智能制造新業態新模式下的技術熱點及應用推廣成熟度分析

機械工業信息研究院 杜慧嬋 馬為清 牛江蓉

智能制造新業態新模式下的技術熱點及應用推廣成熟度分析

機械工業信息研究院 杜慧嬋 馬為清 牛江蓉

一、引言

智能制造是機械化、自動化和信息化應用到成熟階段的必然產物。智能制造使得企業的競爭要素發生根本性的變化，由之前的材料、能源兩種資源為核心轉變為材料、能源和信息三種資源為核心的競爭，從而產生了兩種生產力，即以傳統的材料和能源為代表的工業生產力和以信息為代表的信息生產力，這三種資源、兩種生產力合在一起，促成了智能制造領域新業態新模式（以下簡稱“雙新”）的發展，也形成了未來制造業的核心競爭力。

二、核心技術熱點

近兩年，在智能制造領域，除了SCM、ERP、CRM、PDM/PLM、MES、BPM、BI等信息化“軟”技術外，結合“雙新”的具體實踐，需要重點深入研究的核心技術包括：賽博物理系統（CPS）、人工智能（AI）、增強現實技術（AR）、基于模型的企業（MBE）、物聯網（IoT）、云計算（CC）、工業大數據（IBD）、預測與健康管理（PHM）、混合制造、工廠信息安全及無線傳感器網絡等關鍵技術。

1. 賽博物理系統

賽博物理系統（CPS）是綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能，從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。

博世集團提出的CPS應用模式

2. 人工智能

人工智能（AI）是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統。它企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。

3. 增強現實技術

增強現實技術（AR）是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把現實世界中一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺、聲音、味道和觸覺等信息），通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間。增強現實技術，不僅展現了真實世界的信息，而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。增強現實技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器溶合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段。

4. 基于模型的企業

基于模型的企業（MBE）是一種制造實體，它采用建模與仿真技術對設計、制造和支持服務的全部技術和業務流程進行改進，進行無縫集成和管理；利用產品和過程模型來定義、執行、控制和管理企業的全部過程；并采用科學的模擬與分析工具，在產品生命周期的每一步做出最佳決策，從根本上減少產品創新、開發、制造和支持的時間和成本。

5. 物聯網

物聯網（IoT）是物物相連的互聯網，通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等各種信息，與互聯網結合形成巨大的網絡。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。

識別技術是構建工業物聯網的關鍵一環，其主要包括射頻識別(RFID)技術，基于深度三維圖像的識別技術，以及物體缺陷自動識別技術。

6. 云計算

云計算（CC）是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，建立可配置的資源共享池（資源包括網絡、服務器、存儲、應用軟件、服務、設計和制造信息），這些資源能夠被快速提取和應用，只需進行簡單的管理和交互。

7. 工業大數據

工業大數據（IBD）是將大數據理念應用于工業領域，將設備數據、活動數據、環境數據、服務數據、經營數據、市場數據和上下游產業鏈數據等原本孤立、海量、多樣性的數據相互連接，實現人與人、物與物、人與物之間的連接，尤其是實現終端用戶與制造、服務過程的連接，通過新的處理模式，根據業務場景對時實性的要求，實現數據、信息與知識的相互轉換，使其具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力。

相比其他領域的大數據，工業大數據具有更強的專業性、關聯性、流程性、時序性和解析性等特點。

8. 預測與健康管理

預測與健康管理（PHM）是綜合利用現代信息技術、人工智能技術的最新研究成果，提出的一種全新的管理健康狀態的解決方案。一般而言，PHM系統主要由六個部分構成：數據采集、信息歸納處理、狀態監測、健康評估、故障預測決策和保障決策。

9. 混合制造

將3D打印（增材制造）技術與傳統機械加工（減材制造）技術有機地結合起來，形成一種新型的制造模式。通過混合制造可以有效借助增材制造的優勢實現全新幾何形狀的加工，同時使增材制造技術不再只限于加工小型工件，加工效率也大幅得以提升。同時，融合先進的精密鑄造技術，可以進一步突破工藝限制，提高產品創新的上限。

10. 工廠信息安全

工廠信息安全是將信息安全理念應用與工業領域，實現對工廠及產品使用維護環節所涵蓋的系統及終端進行安全防護。所涉及的終端設備及系統包括：工業以太網、數據采集與監控（SCADA）、分布式控制系統（DCS）、過程控制系統（PCS）、可編程邏輯控制器（PLC）、遠程監控系統等網絡設備及工業控制系統的運行安全，確保工業以太網及工業系統不被未經授權的訪問、使用、泄露、中斷、修改和破壞，為企業正常生產和產品正常使用提供信息服務。

11. 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）是由許多在空間分布的自動裝置組成的一種無線通信計算機網絡，這些裝置使用傳感器監控不同位置的物理或環境狀況（溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物等）。無線傳感網絡的每個節點除配備1個或多個傳感器之外，還裝備1個無線電收發器、1個微控制器和1個能源（通常為電池）。無線傳感網絡主要包括3個方面：感應、通信和計算（硬件、軟件、算法）。其中的關鍵技術主要有無線數據庫技術，如用于無線傳感器網絡的查詢和其他傳感器通信的網絡技術，特別是多次跳躍路由協議，如摩托羅拉使用在家庭控制系統中的ZigBee無線協議。在生產系統中，要合理利用無線網絡，根據任務的實時性、數據吞吐量大小、數據傳輸速率、可靠性等特點實施不同的無線網絡技術，如監督通信、分散過程控制、無線設備網絡、故障信息報警、實時定位可分別采用WLAN、RFID、ZigBee/Bluetooth、GPRS及UWB等網絡技術。

無線傳感器網絡屬于CPS系統的基礎使能技術，也是物聯網的必要基礎之一，且同樣需要關注信息安全問題。

三、應用推廣成熟度分析

目前，智能制造領域涌現出的新業態新模式，其背后依托于技術、管理和政策、法規、標準體系的支撐，特別是智能制造領域的新技術是新業態新模式產生、發展的支撐，同時也是某種模式或業態能否通過試點示范進行推廣的關鍵因素。

當前智能制造領域得到不同程度應用的新技術，除了SCM、ERP、CRM、PDM/PLM、MES、BPM和BI等信息化“軟”技術外，還有上述賽博物理系統（CPS）、人工智能（AI）、增強現實技術（AR）、基于模型的企業（MBE）、物聯網（IoT）、云計算（CC）、工業大數據（IBD）、預測與健康管理（PHM）、混合制造、工廠信息安全和無線傳感器網絡等11項關鍵技術。每一大類技術下，按照輸入技術、內容技術和平臺技術，又可以細分為若干關鍵基礎技術。總體而言，上述11大類技術構成了目前“雙新”的關鍵技術基礎要素。

表 分行業新業態新模式應用的成熟度情況

智能產品（互聯、感知、適應） √8 √8 √8√8產品&服務數據挖掘 √8 √7 √7產品質量追溯 √8 √9備件供應 √8 √8遠程診斷維護 √6 √8 √8 √6 √8智能監控 √8云平臺服務√6產融對接（P P P等） √8商業化的回收、報廢和再利用 √8 √7 √7車聯網（智能交通） √8

結合具體的行業和產品特點，依據技術成熟度判斷某種模式或業態能否在當前條件下進行應用、示范和推廣。將“雙新”實例的技術和應用成熟度分為9級。

第1級：該技術或實例的基本原理被發現和闡述。

第2級：形成技術概念或具備完整的而應用方案。

第3級：該項技術或實例涉及的核心應用具備實驗室研究和分析，關鍵功能在實驗室進行了驗證。

第4級：技術、實例的原理樣機或體系、架構在實驗環境中得到了驗證。

第5級：該技術或實例已經建立了完整的應用體系和架構，在實驗室或試運行環境進行了數據、信息或實物的初步仿真模擬。

第6級：在仿真模擬環境下，可以進行大規模的系統演示。

第7級：在真實的企業實踐環境中，進行整體技術系統或單元技術的演示。

第8級：已經在行業或企業的具體實踐中，實現了整體技術系統或單元技術的應用，并取得了不同程度的增值。

第9級：實例在系統層面或核心單元技術具備成熟的實施方法論、運行規范和標準，以及效益評估體系。

經研究，世界范圍內智能制造新業態新模式的大部分技術已經越過了第6級，且個別技術達到了第8、第9級的水平。同時，不同行業的技術和應用成熟度處在不同階段，存在一定程度的差異性和不均衡性，如表所示。基于國內的行業、企業現實和技術應用現狀，我國與國外先進水平還有一定差距。

四、結語

本文搜集歸納了智能制造新業態新模式實例，按照9級技術成熟度分類后，初步判斷該模式或業態在我國行業、企業進行單點應用、行業示范推廣的程度。對新業態新模式技術和應用成熟度的綜合判斷，有助于發現我國和世界先進國家之間的差距和可能存在的嚴重問題，進而采取相應的措施，并為今后的試點示范和推廣工作提供初步的判斷依據，降低投入風險。