智能制造未來技術發展趨勢探究
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【摘要】智能化是制造業未來的發展方向，針對下一代移動通信、固定網絡、人工智能、語義互操作和開源技術的發展前沿進行分析，并挖掘其標準化需求，以期為我國引領智能制造科技創新發展作參考，加快科研成果的轉化落地。
【關鍵詞】標準化；智能制造；人工智能
引言
智能制造是第四次工業革命的核心技術，是世界各國制造業轉型升級、高質量發展的主要技術路徑。智能制造是個通用概念，是數字化、網絡化和智能化等新技術在制造領域的具體應用，融合了制造業企業所掌握的生產訣竅與客觀規律，引發制造業在發展理念、制造模式等各個方面革命性的變化。歐盟和各主要歐洲國家在其制造業科技創新發展戰略中，均提出面向人工智能、量子計算、新一代網絡連接等前沿技術領域加大投資，因而有必要對這些技術領域發展趨勢進行分析。標準化工作的目的是為智能制造的各參與方提供一種共同的語言，使人們能夠以新的方式探索新思想，并最大限度地利用世界各地科研實驗室的創新成果。為了實現這一目標，需要在新技術的發展之初就對其進行關注，同時對其標準化需求進行研究，分析可能出現的新的供應鏈模型、新的利潤源、新的客戶服務和新的市場領域。為此，本文對以下智能制造研究熱點進行分析，以期為我國引領智能制造創新發展提供參考。
1新一代移動通信技術（6G）
1.1概述
預計6G網絡將使用比5G高得多的頻率、具有更高的帶寬容量和更低的延遲，目前預計在2030年進行6G試點，并在2030-2035年進行商業示范。預期的太赫茲頻譜將確保更高的容量（每秒1tb，Tpbs）和以微秒為單位的延遲時間。1.2關鍵技術6G將借助先進的MIMO和大規模MIMO來開發空間維度，借助未被占用的毫米波和太赫茲頻譜的通信系統，借助云計算和分布式計算的成本效率，提供多技術異構網絡并改善小區邊緣覆蓋。
1.3與智能制造的融合路徑
6G網絡將能夠滿足工業控制系統對毫秒延遲的需求，同時也提供了支持微秒延遲的機制。6G網絡提供了支持多技術異構網絡的能力，這將允許智能制造場景中部署不同的接入網絡，例如WiFi、6G、衛星、窄帶物聯網（NB-IoT），從而為終端設備提供最佳質量的網絡接入。
1.4標準化工作動態
業界和歐盟委員會正在籌建5G-PPP標準化組織的繼承者（非正式地稱為6G-PPP）。6G-PPP的創建目前正在進行中，目前尚未公開信息。華為（Huawei）、諾基亞（Nokia）和三星（Samsung）等主要電信公司都表示，它們的研發工作正在進行中。到目前為止，6G有關信道測量和建模的研究還處于起步階段，需要進一步的研究。
2第5代固定網絡技術（F5G）
2.1概述
固定網絡的發展歷史可簡述如下：首先是由PSTN/ISDN（64Kbps）支持的窄帶時代。接下來是基于ADSL的寬帶（10Mbps）、基于VDSL的超寬帶（30-200Mbps），以及由GPON/EPON驅動的100Mbps（100-300Mbps）。現在我們正步入10GPON驅動的千兆超快寬帶時代。未來可能會迎接一個基于50GPON驅動F6G的10G時代。
2.2關鍵技術
（1）超高帶寬：網絡帶寬具有對稱的上行/下行千兆寬帶能力。（2）全光纖連接：光纖基礎設施的全面覆蓋將支持無處不在的連接，將支持垂直行業應用的擴展。2.3與智能制造融合路徑PON技術的工業應用，可以有效解決以下問題：1）可靠的工廠內部網絡建設，智能工廠與數字車間之間的通信。2）支持企業云接入基礎網絡和數據服務。3）支持多工廠多種設備使用豐富的接口，并關聯實時數據傳輸。
2.4標準化工作動態
不同于無線通信領域有效而完整的標準化生態體系，有線通信領域較為碎片化。ITU-TSG15正在制定50GPON標準，IEEE和WFA仍在研制WiFi-6標準，ETSI的ISGF5G也在推進光纖通信相關標準化活動。
3人工智能
3.1概述
ISO/IEC2382[2]將人工智能規定為計算機科學的一個分支。從工業的角度來看，人工智能技術應該被理解為“使技術系統感知其環境，對感知進行處理，獨立解決問題，尋找新的解決方案，做出決策，特別是從經驗中學習，從而更好地解決任務和行動的方法和過程”。
3.2關鍵技術
（1）計算能力的提高：除了中央處理器（CPU），其他類型的處理器，例如圖形處理器（GPU）、現場可編程邏輯門陣列（FPGA）和專用集成電路（ASIC），也都進一步得到了應用。（2）數據的可用性：互聯網的發展是推動數據可用性的一個最為重要的因素，它能促成龐大的社區合作創建數據集，并使全世界的研究人員都可以訪問這些數據。（3）算法的改進：深度學習算法的不斷發展。
3.3與智能制造的融合路徑
IEC出版的《各行業中的人工智能》白皮書中列出了人工智能在智能制造中的三種典型場景：協作機器人、預測性維護、基于機器視覺的質量控制。人工智能用于協作機器人的最大挑戰是數據采集和算法的魯棒性。必須始終確保算法按預期運行。特別是當機器與人協作處于風險中時，整個系統必須始終以可預測的方式運行。
3.4標準化工作動態
2018年成立的ISO/IECJTC1SC42“AI”將整個AI生態納入其工作范圍。該委員會目前的工作包括AI術語和概念、機器學習、大數據、AI可信度（安全、可防護性、隱私、健壯度、靈活性、可靠性、透明度、可控性），AI的應用程序和用例、AI治理、道德倫理和社會問題、風險管理、AI所要求的相關數據質量。IEC/SEG10處理AI自治應用及AI道德倫理方面的問題，以促進技術的推廣。IEC/TC65/WG23的“新技術應用”工作組正在對“智能制造”領域的新技術（包括AI）及其標準化進行評估。在德國的AI標準化路線圖中，明確提出了七個主題：基礎（數據、術語、分類、人工智能元素）、倫理/責任人工智能、質量和認證、人工智能系統中的IT安全、工業自動化、移動和物流、醫學中的人工智能。
4語義互操作
4.1概述
語義信息是人和機器可理解且明確的，以支持高級數據功能，例如復雜的查詢，智能的人機交互，上下文數據分析和數據互操作性[4]。語義互操作性確保兩個系統在對信息含義有相同理解的情況下交換信息，這對于實現IT與OT的融合至關重要。
4.2關鍵技術
語義級別的互操作性是依靠本體（ontology）驅動的。本體可用于顯式定義物聯網設備與其他實體（如設備、服務器、進程、應用程序、用戶）共享的數據的含義，這些實體需要正確地解釋傳輸數據中包含的信息和命令，以便正確地采取行動或作出反應。
4.3與智能制造的融合路徑
制造業面臨的挑戰是尋找新的技術解決方案來改進他們的制造系統，以滿足定制新的產品，同時確保高質量和低成本。與此同時，使所有系統工作所需的數量、復雜性和詳細信息的顯著增加，也增加了整個制造過程中對語義互操作性的需求。而語義互操作的實現，有助于智能制造企業對突發事件進行快速反應，從而創造更大的價值。語義互操作對于制造商最有價值的五大應用場景：績效數字化管理；預測性維護；產量、能源優化；新一代自動化系統；質量數字化管理。
4.4標準化工作動態
目前，JTC1/SC41正在研制有關語義互操作性的ISO/IEC21823-3標準，并了ISO/IEC21823-1：2019，并提供了適用于物聯網系統的互操作性概述，以及物聯網系統互操作性框架。所有電工和ICT標準化委員會正在進行聯合標準化工作，目的是開發基于本體的語義互操作性標準。IEC關于語義互操作性的白皮書——數字轉型時代的挑戰——概述了未來標準化的發展方向[5]。
5開源軟件
5.1概述
在智能制造領域，開源技術與標準化之間的關系愈發重要。新版德國標準化策略將開源技術與標準化的結合作為一項目標。德國標準化組織DIN和DKE也參與了CEN-CENELEC和ISO/IEC的開源項目。開源技術的應用需要注意著佐權的要求（Copyleft）。如果想要使用、更改及擴展開源軟件的功能，必須仔細研究這些許可條件。
5.2關鍵技術
（1）區塊鏈開源項目。Hyperledger開源項目由Linux基金會設立，旨在推動區塊鏈跨行業應用。當前各標準化組織正在進行區塊鏈工業應用的標準化工作。區塊鏈技術的數據市場正在出現。例如，來自物聯網設備的數據可以通過這一市場出售，車輛數據可以被安全記錄，來自不同制造商的機器可以被聯網。負責區塊鏈和分布式賬本技術的主要標準化組織為ISO/TC307。（2）AASXPackageExplorer管理殼樣例實現的開源項目。借助該軟件工具，可以創建、編輯并輕易的交換管理殼。AASXPackageExplorer實現了工業4.0的核心規范“資產管理外殼的詳細信息：第1部分”。該項目以XML和JSON格式創建管理殼，并將它們與其他文件存儲在AASX容器中。具有ecl@ssIRDIs的概念描述可以被自動創建和引用。通過BMEcat、AutomationML或OPCUA等導入和導出功能，可以快速集成其他數據格式和真實的公司數據。AASXPackageExplorer在EclipseEPL-2.0下授權，可以通過GitHub下載。（3）Basys開源項目。該項目的目標是為工業規模生產設施的動態以及靈活的管理和重新配置提供整體的Industry4.0自動化解決方案。研究涵蓋業務流程管理，設施管理和設備管理級別的無縫解決方案。基于開放源代碼標準化和接口規范，這些解決方案已集成到靈活的參考框架中。此外，每個級別的解決方案都將提供用于開發和工程以及運行的工具鏈集合。（4）ApacheHadoop。隨著ApacheHadoop架構技術的成熟和生態的完備，其已經成為大數據平臺架構的標準配置，正被用來搭建智能制造場景下的分布式物聯網設備狀態分析處理系統，以及電力大數據平臺。（5）open62541/EclipseMilo。OPCUA即IEC62541-100：2015系列標準有許多相關的開源項目，可以參考c實現的open62541（MozillaMPL-2.0許可）和用java實現的EclipseMilo（EclipseEPL-2.0許可）。這兩者都僅受弱著佐權許可，因此，如果庫沒有被修改，則也可用于私有軟件中。
6結論
1）以知識經濟為主導的信息產業，在信息的傳遞、利用和增值等各個方面都和標準化工作相關。智能制造是先進制造業和信息通信技術的融合，標準化工作則是實現制造基礎科學與現代通信科學的融合的載體。2）標準化是科技創新成果迅速傳播的重要手段，對破除國際貿易壁壘、推動全球化合作具有重要作用。一旦符合國際標準，具有自主知識產權的科技創新成果就能迅速流入其他國家，從而對本國的科技創新形成正反饋作用，這也貼合構建國內國際雙循環相互促進的新發展格局的要求。
作者:馮夏維 丁露 單位:機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所
