第2章　工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合

2.1　引言

2.1.1　工業(yè)4.0與智能工廠

近年來，工業(yè)制造領(lǐng)域趨向于系統(tǒng)化地部署信息物理系統(tǒng)（CPS）。信息物理系統(tǒng)的精髓是指運用一系列變革性的技術(shù)對若干互聯(lián)系統(tǒng)的物理資產(chǎn)和計算能力進(jìn)行管理^[194]，在信息物理系統(tǒng)內(nèi)，來自物理工廠車間和網(wǎng)絡(luò)計算空間的全方位角度的信息均被嚴(yán)密地監(jiān)控和協(xié)調(diào)。通過運用先進(jìn)的信息分析方法，網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)器設(shè)備能夠更加高效、協(xié)同地工作。上述趨勢極大地推動了工業(yè)制造領(lǐng)域的第四代變革。隨著傳感器、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可獲得性和可負(fù)擔(dān)性的逐漸改善，當(dāng)今工業(yè)界極富競爭性的本質(zhì)使得越來越多的工廠廣泛使用傳感器和網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)器設(shè)備，進(jìn)而導(dǎo)致了海量數(shù)據(jù)的持續(xù)產(chǎn)生，即公眾所熟知的大數(shù)據(jù)^[195]。在上述環(huán)境下，對信息物理系統(tǒng)實施進(jìn)一步的開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)對大數(shù)據(jù)的管理以及對機(jī)器設(shè)備內(nèi)聯(lián)性的利用，進(jìn)而實現(xiàn)智能的、可重配置的以及自適應(yīng)的制造系統(tǒng)^[196]。通過將信息物理系統(tǒng)與當(dāng)前工業(yè)過程中的生產(chǎn)、物流以及服務(wù)相集成，當(dāng)今的傳統(tǒng)工廠將被轉(zhuǎn)化成工業(yè)4.0環(huán)境下極具經(jīng)濟(jì)潛力的新型工廠^[197]，也稱為智能工廠。由歐洲最大的應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)——德國弗朗霍夫研究所（Fraunhofer Institute）^[1]與德國信息通信和新媒體協(xié)會（Bitkom）^[2] 聯(lián)合發(fā)布的報告顯示，在引入工業(yè)4.0戰(zhàn)略后，德國的累計生產(chǎn)性固定資產(chǎn)總值將于2025年躍升至2670億歐元^[198]。智能工廠作為承載工業(yè)4.0的最主要的應(yīng)用實體，針對其現(xiàn)代化生產(chǎn)線及生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、位移、熱能、振動和噪聲等數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)多種形式的分析，包括設(shè)備診斷（device diagnostics）、能耗分析（energy consumption）、質(zhì)量追溯（quality traceability）和產(chǎn)能分析（productivity analysis）等。隨著大數(shù)據(jù)的分析模式在全球制造業(yè)中大量涌現(xiàn)，針對智能工廠中普遍存在的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制、制造過程、品質(zhì)保證、自動化物流等環(huán)節(jié)，跨設(shè)備的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的智能融合成為當(dāng)前的研究熱點。

智能工廠在生產(chǎn)過程中對原材料和半成品進(jìn)行加工和處理，在生產(chǎn)和管理過程中涉及多種不同的物理和信息子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)分別位于不同的層次，例如傳動和傳感層、控制層、生產(chǎn)管理層、制造和執(zhí)行層以及協(xié)同計劃層等。目前，信息流通常在上述子系統(tǒng)之間遭遇阻塞，導(dǎo)致生產(chǎn)過程的連續(xù)性和一致性難以得到保證。因此，工業(yè)4.0的實施亟須在工廠中對層次化的子系統(tǒng)進(jìn)行縱向集成，進(jìn)而將傳統(tǒng)工廠轉(zhuǎn)化為具有高度靈活性和可重配置性的智能工廠。

傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)線的目的在于生產(chǎn)類型單一的產(chǎn)品，其通常由若干機(jī)械設(shè)備和傳送帶構(gòu)成。傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)線的傳送帶不是閉合的，即一端作為輸入端，另一端作為輸出端，機(jī)械設(shè)備沿著生產(chǎn)線進(jìn)行部署。未完工的產(chǎn)品從輸入端到輸出端流經(jīng)生產(chǎn)線，每個機(jī)械設(shè)備執(zhí)行預(yù)先確定的操作。一般來說，傳送帶是精心定制的，不存在多余的機(jī)械設(shè)備。每個機(jī)械設(shè)備都具有獨立的控制器，而且設(shè)備間的交互很少發(fā)生。圖2-1展示了傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)線的概念，產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工過程沿著傳送帶順次進(jìn)行，生產(chǎn)流程依次由實體E₁到E₅來分別執(zhí)行。

智能工廠的生產(chǎn)系統(tǒng)旨在生產(chǎn)多種不同類型的產(chǎn)品。從單一產(chǎn)品類型的角度看，存在多余的機(jī)械設(shè)備。設(shè)備間通過互相協(xié)商來完成自身的重配置，以適應(yīng)產(chǎn)品類型的變化。傳送帶是閉合的，用來支持多樣化的生產(chǎn)流程，因此沒有確定的輸入端和輸出端。圖2-2展示了智能工廠生產(chǎn)系統(tǒng)的概念，閉合傳送帶中的生產(chǎn)和加工過程可以根據(jù)不同的產(chǎn)品類型進(jìn)行重新配置，具有高效和靈活的特點。圖2-2中描述了兩個不同的生產(chǎn)流程P和Q，它們的執(zhí)行順序分別為：

·P（E₁→E₂→E₁₁→E₄→E₅→E₉→E₁₀）

·Q（E₂→E₃→E₁₁→E₁₀→E₄→E₉→E₈→E₆→E₇）

針對不同的生產(chǎn)流程，與生產(chǎn)線和生產(chǎn)過程相關(guān)的機(jī)械設(shè)備可能存在冗余，例如E₁₂與E₁₃。智能工廠生產(chǎn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)工廠生產(chǎn)線的本質(zhì)區(qū)別是其具有一些技術(shù)上的優(yōu)勢，表2-1給出了傳統(tǒng)工廠與工業(yè)4.0環(huán)境下智能工廠的對比^[199]。

為了更好地實現(xiàn)工業(yè)4.0，文獻(xiàn)[200]給出了實施過程中所具有的三個關(guān)鍵特性。

1.價值網(wǎng)絡(luò)層面的橫向集成

價值網(wǎng)絡(luò)層面的橫向集成提供企業(yè)內(nèi)部的協(xié)同機(jī)制。對于企業(yè)來說，在與其他相關(guān)企業(yè)競爭的同時，彼此之間也存在合作。通過企業(yè)內(nèi)部的橫向集成，相關(guān)企業(yè)能夠形成高效的生態(tài)系統(tǒng)。由于信息、資本和資源能夠在企業(yè)之間順暢地流動，因此新的價值網(wǎng)絡(luò)和商業(yè)模型也會隨之涌現(xiàn)。

2.制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層面的縱向集成

制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層面的縱向集成是指由智能工廠內(nèi)層次化的子系統(tǒng)來創(chuàng)建靈活且可重配置的制造系統(tǒng)。制造工廠通常包含若干個信息物理子系統(tǒng)，例如傳動系統(tǒng)、信號傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、機(jī)械制造系統(tǒng)和協(xié)同計劃系統(tǒng)等。為了能夠使工廠內(nèi)的生產(chǎn)系統(tǒng)具有高度的靈活性和可重配置性，需要將不同層面的傳動系統(tǒng)和信號傳感系統(tǒng)進(jìn)行縱向集成，集成層次的頂部是企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)。通過上述集成，工廠內(nèi)的設(shè)備形成一個自組織的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠動態(tài)地進(jìn)行重配置以適應(yīng)不同的產(chǎn)品類型，通過對生產(chǎn)線和生產(chǎn)過程中包含的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，產(chǎn)品的生產(chǎn)流程變得清晰可見。

3.價值鏈整體的端到端數(shù)字化工程集成

價值鏈整體的端到端數(shù)字化工程集成提供產(chǎn)品定制化方面的支持。以產(chǎn)品為中心的價值創(chuàng)造過程涉及一系列的活動，例如客戶需求表達(dá)，以及產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、服務(wù)、維護(hù)和循環(huán)重用等。通過價值鏈整體的端到端數(shù)字化工程集成，能夠獲得連續(xù)且一致的產(chǎn)品模型，該模型能夠在每個階段重用。工業(yè)4.0中的三類集成及其關(guān)系如圖2-3所示。

制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層面的縱向集成的實現(xiàn)背景是智能工廠，其作用是使智能工廠具有高度的靈活性和可重配置性。此外，智能工廠也是其余兩種集成的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

[1] https://www.fraunhofer.de/

[2] https://www.bitkom.org/