自2011年以來，世界各國制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略紛紛出臺，旨在正在利用各項(xiàng)使能技術(shù)，創(chuàng)造新的商業(yè)模式和新的制造方式，推進(jìn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級[1]。具體在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的戰(zhàn)略實(shí)踐而言，基于異構(gòu)數(shù)據(jù)和知識集成的信息物理系統(tǒng)(CPS)的生產(chǎn)方式不斷進(jìn)步，可互操作、集成、適應(yīng)、優(yōu)化、面向服務(wù)的智能化制造水平不斷提升，與算法、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)安全、云計(jì)算或智能機(jī)器人等高技術(shù)的相關(guān)性日益緊密。當(dāng)前，企業(yè)智能制造發(fā)展路徑日益明晰，相關(guān)使能技術(shù)已取得飛速進(jìn)步，因此有必要明確智能制造發(fā)展模型，并厘清相關(guān)關(guān)鍵使能技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢。

　　

　　

　　企業(yè)向智能制造范式轉(zhuǎn)型，可以從生命周期及價值鏈、制造層次結(jié)構(gòu)和物理系統(tǒng)功能等三維度，進(jìn)行部署和實(shí)施[2]。

　　

　　其一，企業(yè)生命周期及價值鏈維度。企業(yè)產(chǎn)品生命周期劃分為設(shè)計(jì)開發(fā)和樣機(jī)研發(fā)階段、實(shí)際實(shí)現(xiàn)階段，兩階段各自都有資產(chǎn)的使用、維護(hù)、優(yōu)化，并且相互間有反饋形成閉環(huán)。價值鏈的數(shù)字化進(jìn)程，就是把采購、訂貨計(jì)劃、裝配、物流、維護(hù)、供貨商和客戶等各個方面都數(shù)字化鏈接在一起，會產(chǎn)生巨大的改善潛力。

　　

　　其二，企業(yè)的制造層次結(jié)構(gòu)維度。按照企業(yè)信息集成國際標(biāo)準(zhǔn)的功能層級劃分，最底層為“產(chǎn)品”層，最頂層為“互聯(lián)世界”層，由此形成產(chǎn)品、現(xiàn)場設(shè)備、車間/工段、工廠、企業(yè)、互聯(lián)世界五項(xiàng)層級。其中“互聯(lián)世界”即是使用IoT和IoS連接企業(yè)、客戶和供應(yīng)商，形成跨企業(yè)協(xié)同制造關(guān)系，實(shí)現(xiàn)智能制造企業(yè)環(huán)境的最后階段。

　　

　　其三，企業(yè)物理系統(tǒng)功能維度。按照IT和通信技術(shù)常用方法，企業(yè)數(shù)字化所有方面自下而上劃分為6個層級:（1）資產(chǎn)。表達(dá)物理部件和非物理部件等實(shí)體，物理部件如線性軸、機(jī)器人、傳送帶、可編程序控制器、金屬部件、文檔、檔案等。非物理部件包括軟件和思想。（2）集成。以計(jì)算機(jī)能夠處理的方式提供資產(chǎn)的信息，對技術(shù)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助的控制。集成層包含與IT系統(tǒng)相鏈接的元件，如傳感器、射頻識別（RFID）讀入設(shè)備、人機(jī)界面（HMI）和計(jì)算機(jī)輔助控制器等。（3）通信。用來處理通信協(xié)議，以及數(shù)據(jù)和文件的傳輸。具有通信標(biāo)準(zhǔn)化功能，利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和預(yù)定義協(xié)議,為集成層的控制提供服務(wù)。（4）信息。將不同的可用數(shù)據(jù)一致地處理和集成為有用的信息，不僅通過服務(wù)接口提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，還要接收事件，并把它們轉(zhuǎn)換為將在“功能層”使用的相匹配的數(shù)據(jù)。（5）功能。關(guān)于所實(shí)現(xiàn)功能的正式描述，并創(chuàng)建可以遠(yuǎn)程訪問、確保數(shù)據(jù)完整性的多功能的橫向集成平臺，支持業(yè)務(wù)過程的運(yùn)行期和建模環(huán)境的服務(wù)，以及承擔(dān)各種應(yīng)用和技術(shù)功能性的運(yùn)行期環(huán)境。（6）經(jīng)營業(yè)務(wù)。支持映射業(yè)務(wù)模型和連接不同業(yè)務(wù)模型，并保證價值鏈功能的完整性。

　　

　　

　　各國制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略以智能制造為主導(dǎo)，核心內(nèi)容就是通過高度發(fā)達(dá)的自動化和數(shù)字化流程、電子和IT技術(shù)進(jìn)行制造和服務(wù)。從生產(chǎn)和服務(wù)管理的角度來看，智能制造范式專注于建立智能和通信系統(tǒng)，如機(jī)器到機(jī)器和人機(jī)交互，處理來自智能和分布式系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)流，提升了制造的自主互操作性、靈活性、敏捷性和生產(chǎn)效率[3]。智能制造關(guān)鍵使能技術(shù)一般涉及以下9個方面。

　　

　　

　　Internet是全球系統(tǒng)，使用TCP/IP為全球用戶提供計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；Things是任何人和物。物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）作為二詞的組合，即"萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在任何時間、任何地點(diǎn)，物與物、物與人的互聯(lián)互通，當(dāng)前已廣泛應(yīng)用于物流倉儲、醫(yī)療保健以及公用事業(yè)中。物聯(lián)網(wǎng)可以通過RFID、無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）、中間件、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[4]。根據(jù)《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書（2017版）》定義，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（industrial internet of things, IIoT）是通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實(shí)現(xiàn)制造原料的靈活配置、制造過程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應(yīng)，達(dá)到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動型的新工業(yè)生態(tài)體系[5]。具體而言，工業(yè)制造環(huán)境下，IIoT需要確保實(shí)時數(shù)據(jù)可用性 和高可靠性,并通過大數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化，調(diào)整生產(chǎn)模式，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的自然演化趨勢，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最終將邁向服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)（IoS），即圍繞創(chuàng)造價值服務(wù)的所有人和物的互聯(lián)互通，從而形成智能工廠（SF）的重要基礎(chǔ)[6]。

　　

　　

　　云計(jì)算（cloud computing，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，進(jìn)入可配置的計(jì)算資源共享池[7]。一般而言，CC包括公共云、私有云、混合云和社區(qū)云四種訪問類型，包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）、 軟件即服務(wù)（SaaS）、一切皆服務(wù)（XaaS）四類服務(wù)模型[8]。在制造環(huán)境中，云制造（cloud manufacturing，CMfg）概念被熱議，即利用CC技術(shù)，改進(jìn)當(dāng)前制造系統(tǒng)，使用戶能夠從產(chǎn)品生命周期的所有階段（包括設(shè)計(jì)、制造、管理等）獲取服務(wù)，將制造方法從生產(chǎn)導(dǎo)向轉(zhuǎn)向服務(wù)導(dǎo)向。CMfg模型一般包括提供者、運(yùn)營商和客戶三類利益相關(guān)者，綜合利用了 CC、BD、IoT、CPS、網(wǎng)絡(luò)化制造、面向服務(wù)制造、虛擬制造和虛擬企業(yè)等理論，實(shí)現(xiàn)和支持合作，共享和管理制造資源（如企業(yè)的制造能力、設(shè)備、應(yīng)用程序、軟件工具、技術(shù)訣竅等），支持推薦和執(zhí)行、智能映射和服務(wù)搜索，并可以提供可擴(kuò)展、靈活且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案[9]?？傊珻Mfg是一種基于知識的制造范式，模型、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、規(guī)則和算法等知識，在整個產(chǎn)品生命周期中的作為服務(wù)生成、管理和應(yīng)用。

　　

　　

　　來自不同類型的巨量的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)形成了大數(shù)據(jù)（big data，BD）。這些巨量數(shù)據(jù)只有通過先進(jìn)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息獲取、存儲、分配、管理和分析，才能為萬物互聯(lián)時代的工業(yè)發(fā)展帶來價值機(jī)會。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理不同，BD表現(xiàn)出volume （大量性）、velocity （高速性）、variety （多樣性）的3V特 征，另外一些學(xué)者還總結(jié)了其他維度，如veracity（真實(shí)性）、vision （視野性），volatility （易變性）、verification （驗(yàn)證性）、validation（確認(rèn)性）、variability（可變性）和value（價值性）等特征[10]。在制造領(lǐng)域，BD可以為整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的相關(guān)生產(chǎn)活動提供系統(tǒng)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)流程的低成本和無故障運(yùn)行，并幫助管理人員做出決策。借助CC技術(shù)，并通過如機(jī)器學(xué)習(xí)、預(yù)測模型等高級分析工具，分析和挖掘離線和實(shí)時數(shù)據(jù)，從巨大的數(shù)據(jù)中提取知識,使企業(yè)能夠了解產(chǎn)品生命周期的各個階段，可以幫助企業(yè)采取更加理性、信息充分和反應(yīng)迅速的決策方式。在制造企業(yè)層級構(gòu)建框架中，從機(jī)器設(shè)備和操作者生成IoT數(shù)據(jù)是BD分析的源頭信息，CC提供了BD分析的IT基礎(chǔ)設(shè)施[11]。

　　

　　

　　為了成功實(shí)施數(shù)字化制造，計(jì)算機(jī)仿真是不可或缺的強(qiáng)大技術(shù)工具。仿真建模通過開發(fā)復(fù)雜的多功能產(chǎn)品，深入了解復(fù)雜系統(tǒng)，并可以在實(shí)際實(shí)施之前測試新概念或系統(tǒng)、資源配置和新操作，從而可以在不干擾實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)的情況下收集信息和知識[12]。仿真建模允許實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置，有助于制造業(yè)企業(yè)降低成本、縮短開發(fā)周期并提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效支持運(yùn)營和決策。在制造系統(tǒng)中，仿真一直在設(shè)計(jì)評估、操作過程性能評估中發(fā)揮著重要作用。前者的應(yīng)用主要包括設(shè)施布局、系統(tǒng)容量配置、材料處理系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和蜂窩制造系統(tǒng)等；后者主要包括制造運(yùn)營計(jì)劃和調(diào)度、實(shí)時控制、運(yùn)行策略和維護(hù)操作等方面。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在仿真的應(yīng)用，使得制造工廠的高保真模擬——虛擬工廠（VF）成為現(xiàn)實(shí)；數(shù)字孿生生（DT）技術(shù)將仿真擴(kuò)展到所有產(chǎn)品生命周期階段，實(shí)現(xiàn)在不同制造系統(tǒng)模式、流程和產(chǎn)品上的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證[13]。

　　

　　

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）是將虛擬信息放在現(xiàn)實(shí)中展現(xiàn)，并且讓人和虛擬信息進(jìn)行互動的技術(shù)[14]，當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于娛樂、營銷、旅游、外科、物流、制造等領(lǐng)域。相對傳統(tǒng)硬件，AR具有更大的成本優(yōu)勢，并提供動態(tài)實(shí)時信息，在模擬、輔助和指導(dǎo)制造過程中，AR已被證明是一種有效解決問題的技術(shù)。例如在制造過程控制中，生產(chǎn)監(jiān)測實(shí)時報(bào)告中使用AR，通過監(jiān)控Cpk索引來支持質(zhì)量數(shù)據(jù)報(bào)告；AR系統(tǒng)與質(zhì)量數(shù)據(jù)分析（QDA）軟件相關(guān)聯(lián)以接收數(shù)據(jù)，QDA軟件生成報(bào)告并將其自動導(dǎo)出到AR應(yīng)用程序中，對照關(guān)鍵性能指標(biāo)KPI[15]。在產(chǎn)品診斷維護(hù)過程中，可以通過手持顯示器進(jìn)行產(chǎn)品缺陷檢查和3D映射，并反饋至平板電腦移動設(shè)備端。

　　

　　

　　增材制造（additive manufacturing，AM ）是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系[16]。AM是一種支持新產(chǎn)品、新商業(yè)模式和新供應(yīng)鏈的使能技術(shù)，內(nèi)涵上包括快速原型、固體自由形式制造、層制造、數(shù)字制造或3D打印等，在各產(chǎn)業(yè)應(yīng)用愈加廣泛。AM取代許多傳統(tǒng)制造工藝的潛力優(yōu)勢，如直接從CAD數(shù)據(jù)文件制造零件、無需額外工具或制造成本的大規(guī)模定制、制造復(fù)雜幾何形狀、制造空心零件或晶格結(jié)構(gòu)、“零浪費(fèi)”方法的材料高利用率、按需制造和出色的可擴(kuò)展性等[17]。下一代AM工藝，如微/納米級3D打印、生物印刷和4D打?。ˋM與智能材料的組合）等技術(shù)應(yīng)用均在不斷推進(jìn)中。

　　

　　

　　智能制造的系統(tǒng)集成有水平和垂直系統(tǒng)整合 （horizontal and vertical systems integration ） 兩種方法，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)共享，為形成智能工廠（SF）奠定基礎(chǔ)剛。水平集成是企業(yè)間集成，是幾家企業(yè)之間密切協(xié)作的基礎(chǔ)，利用信息系統(tǒng)豐富產(chǎn)品生命周期，在同一價值創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)中基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建互聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或信息的交換。而垂直整合是企業(yè)內(nèi)部整合的網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)，是企業(yè)層級不同層面（如企業(yè)規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度或管理）之間交換信息和協(xié)作的基礎(chǔ)。垂直整合將整個組織內(nèi)的所有過程數(shù)字化,通過實(shí)時可用的質(zhì)量管理、過程效率或操作規(guī)劃等方式,以高水 平和靈活的方式提供小批量生產(chǎn)和定制化產(chǎn)品[19]。

　　

　　

　　當(dāng)前，制造范式正在迅速從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)向定制化生產(chǎn)，企業(yè)生產(chǎn)必須靈活適應(yīng)更廣泛的產(chǎn)品變化，因此需要自主機(jī)器人（autonomous robots）技術(shù)支持。自主機(jī)器人將微處理器和人工智能（AI）與產(chǎn)品、服務(wù)和機(jī)器相結(jié)合，使制造相關(guān)的計(jì)算、通信、控制、自治和社會性的能力得以實(shí)現(xiàn)[20]，具有AI、自適應(yīng)和靈活的機(jī)器人可以促進(jìn)不同的產(chǎn)品制造，從而提供降低的生產(chǎn)成本。產(chǎn)品開發(fā)、制造和組裝階段等過程，自主機(jī)器人可以自己決定在不斷變化的環(huán)境中執(zhí)行而無需操作員的交互；非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的惡劣危險場景下的工業(yè)應(yīng)用，可以通過自主工業(yè)機(jī)器人或與人密切合作來改進(jìn)；協(xié)作機(jī)器人（collaborative robots，Cobots ）技術(shù)發(fā)展破除人機(jī)器障礙，為解決方案提供更大的可承受性和靈活性[21]。

　　

　　

　　隨著越來越多的設(shè)施設(shè)備連接至互聯(lián)網(wǎng)，無生命的物體將成為主要的數(shù)據(jù)來源。物聯(lián)網(wǎng)、虛擬環(huán)境、遠(yuǎn)程訪問和云存儲數(shù)據(jù)等等的日漸普及,不僅意味著越來越多的開放機(jī)會，而且潛含著越來越多的新信息安全危機(jī)。網(wǎng)絡(luò)安全(cybersecurity, CS)是適用于工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)情境，高水平信息安全的新術(shù)語，泛指保護(hù)、探測和響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)攻擊的技術(shù)[22]。IoT必須基于制造過程中每個環(huán)節(jié)的安全通信來構(gòu)建，并且確保設(shè)施之間的安全互操作性，這是實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈價值的基本前提。

　　

　　針對工業(yè)控制系統(tǒng)(ICS)的網(wǎng)絡(luò)攻擊會導(dǎo)致制造業(yè)務(wù)的癱瘓和關(guān)閉，導(dǎo)致企業(yè)蒙受巨額經(jīng)濟(jì)損失；某些潛在攻擊方式，例如篡改產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程文件或操縱過程/產(chǎn)品數(shù)據(jù)等，均會延遲產(chǎn)品推出與投產(chǎn)。當(dāng)前，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)技術(shù)應(yīng)用可以幫助企業(yè)提高網(wǎng)絡(luò)靈活性，快速檢測和臨時替換故障系統(tǒng)。近年來，深度防御觀點(diǎn)日益被制造企業(yè)所接受，從技術(shù)、組織和人三重維度構(gòu)建安全I(xiàn)CS多層體系，并強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)級、網(wǎng)絡(luò)級和工廠級的安全控制實(shí)施與更新[23]。

　　

　　

　　智能制造范式的核心是使生產(chǎn)制造系統(tǒng)更加靈活和協(xié)作，其基礎(chǔ)是先進(jìn)自動化技術(shù)和ICT技術(shù)。當(dāng)前，智能制造進(jìn)程不斷推進(jìn)，本文所分析概括的九項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)是企業(yè)智能制造模式開展的技術(shù)推動力。工業(yè)環(huán)境中，單項(xiàng)使能技術(shù)影響有限，但協(xié)同實(shí)施將對產(chǎn)業(yè)影響巨大，開啟未來無限可能。所有關(guān)鍵使能技術(shù)的應(yīng)用必須確保安全性，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的進(jìn)步將為企業(yè)智能制造保駕護(hù)航。

　　

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