第2章　工業無線傳感器網絡數據融合

2.1　引言

2.1.1　工業4.0與智能工廠

近年來，工業制造領域趨向于系統化地部署信息物理系統（CPS）。信息物理系統的精髓是指運用一系列變革性的技術對若干互聯系統的物理資產和計算能力進行管理^[194]，在信息物理系統內，來自物理工廠車間和網絡計算空間的全方位角度的信息均被嚴密地監控和協調。通過運用先進的信息分析方法，網絡化的機器設備能夠更加高效、協同地工作。上述趨勢極大地推動了工業制造領域的第四代變革。隨著傳感器、數據獲取系統及計算機網絡的可獲得性和可負擔性的逐漸改善，當今工業界極富競爭性的本質使得越來越多的工廠廣泛使用傳感器和網絡化的機器設備，進而導致了海量數據的持續產生，即公眾所熟知的大數據^[195]。在上述環境下，對信息物理系統實施進一步的開發能夠實現對大數據的管理以及對機器設備內聯性的利用，進而實現智能的、可重配置的以及自適應的制造系統^[196]。通過將信息物理系統與當前工業過程中的生產、物流以及服務相集成，當今的傳統工廠將被轉化成工業4.0環境下極具經濟潛力的新型工廠^[197]，也稱為智能工廠。由歐洲最大的應用研究機構——德國弗朗霍夫研究所（Fraunhofer Institute）^[1]與德國信息通信和新媒體協會（Bitkom）^[2] 聯合發布的報告顯示，在引入工業4.0戰略后，德國的累計生產性固定資產總值將于2025年躍升至2670億歐元^[198]。智能工廠作為承載工業4.0的最主要的應用實體，針對其現代化生產線及生產過程中的溫度、壓力、位移、熱能、振動和噪聲等數據，可以實現多種形式的分析，包括設備診斷（device diagnostics）、能耗分析（energy consumption）、質量追溯（quality traceability）和產能分析（productivity analysis）等。隨著大數據的分析模式在全球制造業中大量涌現，針對智能工廠中普遍存在的設備狀態監測與控制、制造過程、品質保證、自動化物流等環節，跨設備的多源異構數據的智能融合成為當前的研究熱點。

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

傳統工廠生產線的目的在于生產類型單一的產品，其通常由若干機械設備和傳送帶構成。傳統工廠生產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，機械設備沿著生產線進行部署。未完工的產品從輸入端到輸出端流經生產線，每個機械設備執行預先確定的操作。一般來說，傳送帶是精心定制的，不存在多余的機械設備。每個機械設備都具有獨立的控制器，而且設備間的交互很少發生。圖2-1展示了傳統工廠生產線的概念，產品的生產和加工過程沿著傳送帶順次進行，生產流程依次由實體E₁到E₅來分別執行。

智能工廠的生產系統旨在生產多種不同類型的產品。從單一產品類型的角度看，存在多余的機械設備。設備間通過互相協商來完成自身的重配置，以適應產品類型的變化。傳送帶是閉合的，用來支持多樣化的生產流程，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系統的概念，閉合傳送帶中的生產和加工過程可以根據不同的產品類型進行重新配置，具有高效和靈活的特點。圖2-2中描述了兩個不同的生產流程P和Q，它們的執行順序分別為：

·P（E₁→E₂→E₁₁→E₄→E₅→E₉→E₁₀）

·Q（E₂→E₃→E₁₁→E₁₀→E₄→E₉→E₈→E₆→E₇）

針對不同的生產流程，與生產線和生產過程相關的機械設備可能存在冗余，例如E₁₂與E₁₃。智能工廠生產系統與傳統工廠生產線的本質區別是其具有一些技術上的優勢，表2-1給出了傳統工廠與工業4.0環境下智能工廠的對比^[199]。

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

1.價值網絡層面的橫向集成

價值網絡層面的橫向集成提供企業內部的協同機制。對于企業來說，在與其他相關企業競爭的同時，彼此之間也存在合作。通過企業內部的橫向集成，相關企業能夠形成高效的生態系統。由于信息、資本和資源能夠在企業之間順暢地流動，因此新的價值網絡和商業模型也會隨之涌現。

2.制造系統網絡層面的縱向集成

制造系統網絡層面的縱向集成是指由智能工廠內層次化的子系統來創建靈活且可重配置的制造系統。制造工廠通常包含若干個信息物理子系統，例如傳動系統、信號傳感系統、控制系統、生產管理系統、機械制造系統和協同計劃系統等。為了能夠使工廠內的生產系統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和信號傳感系統進行縱向集成，集成層次的頂部是企業資源計劃（ERP）系統。通過上述集成，工廠內的設備形成一個自組織的系統，該系統能夠動態地進行重配置以適應不同的產品類型，通過對生產線和生產過程中包含的海量數據進行采集和分析，產品的生產流程變得清晰可見。

3.價值鏈整體的端到端數字化工程集成

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

制造系統網絡層面的縱向集成的實現背景是智能工廠，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鍵基礎。

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

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