智能制造

• 智能制造導(dǎo)論
• 分析過程的組成
• 全球智能制造技術(shù)發(fā)展趨勢
• • 政府項(xiàng)目
  • • 德國
    • 美國
  • 韓國
  • • 交通部智能制造推進(jìn)戰(zhàn)略
    • MSIP智能制造推進(jìn)策略
  • 智能制造核心技術(shù)分類
• 相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查
• • 智能制造的愿景、概念、方向與技術(shù)
  • Cyber-Physicial System
  • 云制造
  • 大數(shù)據(jù)分析
  • 物聯(lián)網(wǎng)
• 智能傳感器
• • 應(yīng)用及附加技術(shù)
  • • 增材制造(3D打印)
    • 能源保存
    • 全息投影
• 對研究結(jié)果的分析與討論
• • 分析
  • 討論
  • 過去與現(xiàn)在
  • 未來市場
• 結(jié)論

摘要

如今，制造業(yè)為了確保新的增長動(dòng)力，正在努力與尖端信息通信技術(shù)(ICT)融合，提高競爭力。被認(rèn)為是制造業(yè)第四次革命的“智能制造”，是通過各種ICT技術(shù)的引進(jìn)和與現(xiàn)有制造技術(shù)的融合，匯集了能夠?qū)崟r(shí)有效、準(zhǔn)確地進(jìn)行工程決策的尖端技術(shù)。本文對與智能制造相關(guān)的各種文章進(jìn)行了調(diào)查和分析，識別了過去和現(xiàn)在的水平，并預(yù)測了未來。為此，通過分析德國、美國、韓國等國政府主導(dǎo)的智能制造主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的政策和技術(shù)路線圖，確定與智能制造相關(guān)的主要關(guān)鍵技術(shù);對智能制造整體概念、關(guān)鍵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)文章進(jìn)行研究;3)通過對每篇文章討論的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)發(fā)展水平進(jìn)行各種分析，識別智能制造的相關(guān)趨勢并預(yù)測未來。

智能制造導(dǎo)論

從18世紀(jì)中葉隨著蒸汽機(jī)的發(fā)展在英國開始的工業(yè)革命，到19世紀(jì)初由于電力的商業(yè)化而開始的大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)，再到20世紀(jì)末ICT(信息和通信技術(shù))的發(fā)展和自動(dòng)化系統(tǒng)的引入，制造業(yè)一直在創(chuàng)造可能被稱為革命性的創(chuàng)新進(jìn)步。目前，ICT技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)在硬件、軟件等各個(gè)領(lǐng)域反復(fù)取得進(jìn)展，可能會給制造業(yè)帶來復(fù)興或新的革命。智能制造可能是這場新革命的驅(qū)動(dòng)力。它是通過人、技術(shù)、信息的融合，促進(jìn)現(xiàn)有制造業(yè)戰(zhàn)略革新的各種技術(shù)的集合和范式。在80年代和90年代，精益制造注重通過消除浪費(fèi)來節(jié)約成本，而智能制造是未來的增長引擎，旨在通過管理和改善現(xiàn)有的主要制造要素，如生產(chǎn)力、質(zhì)量、交付和靈活性，以技術(shù)融合和社會、人類和環(huán)境的各種元素為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)增長。NIST(國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所)是美國商務(wù)部的一個(gè)機(jī)構(gòu)，它將智能制造定義為完全集成和協(xié)作的制造系統(tǒng)，實(shí)時(shí)響應(yīng)工廠、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和客戶需求的不斷變化的需求和條件。1也就是說基于主動(dòng)制造的技術(shù)和系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)制造領(lǐng)域復(fù)雜多樣的情況。德國、美國等先進(jìn)制造國家在過去的幾年里，為了實(shí)現(xiàn)智能制造，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域開發(fā)技術(shù)。主要技術(shù)有物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、CPS (Cyber-Physical System)、云等。這些技術(shù)都是尖端的信息通信技術(shù)，并被應(yīng)用到諸如制造、衛(wèi)生、建筑管理等。通過這些主要關(guān)鍵技術(shù)的均衡發(fā)展和應(yīng)用，才能成功實(shí)現(xiàn)智能制造。為此，需要通過分析總體概念的研發(fā)現(xiàn)狀來檢驗(yàn)?zāi)壳暗乃?#xff0c;從智能制造成功實(shí)現(xiàn)的角度對各項(xiàng)技術(shù)提出建議，并從技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用策略等方面提出未來的發(fā)展方向。
本文通過對現(xiàn)有的相關(guān)研究、技術(shù)和文章的梳理，分析了智能制造的過去和現(xiàn)在的水平，并提出了未來的技術(shù)發(fā)展方向。對韓國的智能制造相關(guān)政策，分析了積極開發(fā)相關(guān)技術(shù)的德國和美國的情況。找到了智能制造相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，并對相關(guān)技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了研究。在分析當(dāng)前發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，提出了未來智能制造相關(guān)技術(shù)的研究方向。

分析過程的組成

本章描述了本文所采用的調(diào)查分析方法，以了解智能制造的過去和現(xiàn)在的趨勢和技術(shù)水平?？傮w流程如圖1所示(1)調(diào)查和審查國家戰(zhàn)略和政策，(2)數(shù)據(jù)分類和選擇核心技術(shù)，(3)整理與核心技術(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，(4)最終分析和討論。

另外，為了選定核心技術(shù)，對德國的產(chǎn)業(yè)4.0相關(guān)數(shù)據(jù)、美國的NIST、SMLC(智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟)相關(guān)數(shù)據(jù)、韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部(MOTIE)和未來科學(xué)部(MSIP)的政策和研究計(jì)劃進(jìn)行了研究。根據(jù)關(guān)鍵字、工廠應(yīng)用和工程流程，對選定的核心技術(shù)相關(guān)研究和數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和整理。對整理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析和相關(guān)性分析，分析各技術(shù)(如系統(tǒng)、設(shè)備或工廠)在基礎(chǔ)設(shè)施方面的研究現(xiàn)狀水平、應(yīng)用領(lǐng)域，以及每種技術(shù)在工廠發(fā)展過程中的目標(biāo)步驟?？偨Y(jié)了當(dāng)前技術(shù)水平相對較低的領(lǐng)域和各技術(shù)相關(guān)度較高的領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，討論了智能制造的過去和現(xiàn)在的相關(guān)技術(shù)，并提出了未來的發(fā)展方向。本文針對的文章主要分為兩部分。第一個(gè)是在戰(zhàn)略上推進(jìn)智能制造的德國、美國、韓國等主要國家的政策或戰(zhàn)略技術(shù)資料。第二部分是關(guān)于智能制造相關(guān)技術(shù)的研究和報(bào)告。研究和報(bào)告的范圍從與智能制造高度相關(guān)到智能制造各核心技術(shù)的通用制造應(yīng)用。使用的是2005年至2015年的文章。

全球智能制造技術(shù)發(fā)展趨勢

本章主要介紹了德國、美國等制造業(yè)發(fā)達(dá)國家的政策和研究動(dòng)向，以及以產(chǎn)業(yè)資源部和工業(yè)園區(qū)為中心的韓國的政策和研究計(jì)劃。通過對實(shí)現(xiàn)智能制造所需的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行識別，并對相關(guān)技術(shù)的研究和報(bào)告進(jìn)行總結(jié)。

政府項(xiàng)目

德國

德國政府宣布建立智能工廠的“工業(yè)4.0”是智能制造的最終實(shí)現(xiàn)，是民間、政府、學(xué)術(shù)界共同參與的項(xiàng)目。工業(yè)4.0概念首次在2011年德國漢諾威工業(yè)博覽會上公布。工業(yè)4.0最終報(bào)告指出，工業(yè)4.0通過基于CPS、IoT和IoS(服務(wù)互聯(lián)網(wǎng))的通信網(wǎng)絡(luò)，將工廠內(nèi)外的事物和服務(wù)連接起來，創(chuàng)造前所未有的新價(jià)值，構(gòu)建新的商業(yè)模式，解決各種社會問題。

圖2-4顯示了工業(yè)4.0基本概念的參考架構(gòu)和圖表。圖2為基于CPS的智能工廠周邊物聯(lián)網(wǎng)與IoS的鏈接。圖3展示了更具體的架構(gòu)，包括在工廠現(xiàn)場保護(hù)連接的物聯(lián)網(wǎng)，在執(zhí)行CPS功能時(shí)連接物聯(lián)網(wǎng)和IoS的服務(wù)平臺，將應(yīng)用程序連接到業(yè)務(wù)流程的IoS，以及每個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用程序。

圖4為智能工廠關(guān)鍵組件對應(yīng)的CPS平臺參考架構(gòu)示例。整合現(xiàn)有MES (Manufacturing Execution System)、ERP (Enterprise Resource Planning)、CRM (Customer Relationship Management)等系統(tǒng)或平臺，構(gòu)建Databackbone，有效管理復(fù)雜系統(tǒng)，提供應(yīng)用領(lǐng)域可使用的各種功能。
報(bào)告提到，必須建立物聯(lián)網(wǎng)、IoS和CPS來整合這些現(xiàn)有的復(fù)雜系統(tǒng)，并需要各種IT技術(shù)、建模、模擬、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、傳感器和智能能源技術(shù)。此外，推進(jìn)工業(yè)4.0不僅是為了實(shí)現(xiàn)智能工廠，還包括人員、法律等8項(xiàng)整體條件創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)管理復(fù)雜系統(tǒng)為行業(yè)提供全面的寬帶基礎(chǔ)設(shè)施安全與保障工作組織和設(shè)計(jì)培訓(xùn)和持續(xù)專業(yè)發(fā)展監(jiān)管框架資源效率

美國

美國為了擴(kuò)大制造業(yè)的復(fù)興，正在積極推進(jìn)被稱為“先進(jìn)制造”或“智能制造”的尖端制造業(yè)的研究開發(fā)(r&d)預(yù)算和計(jì)劃的實(shí)施。在美國，與制造業(yè)相關(guān)的研發(fā)項(xiàng)目專注于關(guān)鍵技術(shù)任務(wù)，包括IoT、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、CPS、系統(tǒng)集成、可持續(xù)制造和增材制造，以積極應(yīng)對被稱為第四次工業(yè)革命的創(chuàng)新制造環(huán)境變化。每個(gè)鍵賦值的含義如下。

• 物聯(lián)網(wǎng):將傳感器和通信設(shè)備嵌入制造機(jī)械和生產(chǎn)線。
• 大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析:開發(fā)能夠解釋和分析大量傳入數(shù)據(jù)的軟件和系統(tǒng)。
• 信息物理系統(tǒng)和系統(tǒng)集成:開發(fā)大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠高效和靈活的實(shí)時(shí)控制和定制。
• 可持續(xù)制造:通過綠色設(shè)計(jì)、使用環(huán)保材料和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，開發(fā)能夠提高資源效率和減少環(huán)境有害物質(zhì)排放的生產(chǎn)系統(tǒng)。
• 增材制造(Additive Manufacturing):將3D打印技術(shù)應(yīng)用于零部件和產(chǎn)品制造的方法，可以減少產(chǎn)品開發(fā)和制造的時(shí)間和成本。
  政府為了確保尖端制造能力，成立了泛國家研究開發(fā)財(cái)團(tuán)(SMLC)，進(jìn)行了部門間的協(xié)商。目前有25家企業(yè)、7所大學(xué)、8個(gè)財(cái)團(tuán)、1個(gè)政府研究機(jī)關(guān)參與。他們提出并執(zhí)行具體的行動(dòng)計(jì)劃，如概念建立、技術(shù)目標(biāo)、路線圖和角色分配。
  

圖5為智能制造平臺示意圖。該平臺的目標(biāo)是創(chuàng)新尖端制造和協(xié)作。表1展示了一個(gè)由10個(gè)工作包組成的行動(dòng)路線圖，以高效實(shí)現(xiàn)智能制造。路線圖主要包括建模、仿真、數(shù)據(jù)收集和管理、企業(yè)集成、教育和培訓(xùn)。內(nèi)容在概念上與德國的8項(xiàng)任務(wù)的目標(biāo)相似。

通過路線圖實(shí)現(xiàn)的智能工廠的關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下。

• 網(wǎng)絡(luò)化傳感器:通信、自動(dòng)化控制、規(guī)劃和預(yù)測模型、工廠優(yōu)化、健康和安全管理以及其他功能的數(shù)據(jù)將由大量網(wǎng)絡(luò)化部門提供。
• 數(shù)據(jù)互操作性:通過協(xié)作部門或公司使用的互操作性數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及跨設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品、流程和項(xiàng)目數(shù)據(jù)的無縫交換。
• 多尺度動(dòng)態(tài)建模和仿真:業(yè)務(wù)計(jì)劃和調(diào)度可以通過支持企業(yè)范圍內(nèi)協(xié)調(diào)的多尺度模型與操作完全集成，并支持跨公司和供應(yīng)鏈的大規(guī)模優(yōu)化。
• 智能自動(dòng)化:自動(dòng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)對SM至關(guān)重要，但它們必須有效地與人類學(xué)習(xí)和決策環(huán)境相結(jié)合。
• 可擴(kuò)展和多層次的網(wǎng)絡(luò)安全:整個(gè)制造企業(yè)都需要防止網(wǎng)絡(luò)漏洞的系統(tǒng)保護(hù)(不影響功能)
  NIST是美國商務(wù)部的一個(gè)機(jī)構(gòu)，作為SMLC唯一的政府機(jī)構(gòu)，它在智能制造技術(shù)的開發(fā)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。NIST通過智能制造研究計(jì)劃建立了動(dòng)態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)和快速設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的策略。提出了分散化控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化制造和分散化機(jī)器智能3個(gè)關(guān)鍵行動(dòng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)該戰(zhàn)略。NIST還就效率提出了3個(gè)關(guān)鍵績效指標(biāo)，即敏捷性、資產(chǎn)利用率和可持續(xù)性。NIST正在運(yùn)營4個(gè)智能制造研究項(xiàng)目和子項(xiàng)目，如表2所示
  

韓國

與德國的“工業(yè)4.0”和美國的“智能制造”相關(guān)的國家戰(zhàn)略類似，韓國也正在推進(jìn)智能制造相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。支持重大技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目的部門雖然在運(yùn)營特點(diǎn)上略有不同，但正在逐漸轉(zhuǎn)向制定和推進(jìn)超越部門壁壘的綜合戰(zhàn)略。表3顯示了促進(jìn)制造業(yè)智能創(chuàng)新的主要策略和具體任務(wù)。表中第2項(xiàng)賦值對應(yīng)的8項(xiàng)智能制造技術(shù)分別是CPS、節(jié)能、智能傳感器、增層制造(3D打印)、物聯(lián)網(wǎng)、云、大數(shù)據(jù)、全息圖。

交通部智能制造推進(jìn)戰(zhàn)略

2014年，產(chǎn)業(yè)資源部發(fā)表了類似德國“工業(yè)4.0”的韓國制造業(yè)新飛躍的“制造革新3.0”。這意味著主要制造戰(zhàn)略從現(xiàn)有的以裝配和設(shè)備為導(dǎo)向的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橐I(lǐng)新的融合產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新。表4顯示了MOTIE的制造推進(jìn)策略和任務(wù)。政府的基本方向是，通過信息技術(shù)(IT)與軟件的融合，創(chuàng)造制造領(lǐng)域的新附加價(jià)值、確保競爭優(yōu)勢、創(chuàng)造企業(yè)主導(dǎo)制造革新的環(huán)境。

MSIP智能制造推進(jìn)策略

MSIP正在支持基于信息研究基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目和CSF(互聯(lián)智能工廠)項(xiàng)目的智能制造相關(guān)的研發(fā)活動(dòng)。表5顯示了MSIP與智能制造相關(guān)的主要項(xiàng)目，包括CSF項(xiàng)目。CSF項(xiàng)目的6個(gè)詳細(xì)項(xiàng)目和3個(gè)信息研究基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目旨在開發(fā)每個(gè)領(lǐng)域的智能制造相關(guān)技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目主要集中在基于IoT技術(shù)的制造業(yè)數(shù)據(jù)鏈接技術(shù)、基于ICT技術(shù)的CPS建模&模擬技術(shù)，以及支持AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))的可穿戴設(shè)備技術(shù)等。

智能制造核心技術(shù)分類

如前所述，德國、美國、韓國正在進(jìn)行與智能制造相關(guān)的各種計(jì)劃和項(xiàng)目。他們選擇了關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，他們是技術(shù)開發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)者。它們也在戰(zhàn)略上接近非技術(shù)領(lǐng)域，例如擴(kuò)大有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施和建立各種系統(tǒng)。由于本文的主要目的是分析智能制造相關(guān)的技術(shù)趨勢，所以對三國共同的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分類和選擇，如圖6所示。韓國明確選定了8種制造技術(shù)，因此排除了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等戰(zhàn)略領(lǐng)域。德國和美國雖然用詞不同，但考慮并選定了概念相似的技術(shù)。

智能制造選擇的關(guān)鍵和代表性技術(shù)包括CPS、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算(云制造)、大數(shù)據(jù)、增材制造(3D打印)、傳感器、節(jié)能和全息圖。這與韓國的8項(xiàng)核心技術(shù)是一致的。本文通過對智能制造相關(guān)代表性技術(shù)的研究和數(shù)據(jù)的調(diào)查和回顧，分析了智能制造相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀，并對智能制造的未來進(jìn)行了預(yù)測。

相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)查

本章從技術(shù)角度總結(jié)了上述8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的主要研究內(nèi)容、關(guān)鍵字、應(yīng)用領(lǐng)域、步驟，以及智能制造的概念、技術(shù)途徑和結(jié)構(gòu)。如前所述，對每種技術(shù)的算法和方法已有很多研究;因此，本章的文章主要從智能制造的角度進(jìn)行研究。在很多情況下，每種技術(shù)的研究都是同時(shí)進(jìn)行的，因?yàn)樗鼈兌寂c智能制造有關(guān)。因此，本文對智能制造的總體概念和技術(shù)進(jìn)行了初步的回顧和總結(jié)，并對各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述。在平行研究的情況下，在比較重要的研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)。

智能制造的愿景、概念、方向與技術(shù)

首先，進(jìn)行了各種概念和技術(shù)研究工業(yè)4.0、智能制造或智能工廠。這些研究主要包括實(shí)現(xiàn)智能制造所面臨的挑戰(zhàn)是什么，如何研發(fā)，需要哪些技術(shù)，需要哪些策略。
Blanchet等人在戰(zhàn)略報(bào)告中闡述了工業(yè)4.0作為第四次革命的主要概念和關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)4.0可以通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、3D打印、智能傳感器以及CPS來實(shí)現(xiàn)；Wang等人也通過一個(gè)支持垂直和水平系統(tǒng)集成的框架建立了類似的概念A(yù)nderl通過直接攜帶信息的制造對象、過程和狀態(tài)監(jiān)控以及增材制造等用例展示了工業(yè)4.0的影響
另一方面，Brettel等人通過對與工業(yè)4.0密切相關(guān)的三個(gè)領(lǐng)域(1)個(gè)體生產(chǎn)、(2)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的橫向集成和(3)端到端數(shù)字集成，并通過找到細(xì)節(jié)技術(shù)之間的相關(guān)性，對研究領(lǐng)域(如CPS)進(jìn)行聚類分析，提出了預(yù)測。
對智能制造的定義、實(shí)現(xiàn)過程、方法和實(shí)例進(jìn)行了多方面的研究。Choi等人提出了一種通過基于系統(tǒng)的數(shù)字化制造階段性應(yīng)用實(shí)現(xiàn)智能制造的方法Radziwon等在研究了現(xiàn)有文獻(xiàn)后，對智能工廠做出了如下定義。智能工廠是一種制造解決方案，提供靈活和適應(yīng)性的生產(chǎn)流程，在日益復(fù)雜的世界中，通過動(dòng)態(tài)和快速變化的邊界條件來解決生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)生的問題。這種特殊的解決方案一方面與自動(dòng)化有關(guān)，可以理解為軟件、硬件和/或機(jī)械的組合，這將導(dǎo)致制造的優(yōu)化，從而減少不必要的勞動(dòng)力和資源浪費(fèi)。另一方面，可以從不同的工業(yè)和非工業(yè)合作伙伴之間的協(xié)作的角度來看，智慧來自于形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的組織
Lucke等人將實(shí)現(xiàn)智能工廠的過程定義為定義、挑戰(zhàn)分配識別、實(shí)現(xiàn)技術(shù)獲取和功能架構(gòu)應(yīng)用的步驟。他們將挑戰(zhàn)具體定義為(1)識別、(2)本地化、(3)狀態(tài)知識、(4)智能制造系統(tǒng)更新、(5)支持不同查詢、(6)異構(gòu)信息集成、(7)實(shí)時(shí)特征反應(yīng)。同時(shí)，他們將實(shí)現(xiàn)技術(shù)定義為(1)嵌入式系統(tǒng)，(2)(無線)通信技術(shù)，(3)自動(dòng)識別(auto-ID)技術(shù)，(4)定位技術(shù)，(5)聯(lián)邦平臺，(6)態(tài)勢識別，(7)傳感器融合。他們提出了一個(gè)基于這些定義的模型，該模型將智能工廠應(yīng)用于制造公司的功能架構(gòu)
Zuehlke通過SmartFactoryKL案例介紹了設(shè)備、通信、傳感、控制和管理系統(tǒng)的技術(shù)要素。從技術(shù)、結(jié)構(gòu)、規(guī)劃、穩(wěn)定性、安全性和人的角度闡述了物聯(lián)網(wǎng)工廠的特征，其中物聯(lián)網(wǎng)的基本特征被應(yīng)用于工廠Ivanov等人開發(fā)了智能工廠中短期供應(yīng)鏈調(diào)度的動(dòng)態(tài)模型和算法，作為智能制造的應(yīng)用研究，而Choi等人提出了一種有效實(shí)施和應(yīng)用虛擬工廠的戰(zhàn)略計(jì)劃和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Cyber-Physicial System

信息物理系統(tǒng)(CPS)是相互協(xié)作的計(jì)算實(shí)體系統(tǒng)，它們與周圍的物理世界及其正在進(jìn)行的過程密切聯(lián)系，同時(shí)提供和使用互聯(lián)網(wǎng)上可用的數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)處理服務(wù)。CPS的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，從航空航天、汽車、化工工藝、民用基礎(chǔ)設(shè)施、能源、運(yùn)輸?shù)街圃鞓I(yè)。在制造領(lǐng)域，CPS是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，與云、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)密切相關(guān)，正在進(jìn)行研究。Lee等人將實(shí)現(xiàn)CPS的5C架構(gòu)定義為(1)智能連接級別，(2)數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換級別，(3)網(wǎng)絡(luò)級別，(4)認(rèn)知級別，和(5)配置級別。他們還根據(jù)每一級定義了詳細(xì)的屬性信息和條件
制造領(lǐng)域的CPS研究還處于起步階段，大部分研究集中在建模、概念化和利用計(jì)劃上，而不是實(shí)現(xiàn)上。Dworschak和Zaiser從制造工藝的角度描述了CPS的利用計(jì)劃，從使用它們的工人的角度描述了自動(dòng)化和工具Seiger等人提出了一種基于金屬模型的面向?qū)ο蠊ぷ髁髡Z言，用于在異構(gòu)和動(dòng)態(tài)環(huán)境中對CPS上的過程進(jìn)行建模和形式化monstori解釋說，CPPS (Cyber-Physical Production Systems)是CPS在制造領(lǐng)域的應(yīng)用版本，具有各種根技術(shù)，并建議了需要研究和開發(fā)的技術(shù)，如環(huán)境自適應(yīng)和自主系統(tǒng)
利用CPS對生產(chǎn)現(xiàn)場和過程進(jìn)行監(jiān)控的研究，重點(diǎn)是與現(xiàn)有系統(tǒng)如SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)的關(guān)聯(lián)。Genge等人提出并構(gòu)建了CPS的實(shí)驗(yàn)框架。該框架分為物理層(由驅(qū)動(dòng)器、傳感器和硬件設(shè)備組成)和網(wǎng)絡(luò)層(由所有信息、通信設(shè)備和軟件組成)。Wang等人提出了一種連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制和通信的聯(lián)合操作
對智能制造的進(jìn)一步研究大多提出了與云、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等相關(guān)的CPS模型和框架。Niggemann等人基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集和分析的數(shù)據(jù)，為CPS提出了認(rèn)知參考架構(gòu)，并在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了案例研究同樣，Lee等人也提出了基于大數(shù)據(jù)的CPS模型Wan等人建議CPS作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)基礎(chǔ)中更先進(jìn)、更智能的M2M(機(jī)器對機(jī)器)概念Lu從CPS安全和相關(guān)技術(shù)研究的角度總結(jié)了可能出現(xiàn)的威脅Colombo等人通過IMC-AESOP方法描述了與SCADA/ dcs相關(guān)或基于SOA(面向服務(wù)架構(gòu))的工業(yè)CPS
關(guān)于CPS的研究被視為處于早期階段，但它們正在取得進(jìn)展。目前開展的研究與云、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智能制造的關(guān)鍵技術(shù)密切相關(guān)。

云制造

云制造(CM)是應(yīng)用于制造領(lǐng)域的云計(jì)算技術(shù)，被認(rèn)為是類似于智能制造的現(xiàn)有制造范式的創(chuàng)新。Wu等人對CM的定義如下:云制造是一種以客戶為中心的制造模型，利用對多樣化和分布式制造資源共享集合的按需訪問，形成臨時(shí)和可重構(gòu)的生產(chǎn)線，從而提高效率，降低產(chǎn)品生命周期成本，并允許優(yōu)化資源加載，以響應(yīng)客戶產(chǎn)生的任務(wù)的可變需求。為了與智能制造同時(shí)實(shí)現(xiàn)CM，它將需要定義各種元素，如概念需求、關(guān)鍵技術(shù)、環(huán)境、清晰的愿景和戰(zhàn)略方法。以下研究提供了各種相關(guān)背景。
Wu等人分析了CM的現(xiàn)狀和技術(shù)趨勢，并從(1)自動(dòng)化與控制、(2)商業(yè)模式、(3)信息與資源共享、(4)分布式系統(tǒng)仿真、(5)成本估算等方面提出了未來的研究方向?qū)M概念應(yīng)用于其設(shè)計(jì)和制造的模型、系統(tǒng)架構(gòu)和基于場景的研究也相應(yīng)地進(jìn)行了。同樣，Zhang等人開發(fā)了一個(gè)原型，構(gòu)建了CM的平臺架構(gòu)，包括資源層、資源感知層、資源虛擬接入層、制造云核心服務(wù)層、傳輸網(wǎng)絡(luò)層、終端應(yīng)用層
對CM的研究主要從技術(shù)要素和架構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面展開。Tao等人提出了一個(gè)與云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)相連接的云制造服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，并分析了每種技術(shù)之間的相關(guān)性Karnouskos建議從生產(chǎn)站點(diǎn)級別到業(yè)務(wù)級別的基于云服務(wù)的架構(gòu)他和Xu將CM的關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)為(1)現(xiàn)有制造系統(tǒng)和技術(shù)，(2)云計(jì)算，(3)物聯(lián)網(wǎng)，(4)虛擬化，(5)面向服務(wù)技術(shù)，(6)高性能計(jì)算，并描述了相應(yīng)需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵服務(wù)
還進(jìn)行了與CM環(huán)境或系統(tǒng)相關(guān)的各種研究。Luo等人提出了制造能力在配置管理系統(tǒng)中的多維信息，這是一個(gè)由資源、任務(wù)、過程和知識四個(gè)要素組成的概念。他們研究了一種通過本體、模糊信息和動(dòng)態(tài)行為等描述概念的方法Laili等人開發(fā)了云制造環(huán)境下計(jì)算資源優(yōu)化分配(OACR)的模型和算法。Wang開發(fā)了一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)和web的面向服務(wù)的系統(tǒng)，用于執(zhí)行機(jī)器可用性監(jiān)測和過程規(guī)劃Wang等人構(gòu)建了本體，為CM上的各種任務(wù)提供語義建模和描述，并通過語義相似度算法提出了一個(gè)完美的框架Pisching等人研究了工業(yè)4.0概念下與CPS和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的CM的服務(wù)組成

大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)通常是指范圍廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大而不適合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法使用的數(shù)據(jù)集。因此，需要技術(shù)和特殊的系統(tǒng)和方法，如分析、捕獲、數(shù)據(jù)管理、搜索、共享、存儲、傳輸、可視化和信息隱私，以執(zhí)行預(yù)測分析，從數(shù)據(jù)中提取價(jià)值，而且很少對特定規(guī)模的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析。智能制造的實(shí)現(xiàn)需要對產(chǎn)品開發(fā)和制造系統(tǒng)工程過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的可視化、分析和共享，以用于預(yù)測和建模。
Lee等人從工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)的角度總結(jié)了制造業(yè)服務(wù)業(yè)大數(shù)據(jù)環(huán)境的變化趨勢和用于大數(shù)據(jù)管理的智能預(yù)測信息學(xué)工具的準(zhǔn)備情況。他們強(qiáng)調(diào)，必須在基于物聯(lián)網(wǎng)的CPS環(huán)境中實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自我意識和自我維護(hù)，需要開發(fā)和應(yīng)用基于自我學(xué)習(xí)知識庫的機(jī)器健康意識分析和自我維護(hù)的決策支持分析 .收集CPS環(huán)境下構(gòu)成制造系統(tǒng)的各層數(shù)據(jù)，利用Watchdog Agent等預(yù)測分析的算法(1)信號處理、(2)特征提取、(3)健康評估、(4)性能預(yù)測、(5)故障診斷等從大數(shù)據(jù)中提取主要數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人和虛擬電池Shahbaz等人提出了各種技術(shù)(如統(tǒng)計(jì)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹和遺傳算法)的概念方法和平臺，以便在產(chǎn)品制造生命周期中充分利用Shao等人介紹了使用NIST開發(fā)的SPAF(可持續(xù)過程分析形式主義)的決策指導(dǎo)方法
許多研究表明，大數(shù)據(jù)分析可以解決各種制造問題。ündey等人提出了一種方法，在生物制藥制造業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘方法中，通過過程挖掘在觀察級和批處理級的層次上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。Meidan等人實(shí)施了一個(gè)項(xiàng)目，通過將合成的工廠數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體制造行業(yè)的可操作知識來輔助決策。該項(xiàng)目通過建立基于SNBC (Selective Na?ve Bayesian Classifier)和條件互信息最大化的特征選擇的MLDM(機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘)來識別和預(yù)測周期時(shí)間的關(guān)鍵因素類似地，Bagchi等人通過IBM的一個(gè)研究項(xiàng)目，利用數(shù)據(jù)挖掘、過程跟蹤數(shù)據(jù)分析、隨機(jī)模擬和生產(chǎn)優(yōu)化等技術(shù)分析了一個(gè)半導(dǎo)體工廠的數(shù)據(jù)。他們通過更好的計(jì)劃和資源調(diào)度提高了生產(chǎn)效率Gr?ger和Mitschang進(jìn)行了基于指示和基于模式的制造過程優(yōu)化的研究，作為通過先進(jìn)制造分析提供的新的數(shù)據(jù)挖掘方法平臺。 ?iflikli和Kahya-?zyirmidokuz提出了一種通過決策樹檢測地毯制造孤立機(jī)器故障的方法Shin等人開展了一項(xiàng)研究，(1)識別待分析的制造數(shù)據(jù)，(2)設(shè)計(jì)用于導(dǎo)出分析模型的功能架構(gòu)，(3)設(shè)計(jì)分析模型，通過大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)測制造業(yè)的可持續(xù)績效，特別是功耗。他們通過MapReduce、HDFS (Hadoop分布式文件系統(tǒng))和一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)工具開發(fā)了一個(gè)原型系統(tǒng)從智能制造實(shí)現(xiàn)的角度，開展了通過與云制造聯(lián)動(dòng)的RFID (Radio Frequency IDentification)，將車間物流相關(guān)大數(shù)據(jù)可視化的研究

物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是指電力、軟件、傳感器、網(wǎng)絡(luò)連接和嵌入式事物或物理對象的網(wǎng)絡(luò)。它收集或交換數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施使物體被感知或控制，支持物理現(xiàn)實(shí)世界和基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)之間的集成，并帶來各種效果，如提高生產(chǎn)力或經(jīng)濟(jì)的制造。60-64物聯(lián)網(wǎng)收集或交換從智能傳感器獲取的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)投標(biāo)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)CPS和CM。是實(shí)現(xiàn)智能制造的核心技術(shù)，目前正在研究中。L?ffler和Tschiesner共同發(fā)表的《物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)的未來》報(bào)告預(yù)測，未來的制造業(yè)和物理世界將成為通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接嵌入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感器和執(zhí)行器等物理對象的信息系統(tǒng)。該報(bào)告專門討論了物流系統(tǒng)的實(shí)際創(chuàng)新和應(yīng)用，流程和設(shè)備的融合，以及供應(yīng)鏈的整合Da等人通過對行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，描述了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的四個(gè)主要層，如(1)傳感、(2)網(wǎng)絡(luò)、(3)服務(wù)和(4)接口，并討論了未來的研究問題，如標(biāo)準(zhǔn)化、信息安全和隱私保護(hù)。Bi等人從IT技術(shù)的角度分析了物聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)代制造業(yè)企業(yè)系統(tǒng)(ES)的影響，如(1)泛在計(jì)算，(2)RFID，(3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，(4)云計(jì)算。
對于與實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的系統(tǒng)研究，Dias等人闡述了基于SOA和DPWS (Device Profile for Web Service)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的PLC系統(tǒng)和SCADA等系統(tǒng)集成平臺。68Guinhard等人提出了基于soa的物聯(lián)網(wǎng)，即流程和系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)人員和業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)師可以在其中查詢、選擇或使用真實(shí)世界的服務(wù)。
此外，開展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的案例研究和應(yīng)用研究，或直接與CM和智能制造相關(guān)的研究。Tao等人將CM的服務(wù)和制造資源進(jìn)行分類和映射，用于對各種制造資源的訪問和智能感知，并提出了包含物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要素的5層(應(yīng)用、服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、感知和資源)組成的系統(tǒng)架構(gòu)Zhang等人基于支持互操作性的RTMIIS (real-time manufacturing information Integration Service)，通過傳感器嵌入式制造資源和IoMT (manufacturing Internet of Things)架構(gòu)進(jìn)行了實(shí)時(shí)制造信息捕獲的研究Butala等人設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于分布式agent的三軸數(shù)控(Computer Numerical control)銑床虛擬監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在web界面環(huán)境下實(shí)時(shí)查看機(jī)床的工藝狀態(tài)和三維模型。

智能傳感器

如前所述，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、CM、CPS和智能制造的設(shè)備或硬件層面最重要的技術(shù)是傳感器技術(shù)，因?yàn)閭鞲衅魇菍?shí)時(shí)采集和控制數(shù)據(jù)的最基本技術(shù)。在這一章中，主要是對傳感器在制造中的應(yīng)用，而不是對傳感器本身的技術(shù)進(jìn)行綜述。
星型網(wǎng)絡(luò)(單點(diǎn)到多點(diǎn))、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、混合星型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是連接傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，而IEEE802.11x、藍(lán)牙(IEEE802.15.1和。2)、IEEE802.15.4、ZigBee、IEEE1451.5等標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)是物理無線通信技術(shù)它們可能有不同的適用性，根據(jù)制造環(huán)境的復(fù)雜性和噪音的性質(zhì)，因?yàn)樗鼈冇胁煌奶匦浴huang等和Flammini等提出了解決工廠自動(dòng)化傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等問題的數(shù)學(xué)方法，并利用與制造相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化傳感數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TEDS (sensors Electronic Data Sheets)和支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的通信接口RTE (Real-Time Ethernet)，對傳感器在制造現(xiàn)場的有效使用進(jìn)行了研究。Chi等人開發(fā)了CPLD (Complex and Programmable Logic Device)，以及一個(gè)智能傳感器接口，可以通過核心控制器實(shí)時(shí)處理大量不同的數(shù)據(jù)同時(shí)，研究了通過基于agent的智能網(wǎng)關(guān)集成面向傳感器節(jié)點(diǎn)或面向RFID/Auto-ID設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。在該研究中，構(gòu)建了一個(gè)與各制造資源組成的SO(智能對象)實(shí)時(shí)交換制造相關(guān)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，通過基于soa的系統(tǒng)與代理通信，以及一個(gè)支持“即插即用”的智能網(wǎng)關(guān)
在利用智能傳感器的研究的基礎(chǔ)上，Lee等人研究了一種基于自協(xié)調(diào)和CMMS(計(jì)算機(jī)維護(hù)管理系統(tǒng))的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過檢查基于智能傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的白噪聲、非法振動(dòng)和高溫，以延長制造輔助設(shè)施(如電機(jī)和水泵)的壽命。Wright等人在一個(gè)制造現(xiàn)場建立了一個(gè)基于傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了一項(xiàng)研究，通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測銑床的狀態(tài)Kortuem等人開發(fā)了一種基于傳感器的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，可以識別工作期間的風(fēng)險(xiǎn)因素，如振動(dòng)，以確保工人的安全和健康

應(yīng)用及附加技術(shù)

如前所述，CPS、云制造、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、智能傳感器等技術(shù)在實(shí)現(xiàn)智能制造中至關(guān)重要。這些技術(shù)在應(yīng)用時(shí)相互影響，因此互操作性被認(rèn)為比任何其他技術(shù)都更重要。與此同時(shí)，增材制造、節(jié)能、全息技術(shù)是比上述5種技術(shù)更多的應(yīng)用層次或附加技術(shù)。然而，它們在智能制造的完善或多功能性方面也很重要。本章將對這三種技術(shù)進(jìn)行回顧

增材制造(3D打印)

增材制造(Additive Manufacturing, AM)是一種通過光、超聲振動(dòng)、激光和電子束將材料粘合或連接，將3D模型(如CAD文件)轉(zhuǎn)換為物理對象的方法。根據(jù)材料或粘接方法的不同，它有不同的特性而通過尖端技術(shù)實(shí)現(xiàn)的就是3D打印技術(shù)。增材制造始于20世紀(jì)80年代，是一種快速成型技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)工程師的產(chǎn)品想法?，F(xiàn)在，由于材料和層壓技術(shù)的進(jìn)步，它不僅用于原型設(shè)計(jì)，而且用于制造完整的產(chǎn)品目前正在進(jìn)行各種相關(guān)研究。Huang和Leu根據(jù)層壓方法、材料以及相關(guān)制造商和機(jī)器的屬性將增材制造分為7種類型。他們現(xiàn)在正將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括航空、車輛、服裝和生物醫(yī)學(xué)。他們預(yù)測這項(xiàng)技術(shù)將來會與數(shù)控加工相結(jié)合Wong and Hernandez85和Huang et al.86也通過他們的綜述論文回顧了增材制造相關(guān)的技術(shù)發(fā)展歷史，并提到未來不應(yīng)該通過提高精度來要求精加工工藝。他們提到，與現(xiàn)有的制造方法相比，增材制造在(1)材料效率、(2)資源效率、(3)部件靈活性和(4)生產(chǎn)靈活性方面具有優(yōu)勢，而在(1)尺寸限制、(2)不完善和(3)成本方面存在弱點(diǎn)。他們還提到了能源和環(huán)境問題。伯曼介紹了3D打印的特點(diǎn)和優(yōu)勢，并在大規(guī)模定制方面與現(xiàn)有的制造方法進(jìn)行了比較增材制造的應(yīng)用或案例研究包括電子制造的應(yīng)用研究，加工和增材制造融合的新DFM方法研究，基于本體的可組合和可重用增材制造過程的META模型研究，以及用于增材制造過程管理的數(shù)據(jù)模式研究

能源保存

節(jié)能也是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要因素。關(guān)于制造業(yè)節(jié)能的研究有很多，包括FEMS (Factory energy Management System)，將建筑的BEMS (Building energy Management System)轉(zhuǎn)化應(yīng)用于制造業(yè)，以及通過能耗監(jiān)測和分析來提高效率的研究。Seow和Rahimifard從產(chǎn)品的角度對制造系統(tǒng)的能量流進(jìn)行了建模，并進(jìn)行了一項(xiàng)利用過程和工廠層面的能源消耗數(shù)據(jù)的研究。Vijayaraghavan和Dornfeld進(jìn)行了一項(xiàng)研究，該研究以金屬加工和機(jī)械加工為基礎(chǔ)，對機(jī)床的能耗進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測和分析Duflou等人回顧了在不同規(guī)模的制造系統(tǒng)中提高能源和資源效率的方法和技術(shù)，并確定了主要措施，Herman and thiede對能量流動(dòng)建模、模擬和分析的方法和系統(tǒng)進(jìn)行了類似的研究。與此同時(shí)，Weinert et al.基于energy Block方法論開發(fā)了一個(gè)預(yù)測和計(jì)劃能源消耗的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將依賴于生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行條件的特定能源消耗表示為生產(chǎn)運(yùn)行Mouzon等人根據(jù)環(huán)境開發(fā)了調(diào)度規(guī)則，以最小化制造設(shè)備的能耗和優(yōu)化算法。對于FEMS, Katsutomo等人定義了節(jié)能的KPI，并開發(fā)了由節(jié)能診斷專家執(zhí)行的工廠檢查服務(wù)和工程服務(wù)Endo等人通過可視化技術(shù)，根據(jù)能耗和設(shè)備行為對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行量化，分析了生產(chǎn)率和能量之間的相關(guān)性，并將其應(yīng)用于FEMS，從而提高了能源效率

全息投影

全息圖是與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)齊名的可視化方法之一。這是智能制造相關(guān)技術(shù)的成熟階段。然而，目前的研究大多集中在VR或AR上，在制造業(yè)中對全息圖本身的研究還很少。Hetzler et al.和Schillke et al.申請了使用全息圖制造光學(xué)元件的美國專利?；A(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的VR以渲染為主，而AR是可以直接應(yīng)用于制造現(xiàn)場的技術(shù)，符合智能制造的實(shí)時(shí)性。關(guān)于AR在制造中的應(yīng)用研究，多將其應(yīng)用于設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)。根據(jù)Nee的說法，AR的應(yīng)用需要硬件，如(1)顯示設(shè)備，如頭戴式顯示器(HMD)、手持設(shè)備和投影儀，(2)用戶跟蹤設(shè)備，(3)觸覺和力反饋設(shè)備，以及支持基準(zhǔn)標(biāo)記跟蹤的軟件，如(1)基于計(jì)算機(jī)視覺(CV)的跟蹤和注冊算法，(2)ARToolKit和osgART，以及其他，(3)BRIEF和SIFT，支持自然特征跟蹤，(4)并行跟蹤與映射(PTAM)。根據(jù)用途和屬性的不同，各種應(yīng)用程序可以作為庫或平臺使用。它們通常被應(yīng)用于設(shè)計(jì)、機(jī)器人、工廠布局規(guī)劃、系統(tǒng)維護(hù)、數(shù)控仿真以及協(xié)作環(huán)境下的裝配設(shè)計(jì)和操作規(guī)劃

對研究結(jié)果的分析與討論

分析

在本章中，基于上述文獻(xiàn)，對智能制造相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了識別和總結(jié)?；仡櫫诉^去，定義了智能制造的現(xiàn)狀，并就每種技術(shù)或整體智能制造提出了理想的未來。為了這些目的，進(jìn)行了以下分析。
首先，對整個(gè)智能制造概念或各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，根據(jù)不同觀點(diǎn)識別研發(fā)趨勢;其次，在智能工廠實(shí)現(xiàn)方面，每篇文章中描述的應(yīng)用被分為工廠(整體)、過程和機(jī)器以及基礎(chǔ)設(shè)施。將每種技術(shù)在一個(gè)工程工作過程中的應(yīng)用范圍分為總體、設(shè)計(jì)和amp;建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)。第四，將實(shí)施級別分為戰(zhàn)略方法、系統(tǒng)(方法論)設(shè)計(jì)、概念驗(yàn)證和案例應(yīng)用，以識別文章中提到的技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。最后，對文中提出的關(guān)鍵詞和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，找出智能制造關(guān)鍵技術(shù)之間的相關(guān)性

圖7顯示了每種技術(shù)的出版文獻(xiàn)的時(shí)間流程，以及整個(gè)智能制造概念。2014年，大多數(shù)技術(shù)都得到了大幅提升。這是因?yàn)橹悄苤圃旌凸I(yè)4.0作為選題出現(xiàn)的時(shí)間并不長，文獻(xiàn)調(diào)查無法統(tǒng)計(jì)2015年未發(fā)表的文獻(xiàn)。此外，全息圖和智能傳感器等技術(shù)也呈下降趨勢。這是因?yàn)檫@些技術(shù)本身已經(jīng)被積極研究，并沒有發(fā)表在與智能制造直接相關(guān)的文獻(xiàn)中，本研究的調(diào)查范圍僅限于與智能制造高度相關(guān)的文獻(xiàn)

圖8是通過每篇文章的文獻(xiàn)調(diào)研得出的整體智能制造理念的應(yīng)用區(qū)域和8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的分布情況。整個(gè)智能制造概念、CPS和云制造應(yīng)用于包括工廠(即流程)和機(jī)器在內(nèi)的整個(gè)領(lǐng)域。大數(shù)據(jù)和全息圖在過程或機(jī)器中占有較高的比重。智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)在基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)重要地位。增材制造在工廠、工藝和機(jī)器上的分布類似。據(jù)確認(rèn)，作為支持智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，在制造現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，大數(shù)據(jù)通過開發(fā)和應(yīng)用與過程和機(jī)器相關(guān)的技術(shù)，直接處理更多的信息。同時(shí)，增材制造本身是一種范式，有時(shí)是一種工藝技術(shù)，因此在工廠、工藝和機(jī)器中有著相似的分布。CPS和云制造是覆蓋智能制造的技術(shù)，占比很高，主要是在工廠。

圖9所示為受訪文章中適用工藝的分布情況。關(guān)于增材制造的文章在制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建中占了很高的比例。在構(gòu)建的制造系統(tǒng)的運(yùn)維管理流程中，大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)占比較高。智能傳感器在兩個(gè)過程中均勻分布。其他的主要應(yīng)用于整個(gè)過程。每種技術(shù)由于其自身的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種制造系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)行過程中，因此要成功地引入和應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)，需要從清晰的需求分析到實(shí)現(xiàn)智能制造的系統(tǒng)化和戰(zhàn)略性途徑。此外，大數(shù)據(jù)之所以有上述結(jié)果，是因?yàn)閷Υ髷?shù)據(jù)的相關(guān)研究主要基于已建工廠的案例進(jìn)行。然而，在開發(fā)或構(gòu)建新的制造系統(tǒng)時(shí)，必須考慮大數(shù)據(jù)的相關(guān)要素

圖10顯示了文中討論的每種技術(shù)的發(fā)展水平。該級別分為三個(gè)級別，即概念或策略方法、系統(tǒng)或方法設(shè)計(jì)，以及透過技術(shù)實(shí)施或概念驗(yàn)證的個(gè)案應(yīng)用。如圖10所示，很多技術(shù)總體上還處于戰(zhàn)略層面的概念建立階段，或者在方法論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，而有些技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到案例中。智能傳感器和節(jié)能技術(shù)在智能制造之外的制造領(lǐng)域都得到了積極的研究和應(yīng)用。它們現(xiàn)在主要是在商業(yè)化方面進(jìn)行研究。據(jù)估計(jì)，各實(shí)現(xiàn)智能制造的發(fā)展戰(zhàn)略，必須伴隨著相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展。技術(shù)的不對稱發(fā)展可能會對其他技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。下面的分析可以找到這一論點(diǎn)的依據(jù)。

表6列出了智能制造相關(guān)技術(shù)的文章中出現(xiàn)的關(guān)鍵詞匯總。CPS、云、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器作為智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，與第四章提到的其他技術(shù)有著密切的聯(lián)系。另一方面，增材制造、節(jié)能、全息圖等附加或應(yīng)用技術(shù)與上述5項(xiàng)技術(shù)的關(guān)聯(lián)并不緊密。因此，智能制造的成功實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)環(huán)境或路線圖，在這個(gè)環(huán)境中戰(zhàn)略性地開發(fā)5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，然后再相應(yīng)地開發(fā)剩下的3項(xiàng)技術(shù)。
從技術(shù)上講，在關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)階段，必須討論一種將其他技術(shù)連接起來的方法。必須進(jìn)行研究，以確定接口上的互操作性和問題

討論

過去與現(xiàn)在

智能制造是制造業(yè)的一場新的革命和范式。它在集成理念、應(yīng)用方法、關(guān)鍵技術(shù)等方面都在迅速發(fā)展。在智能制造出現(xiàn)之前，數(shù)字制造、虛擬制造、先進(jìn)制造、可持續(xù)制造等現(xiàn)有制造技術(shù)已經(jīng)與信息通信技術(shù)(ICT)融合。與智能制造相關(guān)的技術(shù)也被單獨(dú)開發(fā)或與其他技術(shù)相結(jié)合。在物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器和大數(shù)據(jù)方面，過去的研究主要集中在機(jī)器或流程上。這主要是由于缺乏網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及在復(fù)雜環(huán)境中支持快速數(shù)據(jù)交換的方法，在這種環(huán)境中，整個(gè)制造系統(tǒng)必須處于完全實(shí)時(shí)控制之中。然而，硬件和軟件技術(shù)的逐步發(fā)展，為實(shí)時(shí)處理各種復(fù)雜信息提供了依據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感器都在逐步發(fā)展，并將其應(yīng)用從家庭、建筑擴(kuò)展到制造業(yè)。通過這一擴(kuò)展，為順利分析和大數(shù)據(jù)收集過程提供了基礎(chǔ)。CPS和云制造是基于這些元素技術(shù)構(gòu)建的，它們正在與現(xiàn)有的制造系統(tǒng)或IT技術(shù)一起發(fā)展。以CPS為例，它正逐漸從面向機(jī)器擴(kuò)展到整個(gè)制造系統(tǒng)。它通過建模仿真技術(shù)的發(fā)展，SCADA和DCS的連接，構(gòu)成了一個(gè)連接制造現(xiàn)場和網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)字孿生。同時(shí)，它為基于SOA的云制造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，材料的多樣化、層壓技術(shù)的發(fā)展以及3D打印機(jī)的精度也在向通過增材制造支持大規(guī)模定制應(yīng)用的方向發(fā)展。FEMS等系統(tǒng)的引入正朝著通過節(jié)能支持可持續(xù)制造的方向發(fā)展，而VR和AR技術(shù)的應(yīng)用正在通過制造系統(tǒng)和全息圖技術(shù)的融合，支持基于CPS環(huán)境的更有形的工程工作

未來市場

雖然實(shí)現(xiàn)智能制造的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)不斷發(fā)展，但在研發(fā)和商業(yè)化方面仍有很多問題需要考慮。盡管每一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都在通過研究和開發(fā)改進(jìn)，在考慮集成和靈活性時(shí)，需要強(qiáng)調(diào)通用性和實(shí)用性，而不是個(gè)體性。就技術(shù)而言，如CPS、大數(shù)據(jù)等之前應(yīng)用于其他領(lǐng)域的技術(shù)，必須結(jié)合制造業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用，并朝著滿足制造業(yè)各種業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和要求的方向發(fā)展。為此，構(gòu)建構(gòu)成技術(shù)、方法和系統(tǒng)的關(guān)鍵算法是很重要的。但是，需要有一種戰(zhàn)略方針，說明通過實(shí)際應(yīng)用和利用將如何取得和取得什么效果，以及如何核查這些效果。
以下幾點(diǎn)需要相應(yīng)地加以考慮。目前，許多遺留系統(tǒng)被用于制造現(xiàn)場和工程工作流程。它們還具有不同的流程系統(tǒng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。目前，智能制造的相關(guān)研究還停留在概念方法、設(shè)計(jì)步驟或制造場所等方面，未來的研究需要針對產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management, PLM)的每個(gè)生命周期步驟，包括計(jì)劃、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營和維護(hù)，研究智能制造在產(chǎn)品生命周期管理中的應(yīng)用策略，并開發(fā)輔助模型和系統(tǒng)。因此，在每個(gè)生命周期步驟中，關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用都需要參考模型和應(yīng)用指南，而必須構(gòu)建連接到現(xiàn)有異構(gòu)遺留系統(tǒng)的互操作性方面的標(biāo)準(zhǔn)模型和服務(wù)。根據(jù)各關(guān)鍵技術(shù)的水平、制造系統(tǒng)和it技術(shù)的成熟程度，制定能夠靈活運(yùn)用新技術(shù)和驗(yàn)證的系統(tǒng)。該系統(tǒng)將為業(yè)務(wù)流程和制造系統(tǒng)方面的垂直和水平集成提供協(xié)助。
此外，智能制造不僅要能夠創(chuàng)造節(jié)約成本、提高生產(chǎn)率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的效果，還必須能夠創(chuàng)造能夠不斷為社會做出貢獻(xiàn)的新價(jià)值?，F(xiàn)有制造業(yè)的革命主要集中在效率方面。由于缺乏以人為本、以社會為本的思維，這就造成了許多問題。智能制造不僅可以與尖端信息技術(shù)融合，構(gòu)建智能系統(tǒng)，還可以通過可持續(xù)發(fā)展，成為以人為本、以社會為導(dǎo)向的制造業(yè)持續(xù)增長引擎。

結(jié)論

工業(yè)4.0或智能制造是第四次工業(yè)革命。這是信息通信技術(shù)和制造技術(shù)的新范式和融合。它為通過更快速、更準(zhǔn)確的決策過程做出有效和優(yōu)化的決策提供了依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)智能制造，從CPS、云制造、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器到增材制造、節(jié)能、全息圖等各個(gè)領(lǐng)域的最先進(jìn)技術(shù)正在開發(fā)中，并應(yīng)用于制造現(xiàn)場。本文對智能制造相關(guān)技術(shù)的過去和現(xiàn)在進(jìn)行了梳理，并對智能制造的未來和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。本文主要基于智能制造視角的文章，或針對應(yīng)用于制造的八項(xiàng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行調(diào)查。確定了5項(xiàng)主要關(guān)鍵技術(shù)和3項(xiàng)附加或應(yīng)用技術(shù)的趨勢，并進(jìn)行了各種分析。綜上所述，實(shí)現(xiàn)智能制造最重要的問題是技術(shù)上的互操作性，以及技術(shù)本身的發(fā)展和開發(fā)集成技術(shù)的必要性，以及戰(zhàn)略上根據(jù)開發(fā)和引進(jìn)實(shí)用技術(shù)的目的、層次和應(yīng)用步驟，建立支持技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的系統(tǒng)。智能制造的實(shí)現(xiàn)，不僅應(yīng)用于一些流程和工廠，還可以應(yīng)用于整個(gè)企業(yè)或供應(yīng)鏈，并在未來確認(rèn)其各種效果。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的对西方国家的智能制造研究综述：过去现在和未来的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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