自2011年以來，世界各國制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略紛紛出臺，旨在正在利用各項使能技術，創(chuàng)造新的商業(yè)模式和新的制造方式，推進工業(yè)產業(yè)智能化轉型升級[1]。具體在生產制造領域的戰(zhàn)略實踐而言，基于異構數(shù)據和知識集成的信息物理系統(tǒng)(CPS)的生產方式不斷進步，可互操作、集成、適應、優(yōu)化、面向服務的智能化制造水平不斷提升，與算法、大數(shù)據、物聯(lián)網、工業(yè)自動化、網絡安全、云計算或智能機器人等高技術的相關性日益緊密。當前，企業(yè)智能制造發(fā)展路徑日益明晰，相關使能技術已取得飛速進步，因此有必要明確智能制造發(fā)展模型，并厘清相關關鍵使能技術的發(fā)展及應用現(xiàn)狀和趨勢。

　　

　　

　　企業(yè)向智能制造范式轉型，可以從生命周期及價值鏈、制造層次結構和物理系統(tǒng)功能等三維度，進行部署和實施[2]。

　　

　　其一，企業(yè)生命周期及價值鏈維度。企業(yè)產品生命周期劃分為設計開發(fā)和樣機研發(fā)階段、實際實現(xiàn)階段，兩階段各自都有資產的使用、維護、優(yōu)化，并且相互間有反饋形成閉環(huán)。價值鏈的數(shù)字化進程，就是把采購、訂貨計劃、裝配、物流、維護、供貨商和客戶等各個方面都數(shù)字化鏈接在一起，會產生巨大的改善潛力。

　　

　　其二，企業(yè)的制造層次結構維度。按照企業(yè)信息集成國際標準的功能層級劃分，最底層為“產品”層，最頂層為“互聯(lián)世界”層，由此形成產品、現(xiàn)場設備、車間/工段、工廠、企業(yè)、互聯(lián)世界五項層級。其中“互聯(lián)世界”即是使用IoT和IoS連接企業(yè)、客戶和供應商，形成跨企業(yè)協(xié)同制造關系，實現(xiàn)智能制造企業(yè)環(huán)境的最后階段。

　　

　　其三，企業(yè)物理系統(tǒng)功能維度。按照IT和通信技術常用方法，企業(yè)數(shù)字化所有方面自下而上劃分為6個層級:（1）資產。表達物理部件和非物理部件等實體，物理部件如線性軸、機器人、傳送帶、可編程序控制器、金屬部件、文檔、檔案等。非物理部件包括軟件和思想。（2）集成。以計算機能夠處理的方式提供資產的信息，對技術過程進行計算機輔助的控制。集成層包含與IT系統(tǒng)相鏈接的元件，如傳感器、射頻識別（RFID）讀入設備、人機界面（HMI）和計算機輔助控制器等。（3）通信。用來處理通信協(xié)議，以及數(shù)據和文件的傳輸。具有通信標準化功能，利用統(tǒng)一的數(shù)據格式和預定義協(xié)議,為集成層的控制提供服務。（4）信息。將不同的可用數(shù)據一致地處理和集成為有用的信息，不僅通過服務接口提供結構化的數(shù)據，還要接收事件，并把它們轉換為將在“功能層”使用的相匹配的數(shù)據。（5）功能。關于所實現(xiàn)功能的正式描述，并創(chuàng)建可以遠程訪問、確保數(shù)據完整性的多功能的橫向集成平臺，支持業(yè)務過程的運行期和建模環(huán)境的服務，以及承擔各種應用和技術功能性的運行期環(huán)境。（6）經營業(yè)務。支持映射業(yè)務模型和連接不同業(yè)務模型，并保證價值鏈功能的完整性。

　　

　　

　　各國制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略以智能制造為主導，核心內容就是通過高度發(fā)達的自動化和數(shù)字化流程、電子和IT技術進行制造和服務。從生產和服務管理的角度來看，智能制造范式專注于建立智能和通信系統(tǒng)，如機器到機器和人機交互，處理來自智能和分布式系統(tǒng)交互的數(shù)據流，提升了制造的自主互操作性、靈活性、敏捷性和生產效率[3]。智能制造關鍵使能技術一般涉及以下9個方面。

　　

　　

　　Internet是全球系統(tǒng)，使用TCP/IP為全球用戶提供計算機互聯(lián)網絡；Things是任何人和物。物聯(lián)網（internet of things，IoT）作為二詞的組合，即"萬物相連的互聯(lián)網”，是借助互聯(lián)網技術，實現(xiàn)在任何時間、任何地點，物與物、物與人的互聯(lián)互通，當前已廣泛應用于物流倉儲、醫(yī)療保健以及公用事業(yè)中。物聯(lián)網可以通過RFID、無線傳感網絡（WSN）、中間件、云計算、物聯(lián)網應用軟件和軟件定義網絡（SDN）等關鍵技術來實現(xiàn)[4]。根據《工業(yè)物聯(lián)網白皮書（2017版）》定義，工業(yè)物聯(lián)網（industrial internet of things, IIoT）是通過工業(yè)資源的網絡互連、數(shù)據互通和系統(tǒng)互操作，實現(xiàn)制造原料的靈活配置、制造過程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應，達到資源的高效利用，從而構建服務驅動型的新工業(yè)生態(tài)體系[5]。具體而言，工業(yè)制造環(huán)境下，IIoT需要確保實時數(shù)據可用性 和高可靠性,并通過大數(shù)據分析及優(yōu)化，調整生產模式，提高生產效率。根據物聯(lián)網的自然演化趨勢，工業(yè)物聯(lián)網最終將邁向服務互聯(lián)網（IoS），即圍繞創(chuàng)造價值服務的所有人和物的互聯(lián)互通，從而形成智能工廠（SF）的重要基礎[6]。

　　

　　

　　云計算（cloud computing，CC）是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池[7]。一般而言，CC包括公共云、私有云、混合云和社區(qū)云四種訪問類型，包括基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、 軟件即服務（SaaS）、一切皆服務（XaaS）四類服務模型[8]。在制造環(huán)境中，云制造（cloud manufacturing，CMfg）概念被熱議，即利用CC技術，改進當前制造系統(tǒng)，使用戶能夠從產品生命周期的所有階段（包括設計、制造、管理等）獲取服務，將制造方法從生產導向轉向服務導向。CMfg模型一般包括提供者、運營商和客戶三類利益相關者，綜合利用了 CC、BD、IoT、CPS、網絡化制造、面向服務制造、虛擬制造和虛擬企業(yè)等理論，實現(xiàn)和支持合作，共享和管理制造資源（如企業(yè)的制造能力、設備、應用程序、軟件工具、技術訣竅等），支持推薦和執(zhí)行、智能映射和服務搜索，并可以提供可擴展、靈活且經濟高效的解決方案[9]。總之，CMfg是一種基于知識的制造范式，模型、標準、協(xié)議、規(guī)則和算法等知識，在整個產品生命周期中的作為服務生成、管理和應用。

　　

　　

　　來自不同類型的巨量的結構化、半結構化和非結構化數(shù)據形成了大數(shù)據（big data，BD）。這些巨量數(shù)據只有通過先進的技術來實現(xiàn)信息獲取、存儲、分配、管理和分析，才能為萬物互聯(lián)時代的工業(yè)發(fā)展帶來價值機會。與傳統(tǒng)的數(shù)據處理不同，BD表現(xiàn)出volume （大量性）、velocity （高速性）、variety （多樣性）的3V特 征，另外一些學者還總結了其他維度，如veracity（真實性）、vision （視野性），volatility （易變性）、verification （驗證性）、validation（確認性）、variability（可變性）和value（價值性）等特征[10]。在制造領域，BD可以為整個產品生命周期內的相關生產活動提供系統(tǒng)指導，實現(xiàn)流程的低成本和無故障運行，并幫助管理人員做出決策。借助CC技術，并通過如機器學習、預測模型等高級分析工具，分析和挖掘離線和實時數(shù)據，從巨大的數(shù)據中提取知識,使企業(yè)能夠了解產品生命周期的各個階段，可以幫助企業(yè)采取更加理性、信息充分和反應迅速的決策方式。在制造企業(yè)層級構建框架中，從機器設備和操作者生成IoT數(shù)據是BD分析的源頭信息，CC提供了BD分析的IT基礎設施[11]。

　　

　　

　　為了成功實施數(shù)字化制造，計算機仿真是不可或缺的強大技術工具。仿真建模通過開發(fā)復雜的多功能產品，深入了解復雜系統(tǒng)，并可以在實際實施之前測試新概念或系統(tǒng)、資源配置和新操作，從而可以在不干擾實際運行系統(tǒng)的情況下收集信息和知識[12]。仿真建模允許實驗驗證產品、過程或系統(tǒng)設計和配置，有助于制造業(yè)企業(yè)降低成本、縮短開發(fā)周期并提高產品質量，有效支持運營和決策。在制造系統(tǒng)中，仿真一直在設計評估、操作過程性能評估中發(fā)揮著重要作用。前者的應用主要包括設施布局、系統(tǒng)容量配置、材料處理系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和蜂窩制造系統(tǒng)等；后者主要包括制造運營計劃和調度、實時控制、運行策略和維護操作等方面。近年來，虛擬現(xiàn)實（VR）技術在仿真的應用，使得制造工廠的高保真模擬——虛擬工廠（VF）成為現(xiàn)實；數(shù)字孿生生（DT）技術將仿真擴展到所有產品生命周期階段，實現(xiàn)在不同制造系統(tǒng)模式、流程和產品上的實驗和驗證[13]。

　　

　　

　　增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）是將虛擬信息放在現(xiàn)實中展現(xiàn)，并且讓人和虛擬信息進行互動的技術[14]，當前被廣泛應用于娛樂、營銷、旅游、外科、物流、制造等領域。相對傳統(tǒng)硬件，AR具有更大的成本優(yōu)勢，并提供動態(tài)實時信息，在模擬、輔助和指導制造過程中，AR已被證明是一種有效解決問題的技術。例如在制造過程控制中，生產監(jiān)測實時報告中使用AR，通過監(jiān)控Cpk索引來支持質量數(shù)據報告；AR系統(tǒng)與質量數(shù)據分析（QDA）軟件相關聯(lián)以接收數(shù)據，QDA軟件生成報告并將其自動導出到AR應用程序中，對照關鍵性能指標KPI[15]。在產品診斷維護過程中，可以通過手持顯示器進行產品缺陷檢查和3D映射，并反饋至平板電腦移動設備端。

　　

　　

　　增材制造（additive manufacturing，AM ）是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據驅動直接制造零件的科學技術體系[16]。AM是一種支持新產品、新商業(yè)模式和新供應鏈的使能技術，內涵上包括快速原型、固體自由形式制造、層制造、數(shù)字制造或3D打印等，在各產業(yè)應用愈加廣泛。AM取代許多傳統(tǒng)制造工藝的潛力優(yōu)勢，如直接從CAD數(shù)據文件制造零件、無需額外工具或制造成本的大規(guī)模定制、制造復雜幾何形狀、制造空心零件或晶格結構、“零浪費”方法的材料高利用率、按需制造和出色的可擴展性等[17]。下一代AM工藝，如微/納米級3D打印、生物印刷和4D打印（AM與智能材料的組合）等技術應用均在不斷推進中。

　　

　　

　　智能制造的系統(tǒng)集成有水平和垂直系統(tǒng)整合 （horizontal and vertical systems integration ） 兩種方法，以實現(xiàn)實時數(shù)據共享，為形成智能工廠（SF）奠定基礎剛。水平集成是企業(yè)間集成，是幾家企業(yè)之間密切協(xié)作的基礎，利用信息系統(tǒng)豐富產品生命周期，在同一價值創(chuàng)造網絡中基于工業(yè)標準創(chuàng)建互聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)數(shù)據或信息的交換。而垂直整合是企業(yè)內部整合的網絡化制造系統(tǒng)，是企業(yè)層級不同層面（如企業(yè)規(guī)劃、生產調度或管理）之間交換信息和協(xié)作的基礎。垂直整合將整個組織內的所有過程數(shù)字化,通過實時可用的質量管理、過程效率或操作規(guī)劃等方式,以高水 平和靈活的方式提供小批量生產和定制化產品[19]。

　　

　　

　　當前，制造范式正在迅速從大規(guī)模生產轉向定制化生產，企業(yè)生產必須靈活適應更廣泛的產品變化，因此需要自主機器人（autonomous robots）技術支持。自主機器人將微處理器和人工智能（AI）與產品、服務和機器相結合，使制造相關的計算、通信、控制、自治和社會性的能力得以實現(xiàn)[20]，具有AI、自適應和靈活的機器人可以促進不同的產品制造，從而提供降低的生產成本。產品開發(fā)、制造和組裝階段等過程，自主機器人可以自己決定在不斷變化的環(huán)境中執(zhí)行而無需操作員的交互；非結構化環(huán)境中的惡劣危險場景下的工業(yè)應用，可以通過自主工業(yè)機器人或與人密切合作來改進；協(xié)作機器人（collaborative robots，Cobots ）技術發(fā)展破除人機器障礙，為解決方案提供更大的可承受性和靈活性[21]。

　　

　　

　　隨著越來越多的設施設備連接至互聯(lián)網，無生命的物體將成為主要的數(shù)據來源。物聯(lián)網、虛擬環(huán)境、遠程訪問和云存儲數(shù)據等等的日漸普及,不僅意味著越來越多的開放機會，而且潛含著越來越多的新信息安全危機。網絡安全(cybersecurity, CS)是適用于工業(yè)和物聯(lián)網情境，高水平信息安全的新術語，泛指保護、探測和響應網絡攻擊的技術[22]。IoT必須基于制造過程中每個環(huán)節(jié)的安全通信來構建，并且確保設施之間的安全互操作性，這是實現(xiàn)供應鏈價值的基本前提。

　　

　　針對工業(yè)控制系統(tǒng)(ICS)的網絡攻擊會導致制造業(yè)務的癱瘓和關閉，導致企業(yè)蒙受巨額經濟損失；某些潛在攻擊方式，例如篡改產品設計、制造過程文件或操縱過程/產品數(shù)據等，均會延遲產品推出與投產。當前，軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)技術應用可以幫助企業(yè)提高網絡靈活性，快速檢測和臨時替換故障系統(tǒng)。近年來，深度防御觀點日益被制造企業(yè)所接受，從技術、組織和人三重維度構建安全ICS多層體系，并強調系統(tǒng)級、網絡級和工廠級的安全控制實施與更新[23]。

　　

　　

　　智能制造范式的核心是使生產制造系統(tǒng)更加靈活和協(xié)作，其基礎是先進自動化技術和ICT技術。當前，智能制造進程不斷推進，本文所分析概括的九項關鍵使能技術是企業(yè)智能制造模式開展的技術推動力。工業(yè)環(huán)境中，單項使能技術影響有限，但協(xié)同實施將對產業(yè)影響巨大，開啟未來無限可能。所有關鍵使能技術的應用必須確保安全性，網絡安全技術的進步將為企業(yè)智能制造保駕護航。

　　

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