1.3 基于工业物联网的智能制造
1.3.1 智能制造的概念与内涵
1.3.1.1 智能制造的概念
智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是指将物联网、大数据、云计算等新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称[73，74]。
作为一种新型生产方式，智能制造以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础，以全面深度互联为支撑，通过人、机器、原材料的智能协作，形成生产过程的自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等能力，从而有效地缩短产品研制周期，提高生产效率，提升产品质量，降低资源能源消耗，这对推动制造业转型升级具有重要意义。
智能制造的概念起源于日本在1990年4月所倡导的“智能制造系统IMS”国际合作研究计划，包括美国、欧洲共同体、加拿大、澳大利亚等在内的许多发达国家参加了该项计划。所谓智能制造系统，是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等[75]，通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新、扩展到柔性化、智能化和高度集成化。
近年来，全球多个国家陆续把智能制造上升到国家发展层面，智能制造正在成为各国经济发展和国家竞争力的新引擎。从全球产业发展大趋势来看，发达国家正在利用信息技术领域的领先优势，加快制造业智能化的进程。德国提出的“工业4.0”[76]、美国提出的工业互联网[77]、我国提出的“中国制造2025”[78]等计划，均是剑指智能制造的产业升级战略计划。
（1）美国工业互联网
美国“总统创新伙伴计划（PIF）”提出，政府和行业合作创造新一代的可互操作、动态、高效的“智能系统”——工业互联网（Industrial Internet）[77]，其内涵是基于物联网、工业云计算和大数据应用，架构在宽带网络基础之上，实现人、数据与机器的高度融合，从而促进更完善的服务和更先进的应用。美国工业互联网的愿景是：在产品生命周期的整个价值链中将人、数据和机器连接起来，形成开放的全球化工业网络。实施的方式是通过通信、控制和计算技术的交叉应用，建造一个信息物理系统，促进物理系统和数字系统的融合。
美国国家标准与技术研究院（NIST）组织其工业界和ICT产业界的龙头企业，共同推动工业互联网相关标准框架的制定。通用电气公司联合亚马逊、埃森哲、思科等企业，共同打造支持“工业互联网”战略的物联网与大数据分析平台。美国智能制造领导联盟（Smart Manufacturing Leadership Coalition，SMLC）进一步提出了实施“智能过程制造”的技术框架和路线，拟通过融合知识的生产过程优化，实现工业的升级转型，即集成知识和大量模型，采用主动响应和预防策略，进行优化决策和生产制造。
（2）德国“工业4.0”
德国针对离散制造业提出了以智能制造为主导的第四次工业革命发展战略，即“工业4.0”计划[76]。该计划旨在通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统——信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）相结合的手段，将制造业向智能化转型。其目标是实现个性定制的自动化与高效化，将CPS与离散制造技术深度融合，实现产品、设备、人和组织之间的无缝集成及合作，使生产资源形成一个循环网络，生产资源将具有自主性、可调节性、可配置等特点；使产品具有独特的可识别性，根据整个价值链，自组织集成化生产设施；根据当前生产条件，灵活制定生产工艺；通过价值链及CPS，实现企业间的横向集成，支持新的商业策略和模式的发展；贯穿价值链的端对端集成，实现从产品开发到制造过程、产品生产和服务的全生命周期管理；根据个性化需求，自动构建资源配置（机器、生产和物流等），实现纵向集成、灵活且可重新组合的网络化制造。“智慧工厂”和“智能生产”是“工业4.0”的两大主题。
（3）中国制造2025
2015年3月，我国工业和信息化部印发了《2015年智能制造试点示范专项行动实施方案》，启动了智能制造试点示范专项行动。2015年5月，国务院进一步出台了“中国制造2025”规划，要求将网络技术与先进制造技术深度融合，推动产业效率的提升，加快从制造大国向智造强国的转变。“中国制造2025”提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，遵循“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标[78]。
第一步，到2025年迈入世界制造强国行列。
制造业整体素质大幅提升，创新能力显著增强，全员劳动生产率明显提高，两化（工业化和信息化）融合迈上新台阶。
第二步，到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。
创新能力大幅提升，重点领域发展取得重大突破，整体竞争力明显增强，优势行业形成全球创新引领能力，全面实现工业化。
第三步，到新中国成立一百年时，综合实力进入世界制造强国前列。
制造业主要领域具有创新引领能力和明显竞争优势，建成全球领先的技术体系和产业体系。
“中国制造2025”与德国“工业4.0”两大战略的实施时间、发展阶段、面临难点、发展重点等比较如表1-2[79]所示。
表1-2 “中国制造2025”与德国“工业4.0”比较
（4）其他相关战略
其他与智能制造相关的发展计划，包括美国提出的“先进制造业国家战略计划”，英国提出的“工业2050战略”，日本提出的“i-Japan战略”，韩国提出的“制造业创新3.0战略”等。德国、日本和韩国等国家注重离散工业的智能制造，美国因为拥有强大的石化与化工制造工业，其提出的智能流程制造（Smart Process Manufacturing，SPM）计划重点对以石油和化工为代表的流程工业的智能制造进行了规划。
1.3.1.2 智能制造的内涵
智能制造需要充分利用通信、计算、控制技术和信息物理系统（CPS）创新制造方式，提升生产效率，实现制造业生产模式、管理模式、商业模式发生革命性变化[73，74]：
① 建立面向用户需求的个性化和数字化相结合的定制式生产模式；
② 推进管理模式由集中控制模式转变为分散增强型控制模式；
③ 优化售后服务，挖掘产品附加价值，走软性制造＋个性化定制商业模式。
智能制造包括两大主题：智能工厂和智能生产。智能工厂重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；智能生产主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。
智能工厂——在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理和服务，提高生产过程可控性，减少生产线人工干预，合理安排生产计划，集人工智能、大数据、云计算等新兴技术和智能系统于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。
智能生产——基于CPS融合虚拟生产环境与现实生产环境，将网络空间的高级计算能力有效地运用于现实生产中，通过人与智能机器的合作，部分取代专家的脑力劳动，在制造过程中进行分析、推理、判断、构思和决策等智能活动，提高生产效率，缩短产品创新周期，实现个性化定制的批量生产。
将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施，通过CPS形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联，从而实现横向、纵向和端对端的高度集成，是实现智能制造的重点和难点。
1.3.2 实现智能制造的基础——工业物联网
工业物联网是面向工业生产环境构建的一种信息服务网络，是新一代网络信息技术与工业系统全方位深度融合所形成的产业和应用形态。工业物联网充分融合传感器、通信网络、大数据等现代化技术，通过将具有环境感知能力的各种智能终端、分布式的移动计算模式、泛在的移动网络通信方式等应用到工业生产的各个环节，以提高制造效率，改善产品质量，并降低成本，减少资源消耗和环境污染。其本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革[77]。
工业物联网具有智能感知、泛在连通、精准控制、数字建模、实时分析和迭代优化六大典型特征[80]，如图1-3所示。
图1-2 工业物联网的内涵与特征[80]
① 智能感知是工业物联网的基础 利用传感器、RFID等手段获取包括生产、物流、销售等环节在内的工业全生命周期内的不同维度的信息数据，例如人员、机器、原料、工艺流程和环境等工业资源状态信息，为后续生产过程建模与优化控制提供数据基础。
② 泛在连接是工业物联网的前提 通过有线或无线的方式将机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人员等工业资源彼此互联互通，形成便捷、高效的工业信息通道，拓展工业资源之间以及资源与环境之间的信息交互广度与深度。
③ 数字建模是工业物联网的方法 通过将工业资源虚拟化后映射到数字空间中，在虚拟的世界里模拟工业生产流程，借助数字空间强大的信息处理能力，实现对工业生产过程全要素的抽象建模，为工业物联网实体产业链运行提供有效决策。
④ 实时分析是工业物联网的手段 针对所感知的工业资源数据，通过技术分析手段，在数字空间中进行实时处理，获取工业资源状态在虚拟空间和现实空间的内在联系，将抽象的数据进一步直观化和可视化，完成对外部物理实体的实时响应。
⑤ 精准控制是工业物联网的目的 基于工业资源的状态感知、信息互联、数字建模和实时分析等操作提供的知识，在虚拟空间形成工业运行决策并解析成实体资源可以理解的控制命令，据此进行实际操作，实现工业资源精准的信息交互和无间隙协作。
⑥ 迭代优化是工业物联网的效果 工业物联网具有自我学习与提升能力，通过对工业资源与生产流程数据进行处理、分析和存储，形成有效的、可继承的知识库、模型库和资源库，据此对制造原料、制造过程、制造工艺和制造环境进行反馈优化，通过多次迭代达到生产性能最优的目标。
尽管工业物联网是物联网面向工业领域的特殊形式，但不是简单等同于“工业＋物联网”，而是具有更为丰富的内涵：以工业控制系统为基础，通过工业资源的网络互联、数据互通和系统互操作，实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型新工业生态体系[80]。因此，工业物联网是支撑智能制造的一套使能技术体系，是加速工业产业优化升级的重要力量。
1.3.3 工业物联网对实现智能制造的意义
智能制造的实现需要依托两方面基础能力：一是工业制造技术，包括先进装备、先进材料和先进工艺等，是决定制造边界与制造能力的根本；二是新型工业网络，包括工业物联网、工业互联网、智能传感控制软硬件、工业大数据平台等综合信息技术要素，是充分发挥工业装备、工艺和材料潜能，提高生产效率、优化资源配置效率、创造差异化产品和实现服务增值的关键[74，75]。很显然，智能制造对工业物联网具有天然的依赖性，而工业物联网也契合了智能制造的发展愿景。
在制造业智能化进程中，工业物联网将体现出四个关键价值：提升价值、优化资源、升级服务和激发创新[80]。
① 提升价值 工业物联网使丰富的生产、机器、人、流程、产品数据进行互联，数据达到前所未有的深度和广度的集成，建立世界与信息世界的映射关系，使数据的价值得以挖掘利用，提升数据的价值。
② 优化资源 工业物联网通过泛在网络技术将工业资源全面互联，通过智能分析与决策技术对工业运行过程进行科学决策，反馈至物理世界并对资源进行调度重组，使工业资源的利用达到前所未有的高效。
③ 升级服务 工业物联网使制造企业改变原有的产品短期交易的状态，向以数据为核心的制造服务转变，打破传统的产业界限，升级服务，重构企业与用户的商业关系，帮助企业形成以数据价值为特征的新资产。
④ 激发创新 工业物联网在工业领域架起一座物理世界和信息世界连通的桥梁，并且提供接口供应用访问物理世界和信息世界，为资源高效灵活地利用提供无限可能，营造创新环境。
工业物联网对实现智能制造具有重要意义。从技术角度来看，工业物联网为制造业变革提供了信息网络基础设施和智能化能力，是实现智能制造的基石。
① 工业物联网可以实现对制造过程全流程的“泛在感知”，特别是利用传感器等感知终端，无缝、不间断地获取和准确、可靠地发送实时信息流，可与现有的制造信息系统如MES、ERP、PCS等相结合，建立更为强大的信息链，以便在确定的时间传送准确的数据，从而实现数字化制造资源的实时跟踪和自动化生产线的智能化管理，以及基于实时信息的生产过程监控、分析、预测和优化控制，增强了生产力，提高资产利用率，实现更高层次的质量控制。
② 工业物联网可以改变传统工业中被动的信息收集方式，实现对生产过程参数的自动、准确、及时收集。传统的工业生产采用M2M的通信模式，实现了机器与机器间的通信；工业物联网通过Things to Things的通信方式，实现了人、机器和系统三者之间的智能化、交互式无缝连接，使得企业与客户、市场的联系更为紧密，企业可以感知到市场的瞬息万变，大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能工业的新阶段。
从管理角度来看，工业物联网的应用，加速了制造企业服务模式、运作模式等发生重大变革，具体表现如下。
① 实现制造企业服务化转型 一是创新企业营销模式，二是创新服务模式。
② 实现组织模式的分散化 物联网变革了企业的组织关系网络，生产组织模式由集中控制向分散/边缘控制转变。一是基于互联网模式的众包设计，全球用户、工程设计者、企业通过互联网开放平台，实现研发力量的虚拟集中；二是通过物联网实现远程设计、异地下单、分布式制造的远程定制创新。
③ 实现制造的个性化定制 物联网实现了柔性制造与个性化需求的有机结合。依靠柔性化生产组织和技术，在产品设计与生产过程中融入消费者的个性化需求，将个性化定制从奢侈品扩展到普通商品，从少数人扩展到社会公众，极大地扩展了生产的灵活性。
④ 实现物流和制造的协同 物联网实现了物流和制造信息的透明化。一方面，基于物联网技术实现了精益供应链服务，第三方物流企业利用互联网，为制造企业提供精益供应链外包服务，实现供应链运营实时可视化、流程同步化和各环节的无缝衔接。例如，A企业根据B企业当天制定的生产计划来确定配送的汽车零部件，并在半小时内将数千零部件送到不同车间，使B企业内部物流费用从每年的300万元下降到10万元。另一方面，依托互联网，实现食品、药品行业的全流程透明化，可以大大提高用户对产品的信任度。如C企业正在搭建可视化的线下食品溯源体系，便于消费者逆向“参与”产品生产全过程，以提升消费者对食品安全的信心。
⑤ 实现多元融合的互联网生态体系创新 物联网与工业融合的不断深入，催生了多种技术、多种业态融合的生态服务系统。
简言之，物联网推动了信息化和工业化融合，是实现智能制造的基础和解决方案，对推动“制造强国”之路具有重要意义。在企业制造系统向着精益化、智能化和服务化方向发展的大背景下，对制造执行过程多源信息的采集，以及基于实时信息的生产过程监控、分析、预测和优化控制，产生了迫切的需求。工业物联网为解决这一问题，提供了一种新的模式和实现途径，能够推动制造过程由部分定量、部分经验、定性化的信息跟踪和优化，朝着实时精确信息驱动的定量分析与优化决策的方向快速发展。因此，研究兼容各种网络和系统的工业物联网，是实现智能制造的关键。