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       导读
       在过去的10年里，数字计算和通信的发展从根本上改变了制造工厂的运营模式。智能制造通过工业自动化与信息技术（IT）的融合，将很快提升工厂的生产灵活性......
       在过去的10年里，数字计算和通信的发展从根本上改变了制造工厂的运营模式。智能制造通过工业自动化与信息技术（IT）的融合，将很快提升工厂的生产灵活性，并可节约能源、保护环境、降低成本、提高质量和人身安全，从而使工厂的生产效率和质量得到大幅度的优化提高。这种新兴的智能制造技术正在经历如下3个阶段。
       第一阶段——车间、企业集成
       这是一种贯穿车间、跨越企业的全局制造业数据集成，将显著改善成本、安全和环境的影响，具有重大的意义。
       在这一阶段，智能制造将工厂企业互连，更好地协调制造生产的各个阶段，推进车间生产效率的提高。典型的制造车间使用信息技术、传感器、智能电动机、电脑控制、生产管理软件等来管理每个特定阶段或生产过程的操作。然而，这仅仅解决了一个局部制造岛的效率，并非全企业。
       智能制造将整合这些制造岛屿，使整个工厂共享数据。机器收集的数据和人类智慧相互融合，推进了车间级优化和企业范围管理目标，包括经济效益大幅增加、人身安全和环境可持续性的实现。这种“制造智能”的出现将开启智能制造的第二阶段。
       第二阶段——从车间优化到制造智能
       这些数据配合先进计算机仿真和建模，将创建强大的“制造智能”，实现生产节拍的变化、柔性制造、最佳生产速度和更快的产品定制。
       这一阶段应用高性能计算平台（云计算）连接各个工厂和企业，进行建模、仿真和数据集成，可以在整个工厂内建立更高水平的制造智能。为了节约能源、优化产品的制造交付，整条生产线和全车间将实时、灵活改变运行速度，当然现在是不可行的。企业可以开发先进的模型并模拟生产流程，改善当前和未来的业务流程。例如，制造商能使用纳米技术开发大量制造产品和设备的模型。纳米技术是极端小型化高度复杂设备、系统和材料的发展产物。人们普遍预言：一场行业技术和行业的革新，需要更小、更强、更轻材料和强大精密设备。
       第三阶段——制造知识重整市场秩序
       随着制造智能技术的进步，将激励制造过程和产品创新，实现智能制造，颠覆主要市场秩序。
       这一阶段将广泛应用信息技术来改变商业模式，消费者习惯的100多年的大规模生产工业供应链将完全颠覆。灵活可重构工厂和IT最优化供应链将改变生产过程，允许制造商按个人需求定制产品，如同生产药物特定剂量和配方一样，客户会“告诉”工厂生产什么样式的汽车，构建什么功能的个人电脑，如何定制一款完美的牛仔裤……这种极富戏剧性的竞争力至关重要, 越来越多的生产知识创新奠定了智能制造的第三阶段。这些改变不会停留在量变层面上，它们将彻底改变游戏规则，使产品和工艺市场发生颠覆性变化。
       智能制造是一种高度网络连接、知识驱动的制造模式，它优化了企业全部业务和作业流程，可实现可持续生产力增长、能源可持续利用、高经济效益目标。智能制造结合信息技术、工程技术和人类智慧，从根本上改变产品研发、制造、运输和销售过程，通过零排放、零事故制造提高人身安全、保护环境。
       要实现一个生产系统的智能制造，必须在信息实时自动化识别处理、无线传感器网络、信息物理融合系统、网络安全等方面得到突破，这其中涉及到如下智能制造的关键技术。
       1.射频识别技术
       射频识别（Radio Frequency Identification，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。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。
       新一代RFID芯片除了天线端口外，还提供了一条I2C总线连接，因此可以直接连接到微控制器和ASIC上。这就意味着它为后续的用户化功能定制开辟了新的道路，可以向最终用户提供多样化的服务，如采用蓝牙通信协议的RFID可以使用普通手机作为RFID阅读器。此外，这种I2C技术还可以连接上各种传感器，构成简单的无线传感器网络。
       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（Real Time Location System，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。
       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。
       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-Physical System，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），其目标愿景也是坚持计算和“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。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。
       结束语
       最近几年，德国提出了工业4.0，美国提出了智能制造，智能制造的关键技术得到了飞速发展。它们都对未来的制造工厂描绘了一幅美好的蓝图。美国智能制造强调了信息物理融合系统，而德国工业4.0则强调了物联网技术，将未来工厂看成为一个物联的工厂。但无论如何，其中的关键技术都是一样的。
       未来要在实时、可靠、高效、低成本基础上解决智能制造所需的传感器技术、网络技术、人工智能技术，将日常生活中已有的通信设施、互联网资源、个人的数字化设备终端连入未来工厂中得到充分的应用。
       智能制造的巨大优势在于它是可以逐渐实现的。应用信息物理融合系统技术来逐步升级正在运行的工厂，可以根据需要集成传感器，安装微型服务器系统组件取代总线系统。这意味着可以从单台机器入手，然后扩展到整个工厂。
       但也应认识到，智能制造中的许多关键技术还不成熟，如无线网络存在过分密集的无线规划、缺乏更多的频率资源、容易受到环境变化攻击、实时传输性能差等问题，要满足工业的实时、可靠、高效、安全等需求，还应在实时、高效等关键应用中发挥作用。另外，实时定位存在传感系统欠稳定、精度低，没有实时定位行业标准，无法处理敏感信息（隐私）等问题，因而要有一个可靠、高精度的室内实时定位系统iGPS，必须关注敏感的隐私问题。
       中国在智能制造领域与西方发达国家尚存在一定的差距，各科研院所及企业必须共同攻关，使智能制造中的关键技术达到工程应用水平，实现我国未来工厂智能制造的美好蓝图。