業應用各種傳感器和通信網絡，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，優化了生產流程。產品設備監控管理各種傳感技術與制造技術融合，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，通過傳感器和網絡對設備進行在線監測和實時監控，并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傳感設備，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于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、單一的網絡監管平臺提升為系統、開放、多元的綜合網絡監管平臺，實現實時感知、準確辨識、快捷響應、有效控制。［3］

　　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，提升為智能物件，可以識別或擷取各種數據；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，對擷取到的各種數據做更具智能的處理與呈現。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絡節點的形式掛接在現場總線網絡上，依照現場總線的協議標準，設備采用功能模塊的結構，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，這些控制器具備網絡能力以協調網絡節點之間的數據通信，同時也實現現場總線網段與以太網段的連接；第三層信息層提供實現遠程控制的平臺，并連接到企業自動化系統，同時從控制層提取有關生產數據用于制定綜合管理決策。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』的愿景更具體實現，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，在生產制造、智能建筑、新能源、環境監控、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應用的生命力所在。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展計劃，大力推動實施。虛擬現實技術　采用真三維顯示與人機自然交互的方式進行工業生產，進一步提高制造業的效率。虛擬環境已經在許多重大工程領域得到了廣泛的應用和研究。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。人機交互技術　傳感技術、傳感器網、工業無線網以及新材料的發展，提高了人機交互的效率和水平。制造業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協同技術　空間協同技術的發展目標是以泛在網絡、人機交互、泛在信息處理和制造系統集成為基礎，突破現有制造系統在信息獲取、監控、控制、人機交互和管理方面集成度差、協同能力弱的局限，提高制造系統的敏捷性、適應性、高效性。平行管理技術　未來的制造系統將由某一個實際制造系統和對應的一個或多個虛擬的人工制造系統所組成。平行管理技術就是要實現制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制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。系統集成制造技術　系統集成制造是由智能機器人和專家共同組成的人機共存、協同合作的工業制造系統。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。［3］

　　解決工業領域物聯網應用面臨的關鍵技術問題

　　從整體上來看，物聯網還處于起步階段。物聯網在工業領域的大規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。工業用傳感器　工業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。工業用傳感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，要用各種傳感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，并使產品達到最好的質量?？梢哉f，沒有眾多質優價廉的工業傳感器，就沒有現代化工業生產體系。工業無線網絡技術　工業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、泛在協同、異構互連的特點。工業無線網絡技術是繼現場總線之后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、提高工業測控系統應用范圍的革命性技術，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?！]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應用還面臨工業集成服務代理總線技術、工業語義中間件平臺等關鍵技術問題。［3］ 智能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復雜營運而生的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網，并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優化程度。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，集中優化管理？需要通過物聯網根據所有監控信息，通過分析與優化技術，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，可以根據信息判斷，做出決策，從而觸發下一步操作；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？智能分析與優化技術是解決這個問題的一個手段，在獲得信息后，依據歷史經驗以及理論模型，快速做出最有決策。數據的分析與優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。

　　工業數字化轉型，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革命已經到來，工業自動化廠商正在利用物聯網、大數據、云計算等IT和信息技術創造更多的經濟效益。那么，這些工業自動化工廠未來制造業中將會發揮出怎樣的作用？

　　正如為未來汽車鋪設的智能調整公路系統一樣，工業資產的連通性已經是成為下一波技術落實的基礎，今天的數字化轉型將為未來智能制造的發展奠定基礎。

　　在今天，我們在構建工業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網連接功能，工業設備逐漸走進數字化時代。

　　根據最近的一份報告，大多數工業公司已經認識到工業物聯網帶來的重大好處，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，似乎獲得物聯網的那些好處并非一件容易的事。

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

　　基于人工智能的自動化

　　人工智能給工業設備運營帶來眾多好處正逐漸被企業人員所認識，在資產績效管理中利用機器學習軟件算法，通過歷史數據的整合分析，可以幫助現場人員預測維護故障設備，為企業提供更高的準確性、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據分析，人工智能的價值將得到進一步體現。通過AI技術創造更智能、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。

　　現階段，很多企業仍然處于數字化轉型的過程，連接所有工廠和車間的機器及設備資產，各種企業資源計劃系統和不同的數據可能會阻礙數據分析和市場決策。

　　但通過傳感器通信更多的設備數據，基于人工智能的資產業績管理系統不僅可以組織和標準化數據輸入，也可以增強企業對數據進行分析的能力，從而實現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，如發布工作訂單和日程安排檢查都將實現自動化，從而簡化維護實踐并提高機器的性能。

　　數字雙胞胎帶來關鍵優勢

　　數字雙胞胎產品在各行各業的應用越來越普遍，真正的數字生態系統將為企業提供關鍵優勢，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。

　　在數字化基礎上，企業完全有能力在一天中的任何時間對機器進行優化，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來說，通過數字化避免意外停機，將可以節省數百萬美元。

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

　　對于一般的資產運營企業來說，其數據收集和分析統計的能力都是有限的，但是，只要會利用廣泛的共享數據資源以及同行經驗，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。