制造物联
制造物联的相关体系架构及其关键技术构研究
摘要：分析当前制造物联的发展背景和迫切的实际需求，结合物联网现今的应用状况，论述了制造物联的概念并指出其技术特征。在综合分析物联网的现有体系架构，提出制造物联在未来重点发展的体系架构方向。在目前制造业信息化所面临挑战的基础上，探讨了制造物联未来发展的关键技术。
关键词：制造物联；新型制造方式；关键技术；物联网
Things related manufacturing architecture and key
technologies research institutions
Abstract：Analysis of the current development context object associated with the manufacture and urgent practical needs, combined with the application of state of things today, discusses the concept of manufacturing things together and point out its technical features. In a comprehensive analysis of the existing architecture of the Internet of Things, presented manufacture things together in the direction of system architectures focus on the development of the future. On the basis of the current manufacturing information on the challenges faced, discusses the key technologies of manufacturing Things future development.
Key words: Internet of manufacturing things;novel manufacturing method; key technology; Internet of things
0 引言
以计算机和互联网为代表的信息技术对制造业产生了革命性的影响，促进了制造业的资源配置向信息密集型的方向发展，基于知识和信息的制造（如智能制造）已成为现代制造技术的重要发展方向。作为现今世界工厂的中国正面临资源和环境的制约，走向绿色制造和智能制造是我国制造业发展的必经之路[1-3]。物联网（Internet of Things）等新一代信息技术的出现和发展，推动着以绿色、智能和可持续发展为特征的新一轮产业革命的来临，一种新型的智能制造模式——制造物联（Internet of manufacturing things）应运而生[4]。物联网自诞生以来，一直被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，它与传统的产业相结合将带来新的技术创新点和经济增长点，因此成为当今信息技术研究关注的热点领域[5-7]。
另一方面，我国制造业正面临着市场环境不断变化的挑战，随着国外各大跨国公司对各种先进制造模式、制造技术和制造装备的不断研发和应用，以及电子商务等互联网时代商业模式的快速发展，传统制造企业所面临的来自于市场环境和社会环境的压力越来越大，产品的生命周期日益缩短，用户对产品和服务的期望以及对交货期的要求越来越高。随着全球化市场和劳务竞争的加剧，对制造企业在提高产品质量和减少资源消耗、提高生产效益和降低生产成本等方面都提出了更高的要求，各大制造企业试图通过采用现代的数字信息和自动化技术加快对企业的现代化改造过程，以改变以往的制造方式，借此获得经济、效率和竞争力方面的多重效益，除了节省时间和成本外，还可以优化能源使用效率、改善能耗并促进环境的可持续发展[8。因此，物联网技术和概念在制造领域的应用和渗透是先进制造发展的必然结果。制造物联就是
将网络技术、嵌入式技术、自动识别技术和传感器技术等电子信息技术与制造技术相融合，实现对制造资源信息与产品信息的动态感知、智能处理与优化控制的一种新型制造模式和信息服务模式，是推动制造系统向全球化、信息化、智能化、绿色化方向发展的重要力量。
需要指出的是，就物联网本身而言，我国相关技术及产业链的研究仍处于概念和探索阶段，整个技术构架和产业模式尚未形成。制造物联是物联技术与先进制造技术的融合，制造物联的概念和技术研究也处于萌芽阶段，不同领域的专家学者对制造物联的定位和特征存在争议[9-11]，系统模型体系架构和关键技术缺乏清晰化的界定。
1制造物联得到需求与背景1.1 制造物联的产业发展需求
（1）制造过程和产品智能化的需求随着制造业信息化科技工程以及信息化和工业化两化深度融合的不断推进，信息技术已经逐渐渗透到制造业的各个层面，数字化装备、智能装备和工业机器人在制造过程中得到广泛应用。企业通过使用企业资源规划（Enterprise Resource Planning,，RP）、产品数据管理（Product Data Management，PDM）、客户关系管理（Customer Relationship Management，CRM）、MES、供应链管理（Supply Chain Management，SCM）等生产管理系统，实现了生产管控一体化和企业管理数字化。随着制造过程和产品信息技术含量的不断增加，从产品的设计、制造、销售、服务到回收和再制造的整个产业链体系，对制造过程和产品的智能化提出了更高的要求。企业需要借助制造物联、云制造等先进制造模式，实现对生产过程制造资源和产品资源的智能协调管控，以进一步优化产业结构，提升产业价值链。（2）大规模个性化定制所产生的用户
需求
随着先进制造技术和装备的应用以及电子商务等商业模式的快速发展，满足消费者需求的个性化定制及其大规模制造对企业的生产制造能力提出了更高的要求。数字化的生产过程管控，使得企业能够快速调整生产计划并提供所需的物料保障；条码和RFID 技术的普遍应用使企业可以在制造过程的全生命周期跟踪每一个制造环节和产品、大数据的存储和分析!使企业可以实时掌握用户的特殊爱好，通过信息技术、网络技术和自动化技术的结合，使企业具备网络化和柔性的生产制造能力。根据生产任务或生产环境的变化迅速调整生产，以提高设备利用率和生产效率，缩短产品的生产周期!改善产品质量，满足大规模定制对企业提出的快速反应和动态管理的需求[12]。
（3）产业链管控和制造环节的深度剥
离趋势的需求
随着我国市场经济的快速发展和经济全球化的不断深入，企业逐渐向集团化、多元化、产业链化、国际化方向发展，瞬息万变的市场要求企业加强产业链间的合作，增强企业的灵活性和应变能力，并具备更强的快速应变能力，基于产业链的管控目标，需要打通合格企业联盟间的信息系统平台，实现业务流和数据流的融合。另一方面，随着制造服务化的发展，产业链制造环节呈现出深度剥离的趋势，制造资源逐渐向产业链的上下游投放，需要通过物联网技术与先进制造技术的融合，跟踪制造过程全生命周期的制造资源信息和产品信息，满足产业链企业间协同管控的服务需求。
1.2 制造物联的发展背景
（1）制造物联的网络技术发展背景
随着时代的发展，网络技术得到了突飞猛进的发展。从互联网到物联网，从有线网络到无线网络和移动网络，更加多样化的接入终端、更为便捷的接入方式和更为高效的接入速度，使得信息资源的全面共享和有机协作成为可能。通过RFID技术、传感网技术、自动化控制技术和信息管理技术的融合应用，企业能够按需获取和透明地使用制造资源和产品信息，形成了制造物联的创新模式[13]。
（2）制造物联的服务技术发展背景在产品从设计到加工、测试、销售、维护和回收的全生命周期制造过程中，以前只能在各环节将相关信息不断附加和完善在产品上，很难做到每个环节信息的协同应用。而在物联网技术的支撑下，M2M等技术的应用使更大数量的设备与设备之间的通信成为可能，从而可以更方便地采集和协同利用制造过程所有环节的制造资源和产品信息，通过网络化的服务应用实现制造能力的透明化，使得更为敏捷化、精益化的生产成为可能，构成了制造物联模式的核心。
（3）制造物联的产品与服务融合发展
背景
21世纪，随着互联网技术的飞速发展和普及应用，iPhone等产品的出现引发了产品服务化革命，产品的功能和性能已经不再成为产品获得市场竞争优势的关键，用户开始更多地关注产品的智能化和服务化特性，产品与服务的融合拓展了企业的产业链，用户开始深入介入产品的设计过程、制造过程和服务过程。这一发展趋势推动了制造物联模式的发展。
2 制造物联的概念和特征
2.1 制造物联的概念
制造物联是在制造业服务化和协同化的发展趋势下，面向产品、用户、企业以及企业间实施的一种新型制造模式和信息服务模式，通过运用以RFID和传感网为代表的物联网技术，先进制造技术与现代管理技术，构建服务于供应链、制造过程、物流配送、售后服务和再制造等产品全生命周期各阶段的基础性、开放性网络系统，形成对制造资源、制造信息和制造活动的全面感知、精准控制以及透明化与可视化，实现产品智能与价值的提升，进而形成新型的智慧生态制造模式。制造物联可以满足产业链企业交互管控、快速响应及跨组织协同制造的需求，为云制造提供基础技术支撑，为物联网提供基础性、开放性的设施部署和原位服务[14-17]。
2.2 制造物联的技术特征
与已有的信息化制造技术和信息化管理系统相比，制造物联的技术特征更体现在其业务的无关性上，其关注的重点在于对人、机、料、法、环等制造环境因素的状态跟踪与协同、目的是实时获取制造资源信息和产品信息，并进行管理和按照管理信息系统的需要提供协同应用，而不是直接涉及制造过程的业务管控[18]。制造物联的技术特征可以概括为以下几个方面：
（1）全面感知通过融合信息技术、自动化技术和传感网技术，全
面感知制造过程中的制造资源
信息和产品信息，完成多源信
息的采集。
（2）异构集成支持分布异构的制造设备、人员、物料、产品等
制造过程的信息集成。
（3）按需架构按照用户需求随时向制造过程管理信息系统提供
数据信息服务。
（4）自适应动态、智能地响应制造过程，实现制造资源、产品
与制造活动之间的交互协调和
优化。
（5）互操作通过制造资源信息和
产品信息的虚拟化，支持企业
间制造过程相互间的互操作。（6）绿色化通过生产过程的全程实时监测和优化管理，最大限
度地减少能源和材料的使用，
同时使环境、健康、安全和经
济竞争力最大化。
（7）产业边界模糊化制造业和服务业深度融合。
（8）决策分布化根据现有的数据、信息、知识和模型等，在正确
的时间和地点做出正确的决策
或动作响应。
（9）人及其知识集成通过物联网实现人—物互动，训练有素的
人力资源可以改善系统的性能。（10）安全与预测通过全面感知和信息融合，使生产更加安全，
并可利用历史的数据、信息、
知识和模型进行预测。
3 制造物联的体系架构
现在许多学者对物联网体系结构进行了广泛深入的研究，提出了多种具有不同样式的体系结构。其中，物联网基本架构包括传感层（感知层）、传输层（网络层）和应用层。感知层的主要功能是识别物体、采集信息和自动控制，是物联网识别物体、采集信息的来源；网络层由互联网、电信网等组成，负责信息传递、路由和控制；应用层实现所感知信息的应用服务，包括信息处理、海量数据存储、数据挖掘与分析、人工智能等技术。但这种通用基本架构缺少具体的实现方法[19]。而目前应用最广泛和最成熟的架构是如图1所示的基于RFID的电子物品编码（Electronic Product Code，EPC）系统架构，它由标签、读写器、中间件、电子物品编码信息系统（Elcxtronic Product Code Iformation System，EPCIS）、物品域名服务（Object Name Service，ONS）以及企业的其他内部系统组成，主要用于物品的跟踪和管理[20-21]。目前，物联网应用多数延用EPC体系结构，但这种应用广泛的EPC体系架构并不能满足IOMT/SM 的需求IOMT/SM更强调智能技术在产品全生命周期中的应用和业务的协同，需要根据制造业的特点和应用需求来研究物联网的应用系结构。SMLC 针对SM的需求制定了实现SM的运行和技术路线图，并提出如图2所示的SM平台架构。
图 1 电子编码（EPC）系统架构
图 2 智能制造（SM）平台架构
4 制造物联的关键技术
制造物联涉及的内容极其广泛，它不是物联网在制造中的简单应用。正如前文介绍，它具有深刻的内涵和鲜明的特征。制造物联的实现是一项长远的目标，为此SMLC确定制造物联需要优先发展的几个关键技术：
（1）网络化传感器技术利用传感器网络采集到的大量数据，可以实现信息交流、自动控制、模型预测、系统优化和安全管理等功能。但要实现以上功能，必须有足够规模的传感器。因此制造物联广泛使用RFID和传感器，以获得大量有意义的数据，为进一步的数据传输交换分析和智能应用做好铺垫[23]。
（2）数据互操作当合作的各方单位利用这一网络系统时，需要对产品整个制造过程的数据进行无缝交换，进而进行设计、制造、维护和商业系统管理，而这些数据常常存在于不同的终端上，因此可靠的数据互操作技术尤其重要。当现实世界的物品通过识别或传感器网络输入虚拟世界时，就已经完成了物品的虚拟化。然而单纯的物品虚拟化是没有意义的，只有通过现有网络设备连接实现虚拟物品信息的传递共享，才能达到IOMT的目的。制造物联的数据互操作是依托于互联网进行的，因此保持网络通讯的顺畅、采取通用的网络传输协议、应用开源的系统平台等，都可以促进数据的互操作顺利进行。
（3）智能自动化制造物联应具有高度的智能化和学习能力，在一般状况下结合已有知识和情景感知可以自行作出判断决策，进行智能控制。在面向服务和事件驱动的服务架构中，智能自动化是很重要的。这是因为对于资源的分析、服务流程、生产过程的实时控制涉及到大量信息需要迅速处理。这一过程不可能由人工来完成，也很难由人工全程监控，需要依赖可靠的决策和生产管理系统，通过自身的学习功能和技术人员的改进，为制造物联平台上的各个对象提供更快更准确的服务。因此，发展智能自动化，对于平台的发展、生产过程的改进甚至整个供应链的顺利运行都是非常必要的。
（4）物联网的复杂事件处理物联网中的传感器产生大量的数据流事件，需要进行复杂事件处理（Complex Event Processing，CEP）。物联网的CEP 功能是将数据转化为信息的重要途径。通过对传感器网络采集到的大量数据进行处理分析，去掉无用数据，就可以得到能反映一定问题的简单事件，通过事件处理引擎进一步将一系列简单事件提炼为有意义的复杂事件，为接下来的数据互操作、动态建模和流程制定等后续操作节省了数据存储空间，提高了存储和传输效率[26-27]。
（5）可伸缩的多层次信息安全系统制造物联以现代互联网为基础，互联网的信息安全问题始终是人们关注的对象。制造物联系统中巨大的信息量包括大量的企业商业机密，甚至涉及到国家安全，这些信息一旦泄露后果不堪设想。由于信息量巨大和信息种类繁多，并不是所有信息都需要特别保护，根据信息的不同制定不同的信息安全计划，是制造物联应该解决的关键问题之一[28-29]。
5 结论
随着时代的发展，敏捷制造(Agile Manufacturing, AM)、精益生产(Lean Production, LP)、并行工程(Concurrent Engineering，CE)、智能制造系统(Intelligent Manufacturing, IMS)和全能制造系统(Holoson Manufacturing, HMS)等先进制造模式的被不断提出，现代制造技术的不断发展为制造物联技术的应用奠定了坚实的基础[23-32]。制造物联技术的大范围普及是制造业未来发展的必经之路。目前，国内制造物联的概念和技术研究尚处于萌芽阶段[33]。本文在前期研究的基础上，论
述了制造物联的概念和技术特征，分析了目前制造物联现有的体系结构和关键技术，最后介绍现今制造物联技术的发展情况。
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