對德國工業(yè)4.0、中國制造2025等國內(nèi)外智能制造的主要概念與發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，并對智能制造的典型應(yīng)用場景、主要需求及體系架構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提出面向智能制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)、工業(yè)智能網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)開放等應(yīng)用技術(shù)。

1、智能制造

1.1智能制造國內(nèi)外發(fā)展趨勢

(1)德國工業(yè)4.0與美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)4.0已上升為德國的國家戰(zhàn)略。工業(yè)4.0的目標(biāo)是通過充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)、信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，推動制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，將實體物理世界與虛擬網(wǎng)絡(luò)世界融合、產(chǎn)品全生命周期、全制造流程數(shù)字化以及基于信息通信技術(shù)的模塊集成，形成一種高度靈活、個性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)新生產(chǎn)模式。

美國的互聯(lián)網(wǎng)以及ICT巨頭與傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)廠商攜手推出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念，GE、思科、IBM、AT&T、英特爾等80多家企業(yè)成立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）。“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”希望借助網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的力量提升整個工業(yè)的價值創(chuàng)造能力，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)旨在通過制定通用標(biāo)準(zhǔn)，打破技術(shù)壁壘，利用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)過程，更好地促進(jìn)物理世界和數(shù)字世界的融合。

2016年3月，工業(yè)4.0平臺和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟雙方代表開始探討合作事宜。雙方就各自推出的參考架構(gòu)RAMI4.0和IIRA的互補(bǔ)性達(dá)成共識，形成了初始映射圖，以顯示兩種模型元素之間的直接關(guān)系；制定了未來確?；ゲ僮餍缘囊粋€清晰路線圖，其他還包括：在IIC試驗臺和工業(yè)4.0試驗設(shè)施方面的合作，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中標(biāo)準(zhǔn)化、架構(gòu)和業(yè)務(wù)成果方面的合作。

(2)中國制造2025

我國將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定位于國家戰(zhàn)略高度。2015年國務(wù)院和工業(yè)和信息化部先后出臺了《中國制造2025》、《國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動的指導(dǎo)意見》、《工業(yè)和信息化部關(guān)于貫徹落實<國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見>的行動計劃（2015-2018年）》等一系列指導(dǎo)性文件，部署全面推進(jìn)實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，2016年政府工作報告中進(jìn)一步提出要深入推進(jìn)“中國制造+互聯(lián)網(wǎng)”。

《中國制造2025》明確提出通過政府引導(dǎo)、整合資源，實施國家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)、智能制造、工業(yè)強(qiáng)基、綠色制造、高端裝備創(chuàng)新5項重大工程，實現(xiàn)長期制約制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)突破，提升我國制造業(yè)的整體競爭力。

1.2智慧工廠概念模型

智慧工廠概念首先由美國ARC顧問集團(tuán)提出，智慧工廠實現(xiàn)了數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)字化產(chǎn)品制造、數(shù)字化管理生產(chǎn)過程和業(yè)務(wù)流程，以及綜合集成優(yōu)化的過程，可以用工程技術(shù)、生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈三個維度描述智慧工廠模型。智慧工廠模型如圖1所示。

信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）是智慧工廠的核心，它深度融合了3C（計算、通信和控制）能力，在對物理設(shè)施深度感知的基礎(chǔ)上，構(gòu)建安全、可靠、高效、實時的工程系統(tǒng)。通過計算進(jìn)程和物理進(jìn)程實時相互反饋循環(huán)，實現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，從而改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。

1.3智能制造體系框架

智能制造體系由復(fù)雜的系統(tǒng)組成，其復(fù)雜性一方面來自智能機(jī)器的計算機(jī)理，另一方面則來自智能制造網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)。工業(yè)4.0給出的一種智能制造體系框架如圖2所示，主要由信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)、智慧工廠等組成。物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)是智慧工廠的信息技術(shù)基礎(chǔ)，在典型的工廠控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)信息集成的三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分利用正在迅速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和服務(wù)網(wǎng)技術(shù)。

● 與制造生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線控制、調(diào)度、排產(chǎn)等相關(guān)的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）、PCS（過程控制系統(tǒng)）功能，通過CPS物理信息系統(tǒng)實現(xiàn)，這一層與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)緊緊相連。

● 與生產(chǎn)計劃、物流、能源和經(jīng)營相關(guān)的ERP、SCR、CRM等，和產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)相關(guān)的PLM處在最上層，與服務(wù)網(wǎng)緊緊相連。

● 從制成品形成和產(chǎn)品生命周期服務(wù)的維度，智慧工廠還需要和智慧產(chǎn)品的原材料供應(yīng)、智慧產(chǎn)品的售后服務(wù)這些環(huán)節(jié)構(gòu)成實時互聯(lián)互通的信息交換。

● 而具有智慧的原材料供應(yīng)和智慧產(chǎn)品的售后服務(wù)，具有充分利用服務(wù)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的功能。

2、智能制造應(yīng)用場景和需求分析

制造行業(yè)的生產(chǎn)流程和產(chǎn)業(yè)鏈都很復(fù)雜，以下重點(diǎn)分析智能制造技術(shù)典型應(yīng)用場景、智能制造網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)和需求、智能制造信息化應(yīng)用升級需求等。

2.1智能制造應(yīng)用場景分析

(1)廣域應(yīng)用場景

主要指跨域的多工廠之間的網(wǎng)絡(luò)通信和應(yīng)用，典型應(yīng)用場景包括多工廠之間的廣域網(wǎng)絡(luò)訪問和通信、協(xié)同設(shè)計、供應(yīng)鏈協(xié)作、與客戶互動、多廠間物流等。

(2)工廠級應(yīng)用場景

主要指工廠的生產(chǎn)管理和辦公管理應(yīng)用，典型應(yīng)用場景包括企業(yè)OA、ERP、CRM、MES等應(yīng)用系統(tǒng)，以及移動辦公/管理應(yīng)用、安全管理應(yīng)用（視頻監(jiān)控和巡檢等）、節(jié)能管理、集群通信、廠區(qū)內(nèi)智能物料配送和運(yùn)輸?shù)取?/p>

(3)現(xiàn)場級應(yīng)用場景

主要指生產(chǎn)線現(xiàn)場的生產(chǎn)過程管理、現(xiàn)場監(jiān)控和控制等，包括智能工廠生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集及分析，實現(xiàn)生產(chǎn)過程、設(shè)備、資源監(jiān)控的可操作和可視化；要能支持采集不同現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的要求，支持將生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備故障信息顯示在監(jiān)控站的屏幕上，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)控與管理；實現(xiàn)智能設(shè)備、機(jī)器人和生產(chǎn)線、用戶全流程互聯(lián)對話，實現(xiàn)人機(jī)、機(jī)機(jī)互聯(lián)下的高品質(zhì)、高效、柔性自動化生產(chǎn)等。

2.2智能制造網(wǎng)絡(luò)通信特點(diǎn)和需求

智能制造網(wǎng)絡(luò)通信必須適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，具有較強(qiáng)的抗干擾能力、實時通信等特點(diǎn)，為緊要任務(wù)提供最低限度的性能保證服務(wù)，確保整個工業(yè)控制系統(tǒng)的性能。

制造企業(yè)傳統(tǒng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部署模式為以太局域網(wǎng)+Wi-Fi覆蓋，存在一些局限性。

● 帶寬不足，成為智能制造的瓶頸。隨著聯(lián)網(wǎng)在線設(shè)備的驟增、數(shù)據(jù)采集率的提升、承載業(yè)務(wù)的多樣化，對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了很高的要求。

● 靈活部署能力不足，組網(wǎng)靈活性差，抗干擾性差。

● Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)存在缺乏統(tǒng)一管理平臺、網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全

面、網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定、安全性不能得到保障等不足。智能制造要求將企業(yè)的生產(chǎn)過程控制、運(yùn)行、管理、辦公統(tǒng)一控制與管理，辦公網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)既安全邏輯隔離又有機(jī)融合互聯(lián)，對工廠的網(wǎng)絡(luò)通信提出了新要求。

彈性疊加業(yè)務(wù)：快速業(yè)務(wù)多樣性，如視頻類、上網(wǎng)、專線等。

帶寬彈性擴(kuò)容：多種高帶寬接入能力，動態(tài)調(diào)整。多層次開放：靈活應(yīng)對接入方式、接入地點(diǎn)、接入終端多變性。

有線、無線一體化的調(diào)度通信功能：支持工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的多種通信接口（如RS232、RS485、CAN總線等）。

具有良好的響應(yīng)實時性：工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)不僅要求傳輸速度快，而且要求響應(yīng)快，即響應(yīng)實時性要好，一般為ms至0.1s級別。

容錯性要求：在網(wǎng)絡(luò)局部鏈路出現(xiàn)故障的情況下，能在很短的時間內(nèi)重新建立新的網(wǎng)絡(luò)鏈路。

2.3智能制造信息化應(yīng)用升級需求

智能制造除了現(xiàn)有的辦公管理和生產(chǎn)經(jīng)營管理的辦公

OA、ERP、SCR、CRM等信息化應(yīng)用需求外，還提出了生產(chǎn)現(xiàn)場管理、過程可視化、客戶互動、個性化定制等很多新的信息化應(yīng)用需求。

生產(chǎn)過程可視化管理需求：支持智能生產(chǎn)管理的精益管理、可視化管理、實時管理、柔性生產(chǎn)等需求。

移動應(yīng)用需求：支持移動辦公和移動管理應(yīng)用，實現(xiàn)管理人員在生產(chǎn)一線現(xiàn)場辦公/管理（使用平板電腦和智能手機(jī)等移動終端）。

工業(yè)云需求：支持遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計、遠(yuǎn)程供應(yīng)鏈協(xié)作、客戶互動等應(yīng)用場景，并能夠支持IT系統(tǒng)云化功能。

工業(yè)大數(shù)據(jù)需求：通過采集現(xiàn)有工廠設(shè)計、工藝、制造、管理、監(jiān)測、物流等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)的智能管理與決策分析后市場服務(wù)需求：制造行業(yè)整體上需要拓展后市場服務(wù)作為新業(yè)務(wù)增長點(diǎn)，如產(chǎn)品遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)、客戶360°交互、向電子商務(wù)轉(zhuǎn)型等。

3、智能制造整體解決方案

3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)

基于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、智能產(chǎn)品、生產(chǎn)和物流系統(tǒng)、IT系統(tǒng)、生產(chǎn)和服務(wù)人員、供應(yīng)鏈/合作伙伴及客戶之間的有機(jī)互聯(lián)，以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)同（協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造、供應(yīng)鏈協(xié)同等）和工業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)開放等功能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)如圖3所示。

工業(yè)智能網(wǎng)絡(luò)：一是，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，將企業(yè)生產(chǎn)過程控制、運(yùn)行、管理作為一個整體進(jìn)行控制與管理，促進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合；二是，LTE園區(qū)網(wǎng)，實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)4G無線接入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地分流，園區(qū)外通過VPN完成企業(yè)數(shù)據(jù)分離；三是，物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)智能設(shè)備和智能產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)。

工業(yè)大數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析：通過對生產(chǎn)設(shè)備和智能產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集，將生產(chǎn)、產(chǎn)品使用過程中的工藝、物料、制造、管理、服務(wù)等全流程數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)生產(chǎn)智能管理與決策分析、產(chǎn)品智能服務(wù)和維護(hù)，及為智能制造企業(yè)和應(yīng)用開發(fā)商提供數(shù)據(jù)開放服務(wù)。

工業(yè)云：通過設(shè)計協(xié)同、制造協(xié)同、供應(yīng)鏈協(xié)同、服務(wù)協(xié)同等，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理等在不同企業(yè)間的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。

3.2生產(chǎn)智能化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

生產(chǎn)智能化網(wǎng)絡(luò)主要是指智能工廠車間級工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)智能工廠內(nèi)部整套裝備系統(tǒng)、生產(chǎn)線、設(shè)施與移動操作終端泛在互聯(lián)，車間互聯(lián)和信息安全保障。構(gòu)建智能工廠車間的全周期信息數(shù)據(jù)鏈，促進(jìn)機(jī)器之間、機(jī)器與控制平臺之間的實時連接和智能交互。

(1)工業(yè)PON方案

工業(yè)PON將企業(yè)生產(chǎn)過程的控制、運(yùn)行、管理作為一個整體進(jìn)行控制與管理，促進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合，工業(yè)PON的特點(diǎn)和優(yōu)勢如下。

● 用于智能車間設(shè)備承載：用于車間的各類固定生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，有效解決不同接口、不同協(xié)議的設(shè)備互聯(lián)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集及控制。

● 提升網(wǎng)絡(luò)車間生產(chǎn)線已有信息化網(wǎng)絡(luò)，輔助設(shè)備及業(yè)務(wù)需要擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量，快速改造升級老網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省投資。

● 多業(yè)務(wù)承載能力強(qiáng)：可方便疊加Wi-Fi、微基站，開通企業(yè)調(diào)度電話、園區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)。

● 多業(yè)務(wù)應(yīng)用和安全需要，如“能源管理”、“視頻安防”、“移動辦公”、“移動MES”、“無線AGV”等業(yè)務(wù)部署，需要對多種應(yīng)用進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全隔離（物理及邏輯雙重）。

● 工業(yè)PON無源設(shè)備和扁平結(jié)構(gòu)，具有部署方便、組網(wǎng)靈活、易于擴(kuò)展和高可靠性等特點(diǎn)。

(2)LTE 園區(qū)網(wǎng)絡(luò)方案

LTE園區(qū)網(wǎng)絡(luò)方案是一種LIPA（Local IP Access，本地IP接入）技術(shù)，即工業(yè)園區(qū)基站HeNB將數(shù)據(jù)流量接入（卸載）到工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)LTE工業(yè)園區(qū)內(nèi)與園區(qū)外4G無線接入通過移動VPDN完成企業(yè)數(shù)據(jù)分離，LTE園區(qū)網(wǎng)絡(luò)方案具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢。

● 利用運(yùn)營商已有FD-LTE/TD-LTE無線頻譜資源。

● 廠區(qū)內(nèi)無縫4G無線接入。

● 無線上下行帶寬速率不小于10Mbit/s。

● 滿足跨域之間的無線專網(wǎng)接入。

● 園區(qū)內(nèi)4G業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地分流，確保數(shù)據(jù)通道及數(shù)據(jù)自身的安全。

● 統(tǒng)一接入管理平臺。

3.3智能產(chǎn)品運(yùn)行監(jiān)控分析技術(shù)

智能產(chǎn)品運(yùn)行監(jiān)控分析技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)向制造企業(yè)提供針對產(chǎn)品（如汽車、工程機(jī)械、發(fā)動機(jī)）的遠(yuǎn)程智能服務(wù)，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程預(yù)警、遠(yuǎn)程維護(hù)、數(shù)據(jù)分析等。智能服務(wù)拓展到產(chǎn)品的全生命周期管理如圖4所示。產(chǎn)品智能化服務(wù)系統(tǒng)包括產(chǎn)品遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與維護(hù)平臺、基于大數(shù)據(jù)挖掘的產(chǎn)品使用分析系統(tǒng)、智能手機(jī)APP自助服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)功能包括以下幾類。

● 對各類產(chǎn)品的上百種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲。

● 及時分析用戶使用典型行為。

● 為客戶提供優(yōu)化解決方案及實時監(jiān)控產(chǎn)品使用情況的綜合服務(wù)。

產(chǎn)品智能化服務(wù)的成功應(yīng)用可以大大提高工作效率，服務(wù)維護(hù)成本顯著降低，產(chǎn)品差異化程度提升。

3.4 工業(yè)云平臺

工業(yè)云平臺提供高品質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)和云資源、IDC數(shù)據(jù)中心資源、以及混合云和可信云，為企業(yè)客戶搭建安全、靈活的工業(yè)協(xié)同平臺，提供工業(yè)協(xié)同服務(wù)能力，包括設(shè)計協(xié)同、制造協(xié)同、供應(yīng)鏈協(xié)同、服務(wù)協(xié)同等。

工業(yè)云平臺的核心是數(shù)據(jù)在不同企業(yè)（及客戶）之間的流轉(zhuǎn)，要實現(xiàn)橫向集成與價值鏈端到端集成。

橫向集成是企業(yè)之間通過價值鏈以及信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的一種資源整合，為實現(xiàn)各企業(yè)間的無縫合作提供實時產(chǎn)品與服務(wù)，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理等在不同的企業(yè)間的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。

端到端集成通過價值鏈上不同企業(yè)資源的整合，以產(chǎn)品價值鏈創(chuàng)造集成供應(yīng)商（一級、二級、三級…）、制造商（研發(fā)、設(shè)計、加工、配送）、分銷商（一級、二級、三級…）以及客戶信息流、物流和資金流，在為客戶提供更有價值的產(chǎn)品和服務(wù)的同時，重構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的價值體系。

4、結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和應(yīng)用將會發(fā)生新的變化，未來企業(yè)不僅要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行資產(chǎn)的性能管理，而且要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能制造的云控制。將產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈或價值鏈的協(xié)同機(jī)制建立起來，或?qū)⑾冗M(jìn)的控制技術(shù)資源的公共服務(wù)體系建立起來，不斷提升智能制造生產(chǎn)體系的創(chuàng)新水平。