3.2　技術(shù)融合與交匯

3.2.1　應(yīng)用層

智能制造與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合可以催生出許多應(yīng)用，其中工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、CPS等是其核心應(yīng)用。

1. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建工業(yè)環(huán)境下人、機(jī)、物全面互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、管理、服務(wù)等產(chǎn)業(yè)全要素的泛在互聯(lián)，對(duì)于促進(jìn)工業(yè)數(shù)據(jù)的開放流動(dòng)與深度融合、推動(dòng)工業(yè)資源的優(yōu)化集成與高效配置、支撐工業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)新升級(jí)與推廣普及具有重要意義。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智能制造的核心支撐技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與云平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)兩化融合（工業(yè)化和信息化）的自主可控的核心平臺(tái)技術(shù)。基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和CPS技術(shù)，承載大數(shù)據(jù)和人工智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)流程軟件定義，在自主可控和安全可信的保障下，實(shí)現(xiàn)技術(shù)超越和換道超車，構(gòu)建中國(guó)自己的工業(yè)控制體系。

2. 大數(shù)據(jù)

近年來“物聯(lián)網(wǎng)”和“大數(shù)據(jù)”是兩個(gè)備受矚目的話題。在物聯(lián)網(wǎng)的概念中，有關(guān)任何開和關(guān)切換到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備皆會(huì)彼此連接，這包括了手機(jī)、咖啡機(jī)、洗衣機(jī)、耳機(jī)、臺(tái)燈及可穿戴的設(shè)備，很多物品都屬于這個(gè)范疇。大數(shù)據(jù)是指大量的數(shù)據(jù)，它是非結(jié)構(gòu)化和沒有組織性的，指的是不斷增加的數(shù)據(jù)，且需要收集、儲(chǔ)存、管理和分析的技術(shù)。這是一個(gè)復(fù)雜的和多層面的現(xiàn)象，影響到人員、流程和技術(shù)。從技術(shù)的角度來看，大數(shù)據(jù)整合了組織、管理、分析和顯示數(shù)據(jù)。基于物聯(lián)網(wǎng)的新大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的不足之處，但也增加了整體的復(fù)雜性。這種技術(shù)使公司能夠分配數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與數(shù)據(jù)的分析，并分析有效性以及辨識(shí)模式、趨勢(shì)等。公司不僅能夠進(jìn)行歷史分析和回饋導(dǎo)向的報(bào)告，同時(shí)也期待著，預(yù)測(cè)商業(yè)的見解，從而積極支持未來的決策。多數(shù)專業(yè)系統(tǒng)需要處理不同的需求和方法。特別是對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言，M2M和傳感器的數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和分析是必要的，而且傳統(tǒng)系統(tǒng)無法提供其所需，所以內(nèi)存和流動(dòng)式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用程序是不可少的。大數(shù)據(jù)的技術(shù)結(jié)構(gòu)以專業(yè)技術(shù)為主軸可以分為6個(gè)不同的重點(diǎn)領(lǐng)域：數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)整合、分析處理、視覺和數(shù)據(jù)管理。

3. 信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）通過集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

信息物理系統(tǒng)是一個(gè)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3C（Computer、Communication、Control）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)。CPS實(shí)現(xiàn)計(jì)算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，可使系統(tǒng)更加可靠、高效、實(shí)時(shí)協(xié)同，具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。2013年德國(guó)《工業(yè)4.0實(shí)施建議》將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，并在標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研發(fā)、驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)建設(shè)等方面做出了一系列戰(zhàn)略部署。CPS因控制技術(shù)而起、信息技術(shù)而興，隨著制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合迅速發(fā)展壯大，正成為支撐和引領(lǐng)全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心技術(shù)體系。作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，CPS是集成計(jì)算、通信與控制為一體的下一代智能系統(tǒng)。CPS通過人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)與物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的方式操控一個(gè)物理實(shí)體。CPS包含了將來無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。它注重計(jì)算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)，主要用于一些智能系統(tǒng)上，如設(shè)備互聯(lián)、物聯(lián)傳感、智能家居、機(jī)器人、智能導(dǎo)航等。

3.2.2　網(wǎng)絡(luò)層

目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要受兩個(gè)方面的制約：一是部分機(jī)器沒有數(shù)據(jù)接口；二是存在大量異構(gòu)的通信規(guī)范。與此同時(shí)，還要考慮工業(yè)發(fā)展的慣性，不能完全采用新舊技術(shù)徹底更替的辦法來解決這兩方面的問題。所以，工業(yè)社會(huì)必須要有這樣的技術(shù)，在沒有數(shù)據(jù)接口的機(jī)器上能夠增加數(shù)據(jù)接口（包括傳感器），在異構(gòu)通信規(guī)范之間采用全兼容的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備、產(chǎn)品、人等互聯(lián)互通的多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集中組網(wǎng)，是網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)既包括RFID、藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)等適用于不同通信距離、具有不同通信協(xié)議的無線通信網(wǎng)絡(luò)，也包括基于TCP/IP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)和專用協(xié)議局域網(wǎng)等有線網(wǎng)絡(luò)。不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、參考框架、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)答機(jī)制、尋址方式等通信協(xié)議內(nèi)容方面具有較大差異。如果異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的融合問題解決不了，那么工業(yè)大數(shù)據(jù)的交互、存儲(chǔ)和挖掘等都將受到限制，產(chǎn)品全生命周期的增值服務(wù)也會(huì)受到影響。因此，需要明確異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)接機(jī)制，建立一個(gè)能夠融合不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的、統(tǒng)一的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系。

在智能制造的應(yīng)用中，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的通用網(wǎng)關(guān)是提供這種全兼容技術(shù)的產(chǎn)品。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系中，通用網(wǎng)關(guān)屬于邊緣計(jì)算的一部分，這是與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)明顯不同的地方。每一種通信協(xié)議都對(duì)應(yīng)著通用網(wǎng)關(guān)中的一種通信驅(qū)動(dòng)。一項(xiàng)新的技術(shù)是把通信數(shù)據(jù)包交給通用網(wǎng)關(guān)中邊緣計(jì)算來處理，以便分解出有效的信息。這將極大地降低通用網(wǎng)關(guān)的通信處理開發(fā)成本，提高通用網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集的靈活性。邊緣計(jì)算的另一個(gè)用途是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，以減輕云平臺(tái)的計(jì)算壓力。同時(shí)，多個(gè)邊緣計(jì)算構(gòu)成的霧計(jì)算，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

考慮到互聯(lián)網(wǎng)通信的不確定性，還需要在通用網(wǎng)關(guān)中增加斷網(wǎng)續(xù)傳的功能，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。除此之外，還需要關(guān)注數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和同步性問題。這些特性一般能夠通過調(diào)整通信的請(qǐng)求周期和標(biāo)記數(shù)據(jù)的時(shí)間戳來確定。顯而易見，通用網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)采集的重要設(shè)備，它在整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中構(gòu)成了一個(gè)龐大的通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，對(duì)于整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行有著非常重要的影響。為此，需要一種有效的網(wǎng)絡(luò)工具，用于管理這樣的通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，對(duì)它們的運(yùn)行狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)更新、采集周期等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也能對(duì)相應(yīng)的軟件維護(hù)、節(jié)點(diǎn)參數(shù)、接口配置等進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整。

云控制是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)很重要的一項(xiàng)功能。但是，目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)的處理和信息的管理方面。事實(shí)上，由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的云平臺(tái)能夠綜合更多的數(shù)據(jù)，因此它不僅可以對(duì)企業(yè)的管理過程提供重要的決策，而且可以對(duì)機(jī)器的控制過程提供更優(yōu)的指令。云機(jī)器人和能源互聯(lián)網(wǎng)都屬于云控制的典型應(yīng)用。人工智能的技術(shù)需要強(qiáng)大的計(jì)算資源支持，而這只有在云計(jì)算環(huán)境中才能得到滿足。只有當(dāng)強(qiáng)大的云控制功能和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能結(jié)合在一起時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)才能具有真正強(qiáng)大的支配機(jī)器的能力。一般情況下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的云平臺(tái)是按照PaaS架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。云控制可以利用這方面的計(jì)算資源進(jìn)行智能控制、資源調(diào)度、優(yōu)化決策，以及多個(gè)生產(chǎn)過程的協(xié)同作業(yè)等方面的計(jì)算處理，從而為機(jī)器的先進(jìn)控制提供最優(yōu)的設(shè)定值。云控制需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是互聯(lián)網(wǎng)通信的不確定性造成的數(shù)據(jù)通信延遲補(bǔ)償，如何讓復(fù)雜算法的編輯、編譯和基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)試過程變得更加簡(jiǎn)單和直觀。工業(yè)App提供的可視化能力，也為云控制技術(shù)的工程應(yīng)用提供了有力支撐。另外，云控制需要邊緣計(jì)算的協(xié)同。邊緣計(jì)算一方面為云控制提供數(shù)據(jù)通信的通道，另一方面也為云控制過程提供安全保障。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，云控制將逐步成為工業(yè)領(lǐng)域中最重要的一種生產(chǎn)技術(shù)。

3.2.3　感知層

智能制造旨在將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)融入感知、決策、執(zhí)行等制造活動(dòng)中，賦予產(chǎn)品制造在線學(xué)習(xí)和知識(shí)進(jìn)化的能力，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)制造。在感知層，目前關(guān)鍵技術(shù)包括RFID、智能傳感器及二維碼識(shí)別等。

1. RFID技術(shù)

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種非接觸類型的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其主要是利用無線電磁信號(hào)傳輸特性和空間耦合（包括電磁或電感耦合）原理，來完成對(duì)目標(biāo)物體的自動(dòng)識(shí)別過程。

RFID是一種先進(jìn)的非接觸式射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，識(shí)別距離遠(yuǎn)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具備多目標(biāo)同時(shí)識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)。另外，RFID標(biāo)簽具有條形碼所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如防水、防磁、耐高溫、壽命長(zhǎng)、讀取遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)可更改、可加密、存儲(chǔ)量大等。在智能制造的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，通過建立產(chǎn)品與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備、人與設(shè)備之間的連接，實(shí)現(xiàn)和加強(qiáng)產(chǎn)品、設(shè)備和人的自主性和自優(yōu)化性，從而顯著提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)柔性。同時(shí)，工業(yè)4.0生產(chǎn)制造的智能產(chǎn)品，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將產(chǎn)品聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)上，應(yīng)用大數(shù)據(jù)和其他IT技術(shù)，可以將企業(yè)的商業(yè)模式從產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，從銷售產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)殇N售服務(wù)，提升并改善用戶體驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模式的革新。借助RFID技術(shù)在識(shí)別、感知、聯(lián)網(wǎng)、定位等方面的強(qiáng)大功能，將其應(yīng)用于復(fù)雜零件制造過程管理，可以提升產(chǎn)品智能化形象，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售、售后、維修全程的質(zhì)量和服務(wù)水平，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期，有效提升其制造效率和品質(zhì)。利用RFID電子標(biāo)簽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，傳輸至管理系統(tǒng)挖掘關(guān)鍵信息，對(duì)企業(yè)整體業(yè)務(wù)流程進(jìn)行全程記錄。

2. 傳感器技術(shù)

傳感器處于物聯(lián)網(wǎng)的感知層，是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)基礎(chǔ)層面，也將是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量最多的構(gòu)件。追溯全球傳感器產(chǎn)業(yè)的起源，都是從工業(yè)自動(dòng)化開始的。從20世紀(jì)70年代開始，為了提高工業(yè)生產(chǎn)和制造效率，人們開始嘗試通過中央控制室控制各個(gè)生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)上的參量，包括流量、物位、溫度和壓力4個(gè)參數(shù)，從而催生了傳感器這一科學(xué)儀器。在傳感器概念出現(xiàn)之前，早期的傳感器是以整套儀器中一個(gè)部件的形式出現(xiàn)的；或者可以認(rèn)為，傳感器概念的出現(xiàn)其實(shí)是測(cè)量?jī)x器逐步走向模塊化的結(jié)果。

目前國(guó)內(nèi)的傳感器技術(shù)研發(fā)還面臨著兩個(gè)瓶頸。其一，因?yàn)閭鞲衅鲗儆诨A(chǔ)部件，存在著一個(gè)特性，即本身技術(shù)含量很高，但是售價(jià)卻比較低廉，更大的作用是作為一種產(chǎn)業(yè)鋪墊，需要和其他部件配套使用，才能最終形成價(jià)值，這在客觀上減少了企業(yè)研發(fā)的熱情；其二，國(guó)內(nèi)對(duì)于傳感器的技術(shù)保護(hù)并不到位，很多時(shí)候企業(yè)投入了巨資研發(fā)的產(chǎn)品，很容易被其他企業(yè)“借用”，這從客觀條件上也不利于中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)的形成。當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)，新材料的運(yùn)用和成本的不斷降低，給中國(guó)企業(yè)發(fā)展傳感器產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)迎頭趕超提供了最好的契機(jī)。原子材料、納米材料等使傳感器在電器、機(jī)械及物理性能方面表現(xiàn)更為突出，展現(xiàn)出更強(qiáng)的靈敏性。集成化、小型化使更多的功能被集成在一起，應(yīng)用更寬廣，通用性更強(qiáng)。傳感器技術(shù)及工藝的不斷成熟與發(fā)展，使生產(chǎn)成本降低，這些都在客觀上促進(jìn)了全球傳感器產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。未來，傳感器必將在更多的領(lǐng)域獲得新的應(yīng)用，從而徹底改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。在工業(yè)制造業(yè)的任何環(huán)節(jié)，測(cè)控技術(shù)必將起到至關(guān)重要的提升作用。為了盡快拉近與國(guó)外半導(dǎo)體巨頭之間的差距，中國(guó)的傳感器科研單位及生產(chǎn)廠家需要做的工作還有很多。在以工業(yè)控制、汽車、通信、環(huán)保為重點(diǎn)的服務(wù)領(lǐng)域，需要發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感器技術(shù)和產(chǎn)品，從而適應(yīng)日益擴(kuò)大的生產(chǎn)需求。今后的傳感器技術(shù)將會(huì)朝著小型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，加強(qiáng)制造工藝和新型傳感器的開發(fā)，使主導(dǎo)產(chǎn)品達(dá)到和接近國(guó)外同類產(chǎn)品水平，中國(guó)制造正當(dāng)其時(shí)。

3. 二維碼識(shí)別技術(shù)

智能化數(shù)字信息技術(shù)充分運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)制造的各個(gè)方面，各類工業(yè)制造相關(guān)的信息錄入及讀取全部由中央處理器處理完成，而二維碼（QR Code）就是目前這些數(shù)字信息的有效載體之一。

二維碼又稱為二維條碼，它是用特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向）上分布的黑白相間的圖形，是所有信息數(shù)據(jù)的一把鑰匙。二維碼可以存儲(chǔ)各種信息，具有高密度編碼、信息容量大、編碼范圍廣；容錯(cuò)、糾錯(cuò)能力強(qiáng)；譯碼可靠性高；可引入加密措施；成本低，易制作，持久耐用的特點(diǎn)。在現(xiàn)代工業(yè)和商業(yè)活動(dòng)中，二維碼可實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用十分廣泛，如產(chǎn)品防偽/溯源、廣告推送、網(wǎng)站鏈接、數(shù)據(jù)下載、商品交易、定位/導(dǎo)航、電子憑證、車輛管理、信息傳遞、名片交流、Wi-Fi共享等。