先進(jìn)制造技術(shù)第7章

第7章智能制造內(nèi)容要點(diǎn)：

--智能制造內(nèi)涵及技術(shù)特征

--智能制造技術(shù)體系--智能制造三個范式--智能制造使能技術(shù)7.1.1智能制造的內(nèi)涵7.1.2智能制造的目標(biāo)7.1.3智能制造的系統(tǒng)特征7.1智能制造概述7.1.1智能制造的內(nèi)涵智能制造定義：是面向產(chǎn)品全生命周期，以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以制造系統(tǒng)為載體，在其關(guān)鍵環(huán)節(jié)或過程，具有一定自主性的感知、學(xué)習(xí)、分析、決策、通信和協(xié)調(diào)控制能力，能動態(tài)地適應(yīng)制造環(huán)境的變化，從而實現(xiàn)預(yù)定的優(yōu)化目標(biāo)。智能制造內(nèi)涵：1）是面向產(chǎn)品全生命周期而非狹義的加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)；2）是以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)；3）其載體是不同層次的制造系統(tǒng)。4）其應(yīng)用是制造系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)或過程，而不一定是其全部；5）必須具備自主感知、學(xué)習(xí)、分析、決策、協(xié)調(diào)控制能力。不同層次的智能制造系統(tǒng)7.1.2智能制造的目標(biāo)1）滿足客戶個性化定制需求

通過智能化設(shè)計以縮短產(chǎn)品研制周期，通過智能化制造裝備以提高生產(chǎn)柔性，以適應(yīng)單件、小批量生產(chǎn)模式。2）實現(xiàn)復(fù)雜零件的高品質(zhì)制造

可實時掌握工況時變規(guī)律進(jìn)行自護(hù)決策，使制造裝備自律運(yùn)行，可顯著提升復(fù)雜零件的加工質(zhì)量。3）保證高效率，實現(xiàn)制造的可持續(xù)性

通過傳感設(shè)備可實時掌控能源利用狀態(tài)，通過對能耗進(jìn)行智能優(yōu)化與調(diào)度可獲得最佳的生產(chǎn)方案。4）提升產(chǎn)品價值，拓展產(chǎn)品價值鏈。通過產(chǎn)品智能設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)品智能化升級和創(chuàng)新，可通過遠(yuǎn)程故障診斷等智能服務(wù)，創(chuàng)造產(chǎn)品的新價值。（1）大系統(tǒng)

即具有大型性、復(fù)雜性、動態(tài)性、不確定性等基本特征，為分析些大系統(tǒng)特性，用復(fù)雜性科學(xué)、大系統(tǒng)理論、大數(shù)據(jù)等分析方法。（2）“感知→分析→決策→執(zhí)行與反饋”的信息大閉環(huán)

以設(shè)計為例，“感知”即了解客戶需求；“分析”即分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)建立設(shè)計目標(biāo)；“決策”即進(jìn)行智能優(yōu)化設(shè)計；“執(zhí)行與反饋”即通過使用反饋改進(jìn)信息。（3）系統(tǒng)進(jìn)化和自學(xué)習(xí)

通過感知、分析外部信息，主動調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)，不斷完善自我，動態(tài)適應(yīng)環(huán)境的變化。（4）集中智能與群體智能結(jié)合

擁有CPS物理實體所具有的智能，既能自律又能與其它實體進(jìn)行通信與協(xié)作。（5）人與機(jī)器的融合

表現(xiàn)出人與機(jī)器一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，使兩者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。（6）虛擬與現(xiàn)實的融合

在系統(tǒng)使用前，可虛擬仿真系統(tǒng)功能和性能；在系統(tǒng)使用中，可在虛擬環(huán)境下呈現(xiàn)實際系統(tǒng)的實時狀態(tài)。7.1.3智能制造的系統(tǒng)特征7.2智能制造技術(shù)體系7.2.1智能設(shè)計技術(shù)7.2.2智能裝備與工藝技術(shù)7.2.3智能生產(chǎn)技術(shù)7.2.4智能服務(wù)技術(shù)7.2.1智能設(shè)計技術(shù)智能制造技術(shù)體系：可認(rèn)為是由智能設(shè)計、智能裝備與工藝、

智能生產(chǎn)和智能服務(wù)幾個主要功能模塊組成。智能制造總體技術(shù)框架智能設(shè)計的相關(guān)技術(shù)：（1）設(shè)計需求獲取技術(shù)

可用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等智能設(shè)計方法在多源海量數(shù)據(jù)中搜尋與分析設(shè)計需求。（2）設(shè)計概念智能創(chuàng)成技術(shù)

將已獲取的設(shè)計需求轉(zhuǎn)化為概念產(chǎn)品是設(shè)計智能的具體化過程，人工智能運(yùn)用將使這一過程更具科學(xué)化。（3）基于模擬仿真的智能設(shè)計技術(shù)

模擬仿真已成為處理復(fù)雜設(shè)計系統(tǒng)性能優(yōu)化的有效方法，多學(xué)科目標(biāo)耦合智能優(yōu)化策略可望獲取系統(tǒng)最優(yōu)。（4）面向“性能優(yōu)先”的智能設(shè)計技術(shù)

產(chǎn)品工藝“如何實現(xiàn)”已不再是不可逾越的障礙，智能設(shè)計將使傳統(tǒng)“工藝優(yōu)先”的設(shè)計轉(zhuǎn)向為“性能優(yōu)先”的設(shè)計。智能裝備核心思想：能夠?qū)庸顟B(tài)自感知與自分析，根據(jù)加工要求進(jìn)行自決策，依據(jù)決策指令進(jìn)行自執(zhí)行，通過工作循環(huán)，不斷提升制造裝備環(huán)境適應(yīng)能力，實現(xiàn)高效、高品質(zhì)和安全可靠的加工。關(guān)鍵工藝技術(shù)：1）工況自檢測通過加工過程中一系列物理量以及刀具-工件系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行在線檢測，為工藝知識自學(xué)習(xí)和制造過程自主決策提供支撐。2）工藝知識自學(xué)習(xí)通過對所檢測參數(shù)、時變工況與工件品質(zhì)間映射關(guān)系分析，建立聯(lián)想記憶知識模板，實現(xiàn)知識積累和自適應(yīng)進(jìn)化。

3）制造過程自主決策以及制造裝備自律執(zhí)行通過在線檢測與識別，根據(jù)已有工藝知識進(jìn)行加工參數(shù)在線優(yōu)化，生成控制決策指令，對工藝參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)控，以使制造裝備處于最佳工作狀態(tài)。7.2.2智能裝備與工藝技術(shù)數(shù)字裝備與工藝智能裝備與工藝數(shù)控機(jī)床按照預(yù)先給定的指令進(jìn)行加工機(jī)床設(shè)備能夠自動采集工況信息，根據(jù)實時狀態(tài)優(yōu)化調(diào)整加工參數(shù)，能夠自律執(zhí)行工業(yè)機(jī)器人在固定位置按照預(yù)先設(shè)定的程序自動進(jìn)行重復(fù)式工作機(jī)器人和人協(xié)同工作，其位置不再固定，行為不再預(yù)設(shè)，能夠自適應(yīng)環(huán)境變化

制造工藝的驗證基本在物理環(huán)境中完成

在虛擬環(huán)境或者虛實結(jié)合環(huán)境下完成制造工藝的驗證“數(shù)字裝備與工藝”與“智能裝備與工藝”主要特征比較智能生產(chǎn)：是將智能技術(shù)引入制造系統(tǒng)，以實現(xiàn)生產(chǎn)資源的最優(yōu)配置、生產(chǎn)任務(wù)和物流的實時優(yōu)化調(diào)度、生產(chǎn)過程精細(xì)化管理和決策。（1）智能生產(chǎn)的適應(yīng)性技術(shù)

具有對系統(tǒng)資源和結(jié)構(gòu)快速調(diào)整和重組能力，通過柔性化工藝、混流生產(chǎn)規(guī)劃與控制、動態(tài)計劃與調(diào)度等途徑，能夠主動適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的變化。（2）智能生產(chǎn)的動態(tài)調(diào)度技術(shù)

1）智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)

利用智能傳感器建立車間層的傳感網(wǎng)絡(luò)，自動獲取生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備工況參數(shù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)等各種信息。2）智能數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

對所采集的海量數(shù)據(jù)實時處理、分析和挖掘，并以可視化形式提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果。3）智能動態(tài)調(diào)度技術(shù)

根據(jù)分析結(jié)果，對生產(chǎn)及時調(diào)整，在現(xiàn)有條件下滿足生產(chǎn)需求，對環(huán)境變化快速做出響應(yīng)。

4）人機(jī)一體化技術(shù)

突出人的核心地位，使人機(jī)平等共事、相互理解，在不同層面上各顯其能、相輔相成。7.2.3智能生產(chǎn)技術(shù)（3）智能生產(chǎn)的預(yù)測性制造技術(shù)

智能預(yù)測性制造：通過物聯(lián)網(wǎng)實時獲取各種生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過分析和訓(xùn)練建立生產(chǎn)預(yù)測模型，依次模型和實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)對系統(tǒng)未來狀態(tài)以及可能發(fā)生的異常事件進(jìn)行預(yù)測。1）多變量統(tǒng)計過程控制

通過對生產(chǎn)參數(shù)的實時監(jiān)控，應(yīng)用統(tǒng)計法及模式識別等手段，對生產(chǎn)信息偏移發(fā)出報警，并分析產(chǎn)生異常的原因。2）設(shè)備預(yù)防性維護(hù)

通過大量歷史數(shù)據(jù)建立設(shè)備可靠性失效模型，評估設(shè)備繼續(xù)服役風(fēng)險，預(yù)測設(shè)備剩余壽命，決策設(shè)備維護(hù)時機(jī)和方式。3）生產(chǎn)系統(tǒng)性能預(yù)測

通過多種分析方法建立系統(tǒng)性能預(yù)測模型，將實時狀態(tài)數(shù)據(jù)作為模型輸入進(jìn)行預(yù)測，并將其結(jié)果用于計劃制定和生產(chǎn)過程的動態(tài)調(diào)整。7.2.4智能服務(wù)技術(shù)（1）智能物流與供應(yīng)鏈管理技術(shù)

1）建立物流信息化系統(tǒng)，為物流設(shè)備配置自動化、柔性化和網(wǎng)絡(luò)化的物流設(shè)施和裝備。2）通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)供應(yīng)鏈的全面互聯(lián)互通，建立智能化的物流管理系統(tǒng)和暢通的物流信息鏈。3）通過先進(jìn)分析和建模技術(shù)，幫助決策者分析風(fēng)險與制約因素，評估各種備選方案，甚至自動制定決策。（2）智能能源管理1）通過能源檢測技術(shù)，實現(xiàn)對主要環(huán)節(jié)、重點(diǎn)設(shè)備能源消耗可視化管理。2）通過生產(chǎn)與能耗預(yù)測技術(shù)，實現(xiàn)全流程生產(chǎn)與能耗的系統(tǒng)優(yōu)化，3）對能源供給、調(diào)配、轉(zhuǎn)換和使用等重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。（3）產(chǎn)品智能服務(wù)技術(shù)

1）應(yīng)用云服務(wù)平臺，對產(chǎn)品運(yùn)行數(shù)據(jù)及用戶使用習(xí)慣數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集、處理與分析。2）以服務(wù)應(yīng)用軟件為載體，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，為用戶提供各種增值服務(wù)，自動生成產(chǎn)品運(yùn)行與應(yīng)用狀態(tài)報告，提高產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量。7.3智能制造三個基本范式7.3.1數(shù)字化制造7.3.2數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造7.3.3數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造智能制造三個基本范式：是周濟(jì)院士在第六屆智能制造國際會議（2018）

報告中提出：數(shù)字化制造、數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化+智能化。第一基本范式：數(shù)字化制造（第一代智能制造），是智能制造的基礎(chǔ)。7.3.1數(shù)字化制造傳統(tǒng)制造系統(tǒng)（人-物理系統(tǒng)HPS）模型：數(shù)字化制造系統(tǒng)：在HPS人與物理系統(tǒng)之間增加了一個信息系統(tǒng)，承擔(dān)

著人的部分感知、分析和決策等功能。數(shù)字化制造系統(tǒng)（HCPS1.0）模型智能制造第二基本范式：

“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”（第二代智能制造）。

“工業(yè)4.0”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”均闡述了“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”制造范式，各自提出了實現(xiàn)“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”制造的技術(shù)路線。

在數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”的HCPS模型中，CPS是非常重要的組成部分，通過3C（Computer、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，通過實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)，可使系統(tǒng)具有計算通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治管理功能。

通過CPS使制造系統(tǒng)中人員、信息和設(shè)備進(jìn)行實時連通、相互識別和有效交流，以高度靈活的“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”制造模式組織企業(yè)生產(chǎn)與管理。7.3.2數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造智能制造第三基本范式：“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化+智能化”（新一代智能制造）。主要特征：具備“認(rèn)知”和“學(xué)習(xí)”能力，提高了智能制造的創(chuàng)新與服務(wù)能

力，使之成為真正意義上的智能制造。7.3.3數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造新一代智能制造系統(tǒng)（HCPS2.0）模型智能制造發(fā)展演變過程綜上所述：智能制造三個基本范式描述了制造系統(tǒng)從“人-物理”二元系

統(tǒng)發(fā)展到“人-信息-物理”三元系統(tǒng)，由“授之以魚”演變?yōu)椤笆谥?/p>

漁”發(fā)展演變過程。7.4.1云計算技術(shù)7.4.2大數(shù)據(jù)技術(shù)7.4.3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)7.4.4數(shù)字孿生技術(shù)7.4智能制造使能技術(shù)1、云計算概念云計算：可根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載在互聯(lián)網(wǎng)上申請或釋放所需計算資源，按需支付

所使用資源費(fèi)用，在提高服務(wù)質(zhì)量同時大大降低資源應(yīng)用和維護(hù)成本。云計算模型：由資源提供者、資源使用者和云運(yùn)營商三方組成。

資源提供者：將擁有的服務(wù)資源通過云計算平臺接入虛擬化服務(wù)云池；

資源使用者：根據(jù)應(yīng)用需求通過云計算平臺請求云計算服務(wù)；

云運(yùn)營者：負(fù)責(zé)管理并經(jīng)營云池中的服務(wù)資源。7.4.1云計算技術(shù)云計算模式特征：1)彈性服務(wù)

服務(wù)規(guī)模根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載動態(tài)變化，所使用資源與業(yè)務(wù)需求相一致，可避免服務(wù)器過載或冗余而導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量下降或資源浪費(fèi)。

2)資源云池化

計算資源是以共享資源云池方式進(jìn)行管理，資源的放置、管理與分配策略對用戶透明。

3)按需服務(wù)

以服務(wù)形式為用戶提供應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)存儲、基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用資源，

根據(jù)用戶

需求自動分配資源

。

4)服務(wù)可計費(fèi)

自動管理資源使用量，根據(jù)使用資源多少進(jìn)行服務(wù)計費(fèi)。

5)泛在接入

用戶可以利用各類終端設(shè)備隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)訪問云計算服務(wù)。2、云計算技術(shù)架構(gòu)

由訪問接口、服務(wù)管理模塊及核心服務(wù)模塊組成。

訪問接口模塊：為用戶提供訪問終

端接口；

服務(wù)管理模塊：提供服務(wù)管理支持；

核心服務(wù)模塊：將云計算硬件設(shè)施、運(yùn)行平臺以及應(yīng)用程序抽象成不同服務(wù)，以滿足多樣化用戶應(yīng)用需求.基礎(chǔ)設(shè)施為服務(wù)（IaaS）平臺為服務(wù)（PaaS）軟件為服務(wù)（SaaS）3、云計算關(guān)鍵技術(shù)

1）虛擬化技術(shù)

是實現(xiàn)云計算資源池化和按需服務(wù)的基礎(chǔ)，通過虛擬服務(wù)器可封裝用戶各自的運(yùn)行環(huán)境，指定所需的CPU數(shù)目、內(nèi)存容量、磁盤空間，實現(xiàn)資源的按需分配。

2）海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

采用分布式冗余存儲其海量數(shù)據(jù)，將大文件劃分成若干固定大小(如64MB)數(shù)據(jù)塊，分布存儲在不同的計算節(jié)點(diǎn)上，為了保證數(shù)據(jù)可靠性。3）數(shù)據(jù)處理與編程模型云平臺不僅要實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲，還要提供面向海量數(shù)據(jù)的分析處理功能。目前云計算數(shù)據(jù)處理與編程大多采用MapReduce模型。

4）資源管理與調(diào)度技術(shù)

有效的資源管理與調(diào)度技術(shù)可以提高PaaS海量數(shù)據(jù)處理平臺的性能，這將涉及副本的管理技術(shù)以及任務(wù)調(diào)度算法等相關(guān)技術(shù)。4、云制造系統(tǒng)

云制造：是云計算技術(shù)的應(yīng)用和拓展，是網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化的新型制造模式。

云制造系統(tǒng)模型：由制造資源提供端、資源使用端以及云制造服務(wù)平臺組成。云制造服務(wù)內(nèi)容與技術(shù)基礎(chǔ)

云制造系統(tǒng)計算資源外，還共享制造過程中各種模型、數(shù)據(jù)、軟件、信息、知識等軟制造資源以及數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、仿真實驗設(shè)備等硬制造資源。1、大數(shù)據(jù)概念

大數(shù)據(jù)：其數(shù)據(jù)量超出常規(guī)數(shù)據(jù)工具的獲取、存儲、管理和分析能力的數(shù)據(jù)集，是蘊(yùn)含海量信息的數(shù)據(jù)集合。

制造業(yè)大數(shù)據(jù)興起原因：制造系統(tǒng)自動化產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，所蘊(yùn)藏的價值未得到充分挖掘；實時數(shù)據(jù)獲取成本已不再那樣昂貴；數(shù)據(jù)運(yùn)算能力大幅提升，具備了大數(shù)據(jù)實時處理能力；制造系統(tǒng)流程越來越復(fù)雜，僅依靠人的經(jīng)驗無法滿足需求。

大數(shù)據(jù)技術(shù)“4V特征：Volume(量)，表示大數(shù)據(jù)的規(guī)模特征；Variety（多樣化），數(shù)據(jù)類型多種多樣，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；Velocity（速度），大數(shù)據(jù)產(chǎn)生與采集頻繁迅速；Veracity（真實性），大數(shù)據(jù)需要剔除“病態(tài)”或“虛假”數(shù)據(jù)。7.4.2大數(shù)據(jù)技術(shù)2、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)架構(gòu)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)體系涵括大數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、大數(shù)據(jù)存儲與管理、大數(shù)據(jù)計算模式、大數(shù)據(jù)分析與挖掘、大數(shù)據(jù)可視化分析以及大數(shù)據(jù)隱私與安全等各個方面。（1）大數(shù)據(jù)采集與處理

大數(shù)據(jù)是從不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行采集、提取、轉(zhuǎn)換和加載等過程，并自動生成元數(shù)據(jù)將之加載到數(shù)據(jù)倉庫或數(shù)據(jù)集中。（2）大數(shù)據(jù)存儲與管理

大數(shù)據(jù)存儲與處理對實時性和有效性提出更高要求，需要為其提供高效的數(shù)據(jù)訪問接口以及分布式存儲架構(gòu)，以消除接口瓶頸。（3）大數(shù)據(jù)計算模式與架構(gòu)

并行計算是大數(shù)值處理的普遍做法，目前廣泛應(yīng)用的計算框架是MapReduce分布式并行計算架構(gòu)模型以及Apache基金會發(fā)布的Hadoop模型。（4）大數(shù)據(jù)分析與挖掘

目前，大量語音、圖片、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)尚未得到有效的利用，亟待大數(shù)據(jù)分析與挖掘新技術(shù)的研究與開發(fā)。（5）大數(shù)據(jù)隱私與安全

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下安全威脅不僅限于個人隱私泄露，大數(shù)據(jù)在存儲、處理、傳輸?shù)冗^程都將面臨安全風(fēng)險，與其它數(shù)據(jù)安全問題比較更為棘手，更應(yīng)對數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)問題加以重視。3、大數(shù)據(jù)在智能制造中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)在智能制造中有廣泛的應(yīng)用前景，從市場信息獲取、產(chǎn)品研發(fā)、制造運(yùn)行、營銷服務(wù)直至產(chǎn)品報廢全生命周期都可以發(fā)揮巨大作用。

例如：福特公司每個職能部門都配有專門的數(shù)據(jù)分析小組，在硅谷數(shù)據(jù)創(chuàng)新實驗室收集有大約400萬輛裝有車載傳感設(shè)備的汽車數(shù)據(jù)，可以了解司機(jī)駕駛感受、內(nèi)外部環(huán)境變化，可將這類大數(shù)據(jù)用以車輛操作性、能源利用和排氣質(zhì)量等設(shè)計改進(jìn)與提高。

再如：大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程優(yōu)化的應(yīng)用，針對生產(chǎn)過程指標(biāo)預(yù)測需求，研究基于數(shù)據(jù)的生產(chǎn)模型建模方法，在特征分析和特征提取基礎(chǔ)上，通過有關(guān)生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘以及預(yù)測機(jī)制建立生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)化模型，求取生產(chǎn)優(yōu)化參數(shù)，以獲得生產(chǎn)過程的最佳性能。1、物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)：“物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，可將任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)定義兩層含義：

1）其核心仍是互聯(lián)網(wǎng)，是互聯(lián)網(wǎng)延伸和擴(kuò)展；2）是將互聯(lián)網(wǎng)用戶端延伸至任何物品，可實現(xiàn)人與人、人與物、物與

物之間的信息交換。

物聯(lián)網(wǎng)可使萬物可連，可讓整個物理世界變得更加智能。

互聯(lián)網(wǎng)使人類進(jìn)入信息世界，物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)信息世界與物理世界的融合。7.4.3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2、物聯(lián)網(wǎng)的基本特征1）全面感知

感知是物聯(lián)網(wǎng)最根本目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)上的每一件物品植入有二維碼、感應(yīng)器等標(biāo)志，利用無線射頻識別（RFID）、傳感器、定位器等，可對該物品進(jìn)行信息采集和讀取。2）可靠傳遞

物聯(lián)網(wǎng)通常是用現(xiàn)有因特網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)，對所采集的感知信息進(jìn)行有效處理和實時傳送，實現(xiàn)信息的可靠交互和共享。3）智能處理

物聯(lián)網(wǎng)是一種智能網(wǎng)絡(luò)，可實時獲取網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)信息，使之“博聞廣識”，通過智能分析與處理軟件系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)能夠與人一樣“聰明睿智”，眼觀六路、耳聽八方，還具有思考和聯(lián)想的功能。3、物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1）感知層：通過RFID和各種傳感器，實現(xiàn)信息感知、采集及控制實施。2）網(wǎng)絡(luò)層：擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)傳輸和通信任務(wù)。3）應(yīng)用層：由各類應(yīng)用服務(wù)器、用戶終端以及應(yīng)用接口組成。3、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1）節(jié)點(diǎn)感知技術(shù)

通常通過條形碼、二維碼、圖像識別、磁卡識別、射頻識別（RFID）以及各類傳感器感知各節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)和動態(tài)信息。

RFID結(jié)構(gòu)原理：是通過無線射頻技術(shù)完成其識別感知過程。RFID結(jié)構(gòu)原理2）無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）

WSN是由傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式所構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)中有著重要地位。

3）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)約與通信

需使用IPv6互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，此外WSN、ZigBee、移動自組織網(wǎng)絡(luò)等不同網(wǎng)絡(luò)的通信方式需要有統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)機(jī)制。4）數(shù)據(jù)融合與計算處理技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)分析計算量龐大、沉重，需要云計算技術(shù)的支撐，以有效降低物聯(lián)網(wǎng)資源的投入和運(yùn)行成本。云計算對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理框架1、數(shù)字孿生概念的提出與發(fā)展2003年美國Grieves教授在全生命周期管理課程上提出數(shù)字孿生概念；2011年美國空軍研究實驗室與美國國家航空航天局合作提出，構(gòu)建未來飛行器數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對飛行器健康狀態(tài)、剩余使用壽命的診斷和預(yù)測；近年來，美國GE、德國Siemens等公司積極推廣，使數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域也得到了快速的發(fā)展；GE公司通過自身云服務(wù)平臺，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，基于“數(shù)字孿生模型”實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的實時監(jiān)控、及時檢查和預(yù)測性維護(hù)；Siemens公司提出了“數(shù)字化雙胞胎”概念，實現(xiàn)物理空間從產(chǎn)品設(shè)計到制造執(zhí)行全過程的數(shù)字化。ANSYS公司提出創(chuàng)建“數(shù)字孿生體”，幫助用戶進(jìn)行故障診斷，避免非計劃停機(jī)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。我國北航陶飛教授提出了“數(shù)字孿生車間”的實現(xiàn)模型，為制造車間CPS的實現(xiàn)提供了理論和方法參考。7.4.4數(shù)字孿生技術(shù)2、數(shù)字孿生定義及內(nèi)涵

數(shù)字孿生：是利用數(shù)字技術(shù)對物理實體對象的特征、行為和形成過程等進(jìn)

行描述建模的技術(shù)。

數(shù)字孿生模型：是指物理實體在虛擬空間的全要素重建的數(shù)字化映射，是

一個多物理、多尺度、超現(xiàn)實、動態(tài)概率仿真的集成虛擬模型。航天飛行器數(shù)字孿生的概念模型數(shù)字孿生內(nèi)涵：1）數(shù)字孿生模型是物理實體在虛擬空間的一個集成仿真模型，可實現(xiàn)對其

全生命周期數(shù)據(jù)的集成管理；2）該模型是通過與產(chǎn)品實體不斷進(jìn)行信息交互而得到完善的；3）該模型的最終表現(xiàn)形式是產(chǎn)品實體的完整和精確的數(shù)字化描述；4）該模型可用來模擬、監(jiān)控、預(yù)測和控制產(chǎn)品實體形成過程和狀態(tài)行為。與數(shù)字化模型區(qū)別：

數(shù)字化模型：是產(chǎn)品的靜態(tài)模型，CAD設(shè)計完成便生成該數(shù)字化模型；

數(shù)字孿生模型：該模型是通過產(chǎn)品實體信息采集裝置的集成，包含產(chǎn)品全生命周期的過程和狀態(tài)全部信息，與產(chǎn)品動態(tài)特征緊密相關(guān)，在產(chǎn)品沒有造出之前就沒有對應(yīng)的數(shù)字孿生模型。3、數(shù)字孿生技術(shù)體系為數(shù)據(jù)保障層、建模計算層、數(shù)字孿生功能層以及沉浸式體驗層結(jié)構(gòu)組成。1）數(shù)據(jù)保障層

支撐整個技術(shù)體系的運(yùn)作，包括高性能傳感器數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)傳輸以及全生命周期的數(shù)據(jù)管理。2）建模計算

是整個體系的核心，主要由建模模塊和一體化計算平臺構(gòu)成。。其計算平臺有嵌入式計算和云服務(wù)器計算方式，以完成復(fù)雜的建模計算任務(wù)。3）數(shù)字孿生功能層

是整個體系的價值體現(xiàn)，具有壽命估測、執(zhí)行任務(wù)能力評估、維護(hù)保障、生產(chǎn)過程監(jiān)控以及輔助決策等功能。4）沉浸式體驗層

該層直接面向用戶提供具有沉浸友好的交互環(huán)境，使用戶在操作時有一種身臨其境的系統(tǒng)真實場景。4、數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)（1）多領(lǐng)域多尺度的融合建模

多領(lǐng)域建模是指是從不同領(lǐng)域?qū)ξ锢硐到y(tǒng)進(jìn)行多領(lǐng)域融合建模；多尺度建模是指用不同的時間尺度模擬系統(tǒng)的物理過程。（2）數(shù)據(jù)驅(qū)動與物理模型融合的狀態(tài)評估

其難點(diǎn)是如何將傳感數(shù)據(jù)特性與系統(tǒng)機(jī)理模型結(jié)合起來，以獲得很好的狀態(tài)評估效果。（3）數(shù)據(jù)采集和傳輸

其難點(diǎn)在于傳感器的種類、精度、可靠性等受到當(dāng)前技術(shù)水平限制，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)還無法滿足數(shù)據(jù)傳輸實時性和安全性要求。（4）全生命周期數(shù)據(jù)管理

由于數(shù)字孿生系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性要求很高，如何優(yōu)化數(shù)據(jù)架構(gòu)、存儲和檢索方法，是其應(yīng)用于數(shù)字孿生系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。（5）VR呈現(xiàn)

難點(diǎn)在于需要大量高精度傳感采集數(shù)據(jù)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供必要的數(shù)據(jù)來源和支撐，同時虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的技術(shù)瓶頸也亟待突破和提升。（6）高性能計算