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    中國(guó)制造首先面臨的是要努力完成四個(gè)轉(zhuǎn)變： 由要素驅(qū)動(dòng)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變， 由低成本競(jìng)爭(zhēng)向質(zhì)量效益競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變， 由資源消耗大、污染排放多向綠色制造轉(zhuǎn)變，由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。

    1　引言

    智能化的前提是自動(dòng)化和數(shù)字化，包括控制系統(tǒng)的數(shù)字化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化、測(cè)量和執(zhí)行手段的數(shù)字化，也就是工業(yè)自動(dòng)化的所有環(huán)節(jié)的全面數(shù)字化。即使實(shí)現(xiàn)了這一切，也僅僅是創(chuàng)建了智能制造的基礎(chǔ)。更進(jìn)一步的還必須有滿足智能制造工藝要求的模型和算法，但這恐怕只是一臺(tái)智能制造設(shè)備或者一條智能制造生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)。考慮智能制造全局，那就必須考慮原材料和能源的供應(yīng)，整個(gè)制造環(huán)節(jié)的智能管理、智能優(yōu)化，乃至對(duì)環(huán)境影響的智能控制、企業(yè)應(yīng)該承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，其中都包括了智能化的概念。這也許就是我們追求的智能工廠的終極目標(biāo)。

    為此，在探討智能工廠的時(shí)候，我們首先應(yīng)該搞清楚數(shù)字化工廠。

    2　什么是數(shù)字化工廠？

    多年來(lái)工程技術(shù)界一直在探索應(yīng)該如何完整而精確的描述數(shù)字化工廠。由于按工藝流程劃分，存在流程工業(yè)和離散制造業(yè)的生產(chǎn)工廠，不同行業(yè)的數(shù)字化工廠需要建立不同的模型，采用不同的方法，尋找和開(kāi)發(fā)適當(dāng)?shù)拿枋龉ぞ摺?另外，不同專業(yè)的人從各自工作的需要出發(fā)，開(kāi)發(fā)研究數(shù)字化工廠的描述方法和實(shí)施工具。分別形成了大致以下三類：以制造為中心的數(shù)字化工廠的方法和工具；以設(shè)計(jì)為中心的數(shù)字化工廠的方法和工具；以管理為中心的數(shù)字化工廠的方法和工具。 它們分別從不同的角度完成了數(shù)字化工廠的功能描述，如何把他們有機(jī)的集成整合，完成數(shù)字化工廠的完整表達(dá)呢？

    從概念上說(shuō)，數(shù)字化工廠涵蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、虛擬仿真、生產(chǎn)管理、制造數(shù)據(jù)管理。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)對(duì)數(shù)字化工廠的定義包括下述三個(gè)方面：

    數(shù)字化工廠是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，包含仿真和3D/虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，通過(guò)連續(xù)無(wú)中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。

    數(shù)字化工廠是一種新型生產(chǎn)組織方式，以產(chǎn)品全生命周中國(guó)制造首先面臨的是要努力完成四個(gè)轉(zhuǎn)變： 由要素驅(qū)動(dòng)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變， 由低成本競(jìng)爭(zhēng)向質(zhì)量效益競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變， 由資源消耗大、污染排放多向綠色制造轉(zhuǎn)變，由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。

    期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期。

    數(shù)字化工廠主要解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的鴻溝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的設(shè)計(jì)、制造、裝配、物流等各個(gè)方面的功能，降低設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造之間的不確定性，在虛擬環(huán)境下將生產(chǎn)制造過(guò)程壓縮和提前，并得以評(píng)估與檢驗(yàn)，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的時(shí)間，并且提高產(chǎn)品的可靠性與成功。

    總而言之，數(shù)字化工廠是利用數(shù)字化技術(shù)，集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、生產(chǎn)管理、企業(yè)管理、銷售和供應(yīng)鏈等各方面人員的知識(shí)、智慧和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、銷售、服務(wù)的現(xiàn)代化工廠模式。這種模式特別依賴泛在網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取工廠內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，有效優(yōu)化生產(chǎn)組織的全部活動(dòng)，達(dá)到生產(chǎn)效率、物流運(yùn)轉(zhuǎn)效率、資源利用效率最高，對(duì)環(huán)境影響最小，充分發(fā)揮從業(yè)人員能動(dòng)性的結(jié)果。

    2006年美國(guó)ARC總結(jié)了以制造為中心的數(shù)字制造、以設(shè)計(jì)為中心的數(shù)字制造和以管理為中心的數(shù)字制造，并考慮了原材料和能源供應(yīng)和產(chǎn)品的銷售供應(yīng)，提出用工程技術(shù)、生產(chǎn)制造和供應(yīng)鏈這三個(gè)維度來(lái)描述工廠的全部功能和活動(dòng)，如圖1所示。 通過(guò)建立描述這三個(gè)維度的信息模型，利用適當(dāng)?shù)能浖湍軌蛲暾磉_(dá)圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)支持，生產(chǎn)制造以及原材料供應(yīng)、銷售和市場(chǎng)相關(guān)的所有環(huán)節(jié)的功能和活動(dòng)。如果這些描述和表達(dá)能夠得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的支持，還能夠?qū)崟r(shí)下達(dá)指令指導(dǎo)這些活動(dòng)，并且為實(shí)現(xiàn)全面的優(yōu)化能在這三個(gè)維度之間進(jìn)行交互，可以肯定地說(shuō)這就是我們理想的數(shù)字化工廠，在此基礎(chǔ)上能在市場(chǎng)營(yíng)銷方面、能源優(yōu)化利用諸方面引入智能商務(wù)和智能能源管理，顯然這一定是智能工廠了。 換一種表達(dá)方式，我們可以把數(shù)字化工廠看作是實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的數(shù)字化制造、經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)過(guò)程和制造過(guò)程的數(shù)字化管理，以及綜合集成優(yōu)化的過(guò)程。 如何在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)發(fā)展數(shù)字化工廠，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能工廠還需要開(kāi)發(fā)哪些技術(shù)，制定哪些規(guī)范，都有待于研究。
 

    圖1 數(shù)字化工廠模型用三個(gè)維度表達(dá)

    眾所周知，生產(chǎn)是工廠所有功能和活動(dòng)的核心，因此對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)度和制造執(zhí)行的MES責(zé)無(wú)旁貸的是實(shí)時(shí)反映各個(gè)環(huán)節(jié)活動(dòng)和交換數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn) ，即MES是實(shí)時(shí)貫通工廠生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的交集點(diǎn) 。由此我們可以更明晰地從圖2中了解在數(shù)字化工廠中各個(gè)維度所運(yùn)用的軟件工具和平臺(tái)處于哪個(gè)位置。
 

    圖2 從工程技術(shù)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品和訂貨四個(gè)方面描述數(shù)字化工廠

    3　實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的途徑

    德國(guó)提出工業(yè)4.0發(fā)展策略，美國(guó)提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，這都是表明工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，信息物理系統(tǒng)融入生產(chǎn)系統(tǒng)，將為新的工業(yè)革命奠定信息基礎(chǔ)和開(kāi)辟新空間；生產(chǎn)制造系統(tǒng)采用聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)，以及物聯(lián)網(wǎng)和基于WEB的服務(wù)。這清晰的描繪了工業(yè)工程技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)相互融合和滲透的途徑，也指明了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的總體框架，如圖3所示。由圖3可以看出，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)，與生產(chǎn)計(jì)劃、物流、能源和經(jīng)營(yíng)相關(guān)的ERP、SCR、CRM等，和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)相關(guān)的PLM處在最上層，與服務(wù)網(wǎng)緊緊相連。 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PCS、MES功能通過(guò)CPS物理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這一層與工業(yè)物聯(lián)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，數(shù)字化工廠還需要和具有智能的原材料供應(yīng)，以及智能產(chǎn)品的售后服務(wù)這些環(huán)節(jié)構(gòu)成實(shí)時(shí)互連互通的信息交換。 而具有智能的原材料供應(yīng)和智能產(chǎn)品的售后服務(wù)，還具有充分利用服務(wù)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的功能。
 

    圖3 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的總體框架

    4　信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)

    信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS），也有人稱為信息物理融合系統(tǒng)，2006年由美國(guó)科學(xué)家提出，大約相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的一種表述。它與物聯(lián)網(wǎng)相比，最顯著的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)物理過(guò)程與信息間的反饋。2008年美國(guó)加利福利亞大學(xué)的Lee·E在其技術(shù)報(bào)告《信息物理系統(tǒng)：設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)》中指出：信息物理系統(tǒng)是計(jì)算和物理過(guò)程的整合集成。嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制物理過(guò)程，通常系統(tǒng)具有物理過(guò)程影響計(jì)算、計(jì)算也影響物理過(guò)程的反饋回路。 從自動(dòng)化技術(shù)的觀點(diǎn)看，CPS是一種工程系統(tǒng)，由一個(gè)嵌入在物體中的計(jì)算和通信的核，以及物理環(huán)境中的結(jié)構(gòu)所監(jiān)測(cè)和控制（Karl Henrik Johansson，2011）。
 

    圖4 CPS可用于許多領(lǐng)域特別是制造業(yè)

    CPS是一種經(jīng)過(guò)充分提煉和抽象的概念，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。圖4給出了它的許多應(yīng)用領(lǐng)域，譬如說(shuō)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域就有已經(jīng)初見(jiàn)雛形的車聯(lián)網(wǎng)。德國(guó)的專家和教授基于制造立國(guó)和制造強(qiáng)國(guó)的理念，把CPS運(yùn)用于生產(chǎn)制造，提出了CPPS，即信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)。以CPPS為模型構(gòu)建智能工廠，或者數(shù)字化工廠，如圖3所示。

    2012年德國(guó)政府制定和大力推行工業(yè)4.0，而且強(qiáng)調(diào)其特征是工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)的緊密結(jié)合，建立在物理信息系統(tǒng)CPS的基礎(chǔ)之上。這就為智能工廠的實(shí)現(xiàn)指明了一條具有現(xiàn)實(shí)可行性的途徑。完善的智慧工廠不可能一蹴而就，將是一個(gè)漸進(jìn)發(fā)展的過(guò)程。最早實(shí)現(xiàn)的肯定是基于目前的基礎(chǔ)，而又朝著這個(gè)方向的初始階段。

    5　我國(guó)為什么要發(fā)展智能工廠

    據(jù)世界銀行數(shù)據(jù)庫(kù)和聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，2011年我國(guó)制造業(yè)增加值為1.9009萬(wàn)億美元（現(xiàn)價(jià)），美國(guó)為1.8805萬(wàn)億美元（現(xiàn)價(jià)）；2012年我國(guó)制造業(yè)增加值為2.0793萬(wàn)億美元（現(xiàn)價(jià)），美國(guó)為1.9121萬(wàn)億美元（現(xiàn)價(jià)）。2013年我國(guó)生產(chǎn)的發(fā)電設(shè)備占全球的60%，造船完工量為全球的41%，汽車產(chǎn)量為全球的25%，機(jī)床產(chǎn)量占全球的比重為38%。以上這些數(shù)據(jù)表明，我國(guó)世界制造大國(guó)地位確定無(wú)疑。 但是，我國(guó)制造業(yè)的現(xiàn)狀卻是無(wú)可辯駁的大而不強(qiáng)。面對(duì)進(jìn)一步發(fā)展的資源壓力、環(huán)境壓力、成本壓力，以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈、利潤(rùn)空間壓縮和用戶需求增高，我國(guó)制造業(yè)唯有轉(zhuǎn)型升級(jí)走向制造強(qiáng)國(guó)這惟一的出路。 中國(guó)工程院在規(guī)劃《中國(guó)制造2025》時(shí)，調(diào)研了世界主要國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的狀況，在大量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，按照規(guī)模發(fā)展、質(zhì)量效益、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和持續(xù)發(fā)展4項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)，以及18項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成的制造強(qiáng)國(guó)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算出制造強(qiáng)國(guó)綜合指數(shù)，把這些國(guó)家劃分成3個(gè)方隊(duì)。 第一方隊(duì)是制造業(yè)居于全球絕對(duì)領(lǐng)先地位的美國(guó)，第二方隊(duì)是德國(guó)和日本，第三方隊(duì)有英法、韓國(guó)、中國(guó)等。 考慮到中國(guó)制造業(yè)目前的狀況發(fā)展不平衡，尚處在沒(méi)有總體完成工業(yè)2.0（大規(guī)模制造機(jī)械化）和工業(yè)3.0（工業(yè)自動(dòng)化），就需要面對(duì)工業(yè)4.0（工業(yè)自動(dòng)化和信息化深度融合）的形勢(shì)。因此，中國(guó)工業(yè)制造的發(fā)展，不像西方發(fā)達(dá)國(guó)家走的是工業(yè)2.0、工業(yè)3.0，進(jìn)而工業(yè)4.0的串行發(fā)展，而應(yīng)該是工業(yè)2.0、工業(yè)3.0和工業(yè)4.0并行發(fā)展的道路。從現(xiàn)在起到2025年，屬于中國(guó)制造2025階段，爭(zhēng)取使中國(guó)制造進(jìn)入第二方隊(duì)。 再經(jīng)過(guò)十年發(fā)展到2035年，進(jìn)入第二方隊(duì)的前沿。

    然后再經(jīng)過(guò)十五年，到2050年挺進(jìn)全球制造的第一方隊(duì)。要實(shí)現(xiàn)上述的規(guī)劃，中國(guó)制造首先面臨的是要努力完成四個(gè)轉(zhuǎn)變： 由要素驅(qū)動(dòng)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變， 由低成本競(jìng)爭(zhēng)向質(zhì)量效益競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變， 由資源消耗大、污染排放多向綠色制造轉(zhuǎn)變，由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。 而完成這些轉(zhuǎn)變的技術(shù)方向恰恰是工業(yè)3.0和工業(yè)4.0已經(jīng)選擇的和正在選擇的方法，即：信息技術(shù)和制造技術(shù)及工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的深度融合，用精益制造管理取代粗放型制造管理，由產(chǎn)業(yè)集群取代產(chǎn)業(yè)集聚，從而完成由生產(chǎn)低端產(chǎn)品向制造高端裝備的過(guò)渡。

    習(xí)近平在視察河南的中鐵盾構(gòu)制造廠時(shí)指出，裝備制造業(yè)是制造業(yè)的脊梁。這深刻地揭示了制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，首先要抓緊裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。裝備制造業(yè)依靠什么來(lái)轉(zhuǎn)型升級(jí)呢？唯有借助于智能制造。我國(guó)實(shí)施智能制造的路徑在于：抓準(zhǔn)方向，把握趨勢(shì)；結(jié)合國(guó)情，分層推進(jìn)；夯實(shí)基礎(chǔ)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。具體地說(shuō)就是在總體上按照自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、兩化深度融合、數(shù)字化、智能化的方向在制造業(yè)的全行業(yè)加以推進(jìn)；在重點(diǎn)行業(yè)（如高端裝備制造業(yè)）和基礎(chǔ)好的行業(yè)（如石化）中，則可以根據(jù)實(shí)際情況以兩化深度融合為中心，找準(zhǔn)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化的短板，迅速填平補(bǔ)齊，同時(shí)重點(diǎn)展開(kāi)數(shù)字化和智能化。

    6　數(shù)字化工廠急需開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

    鑒于智能工廠和數(shù)字化工廠是在現(xiàn)有的架構(gòu)上，把以往獨(dú)立自主的許多系統(tǒng)（如物流系統(tǒng)、電網(wǎng)系統(tǒng)、各種能源的工業(yè)和管理系統(tǒng)，甚至商業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)）在新的要求下進(jìn)一步集成整合，所以其復(fù)雜度和精細(xì)度都遠(yuǎn)超已經(jīng)存在的和正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)。考慮到目前工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)融合發(fā)展的現(xiàn)狀，已經(jīng)出現(xiàn)了以下方面的關(guān)鍵技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)：

    滲透在生產(chǎn)制造和管理各個(gè)環(huán)節(jié)中的IT技術(shù)及其集成，包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐技術(shù)，分布式云計(jì)算的工業(yè)實(shí)現(xiàn)，基于Web2.0的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；

    物理信息融合系統(tǒng)的工業(yè)實(shí)踐；

    垂直集成和橫向集成的工業(yè)通信技術(shù) ，包括基于互聯(lián)、互操作的設(shè)備集成工業(yè)以太網(wǎng)整合技術(shù) ，機(jī)器與機(jī)器之間的通信（M2M） ，基于OPC UA的垂直集成語(yǔ)義互操作性的實(shí)現(xiàn)技術(shù)；

    軟件技術(shù)，包括面向分布式自動(dòng)化的各類高效可靠的模塊化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)， 應(yīng)用于分布式自動(dòng)化中的SOA和多智能體系統(tǒng)的軟件技術(shù)；

    機(jī)電控制功能模塊的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和最佳實(shí)踐；

    下一代工業(yè)輔助系統(tǒng)技術(shù)，包括基于增強(qiáng)實(shí)境技術(shù)的先進(jìn)工業(yè)輔助系統(tǒng)，機(jī)器人和操作員協(xié)同；

    標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)（鑒于跨多個(gè)領(lǐng)域和垂直行業(yè)，系統(tǒng)空前復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化先行是必須給予極大關(guān)注的）。

    由于篇幅關(guān)系不可能將上述關(guān)鍵技術(shù)逐一展開(kāi)，這里只就工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)做一些闡述。

    2008年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)在政府主導(dǎo)下大熱，但并沒(méi)有在應(yīng)用上有大的突破。 近兩年物聯(lián)網(wǎng)在歐美大熱。美國(guó)領(lǐng)先的公司都在物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)應(yīng)用方向上投入巨額資金，盡管打著各種旗號(hào)，不論是IBM的“智慧地球”、CISCO的“萬(wàn)物網(wǎng)”（Internet ofEverything）、GE的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，還是德國(guó)的工業(yè)4.0，無(wú)不將重點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的解決方案及其業(yè)務(wù)模式上。

    從技術(shù)上看，物聯(lián)網(wǎng)炙手可熱，是基于它所需要的技術(shù)基本上是已經(jīng)或正在商業(yè)化的，并不要求進(jìn)行實(shí)質(zhì)上的突破。已經(jīng)建立了深思熟慮的參考架構(gòu)，頗具吸引力的應(yīng)用案例正在開(kāi)發(fā)。用IoT把“數(shù)字操縱纜”加入到現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)中的技術(shù)正在走向市場(chǎng)。但從總體上看，缺的是什么呢？ 缺的是對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)到底離我們很近抑或是還很遠(yuǎn)，還不曾形成廣泛的認(rèn)同，對(duì)其可行性和現(xiàn)實(shí)性還有疑慮。還缺的是如何利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型和改造的成功途徑和方法。也就是說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有待跨越可信性的缺口，如圖5所示。
 

    圖5 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有待跨越可信性的缺口

    物聯(lián)網(wǎng)常被看作是一種同質(zhì)化的實(shí)體。事實(shí)上，從更高的層次上看，物聯(lián)網(wǎng)可以分為與人的生活相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)（HumanIoT，HIoT ）、商用物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）。 所謂與人的生活相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)具有包括與人互動(dòng)的應(yīng)用和功能的特征。而IIoT在規(guī)模和經(jīng)濟(jì)價(jià)值這兩方面要遠(yuǎn)勝于HIoT。 IIoT集成了數(shù)量足夠多的帶有傳感器和軟件的物理機(jī)械裝置（機(jī)械系統(tǒng)），其價(jià)值的主題是：分析，遠(yuǎn)程存取和管理，協(xié)同，速度和精確智能，易于獲取和傳播知識(shí)（不僅僅是獲取和傳播數(shù)據(jù)）。在IIoT中的設(shè)備和裝置之間的通信，被處理為小數(shù)據(jù)，當(dāng)許多小數(shù)據(jù)集結(jié)起來(lái)，他們便成為大數(shù)據(jù)中一個(gè)部分。 在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT中，設(shè)備層是一種由大量具有自主控制的設(shè)備構(gòu)成的大規(guī)模的、高可靠性、高信息安全的網(wǎng)絡(luò)。 存取層從許多設(shè)備層采集小數(shù)據(jù)，并執(zhí)行分散決策規(guī)則。 云/分析層處理和分析大數(shù)據(jù)，并據(jù)此引導(dǎo)整體智能。這就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)，如圖6所示。
 

    圖6 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)

    IIoT一般都要連接成千上萬(wàn)個(gè)設(shè)備，與HIoT通常都是以客戶端/服務(wù)器方式進(jìn)行信息傳輸不同，IIoT出于響應(yīng)時(shí)間的考慮，在同一層的機(jī)器都應(yīng)自主工作，就地執(zhí)行數(shù)據(jù)分析和歸納簡(jiǎn)化。由于通常要求IIoT能自治或自主的運(yùn)用，并能完成同層內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式控制，因此，必須對(duì)IIoT提出更嚴(yán)格的、遠(yuǎn)高過(guò)HIoT和M2M的要求。這些要求是： 自治控制（自主控制）；同層內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制；工業(yè)強(qiáng)度的可靠性；工業(yè)級(jí)的信息安全 ；IIoT的解決方案應(yīng)能讓原有的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)（不論其使用何種協(xié)議）與新添的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)一樣納入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；有線連接和無(wú)線連接，以及無(wú)線、有線混合連接；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的可擴(kuò)可縮；IP的角色（IoT和IIoT與互聯(lián)網(wǎng)同樣要依靠IPV6將分散的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備橋接起來(lái)。目前工業(yè)系統(tǒng)依然通過(guò)網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連，問(wèn)題在于必須事先讓網(wǎng)關(guān)指導(dǎo)企業(yè)需要什么數(shù)據(jù)，還必須編程，網(wǎng)關(guān)不但約束了信息的來(lái)回傳輸，而且如果有新的要求，組態(tài)也很困難。在IIoT中的控制網(wǎng)絡(luò)將把IP尋址從網(wǎng)關(guān)移到現(xiàn)場(chǎng)總線這一級(jí)，于是網(wǎng)關(guān)的功能性如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用的格式將集成到通信芯片中去，于是連接網(wǎng)絡(luò)的功能將更多地依賴于路由器）； 數(shù)據(jù)包的恢復(fù)（IIoT的鏈接是要考慮成本的，因此可能發(fā)生因?yàn)楦蓴_、噪聲和碰撞而丟失數(shù)據(jù)包，IIoT的協(xié)議棧必須考慮迅速恢復(fù)數(shù)據(jù)包的功能）；實(shí)時(shí)性的要求 ；對(duì)故障的抗御能力（分散系統(tǒng)必須避免單點(diǎn)的故障，因此要求路由器或交換器均有冗余）。

    7　結(jié)語(yǔ)

    討論中國(guó)的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)已經(jīng)有好幾個(gè)年頭了，近些年來(lái)又圍繞“工業(yè)4.0”有了各種各樣的聲音。從智能制造到數(shù)字化工廠，再到工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，學(xué)習(xí)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃、策略和路線，固然是很好的借鑒。但更為重要的應(yīng)該是我們必須審視國(guó)內(nèi)工業(yè)現(xiàn)狀全局，找到符合實(shí)際情況的突破口。中國(guó)工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀是多元化的，從工業(yè)2.0的水平、工業(yè)3.0的水平，一直到正在邁向工業(yè)4.0的水平都存在著。不過(guò)，由于我國(guó)工業(yè)化的進(jìn)程速度很快，導(dǎo)致工業(yè)化的基礎(chǔ)不夠扎實(shí)：重產(chǎn)量而往往對(duì)質(zhì)量不夠重視；重技術(shù)而對(duì)工藝不夠重視，缺乏保證產(chǎn)品質(zhì)量的意識(shí)、制度、工具裝備和測(cè)量手段；重硬件設(shè)施建設(shè)，而相對(duì)忽略對(duì)傳統(tǒng)管理體系和制度的現(xiàn)代化改革，缺乏管理制度規(guī)范化的動(dòng)力。由此可以引出中國(guó)工業(yè)發(fā)展亟待解決的兩個(gè)問(wèn)題：提高和控制產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗和原材料消耗，以及提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工藝開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的效率。這也是我國(guó)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在工業(yè)科技的最大差距的具體表現(xiàn)。

    歐美發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期重視技術(shù)創(chuàng)新及其推廣，運(yùn)用科學(xué)的方法論開(kāi)發(fā)了許多工具性的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這些平臺(tái)可以是面向某個(gè)行業(yè)的，也可以是面向某種控制技術(shù)的，還可以是面向企業(yè)管理、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化的。這些平臺(tái)對(duì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)大，起到了可在很大范圍內(nèi)推廣，取得實(shí)效，真正實(shí)現(xiàn)了突破一點(diǎn)解決一大片的目的。由此我們可以認(rèn)識(shí)“軟件平臺(tái)制勝未來(lái)”的真切含義。

    為了盡快地縮短我們與他們的差距，更為了能夠快速的使技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，讓我們花更多精力和努力打好工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，采取切實(shí)措施引導(dǎo)提高質(zhì)量，開(kāi)發(fā)自主可控的工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)而向數(shù)字化工廠和智能工廠發(fā)展，應(yīng)該說(shuō)是指日可待。

    作者簡(jiǎn)介

    彭瑜（1938-），男，湖南長(zhǎng)沙人，畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力系，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，并兼任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表和裝置專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)專家咨詢委員會(huì)委員，上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)專家委員會(huì)委員，PLCopen國(guó)際組織中國(guó)委員會(huì)主席，長(zhǎng)期從事工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。

    摘自《自動(dòng)化博覽》1月刊