摘要：現(xiàn)階段制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)亟待解決的問題涉及工藝、生產(chǎn)效率、能耗、原材料和服務(wù)等多個(gè)方面。而制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在這樣的形勢(shì)下逐漸興起，目前，國際上許多制造業(yè)廠商和行業(yè)旗艦品牌在制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)上也進(jìn)行了諸多努力。

作為服務(wù)、物流、零售業(yè)的源頭，世界制造業(yè)自誕生以來經(jīng)歷了手工操作、部分自動(dòng)化、全自動(dòng)化等發(fā)展階段，最終實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)在制造業(yè)智能集成網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)，并在部分發(fā)達(dá)國家成功實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化。而大量低端、高能耗、勞動(dòng)力密集型制造產(chǎn)業(yè)漸漸向發(fā)展中國家傾斜和轉(zhuǎn)移。

目前，國際上大量高能耗、低效率、高排放的制造業(yè)產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)建廠。我國制造業(yè)企業(yè)能源消耗量大，環(huán)境污染嚴(yán)重。以廣東為例，其是全球制造業(yè)基地，2011年銷售收入占全國15.48%，制造業(yè)GDP占全省比重為46.3%，制造業(yè)能耗占全省近65%，單位GDP能耗是世界平均水平的2.2倍。據(jù)廣東省與國家統(tǒng)計(jì)部門2011年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，我國的勞動(dòng)生產(chǎn)效率僅為美國的1/5、日本的1/6，我國制造業(yè)能源利用率僅為33%，比發(fā)達(dá)國家低了10個(gè)百分點(diǎn)，但工業(yè)污染排放量卻是發(fā)達(dá)國家的10倍，而最終的服務(wù)收入也僅為日美的1/3。

在如今國際制造業(yè)發(fā)展逐漸向智能制造、服務(wù)制造和綠色制造靠攏的趨勢(shì)下，珠江三角洲地區(qū)在《改革發(fā)展規(guī)劃綱要（2008-2020年）》中強(qiáng)調(diào)：加強(qiáng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型與產(chǎn)業(yè)升級(jí)，領(lǐng)域涉及汽車、紡織服裝、建筑材料、生物醫(yī)藥、電子電器和高端裝備等多個(gè)行業(yè)。

現(xiàn)階段制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)亟待解決的問題涉及工藝、生產(chǎn)效率、能耗、原材料和服務(wù)等多個(gè)方面。而制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在這樣的形勢(shì)下逐漸興起，目前，國際上許多制造業(yè)廠商和行業(yè)旗艦品牌在制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)上也進(jìn)行了諸多努力。

制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)國外研究進(jìn)展

在列車制造方面，2009年，摩托羅拉和Freightliner進(jìn)行了以提高列車裝備效率為目標(biāo)的組裝過程零部件配送的項(xiàng)目研究；在飛機(jī)制造方面，2010年，空客與Tego/MAINtag為了降低零部件庫存量、提高維修服務(wù)水平，對(duì)零部件進(jìn)行了倉儲(chǔ)管理與跟蹤維護(hù)；在汽車制造方面，西門子與奧迪公司Neckarsulm工廠為了能夠更高效地存儲(chǔ)質(zhì)量數(shù)據(jù)，同時(shí)提高質(zhì)量管理水平，進(jìn)行了汽車生產(chǎn)裝配質(zhì)量管理的項(xiàng)目研究；石油加工方面，殼牌Texas Univ.和艾默生在2011年為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了故障監(jiān)測(cè)。

智能制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遇到的挑戰(zhàn)

在多年的發(fā)展過程中，智能制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遇到了諸多挑戰(zhàn)。在制造業(yè)各生產(chǎn)工藝過程數(shù)據(jù)感知方面，制造環(huán)境強(qiáng)電磁干擾、金屬介質(zhì)、多障礙等多元干擾環(huán)境，以及動(dòng)態(tài)存在的“人、物料、設(shè)備、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品”等眾多對(duì)象，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)的可靠感知具有較大困難；在制造環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方面，資源受限、動(dòng)態(tài)拓?fù)渑c苛刻環(huán)境條件、混雜網(wǎng)絡(luò)融合等限制，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性與準(zhǔn)確性也受到嚴(yán)重影響；在制造物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方面，制造物聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生海量級(jí)數(shù)據(jù)，有限的計(jì)算資源已不足以支撐數(shù)據(jù)的完全處理。為實(shí)現(xiàn)制造過程的精準(zhǔn)控制，要解決的關(guān)鍵問題是實(shí)現(xiàn)制造物聯(lián)網(wǎng)的可靠感知、實(shí)時(shí)傳輸、海量數(shù)據(jù)智能處理。

物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境具有強(qiáng)電磁干擾、金屬介質(zhì)、多障礙物、高溫、高濕、強(qiáng)震動(dòng)等特征，這會(huì)造成物聯(lián)網(wǎng)的多元干擾的特點(diǎn)；涉及人、物料、設(shè)備、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品、服務(wù)等眾多對(duì)象構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的繁雜對(duì)象；生產(chǎn)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化、制造資源快速流動(dòng)等特征共同導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜多變。上述特點(diǎn)最終導(dǎo)致感知節(jié)點(diǎn)不可用、感知對(duì)象不可達(dá)、動(dòng)態(tài)對(duì)象不可跟，形成了混雜動(dòng)態(tài)與多源干擾環(huán)境下可靠感知問題，即感知困難。這就需要部署優(yōu)化與協(xié)同感知來解決。

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特征包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋制造業(yè)全流程，有線、無線網(wǎng)絡(luò)并存，各類傳感、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)并存，感知節(jié)點(diǎn)隨部署對(duì)象動(dòng)態(tài)移動(dòng)、信道可用性動(dòng)態(tài)變化等特征，上述特征分別讓物聯(lián)網(wǎng)具有了大尺度多跳、高度異構(gòu)和動(dòng)態(tài)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，最終導(dǎo)致端到端延遲難以預(yù)測(cè)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)難以協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)難以認(rèn)知等問題，形成了大尺度異構(gòu)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸問題，即傳輸困難。這就需要業(yè)務(wù)感知路由與實(shí)時(shí)可靠鏈路調(diào)度來緩解和解決。

物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)特征有RFID、傳感器等快速自動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，移動(dòng)對(duì)象連續(xù)感知、不同對(duì)象相互關(guān)聯(lián)，外部干擾導(dǎo)致誤感、漏感、丟包等，上除特征使得物聯(lián)網(wǎng)具有了海量多源、高時(shí)空關(guān)聯(lián)、高不確定性等特點(diǎn)，最終導(dǎo)致海量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流難以及時(shí)處理、多樣性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)難以智能區(qū)分、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)特性難以準(zhǔn)確描述、不確定數(shù)據(jù)難以直接使用，形成了多源頭動(dòng)態(tài)海量數(shù)據(jù)流的智能處理問題，即數(shù)據(jù)處理困難。需要復(fù)合事件實(shí)時(shí)智能匹配與海量數(shù)據(jù)流事件檢測(cè)來處理和解決。

制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究工作

制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸、海量信息處理和智能服務(wù)四個(gè)部分。我們可以使用制造業(yè)場(chǎng)景建模，采用系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模擬，包括應(yīng)用場(chǎng)景各設(shè)備實(shí)物、地圖、工序流程等均建相應(yīng)的圖形化組件。影響傳感系統(tǒng)性能的因素主要分為設(shè)備部署和環(huán)境因素。通過模擬制造業(yè)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，對(duì)制造過程中影響RFID、傳感器等設(shè)備的性能的各種因素進(jìn)行綜合測(cè)試。

制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)混雜系統(tǒng)模型分網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景模型、感知模型、業(yè)務(wù)模型、能量模型、鏈路模型等五種模型，感知節(jié)點(diǎn)時(shí)空配置優(yōu)化數(shù)學(xué)建模，使用感知節(jié)點(diǎn)配置智能尋優(yōu)與動(dòng)態(tài)演進(jìn)算法來進(jìn)行分析研究。還可以通過感知節(jié)點(diǎn)資源描述與可用性評(píng)價(jià)、感知節(jié)點(diǎn)空間關(guān)聯(lián)模型、非確定性過程描述建模與協(xié)同感知優(yōu)化規(guī)劃模型和多節(jié)點(diǎn)選擇智能優(yōu)化與協(xié)同算法進(jìn)行研究。此外，在實(shí)時(shí)傳輸、海量數(shù)據(jù)智能處理方面，我們也進(jìn)行了諸多研究工作。

信息物理融合系統(tǒng)帶來的變革

長期以來，我國工業(yè)生產(chǎn)效率低、能源利用率低，電力傳輸調(diào)度效率低、損耗大，物流成本高昂，達(dá)到了發(fā)達(dá)國家的兩倍，交通擁堵、出行困難，環(huán)境污染難以檢測(cè)、控制，自然災(zāi)害預(yù)警困難、災(zāi)難頻發(fā)，諸多不利因素讓信息世界與物理世界漸漸相互割裂。而信息與物理融合帶來的變革又讓我們看到了新的可能和希望，盡管我們面臨著諸如可靠感知、實(shí)時(shí)傳輸、普適計(jì)算、精確控制和可信服務(wù)等問題，只要我們能夠協(xié)調(diào)并優(yōu)化復(fù)雜過程，有效調(diào)節(jié)物理進(jìn)程從而提高資源利用率，就可達(dá)到節(jié)能減排、改善環(huán)境的目的。

目前，在高端裝備制造、建材生產(chǎn)等工業(yè)制造領(lǐng)域，水利、水資源、環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域以及電網(wǎng)智能監(jiān)控與智能醫(yī)療服務(wù)領(lǐng)域，信息物理融合系統(tǒng)已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)化的推廣。