智能制造未来技术发展趋势探究

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【摘要】智能化是制造业未来的发展方向，针对下一代移动通信、固定网络、人工智能、语义互操作和开源技术的发展前沿进行分析，并挖掘其标准化需求，以期为我国引领智能制造科技创新发展作参考，加快科研成果的转化落地。

【关键词】标准化；智能制造；人工智能

引言

智能制造是第四次工业革命的核心技术，是世界各国制造业转型升级、高质量发展的主要技术路径。智能制造是个通用概念，是数字化、网络化和智能化等新技术在制造领域的具体应用，融合了制造业企业所掌握的生产诀窍与客观规律，引发制造业在发展理念、制造模式等各个方面革命性的变化。欧盟和各主要欧洲国家在其制造业科技创新发展战略中，均提出面向人工智能、量子计算、新一代网络连接等前沿技术领域加大投资，因而有必要对这些技术领域发展趋势进行分析。标准化工作的目的是为智能制造的各参与方提供一种共同的语言，使人们能够以新的方式探索新思想，并最大限度地利用世界各地科研实验室的创新成果。为了实现这一目标，需要在新技术的发展之初就对其进行关注，同时对其标准化需求进行研究，分析可能出现的新的供应链模型、新的利润源、新的客户服务和新的市场领域。为此，本文对以下智能制造研究热点进行分析，以期为我国引领智能制造创新发展提供参考。

1新一代移动通信技术（6G）

1.1概述

预计6G网络将使用比5G高得多的频率、具有更高的带宽容量和更低的延迟，目前预计在2030年进行6G试点，并在2030-2035年进行商业示范。预期的太赫兹频谱将确保更高的容量（每秒1tb，Tpbs）和以微秒为单位的延迟时间。1.2关键技术6G将借助先进的MIMO和大规模MIMO来开发空间维度，借助未被占用的毫米波和太赫兹频谱的通信系统，借助云计算和分布式计算的成本效率，提供多技术异构网络并改善小区边缘覆盖。

1.3与智能制造的融合路径

6G网络将能够满足工业控制系统对毫秒延迟的需求，同时也提供了支持微秒延迟的机制。6G网络提供了支持多技术异构网络的能力，这将允许智能制造场景中部署不同的接入网络，例如WiFi、6G、卫星、窄带物联网（NB-IoT），从而为终端设备提供最佳质量的网络接入。

1.4标准化工作动态

业界和欧盟委员会正在筹建5G-PPP标准化组织的继承者（非正式地称为6G-PPP）。6G-PPP的创建目前正在进行中，目前尚未公开信息。华为（Huawei）、诺基亚（Nokia）和三星（Samsung）等主要电信公司都表示，它们的研发工作正在进行中。到目前为止，6G有关信道测量和建模的研究还处于起步阶段，需要进一步的研究。

2第5代固定网络技术（F5G）

2.1概述

固定网络的发展历史可简述如下：首先是由PSTN/ISDN（64Kbps）支持的窄带时代。接下来是基于ADSL的宽带（10Mbps）、基于VDSL的超宽带（30-200Mbps），以及由GPON/EPON驱动的100Mbps（100-300Mbps）。现在我们正步入10GPON驱动的千兆超快宽带时代。未来可能会迎接一个基于50GPON驱动F6G的10G时代。

2.2关键技术

（1）超高带宽：网络带宽具有对称的上行/下行千兆宽带能力。（2）全光纤连接：光纤基础设施的全面覆盖将支持无处不在的连接，将支持垂直行业应用的扩展。2.3与智能制造融合路径PON技术的工业应用，可以有效解决以下问题：1）可靠的工厂内部网络建设，智能工厂与数字车间之间的通信。2）支持企业云接入基础网络和数据服务。3）支持多工厂多种设备使用丰富的接口，并关联实时数据传输。

2.4标准化工作动态

不同于无线通信领域有效而完整的标准化生态体系，有线通信领域较为碎片化。ITU-TSG15正在制定50GPON标准，IEEE和WFA仍在研制WiFi-6标准，ETSI的ISGF5G也在推进光纤通信相关标准化活动。

3人工智能

3.1概述

ISO/IEC2382[2]将人工智能规定为计算机科学的一个分支。从工业的角度来看，人工智能技术应该被理解为“使技术系统感知其环境，对感知进行处理，独立解决问题，寻找新的解决方案，做出决策，特别是从经验中学习，从而更好地解决任务和行动的方法和过程”。

3.2关键技术

（1）计算能力的提高：除了中央处理器（CPU），其他类型的处理器，例如图形处理器（GPU）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）和专用集成电路（ASIC），也都进一步得到了应用。（2）数据的可用性：互联网的发展是推动数据可用性的一个最为重要的因素，它能促成庞大的社区合作创建数据集，并使全世界的研究人员都可以访问这些数据。（3）算法的改进：深度学习算法的不断发展。

3.3与智能制造的融合路径

IEC出版的《各行业中的人工智能》白皮书中列出了人工智能在智能制造中的三种典型场景：协作机器人、预测性维护、基于机器视觉的质量控制。人工智能用于协作机器人的最大挑战是数据采集和算法的鲁棒性。必须始终确保算法按预期运行。特别是当机器与人协作处于风险中时，整个系统必须始终以可预测的方式运行。

3.4标准化工作动态

2018年成立的ISO/IECJTC1SC42“AI”将整个AI生态纳入其工作范围。该委员会目前的工作包括AI术语和概念、机器学习、大数据、AI可信度（安全、可防护性、隐私、健壮度、灵活性、可靠性、透明度、可控性），AI的应用程序和用例、AI治理、道德伦理和社会问题、风险管理、AI所要求的相关数据质量。IEC/SEG10处理AI自治应用及AI道德伦理方面的问题，以促进技术的推广。IEC/TC65/WG23的“新技术应用”工作组正在对“智能制造”领域的新技术（包括AI）及其标准化进行评估。在德国的AI标准化路线图中，明确提出了七个主题：基础（数据、术语、分类、人工智能元素）、伦理/责任人工智能、质量和认证、人工智能系统中的IT安全、工业自动化、移动和物流、医学中的人工智能。

4语义互操作

4.1概述

语义信息是人和机器可理解且明确的，以支持高级数据功能，例如复杂的查询，智能的人机交互，上下文数据分析和数据互操作性[4]。语义互操作性确保两个系统在对信息含义有相同理解的情况下交换信息，这对于实现IT与OT的融合至关重要。

4.2关键技术

语义级别的互操作性是依靠本体（ontology）驱动的。本体可用于显式定义物联网设备与其他实体（如设备、服务器、进程、应用程序、用户）共享的数据的含义，这些实体需要正确地解释传输数据中包含的信息和命令，以便正确地采取行动或作出反应。

4.3与智能制造的融合路径

制造业面临的挑战是寻找新的技术解决方案来改进他们的制造系统，以满足定制新的产品，同时确保高质量和低成本。与此同时，使所有系统工作所需的数量、复杂性和详细信息的显著增加，也增加了整个制造过程中对语义互操作性的需求。而语义互操作的实现，有助于智能制造企业对突发事件进行快速反应，从而创造更大的价值。语义互操作对于制造商最有价值的五大应用场景：绩效数字化管理；预测性维护；产量、能源优化；新一代自动化系统；质量数字化管理。

4.4标准化工作动态

目前，JTC1/SC41正在研制有关语义互操作性的ISO/IEC21823-3标准，并了ISO/IEC21823-1：2019，并提供了适用于物联网系统的互操作性概述，以及物联网系统互操作性框架。所有电工和ICT标准化委员会正在进行联合标准化工作，目的是开发基于本体的语义互操作性标准。IEC关于语义互操作性的白皮书——数字转型时代的挑战——概述了未来标准化的发展方向[5]。

5开源软件

5.1概述

在智能制造领域，开源技术与标准化之间的关系愈发重要。新版德国标准化策略将开源技术与标准化的结合作为一项目标。德国标准化组织DIN和DKE也参与了CEN-CENELEC和ISO/IEC的开源项目。开源技术的应用需要注意著佐权的要求（Copyleft）。如果想要使用、更改及扩展开源软件的功能，必须仔细研究这些许可条件。

5.2关键技术

（1）区块链开源项目。Hyperledger开源项目由Linux基金会设立，旨在推动区块链跨行业应用。当前各标准化组织正在进行区块链工业应用的标准化工作。区块链技术的数据市场正在出现。例如，来自物联网设备的数据可以通过这一市场出售，车辆数据可以被安全记录，来自不同制造商的机器可以被联网。负责区块链和分布式账本技术的主要标准化组织为ISO/TC307。（2）AASXPackageExplorer管理壳样例实现的开源项目。借助该软件工具，可以创建、编辑并轻易的交换管理壳。AASXPackageExplorer实现了工业4.0的核心规范“资产管理外壳的详细信息：第1部分”。该项目以XML和JSON格式创建管理壳，并将它们与其他文件存储在AASX容器中。具有ecl@ssIRDIs的概念描述可以被自动创建和引用。通过BMEcat、AutomationML或OPCUA等导入和导出功能，可以快速集成其他数据格式和真实的公司数据。AASXPackageExplorer在EclipseEPL-2.0下授权，可以通过GitHub下载。（3）Basys开源项目。该项目的目标是为工业规模生产设施的动态以及灵活的管理和重新配置提供整体的Industry4.0自动化解决方案。研究涵盖业务流程管理，设施管理和设备管理级别的无缝解决方案。基于开放源代码标准化和接口规范，这些解决方案已集成到灵活的参考框架中。此外，每个级别的解决方案都将提供用于开发和工程以及运行的工具链集合。（4）ApacheHadoop。随着ApacheHadoop架构技术的成熟和生态的完备，其已经成为大数据平台架构的标准配置，正被用来搭建智能制造场景下的分布式物联网设备状态分析处理系统，以及电力大数据平台。（5）open62541/EclipseMilo。OPCUA即IEC62541-100：2015系列标准有许多相关的开源项目，可以参考c实现的open62541（MozillaMPL-2.0许可）和用java实现的EclipseMilo（EclipseEPL-2.0许可）。这两者都仅受弱著佐权许可，因此，如果库没有被修改，则也可用于私有软件中。

6结论

1）以知识经济为主导的信息产业，在信息的传递、利用和增值等各个方面都和标准化工作相关。智能制造是先进制造业和信息通信技术的融合，标准化工作则是实现制造基础科学与现代通信科学的融合的载体。2）标准化是科技创新成果迅速传播的重要手段，对破除国际贸易壁垒、推动全球化合作具有重要作用。一旦符合国际标准，具有自主知识产权的科技创新成果就能迅速流入其他国家，从而对本国的科技创新形成正反馈作用，这也贴合构建国内国际双循环相互促进的新发展格局的要求。

作者:冯夏维 丁露 单位:机械工业仪器仪表综合技术经济研究所