智能制造未來技術(shù)發(fā)展趨勢探究

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【摘要】智能化是制造業(yè)未來的發(fā)展方向，針對下一代移動通信、固定網(wǎng)絡(luò)、人工智能、語義互操作和開源技術(shù)的發(fā)展前沿進行分析，并挖掘其標準化需求，以期為我國引領(lǐng)智能制造科技創(chuàng)新發(fā)展作參考，加快科研成果的轉(zhuǎn)化落地。

【關(guān)鍵詞】標準化；智能制造；人工智能

引言

智能制造是第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)，是世界各國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、高質(zhì)量發(fā)展的主要技術(shù)路徑。智能制造是個通用概念，是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等新技術(shù)在制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用，融合了制造業(yè)企業(yè)所掌握的生產(chǎn)訣竅與客觀規(guī)律，引發(fā)制造業(yè)在發(fā)展理念、制造模式等各個方面革命性的變化。歐盟和各主要歐洲國家在其制造業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略中，均提出面向人工智能、量子計算、新一代網(wǎng)絡(luò)連接等前沿技術(shù)領(lǐng)域加大投資，因而有必要對這些技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢進行分析。標準化工作的目的是為智能制造的各參與方提供一種共同的語言，使人們能夠以新的方式探索新思想，并最大限度地利用世界各地科研實驗室的創(chuàng)新成果。為了實現(xiàn)這一目標，需要在新技術(shù)的發(fā)展之初就對其進行關(guān)注，同時對其標準化需求進行研究，分析可能出現(xiàn)的新的供應(yīng)鏈模型、新的利潤源、新的客戶服務(wù)和新的市場領(lǐng)域。為此，本文對以下智能制造研究熱點進行分析，以期為我國引領(lǐng)智能制造創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1新一代移動通信技術(shù)（6G）

1.1概述

預(yù)計6G網(wǎng)絡(luò)將使用比5G高得多的頻率、具有更高的帶寬容量和更低的延遲，目前預(yù)計在2030年進行6G試點，并在2030-2035年進行商業(yè)示范。預(yù)期的太赫茲頻譜將確保更高的容量（每秒1tb，Tpbs）和以微秒為單位的延遲時間。1.2關(guān)鍵技術(shù)6G將借助先進的MIMO和大規(guī)模MIMO來開發(fā)空間維度，借助未被占用的毫米波和太赫茲頻譜的通信系統(tǒng)，借助云計算和分布式計算的成本效率，提供多技術(shù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并改善小區(qū)邊緣覆蓋。

1.3與智能制造的融合路徑

6G網(wǎng)絡(luò)將能夠滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對毫秒延遲的需求，同時也提供了支持微秒延遲的機制。6G網(wǎng)絡(luò)提供了支持多技術(shù)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的能力，這將允許智能制造場景中部署不同的接入網(wǎng)絡(luò)，例如WiFi、6G、衛(wèi)星、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT），從而為終端設(shè)備提供最佳質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)接入。

1.4標準化工作動態(tài)

業(yè)界和歐盟委員會正在籌建5G-PPP標準化組織的繼承者（非正式地稱為6G-PPP）。6G-PPP的創(chuàng)建目前正在進行中，目前尚未公開信息。華為（Huawei）、諾基亞（Nokia）和三星（Samsung）等主要電信公司都表示，它們的研發(fā)工作正在進行中。到目前為止，6G有關(guān)信道測量和建模的研究還處于起步階段，需要進一步的研究。

2第5代固定網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（F5G）

2.1概述

固定網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史可簡述如下：首先是由PSTN/ISDN（64Kbps）支持的窄帶時代。接下來是基于ADSL的寬帶（10Mbps）、基于VDSL的超寬帶（30-200Mbps），以及由GPON/EPON驅(qū)動的100Mbps（100-300Mbps）?，F(xiàn)在我們正步入10GPON驅(qū)動的千兆超快寬帶時代。未來可能會迎接一個基于50GPON驅(qū)動F6G的10G時代。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

（1）超高帶寬：網(wǎng)絡(luò)帶寬具有對稱的上行/下行千兆寬帶能力。（2）全光纖連接：光纖基礎(chǔ)設(shè)施的全面覆蓋將支持無處不在的連接，將支持垂直行業(yè)應(yīng)用的擴展。2.3與智能制造融合路徑PON技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，可以有效解決以下問題：1）可靠的工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，智能工廠與數(shù)字車間之間的通信。2）支持企業(yè)云接入基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)服務(wù)。3）支持多工廠多種設(shè)備使用豐富的接口，并關(guān)聯(lián)實時數(shù)據(jù)傳輸。

2.4標準化工作動態(tài)

不同于無線通信領(lǐng)域有效而完整的標準化生態(tài)體系，有線通信領(lǐng)域較為碎片化。ITU-TSG15正在制定50GPON標準，IEEE和WFA仍在研制WiFi-6標準，ETSI的ISGF5G也在推進光纖通信相關(guān)標準化活動。

3人工智能

3.1概述

ISO/IEC2382[2]將人工智能規(guī)定為計算機科學(xué)的一個分支。從工業(yè)的角度來看，人工智能技術(shù)應(yīng)該被理解為“使技術(shù)系統(tǒng)感知其環(huán)境，對感知進行處理，獨立解決問題，尋找新的解決方案，做出決策，特別是從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，從而更好地解決任務(wù)和行動的方法和過程”。

3.2關(guān)鍵技術(shù)

（1）計算能力的提高：除了中央處理器（CPU），其他類型的處理器，例如圖形處理器（GPU）、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）和專用集成電路（ASIC），也都進一步得到了應(yīng)用。（2）數(shù)據(jù)的可用性：互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是推動數(shù)據(jù)可用性的一個最為重要的因素，它能促成龐大的社區(qū)合作創(chuàng)建數(shù)據(jù)集，并使全世界的研究人員都可以訪問這些數(shù)據(jù)。（3）算法的改進：深度學(xué)習(xí)算法的不斷發(fā)展。

3.3與智能制造的融合路徑

IEC出版的《各行業(yè)中的人工智能》白皮書中列出了人工智能在智能制造中的三種典型場景：協(xié)作機器人、預(yù)測性維護、基于機器視覺的質(zhì)量控制。人工智能用于協(xié)作機器人的最大挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)采集和算法的魯棒性。必須始終確保算法按預(yù)期運行。特別是當機器與人協(xié)作處于風(fēng)險中時，整個系統(tǒng)必須始終以可預(yù)測的方式運行。

3.4標準化工作動態(tài)

2018年成立的ISO/IECJTC1SC42“AI”將整個AI生態(tài)納入其工作范圍。該委員會目前的工作包括AI術(shù)語和概念、機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、AI可信度（安全、可防護性、隱私、健壯度、靈活性、可靠性、透明度、可控性），AI的應(yīng)用程序和用例、AI治理、道德倫理和社會問題、風(fēng)險管理、AI所要求的相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量。IEC/SEG10處理AI自治應(yīng)用及AI道德倫理方面的問題，以促進技術(shù)的推廣。IEC/TC65/WG23的“新技術(shù)應(yīng)用”工作組正在對“智能制造”領(lǐng)域的新技術(shù)（包括AI）及其標準化進行評估。在德國的AI標準化路線圖中，明確提出了七個主題：基礎(chǔ)（數(shù)據(jù)、術(shù)語、分類、人工智能元素）、倫理/責(zé)任人工智能、質(zhì)量和認證、人工智能系統(tǒng)中的IT安全、工業(yè)自動化、移動和物流、醫(yī)學(xué)中的人工智能。

4語義互操作

4.1概述

語義信息是人和機器可理解且明確的，以支持高級數(shù)據(jù)功能，例如復(fù)雜的查詢，智能的人機交互，上下文數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)互操作性[4]。語義互操作性確保兩個系統(tǒng)在對信息含義有相同理解的情況下交換信息，這對于實現(xiàn)IT與OT的融合至關(guān)重要。

4.2關(guān)鍵技術(shù)

語義級別的互操作性是依靠本體（ontology）驅(qū)動的。本體可用于顯式定義物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與其他實體（如設(shè)備、服務(wù)器、進程、應(yīng)用程序、用戶）共享的數(shù)據(jù)的含義，這些實體需要正確地解釋傳輸數(shù)據(jù)中包含的信息和命令，以便正確地采取行動或作出反應(yīng)。

4.3與智能制造的融合路徑

制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是尋找新的技術(shù)解決方案來改進他們的制造系統(tǒng)，以滿足定制新的產(chǎn)品，同時確保高質(zhì)量和低成本。與此同時，使所有系統(tǒng)工作所需的數(shù)量、復(fù)雜性和詳細信息的顯著增加，也增加了整個制造過程中對語義互操作性的需求。而語義互操作的實現(xiàn)，有助于智能制造企業(yè)對突發(fā)事件進行快速反應(yīng)，從而創(chuàng)造更大的價值。語義互操作對于制造商最有價值的五大應(yīng)用場景：績效數(shù)字化管理；預(yù)測性維護；產(chǎn)量、能源優(yōu)化；新一代自動化系統(tǒng)；質(zhì)量數(shù)字化管理。

4.4標準化工作動態(tài)

目前，JTC1/SC41正在研制有關(guān)語義互操作性的ISO/IEC21823-3標準，并了ISO/IEC21823-1：2019，并提供了適用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的互操作性概述，以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)互操作性框架。所有電工和ICT標準化委員會正在進行聯(lián)合標準化工作，目的是開發(fā)基于本體的語義互操作性標準。IEC關(guān)于語義互操作性的白皮書——數(shù)字轉(zhuǎn)型時代的挑戰(zhàn)——概述了未來標準化的發(fā)展方向[5]。

5開源軟件

5.1概述

在智能制造領(lǐng)域，開源技術(shù)與標準化之間的關(guān)系愈發(fā)重要。新版德國標準化策略將開源技術(shù)與標準化的結(jié)合作為一項目標。德國標準化組織DIN和DKE也參與了CEN-CENELEC和ISO/IEC的開源項目。開源技術(shù)的應(yīng)用需要注意著佐權(quán)的要求（Copyleft）。如果想要使用、更改及擴展開源軟件的功能，必須仔細研究這些許可條件。

5.2關(guān)鍵技術(shù)

（1）區(qū)塊鏈開源項目。Hyperledger開源項目由Linux基金會設(shè)立，旨在推動區(qū)塊鏈跨行業(yè)應(yīng)用。當前各標準化組織正在進行區(qū)塊鏈工業(yè)應(yīng)用的標準化工作。區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)市場正在出現(xiàn)。例如，來自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)可以通過這一市場出售，車輛數(shù)據(jù)可以被安全記錄，來自不同制造商的機器可以被聯(lián)網(wǎng)。負責(zé)區(qū)塊鏈和分布式賬本技術(shù)的主要標準化組織為ISO/TC307。（2）AASXPackageExplorer管理殼樣例實現(xiàn)的開源項目。借助該軟件工具，可以創(chuàng)建、編輯并輕易的交換管理殼。AASXPackageExplorer實現(xiàn)了工業(yè)4.0的核心規(guī)范“資產(chǎn)管理外殼的詳細信息：第1部分”。該項目以XML和JSON格式創(chuàng)建管理殼，并將它們與其他文件存儲在AASX容器中。具有ecl@ssIRDIs的概念描述可以被自動創(chuàng)建和引用。通過BMEcat、AutomationML或OPCUA等導(dǎo)入和導(dǎo)出功能，可以快速集成其他數(shù)據(jù)格式和真實的公司數(shù)據(jù)。AASXPackageExplorer在EclipseEPL-2.0下授權(quán)，可以通過GitHub下載。（3）Basys開源項目。該項目的目標是為工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)設(shè)施的動態(tài)以及靈活的管理和重新配置提供整體的Industry4.0自動化解決方案。研究涵蓋業(yè)務(wù)流程管理，設(shè)施管理和設(shè)備管理級別的無縫解決方案?；陂_放源代碼標準化和接口規(guī)范，這些解決方案已集成到靈活的參考框架中。此外，每個級別的解決方案都將提供用于開發(fā)和工程以及運行的工具鏈集合。（4）ApacheHadoop。隨著ApacheHadoop架構(gòu)技術(shù)的成熟和生態(tài)的完備，其已經(jīng)成為大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)的標準配置，正被用來搭建智能制造場景下的分布式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)分析處理系統(tǒng)，以及電力大數(shù)據(jù)平臺。（5）open62541/EclipseMilo。OPCUA即IEC62541-100：2015系列標準有許多相關(guān)的開源項目，可以參考c實現(xiàn)的open62541（MozillaMPL-2.0許可）和用java實現(xiàn)的EclipseMilo（EclipseEPL-2.0許可）。這兩者都僅受弱著佐權(quán)許可，因此，如果庫沒有被修改，則也可用于私有軟件中。

6結(jié)論

1）以知識經(jīng)濟為主導(dǎo)的信息產(chǎn)業(yè)，在信息的傳遞、利用和增值等各個方面都和標準化工作相關(guān)。智能制造是先進制造業(yè)和信息通信技術(shù)的融合，標準化工作則是實現(xiàn)制造基礎(chǔ)科學(xué)與現(xiàn)代通信科學(xué)的融合的載體。2）標準化是科技創(chuàng)新成果迅速傳播的重要手段，對破除國際貿(mào)易壁壘、推動全球化合作具有重要作用。一旦符合國際標準，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科技創(chuàng)新成果就能迅速流入其他國家，從而對本國的科技創(chuàng)新形成正反饋作用，這也貼合構(gòu)建國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局的要求。

作者:馮夏維 丁露 單位:機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所