智能工业

工业革命是智能工业发展的历史前提。回溯至18世纪，英国发明家瓦特改良蒸汽机，触发了第一次工业革命，开创了机器替代手工工具的时代，使人类社会步入工业时代。1CSS70年以后，科学技术迅猛发展，新技术、新发明层出不穷并迅速应用于工业生产，极大地促进了经济发展，这被视为第二次工业革命。第二次工业革命中，科学技术的突出进步主要体现在三大方面：电力的广泛应用、内燃机与新型交通工具的创制，以及新型通信方式的发明。

进入21世纪，随着信息技术与物联网的飞速发展，“智能化”已成为技术演进的核心趋势。工业作为社会经济的关键支柱和推动社会进步的核心力量，其技术发展亦在向智能化方向迈进。英国《经济学人》杂志曾发表文章，宣告“第三次工业革命”的到来：其观点认为，18世纪末的第一次工业革命以机器取代体力劳动；20世纪初，福特发明的大规模生产精密装配线引发了第二次工业革命；而第三次工业革命正在发生，其核心被定义为“制造业数字化”，这一概念也被称为“智能工业”。

“物联网技术”的核心与基础依然是“互联网技术”，它被视为互联网技术的延伸和扩展。其关键特征在于用户端被延伸和扩展至“任何物品与物品”（Things and Things），以便进行信息交换和通信。基于此，物联网技术可被定义为：依照约定的协议，通过射频识别（RFID）、红外传感器、全球定位系统（GPS）、激光扫描仪等信息传感设备，将任何物品接入互联网，以进行信息交换和通信，从而实现对物品的智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种综合性网络技术。

物联网技术是一种涵盖了识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的综合性网络技术。

（关键技术示例：RFID, NFC, WSN）

制造业供应链管理：物联网技术被应用于制造业供应链管理中，覆盖企业原材料采购、库存管理、销售等多个领域。通过对供应链管理系统进行改进和优化，有助于提高供应链整体效率并降低运营成本。例如，空中客车公司（Airbus）通过在其供应链系统中规模化应用传感器网络技术，据称建立了全球制造业中规模庞大且效率卓越的供应链系统。

生产过程工艺优化：物联网技术在生产过程优化中的应用，显著提升了生产线工艺检测、工艺参数实时采集、生产设备状态监控以及物料消耗监控的能力和水平。这使得生产过程中的智能监测、自动控制、故障诊断、辅助决策和远程维护水平得以不断提高。例如，钢铁企业利用各类传感器和通信网络，在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度等关键参数的实时监控，从而有效提高产品质量并优化生产工艺。

产品设备监控管理：将各种传感技术与制造技术相集成，应用于产品设备的监控和管理中，可实现对产品设备运行状态和使用记录的远程监控，以及远程设备故障诊断。例如，GE油气集团（GE Oil & Gas）在全球建立了13个i-center（智能运营中心），通过传感器和网络对设备进行在线和实时监控，并为设备维护与故障诊断提供相应的解决方案。

环保监测及能源管理：物联网技术与环保设备的融合，实现了对工业生产过程中各种污染源和污染控制关键指标的实时监控。在重点污染企业的排放口安装无线传感设备，不仅可以实时监控企业的排放数据，还可实现远程关闭排放口等应急操作，以防止突发性环境污染事故的发生。部分电信运营商已经开始推广基于物联网的污染控制实时监控解决方案。

工业安全生产管理：在工业安全生产管理领域，通过将传感器嵌入或装备在矿山设备、油气管道、矿工穿戴设备中，可以实时感知危险环境中工人、设备机器及周围环境的安全状态信息。这种技术将原先分散、独立、单一的网络监管平台，提升为系统化、开放性、多元化的综合网络监管平台，实现了对安全状态的实时感知、准确识别、快速响应和有效控制。

物联网（IoT）产业链，有时被概括为DCM（Device, Connect, Manage）模型，这与传统工业自动化的三层架构（设备层、控制层、信息层）形成了相辅相成的关系。在物联网环境下，工业自动化的各个层面均从其传统功能发生了显著的演变。在Device（设备）层，实现了所谓的“综合感知”，即原始物体被提升为能够识别或提取各类数据的智能物体；在Connect（连接）层，目标是实现“可靠传输”，这在原有有线网络的基础上，扩展至各种无线网络技术；在Manage（管理）层，则需要将原有的管理功能提升至“智能处理”，对所捕获的海量数据进行更为智能化的分析、处理和呈现。

传统的工业自动化控制系统主要包含三个层次：设备层、控制层和信息层。设备层的作用是以网络节点的形式，将现场的传感器、执行器等设备连接到现场总线网络。这些设备按照现场总线协议标准，采用功能模块结构，并通过组态设计来完成数据采集、A/D转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制等功能。控制层是自动化的基础，它从现场设备获取数据，完成控制逻辑、运行参数监控、报警处理、趋势分析等多种功能。控制层的功能通常由工控机（IPC）或可编程逻辑控制器（PLC）完成，它们具备网络能力，协调网络节点间的数据通信，并实现现场总线网段与上层以太网网段的连接。第三层，即信息层，则提供了远程控制平台，用于连接企业的自动化系统，同时从控制层提取生产数据，以支持综合性的管理决策。

从另一个角度审视，物联网技术使得自动化与信息化（“两化融合”）的愿景变得更加具体。自动化专业人员长期以来都在朝着信息化的目标努力。基于物联网技术，可以将传统的C/S（Client/Server，客户端/服务器）架构转变为B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构，这在生产制造、智能建筑、新能源、环境监测、设备控制等领域拥有更广阔的应用前景。具体而言，如果自动化数据未能通过信息技术进行有效整合，普通用户（如管理者）仍旧无法便捷地使用；同样，如果只有信息管理功能而缺乏底层的自动化内容作为支撑，系统也将失去意义。因此，自动化与信息化两者在智能工业中均不可或缺。

物联网技术与工业技术的结合

物联网技术与未来先进制造技术的深度结合，是其应用生命力的关键所在。物联网作为信息通信技术发展的一个新高点，正广泛渗透并应用于工业领域，它与各项先进制造技术相融合，共同构成了一个新的智能制造体系。值得注意的是，这一制造体系本身仍在持续不断的发展和完善过程中。综上所述，物联网与先进制造技术的结合，主要体现在以下八个关键领域：

泛在感知网络技术：致力于建立服务于智能制造的泛在网络技术体系，为制造过程中的设计、装备、工艺、管理、业务等各个方面提供无处不在的网络服务。目前，面向未来智能制造的泛在网络技术的发展尚处于起步阶段。

泛在制造信息处理技术：目标是建立基于泛在信息处理技术的制造业新模式，以提升制造业的整体实力和水平。当前，泛在信息制造和泛在信息处理的概念仍处于探索和实验阶段，世界多国政府已将其纳入国家级发展规划，并正大力推进实施。

虚拟现实技术（VR）：将沉浸式的三维显示和自然的（Natural）人机交互方式应用于工业生产中，以求进一步提高制造的效率。目前，虚拟环境技术已在许多重大工程领域中得到了广泛的应用和研究。未来，虚拟现实技术的发展方向主要集中在三维数字化产品设计、数字化产品生产过程模拟、真三维显示技术、以及虚拟装配与维护等方面。

人机交互技术（HCI）：包括传感技术、传感器网络、工业无线网络、新材料等在内的人机交互相关技术的发展，极大地提高了人与机器之间交互的效率和水平。当前的制造业在某种程度上仍处于信息有限的时代，人往往需要服从和服务于机器。然而，随着人机交互技术的不断进步，制造业将逐步进入一个基于泛在感知的、以人为本的信息制造人机交互新时代。

空间协同技术：其发展目标是以泛在网络、人机交互、泛在信息处理以及制造系统集成为基础，突破现有制造系统在信息采集、监控、人机交互、管理等方面集成度差、协同能力弱的瓶颈，从而提高制造系统的敏捷性、适应性和整体效率。

平行管理技术：未来的制造系统预计将由一个实际的（Physical）制造系统和一个或多个相应的虚拟（Artificial）制造系统共同组成。平行管理技术旨在实现实际制造系统与虚拟系统的有机集成和协同演化，不断增强企业对异常情况的识别和预防能力，进而提高企业的智能决策和应急管理水平。

电子商务技术：在现代工业中，制造流程与业务流程的融合日益明显，呈现出纵向融合（企业内部）和横向融合（企业之间）两大趋势。未来，行业需要建立和完善适用于先进制造业的电子商务技术框架，发展新型电子商务模式，以增强制造企业在动态市场环境中的决策能力和适应性，构建和谐且可持续的先进制造业生态。

系统集成制造技术：系统集成制造是由智能机器人和专家系统等组成的、与人类共存并协作的先进工业制造系统。它集自动化、集成化、网络化和智能化于一体，使制造业具备了修改或重构自身结构和参数的能力，以及自组织和协调的能力。这样的系统能够更好地适应瞬息万变的市场需求，以应对激烈的市场竞争。

解决工业物联网应用面临的关键技术问题

从总体上看，物联网技术（IoT）仍处于其发展的早期阶段。物联网在工业领域实现大规模应用，目前仍然面临着一些亟待解决的关键技术问题，大致可以归纳为以下几点：

工业传感器：工业传感器是一种检测设备，其功能是测量或感知特定物体的状态和变化，并将其转换为电子信号或其他形式的、可供传输、处理和存储的信息。工业传感器是实现工业自动检测和自动控制的首要环节。在现代工业生产中，尤其是在自动化生产过程中，必须利用各种传感器对生产过程中的各项参数进行监测和控制，才能使设备工作在正常或最优状态，并使产品达到最佳质量。可以说，没有众多高质量、高性价比的工业传感器，就没有现代化的工业生产体系。

工业无线网络技术（IWN）：该技术通常指由大量随机分布、具备实时传感能力、能够自组织的传感器节点组成的网状网络（Mesh Network）。它集成了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络与无线通信技术、分布式信息处理技术等，具有低功耗自组织、泛在协作、异构互联等显著特点。工业无线网络技术是继现场总线之后，工业控制系统领域的又一热点技术。它被认为是降低工业测控系统成本、拓宽工业测控系统应用范围的革命性技术之一，也是未来几年工业自动化产品的新增长点，已引起许多国家学术界和工业界的高度关注。

工业过程建模：在工业控制领域，没有精确的数学模型就不可能实现先进和有效的控制。传统的集中式、封闭式的仿真系统结构已经无法满足现代工业快速发展的需求。因此，工业过程建模是系统设计、分析、仿真和实现高级控制的重要基础。

此外，物联网在工业领域的大规模应用还面临着诸如工业集成服务代理总线技术、工业语义中间件平台等其他关键技术问题的挑战。