智能制造新業(yè)態(tài)新模式下的技術(shù)熱點(diǎn)及應(yīng)用推廣成熟度分析

機(jī)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(shù)熱點(diǎn)及應(yīng)用推廣成熟度分析

機(jī)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(jī)械化、自動(dòng)化和信息化應(yīng)用到成熟階段的必然產(chǎn)物。智能制造使得企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)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(zhuǎn)變?yōu)椴牧?、能源和信息三種資源為核心的競(jìng)爭(zhēng)，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(lǐng)域新業(yè)態(tài)新模式（以下簡(jiǎn)稱“雙新”）的發(fā)展，也形成了未來(lái)制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

二、核心技術(shù)熱點(diǎn)

近兩年，在智能制造領(lǐng)域，除了SCM、ERP、CRM、PDM/PLM、MES、BPM、BI等信息化“軟”技術(shù)外，結(jié)合“雙新”的具體實(shí)踐，需要重點(diǎn)深入研究的核心技術(shù)包括：賽博物理系統(tǒng)（CPS）、人工智能（AI）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）、基于模型的企業(yè)（MBE）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計(jì)算（CC）、工業(yè)大數(shù)據(jù)（IBD）、預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）、混合制造、工廠信息安全及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)。

1. 賽博物理系統(tǒng)

賽博物理系統(tǒng)（CPS）是綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)，讓物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能，從而實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合。

博世集團(tuán)提出的CPS應(yīng)用模式

2. 人工智能

人工智能（AI）是研究、開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。它企圖了解智能的實(shí)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(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專家系統(tǒng)等。

3. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把現(xiàn)實(shí)世界中一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺(jué)、聲音、味道和觸覺(jué)等信息），通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息，而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器溶合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)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(shí)體，它采用建模與仿真技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)、制造和支持服務(wù)的全部技術(shù)和業(yè)務(wù)流程進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)行無(wú)縫集成和管理；利用產(chǎn)品和過(guò)程模型來(lái)定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部過(guò)程；并采用科學(xué)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(kāi)發(fā)、制造和支持的時(shí)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(guò)各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程等各種信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成巨大的網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。

識(shí)別技術(shù)是構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)，其主要包括射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)，基于深度三維圖像的識(shí)別技術(shù)，以及物體缺陷自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。

6. 云計(jì)算

云計(jì)算（CC）是一種按使用量付費(fèi)的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，建立可配置的資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用軟件、服務(wù)、設(shè)計(jì)和制造信息），這些資源能夠被快速提取和應(yīng)用，只需進(jìn)行簡(jiǎn)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(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，將設(shè)備數(shù)據(jù)、活動(dòng)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)、市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)人與人、物與物、人與物之間的連接，尤其是實(shí)現(xiàn)終端用戶與制造、服務(wù)過(guò)程的連接，通過(guò)新的處理模式，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)時(shí)實(shí)性的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息與知識(shí)的相互轉(zhuǎn)換，使其具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力。

相比其他領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)，工業(yè)大數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的專業(yè)性、關(guān)聯(lián)性、流程性、時(shí)序性和解析性等特點(diǎn)。

8. 預(yù)測(cè)與健康管理

預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）是綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)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(gè)部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集、信息歸納處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)決策和保障決策。

9. 混合制造

將3D打?。ㄔ霾闹圃欤┘夹g(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械加工（減材制造）技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一種新型的制造模式。通過(guò)混合制造可以有效借助增材制造的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)全新幾何形狀的加工，同時(shí)使增材制造技術(shù)不再只限于加工小型工件，加工效率也大幅得以提升。同時(shí)，融合先進(jìn)的精密鑄造技術(shù)，可以進(jìn)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(yīng)用與工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠及產(chǎn)品使用維護(hù)環(huán)節(jié)所涵蓋的系統(tǒng)及終端進(jìn)行安全防護(hù)。所涉及的終端設(shè)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(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及工業(yè)控制系統(tǒng)的運(yùn)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(quán)的訪問(wèn)、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(wù)。

11. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是由許多在空間分布的自動(dòng)裝置組成的一種無(wú)線通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，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(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物等）。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)除配備1個(gè)或多個(gè)傳感器之外，還裝備1個(gè)無(wú)線電收發(fā)器、1個(gè)微控制器和1個(gè)能源（通常為電池）。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要包括3個(gè)方面：感應(yīng)、通信和計(jì)算（硬件、軟件、算法）。其中的關(guān)鍵技術(shù)主要有無(wú)線數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，如用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的查詢和其他傳感器通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(wú)線協(xié)議。在生產(chǎn)系統(tǒng)中，要合理利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)吞吐量大小、數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性等特點(diǎn)實(shí)施不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如監(jiān)督通信、分散過(guò)程控制、無(wú)線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、故障信息報(bào)警、實(shí)時(shí)定位可分別采用WLAN、RFID、ZigBee/Bluetooth、GPRS及UWB等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于CPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)使能技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)的必要基礎(chǔ)之一，且同樣需要關(guān)注信息安全問(wèn)題。

三、應(yīng)用推廣成熟度分析

目前，智能制造領(lǐng)域涌現(xiàn)出的新業(yè)態(tài)新模式，其背后依托于技術(shù)、管理和政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐，特別是智能制造領(lǐng)域的新技術(shù)是新業(yè)態(tài)新模式產(chǎn)生、發(fā)展的支撐，同時(shí)也是某種模式或業(yè)態(tài)能否通過(guò)試點(diǎn)示范進(jìn)行推廣的關(guān)鍵因素。

當(dāng)前智能制造領(lǐng)域得到不同程度應(yīng)用的新技術(shù)，除了SCM、ERP、CRM、PDM/PLM、MES、BPM和BI等信息化“軟”技術(shù)外，還有上述賽博物理系統(tǒng)（CPS）、人工智能（AI）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）、基于模型的企業(yè)（MBE）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計(jì)算（CC）、工業(yè)大數(shù)據(jù)（IBD）、預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）、混合制造、工廠信息安全和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等11項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。每一大類技術(shù)下，按照輸入技術(shù)、內(nèi)容技術(shù)和平臺(tái)技術(shù)，又可以細(xì)分為若干關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)?？傮w而言，上述11大類技術(shù)構(gòu)成了目前“雙新”的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)要素。

表 分行業(yè)新業(yè)態(tài)新模式應(yīng)用的成熟度情況

智能產(chǎn)品（互聯(lián)、感知、適應(yīng)） √8 √8 √8√8產(chǎn)品&服務(wù)數(shù)據(jù)挖掘 √8 √7 √7產(chǎn)品質(zhì)量追溯 √8 √9備件供應(yīng) √8 √8遠(yuǎn)程診斷維護(hù) √6 √8 √8 √6 √8智能監(jiān)控 √8云平臺(tái)服務(wù)√6產(chǎn)融對(duì)接（P P P等） √8商業(yè)化的回收、報(bào)廢和再利用 √8 √7 √7車聯(lián)網(wǎng)（智能交通） √8

結(jié)合具體的行業(yè)和產(chǎn)品特點(diǎn)，依據(jù)技術(shù)成熟度判斷某種模式或業(yè)態(tài)能否在當(dāng)前條件下進(jìn)行應(yīng)用、示范和推廣。將“雙新”實(shí)例的技術(shù)和應(yīng)用成熟度分為9級(jí)。

第1級(jí)：該技術(shù)或?qū)嵗幕驹肀话l(fā)現(xiàn)和闡述。

第2級(jí)：形成技術(shù)概念或具備完整的而應(yīng)用方案。

第3級(jí)：該項(xiàng)技術(shù)或?qū)嵗婕暗暮诵膽?yīng)用具備實(shí)驗(yàn)室研究和分析，關(guān)鍵功能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證。

第4級(jí)：技術(shù)、實(shí)例的原理樣機(jī)或體系、架構(gòu)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中得到了驗(yàn)證。

第5級(jí)：該技術(shù)或?qū)嵗呀?jīng)建立了完整的應(yīng)用體系和架構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室或試運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行了數(shù)據(jù)、信息或?qū)嵨锏某醪椒抡婺M。

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

第7級(jí)：在真實(shí)的企業(yè)實(shí)踐環(huán)境中，進(jìn)行整體技術(shù)系統(tǒng)或單元技術(shù)的演示。

第8級(jí)：已經(jīng)在行業(yè)或企業(yè)的具體實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)了整體技術(shù)系統(tǒng)或單元技術(shù)的應(yīng)用，并取得了不同程度的增值。

第9級(jí)：實(shí)例在系統(tǒng)層面或核心單元技術(shù)具備成熟的實(shí)施方法論、運(yùn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及效益評(píng)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(shù)已經(jīng)越過(guò)了第6級(jí)，且個(gè)別技術(shù)達(dá)到了第8、第9級(jí)的水平。同時(shí)，不同行業(yè)的技術(shù)和應(yīng)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?guó)內(nèi)的行業(yè)、企業(yè)現(xiàn)實(shí)和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水平還有一定差距。

四、結(jié)語(yǔ)

本文搜集歸納了智能制造新業(yè)態(tài)新模式實(shí)例，按照9級(jí)技術(shù)成熟度分類后，初步判斷該模式或業(yè)態(tài)在我國(guó)行業(yè)、企業(yè)進(jìn)行單點(diǎn)應(yīng)用、行業(yè)示范推廣的程度。對(duì)新業(yè)態(tài)新模式技術(shù)和應(yīng)用成熟度的綜合判斷，有助于發(fā)現(xiàn)我國(guó)和世界先進(jìn)國(guó)家之間的差距和可能存在的嚴(yán)重問(wèn)題，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施，并為今后的試點(diǎn)示范和推廣工作提供初步的判斷依據(jù)，降低投入風(fēng)險(xiǎn)。