智能制造硬件关键技术

智能制造硬件所涉及的关键技术过去10年，数字计算和通信的迅猛发展，使得以新型传感器、智能控制系统、工业机器人、制动化成套设备为代表的智能制造产业得到高速发展。其中3D打印机是数字化代表，机器人是智能化代表。互联网的再次发展，使得未来是“产业互联网”的时代，互联网将改变每一个产业、组织乃至整个社会。产业互联网所代表的跨界融合成为总的发展趋势，从最早的零售业到如今的金融、医疗、可穿戴、在线教育、在线旅游以及生活服务的方方面面，传统硬件领域也将被改变。近些年来，从智能手机发展到智能手表、智能眼镜，以及物联网下的智能家居，智能硬件产业格局从发端到发展，已经形成巨大的浪潮。产业互联网与智能硬件融合，更酝酿着商业模式颠覆与生活方式的变革，从而使得智能制造、智能服务等多新型行业得以出现和发展。智能制造，是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造，是高度网络连接、知识驱动的制造模式。智能制造优化了制造行业的全部业务和作业流程，可实现可持续生产力增长、高经济效益目标。并且，智能制造结合信息技术和工程技术，从根本上改变产品研发、制造、运输和销售过程。智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程、制造过程和制造装备智能化，是信息技术、智能技术与装备制造技术的深度融合与集成。智能制造，是世界范围内信息化与工业化深度融合的大趋势，愈加成为衡量一个国家和地区科技创新和高端制造业水平。智能制造的发展和智能硬件紧密结合，智能硬件是传统设备产业基于产业互联网发展的新阶段。智能硬件技术使传统的制造装备和各种家电、医疗设备具有了信息的采集、分析和执行的能力，通过软硬件结合的方式，对传统设备进行改造，形成了智能装备和智能产品。智能化之后，硬件具备连接的能力，实现互联网服务的加载，通过与网络互连、移动计算、云计算等互联网技术融合，将单体智能扩展到网络智能，形成“云+端”的典型架构，具备了大数据等附加价值，进一步拓展了智能产品的能力和范围。智能的硬件的发展和热捧，已经从可穿戴设备延伸到智能电视、智能家居、智能汽车、医疗健康、智能玩具、机器人等领域。智能硬件具有以下特征。首先，越来越多的软件代替硬件功能，可以通过软件控制硬件；其次，与以往单纯的硬件商品销售不同，对硬件产品附属的服务性需求或者基于商品解决方案的需求正在快速增加；第三，硬件制造业周期，从产品设计到生产，再到推向市场需要时间越来越短。硬件产业正在向软性制造的方向发展，不断用软件定义产品的功能和性能，提高对以软件为主导的创新的重视程度，硬件产品的真正价值从硬件转移到了软件。可以看出，智能制造是由智能装备与互联网协同创新而来。智能装备即是智能硬件发展而来，使传统制造装备拥有了诸如分析、推理、判断、构思和决策等各种仿人类智能活动；而互联网技术则将过去单一设备的制造加工延展到分布式制造网络环境中，在单体装备智能基础上叠加网络群体智慧，实现了基于互联网的全球制造网络环境下智能制造系统。智能制造在制造的全生命周期中进行感知、分析、推理、决策与控制，实现产品需求的动态响应。要实现一个生产系统的智能制造，关键智能基础共性技术需要突破，这其中涉及到如下关键技术。1识别技术识别功能是智能制造环节关键的一环，需要的识别技术主要有射频识别(RFID)技术，基于深度三维图像识别技术，以及物体缺陷自动识别技术。射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术又称为无线射频识别，是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间进行机械或光学接触。常用的无线射频有低频（125~134.2kHz）、高频（13.56MHz）和超高频3种，而RFID读写器分为移动和固定式两种。射频识别是一种自动识别技术，它将小型的无线设备贴在物件表面，并采用RFID阅读器进行自动的远距离读取，提供了一种精确、自动、快速的记录和收集目标的工具。基于三维图像物体识别的任务是识别出图像中有什么类型的物体,并给出物体在图像中所反映的位置和方向，是对三维世界的感知理解。在结合了人工智能科学、计算机科学和信息科学之后，三维物体识别在智能制造系统中识别物体几何情况的关键技术。物体缺陷，无论是表面缺陷还是内部缺陷，都将会给物体材料、结构带来严重的力学性能下降，其中应力集中现象会非常严重地影响材料的力学性能。因而，对物体进行缺陷检测就显得十分必要。不同材料有不同的缺陷识别方法，计算机视觉技术的发展，机器视觉的物体缺陷检测技术愈加受到重视，该检测系统不受恶劣环境和主观因素影响。基于机器视觉的物体缺陷自动识别技术，在智能制造系统中队产品的检测与评估有着重要作用。2实时定位系统在实际生产制造现场，需要对多种材料、零件、工具、设备等资产进行实时跟踪管理；在制造的某个阶段，材料、零件、工具等需要及时到位和撤离；生产过程中，需要监视在制品的位置行踪，以及材料、零件、工具的存放位置等。这样，在生产系统中需要建立一个实时定位网络系统，以完成生产全程中角色的实时位置跟踪。实时定位系统（RealTimeLocationSystem，RTLS）由无线信号接收传感器和标签无线信号发射器等组成。一般地，被跟踪目标贴上有源RFID标签，在室内布置3个以上阅读器天线，使用有源RFID标签来发现目标位置；3个阅读器天线接收到标签的广播信号，每个信号将接收时间传递到一个软件系统，使用三角测量来计算目标位置。RTLS通常建在一个建筑物内或室外识别和实时跟踪对象的位置。RTLS通常不包括GPS、手机跟踪或只使用被动RFID跟踪的系统。RTLS的物理层技术通常是某种形式的射频（RF）通信，但一些系统使用了光学（通常是红外）或声（通常是超声波）技术代替了无线射频。标签和固定参考点可以布置发射器和接收器，或两者兼而有之。目前，室内实时定位系统通常采用超声、红外、超宽带（UWB）、窄频带等技术，在带宽、精度、墙体穿透性、抗干扰能力等方面存在各自的特点，其技术性能各有差异。经过测试和实践，超宽带的综合性能最优，所以在许多生产制造现场广泛采用了基于超宽带的实时定位系统。3无线传感器网络今天的工厂布置了越来越多的检测点，产生了大量的数据。这些数据容易被机器自动收集处理，但是人类可以不处理它们。因此，如果机器在某个生产区域可以彼此交流的话，那是相当有用的。通过创建网络化的检测环境，许多处理过程可以做得更加高效、柔性和低成本。非常小的、低成本的无线传感器分布在生产工厂里，允许对象注册它们的环境和无线通信；几种不同类型的传感器技术，如光电、压力、温度和红外传感器共同努力创建一个整体情况描述，感受目前环境发生变化的一切。在未来的工厂里，产品和生产设施将成为活跃的系统组件，控制着自己的生产和物流，它们将构成一个信息物理融合系统——连接互联网的网络空间与现实物理世界。然而，不同于当前机电一体化系统，它们具有与环境交互的能力，可以规划和调整自己的行为来适应环境，并且学习新的行为模式和策略，从而进行自我优化，进而实现最小批量的快速产品转化和多品种的高效率生产。嵌入式传感器/致动器组件、机器/机器通信交流和主动语义产品记忆催生了在工业环境中节约资源的优化方法，这将促进未来工厂以一个合理的成本实现环境保护和复杂生产。无线传感网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由许多在空间分布的自动装置组成的一种无线通信计算机网络，这些装置使用传感器监控不同位置的物理或环境状况（如温度、声音、振动、压力、运动或污染物等）。无线传感网络的每个节点除配备1个或多个传感器之外，还装备了1个无线电收发器和1个很小的微控制器和1个能源（通常为电池）。单个传感器节点的尺寸可以大到像一架航天飞机，也可以小到如一粒尘埃。传感器节点的成本也是不一样的，从几百美元到几美分不等，这取决于传感器网络的规模及单个传感器节点所需的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度的限制决定了能量、存储、计算速度与带宽的受限。无线传感网络主要包括3个方面：感应、通信、计算（硬件、软件、算法）。其中的关键技术主要有无线数据库技术，如用于无线传感器网络的查询和其他传感器通信的网络技术，特别是多次跳跃路由协议，如摩托罗拉使用在家庭控制系统中的ZigBee无线协议。标准的ZigBeeTM或802.15.4对于许多低功耗、低数据率无线通信服务而言，是一个不错的选择。然而，高数据率通信则要选择802.11WLAN无线局域网。需要大活动范围和更长电池供电的应用场合，ZigBee协议能轻松满足代码空间（32~70kB），并有一个适度的范围（10~100m）。对于工业和家庭网络来说，应优先选择ZigBee，它的一大优点是“网”功能。网状网络允许从节点到节点来传递信息，如果任何节点失败，仍然可以通过选择其他节点将信息送达目的地。下面就常用的无线局域网、蓝牙、无线个域网进行比较（如下表3）。在生产系统中，要合理利用无线网络，根据任务的实时性、数据吞吐量大小、数据传输速率、可靠性等特点实施不同的无线网络技术，如监督通信、分散过程控制、无线设备网络、故障信息报警、实时定位可分别采用WLAN、RFID、ZigBee/Bluetooth、GPRS、UWB等网络技术。4信息物理融合系统信息物理融合系统（Cyber-PhysicalSystem，CPS）也称为“虚拟网络-实体物理”生产系统，它将彻底改变传统制造业逻辑。在这样的系统中，一个工件就能算出自己需要哪些服务。通过数字化逐步升级现有生产设施，这样生产系统可以实现全新的体系结构。这意味着这一概念不仅可在全新的工厂得以实现，而且能在现有工厂一步步升级的过程中得到升华。在当前的工业制造环境中，已经可以看到将要改变的迹象，从僵化的中央工业控制转变到分布式智能控制。大量的传感器以令人难以置信的精度记录着它们的环境，并作为一个独立于中心生产控制系统的嵌入式处理器系统作出自己的决策。现在唯一缺少的是综合无线网络组件，它能实现永久的交换信息，在复杂事件、临界状态和情景感知中综合不同传感器评估识别，并基于这些感知处理并制定进一步的行动计划。CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。CPS系统把计算与通信深深地嵌入实物过程，使之与实物过程密切互动，从而给实物系统添加新的能力。在美国，智能制造提得最多的核心技术称为“信息物理融合系统”，而在欧洲，德国提出了工业4.0的概念，并将物联网技术作为核心技术。它们的核心技术是同根同源的，都是基于互联网的大规模网络嵌入式系统（智能组件），其目标也是坚持计算和“智能”不脱离实际生产环境，最终构建一个大规模分布式计算系统的系统。5网络安全技术数字化推动了制造业的发展，在很大程度上得益于计算机网络技术的发展，与此同时也给工厂的网络安全构成了威胁。以前习惯于纸质的熟练工人，现在越来越依赖于计算机网络、自动化机器和无处不在的传感器，而技术人员的工作就是把数字数据转换成物理部件和组件。制造过程的数字化技术资料支撑了产品设计、制造和服务的全过程，这些信息在整个供应链得到了共享，但必须得以保护。工厂花费大量的精力以保护信息系统和网络中的技术信息，并面临一种前所未有的严峻挑战。不仅需要从防范数据盗窃来保护技术资源，还必须防止网络入侵破坏生产系统的安全，以避免造成正常生产运行的瘫痪。面对网络安全，生产系统采取了一系列IT安全保障技术和措施，如防火墙、入侵预防、病毒扫描器、访问控制、黑白名单、信息加密等。例如著名的波音公司应用回程连接的安全边界技术来实施企业内部网络与外部IT网络的隔离，取得了很好的效果。如何创建一个明确的责任分工及一个恰如其分的解决方案是摆在面前亟待解决的问题。制造企业对于智能制造系统的实施前提