智能制造導(dǎo)論教學(xué)指導(dǎo)第四章智能制造核心技術(shù)本章目標(biāo)了解智能制造的幾種核心技術(shù)掌握工業(yè)機(jī)器人的概念，了解工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)掌握智能傳感器和智能終端的概念、組成和應(yīng)用了解機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的定義、分類(lèi)和選擇了解射頻識(shí)別技術(shù)的定義、基本原理和標(biāo)準(zhǔn)了解智能制造系統(tǒng)需要管理的數(shù)據(jù)的種類(lèi)了解云計(jì)算技術(shù)的架構(gòu)、模式和應(yīng)用了解虛擬制造技術(shù)的概念和關(guān)鍵技術(shù)了解智能制造信息系統(tǒng)的作用目錄結(jié)構(gòu)第4章智能制造核心技術(shù)智能硬件工業(yè)機(jī)器人智能傳感器智能終端工業(yè)識(shí)別機(jī)器視覺(jué)技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)工廠物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)工業(yè)大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)虛擬制造技術(shù)制造信息系統(tǒng)4.1智能硬件如第一章所述，智能制造是通過(guò)智能化的感知、人機(jī)交互等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造裝備的智能化，是信息技術(shù)、智能技術(shù)與裝備制造技術(shù)的深度融合與集成。因此，智能制造的發(fā)展是和智能硬件密不可分的。傳統(tǒng)的制造裝備通過(guò)應(yīng)用智能硬件技術(shù)而具有了信息采集、分析和執(zhí)行的能力，從而在智能制造的全生命周期中占據(jù)了重要的地位。如圖4-1所示，智能制造體系中的智能硬件可以分為三類(lèi)，分別是高端制造裝備、關(guān)鍵基礎(chǔ)器件和智能產(chǎn)品，各自以工業(yè)機(jī)器人、智能傳感器和智能終端為代表。本節(jié)重點(diǎn)講述這三類(lèi)的代表硬件及其關(guān)鍵技術(shù)。4.1.1工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的現(xiàn)代制造業(yè)智能化裝備，它集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器和人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體，能自動(dòng)執(zhí)行工作，靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。它既可以接受人類(lèi)的指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行。1.工業(yè)機(jī)器人的組成一臺(tái)完整的工業(yè)機(jī)器人由以下幾部分組成：操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及可更換的末端執(zhí)行器，如圖4-2所示。4.1.1工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)操作機(jī)是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械主體，是用來(lái)完成各種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)械。工業(yè)機(jī)器人的“柔性”除體現(xiàn)在其控制裝置可重復(fù)編程外，還和機(jī)器人操作機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。機(jī)器人中普遍采用的關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，具有類(lèi)似人體腰、肩和腕等的仿生結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指驅(qū)動(dòng)操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的裝置，也就是機(jī)器人的動(dòng)力裝置。機(jī)器人使用的動(dòng)力源有：壓縮空氣、壓力油和電能。因此相應(yīng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置就是氣缸、油缸和電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的核心部件，它通過(guò)各種控制電路硬件和軟件的結(jié)合來(lái)操控機(jī)器人，并協(xié)調(diào)機(jī)器人與生產(chǎn)系統(tǒng)中其他設(shè)備的關(guān)系。一個(gè)完整的機(jī)器人控制系統(tǒng)除了作業(yè)控制器和運(yùn)動(dòng)控制器外，還包括控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的伺服控制器以及檢測(cè)機(jī)器人自身狀態(tài)的傳感器反饋?，F(xiàn)代機(jī)器人的電子控制裝置由可編程控制器、數(shù)控控制器或計(jì)算機(jī)構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)是決定機(jī)器人功能和水平的關(guān)鍵部分，也是機(jī)器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分。4.1.1工業(yè)機(jī)器人4）末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器是指連接著操作機(jī)腕部的直接用于作業(yè)的機(jī)構(gòu)，它可能是用于抓取搬運(yùn)的手部（爪），也可能是用于噴漆的噴槍?zhuān)驒z查用的測(cè)量工具等。工業(yè)機(jī)器人操作臂的手腕，有用于連接各種末端執(zhí)行器的機(jī)械接口，按作業(yè)內(nèi)容的不同所選擇的手爪或工具就裝在其上，這進(jìn)一步擴(kuò)大了機(jī)器人作業(yè)的柔性。2.工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)方式多種多樣，比較常見(jiàn)的有按作業(yè)用途分類(lèi)、按運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)分類(lèi)以及按控制系統(tǒng)的控制方式分類(lèi)等。工業(yè)機(jī)器人按照具體的作業(yè)用途，可以分為點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、檢測(cè)機(jī)器人以及裝配機(jī)器人等；工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)一般為2~7個(gè)，按運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)分類(lèi)可分為簡(jiǎn)易型和復(fù)雜型。簡(jiǎn)易型的為2~4個(gè)自由度，復(fù)雜型的為5~7個(gè)自由度。機(jī)器人的自由度數(shù)是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，指的是操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目之和。這種運(yùn)動(dòng)只有直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種形態(tài)。機(jī)器人腕部的任何復(fù)雜運(yùn)動(dòng)都可由這兩種運(yùn)動(dòng)來(lái)合成。按照機(jī)器人具有的運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)分類(lèi)的方式也適用于非工業(yè)機(jī)器人，自由度數(shù)越多，機(jī)器人的柔性越大，結(jié)構(gòu)和控制也就越復(fù)雜。4.1.1工業(yè)機(jī)器人按照控制系統(tǒng)的控制方式，工業(yè)機(jī)器人可分為如下幾類(lèi)：點(diǎn)位控制機(jī)器人：只能控制從一個(gè)特定點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)特定點(diǎn)，而無(wú)法控制其移動(dòng)路徑的機(jī)器人。連續(xù)軌跡控制機(jī)器人：能夠在運(yùn)動(dòng)軌跡的任意熱定數(shù)量的點(diǎn)處停留，但不能在這些特定點(diǎn)之間沿某一確定的路線運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人要經(jīng)過(guò)的任何一點(diǎn)都必須儲(chǔ)存在機(jī)器人的存儲(chǔ)器中?？煽剀壽E機(jī)器人：又稱(chēng)作計(jì)算軌跡機(jī)器人，其控制系統(tǒng)能夠根據(jù)要求，精確的計(jì)算出直線、圓弧、內(nèi)插曲線和其他軌跡。在軌跡中的任何一點(diǎn)，機(jī)器人都可以達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)精度。因此，只要輸入符合要求的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)以及指定軌跡的名稱(chēng)，機(jī)器人就可以按指定的軌跡運(yùn)行。伺服型與非伺服型機(jī)器人：伺服型機(jī)器人可以通過(guò)某些方式（比如智能傳感器）感知自己的運(yùn)動(dòng)位置，并把所感知的位置信息反饋回來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；非伺服型機(jī)器人則無(wú)法確定自己是否已經(jīng)到達(dá)指定位置。4.1.1工業(yè)機(jī)器人3.工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)可編程生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。工業(yè)機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量、多品種且具有均衡高效率的柔性制造過(guò)程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)（FMS）中的一個(gè)重要組成部分。擬人化工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類(lèi)似人的腿部、足部、腰部、大臂、小臂、

手腕、手爪等部分。此外，智能化工業(yè)機(jī)器人還有許多類(lèi)似人的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺(jué)傳感器、聲覺(jué)傳感器、語(yǔ)言功能等。傳感器提高了工業(yè)機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境的自適

應(yīng)能力。通用性除了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用的工業(yè)機(jī)器人外，一般工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機(jī)器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。4.1.1工業(yè)機(jī)器人3.工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)可編程生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。工業(yè)機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量、多品種且具有均衡高效率的柔性制造過(guò)程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)（FMS）中的一個(gè)重要組成部分。擬人化工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類(lèi)似人的腿部、足部、腰部、大臂、小臂、

手腕、手爪等部分。此外，智能化工業(yè)機(jī)器人還有許多類(lèi)似人的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺(jué)傳感器、聲覺(jué)傳感器、語(yǔ)言功能等。傳感器提高了工業(yè)機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境的自適

應(yīng)能力。通用性除了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用的工業(yè)機(jī)器人外，一般工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機(jī)器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。4.1.1工業(yè)機(jī)器人4.工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人主要被應(yīng)用在三種場(chǎng)合：環(huán)境惡劣或有危險(xiǎn)的場(chǎng)合，某些領(lǐng)域的作業(yè)因有害健康或有生命危險(xiǎn)等因素而不適于人工操作，必須用工業(yè)機(jī)器人完成，如核污染、有輻射、高溫高熱等環(huán)境。特殊作業(yè)場(chǎng)合，某些場(chǎng)合因?yàn)榭臻g狹小、環(huán)境真空等原因，只能采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，比如衛(wèi)星的回收、地底環(huán)境監(jiān)測(cè)等。自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，某些高復(fù)性、高強(qiáng)度、高精度操作的作業(yè)，使用全年無(wú)休的工業(yè)機(jī)器人，可以有效降低人工成本，降低故障率，提升工作效率。隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展，以及機(jī)器人智能化水平的提高，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多，如無(wú)人偵察機(jī)、警備機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等。4.1.1工業(yè)機(jī)器人在2015年舉辦的北京國(guó)際工業(yè)智能及自動(dòng)化展會(huì)上，來(lái)自各國(guó)的近200家自動(dòng)化企業(yè)，向參觀者展示了各種自動(dòng)化生產(chǎn)線及工業(yè)機(jī)器人的成功案例；在同年10月舉辦的深圳國(guó)際自動(dòng)化及機(jī)器人展覽會(huì)上，來(lái)自工業(yè)4.0產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的十幾家企業(yè)，集中展示了智慧工廠整體解決方案和真正的無(wú)人工廠實(shí)例。在這些應(yīng)用實(shí)例中，自動(dòng)生產(chǎn)線上的機(jī)器人不僅具備嫻熟的裝配技藝，相互之間還可以“溝通”——如果前一臺(tái)機(jī)器人的裝配速度提高，它會(huì)通知后一臺(tái)機(jī)器人提前做好準(zhǔn)備。不僅如此，這些機(jī)器人之間的相互溝通和配合，使它們可以脫離人工控制而完成生產(chǎn)任務(wù)。由此可見(jiàn)，在智能制造體系中，工業(yè)機(jī)器人是支撐整個(gè)系統(tǒng)有序運(yùn)作必不可少的關(guān)鍵硬件。工業(yè)機(jī)器人作為智能裝備智能化的代表，是智能制造的基石，也是智能制造的重點(diǎn)方向。4.1.2智能傳感器智能傳感器（intelligent

sensor）是具有信息處理功能的傳感器，它帶有微處理器，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理器相結(jié)合的產(chǎn)物。智能制造把智能傳感器引入工業(yè)生產(chǎn)中，利用它獨(dú)有的數(shù)據(jù)采集能力優(yōu)勢(shì)打造高度自動(dòng)化的生產(chǎn)模式。1.傳感器傳感器是智能傳感器的基礎(chǔ)單元，它的作用主要是感受和測(cè)量物理世界的被測(cè)量物，將采集量按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成有用輸出：將非電量轉(zhuǎn)換為電量。傳感器的組成原理如圖4-3所示。圖4-3傳感器的組成4.1.2智能傳感器其中：敏感元件，是傳感器的重要組成部分，其作用是感受物理世界的信息并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔?，完成非電量的預(yù)變換。變換器，是將感受的非電量變換為電量的器件。例如電阻變換器和電感變換器，可將位移量直接變換為電容值、電阻值及電感值。變換器也是傳感器不可缺少的重要組成部分。在具體實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有的手段直接變換為電量，有些必須進(jìn)行預(yù)變換，將待測(cè)的非電量變?yōu)橐子谵D(zhuǎn)換成電量的另一種非電量。4.1.2智能傳感器2.智能傳感器的結(jié)構(gòu)智能傳感器中的微處理器可以對(duì)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)和處理，也可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。不僅如此，微處理器還可以使智能傳感器具有雙向通信功能，能通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接口或無(wú)線接口，將測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳至傳感器網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端監(jiān)控和校準(zhǔn)等功能。智能傳感器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖4-4所示：圖4-4智能傳感器基本結(jié)構(gòu)框圖4.1.2智能傳感器3.智能傳感器的特點(diǎn)智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比較具有如下特點(diǎn)：自動(dòng)補(bǔ)償能力：通過(guò)微處理器的軟件計(jì)算，對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等方面的不足進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。在線校準(zhǔn)：操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后，自動(dòng)校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)對(duì)傳感器進(jìn)行在線校準(zhǔn)。自診斷：接通電源后，可對(duì)傳感器進(jìn)行自檢，檢查傳感器各部分是否正常，并可診斷發(fā)生故障的部件。數(shù)值處理：可以利用內(nèi)部程序自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，剔除異常值等。雙向通信：微處理器與傳統(tǒng)傳感器之間構(gòu)成閉環(huán)，微處理器不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù)，還可將信息反饋至傳感器，對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)

和控制。信息存儲(chǔ)和記憶：存儲(chǔ)傳感器的特征數(shù)據(jù)和組態(tài)信息。數(shù)字量輸出：輸出數(shù)字通信信號(hào)，可方便地和計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)線路相連。4.1.2智能傳感器4.智能傳感器的實(shí)現(xiàn)智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式包括以下三種：1）非集成化實(shí)現(xiàn)是將傳統(tǒng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路以及具有數(shù)據(jù)總線接口的微處理器組合為一個(gè)整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。非集成式智能傳感器是對(duì)傳統(tǒng)傳感器的二次包裝和開(kāi)發(fā)，其結(jié)構(gòu)一般如圖4-5所示。圖4-5非集成式智能傳感器4.1.2智能傳感器2）集成化實(shí)現(xiàn)是指借助半導(dǎo)體技術(shù)，將傳感器部分與信號(hào)放大調(diào)理電路、接口電路和微處理器單元等制作在一塊芯片上，因此又可稱(chēng)為集成智能傳感器。3）混合實(shí)現(xiàn)是指根據(jù)需要，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)如敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上?；旌蠈?shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。4.1.2智能傳感器5.應(yīng)用近年來(lái)，智能傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航天、航空、國(guó)防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。特別是高科技的發(fā)展使智能傳感器倍受青睬。例如，智能傳感器在智能機(jī)器人領(lǐng)域就有著廣闊的應(yīng)用前景，因?yàn)橹悄軅鞲衅魅缤说奈骞伲梢允箼C(jī)器人具備各種人類(lèi)感知功能。新一代的高級(jí)智能傳感器將成為工業(yè)自動(dòng)化的心臟。以機(jī)器人行業(yè)為例，發(fā)展機(jī)器智能対人機(jī)交互技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)都提出了更高的要求，這些必須依靠傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器技術(shù)的革新和進(jìn)步，勢(shì)必會(huì)為機(jī)器人和其它自動(dòng)化行業(yè)帶來(lái)相應(yīng)進(jìn)步。相對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)，以智能工廠為代表的未來(lái)制造業(yè)是一種理想的生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠智能地編輯產(chǎn)品特性、成本、物流管理、安全、時(shí)間以及可持續(xù)性等要素。將智能傳感器應(yīng)用于智能生產(chǎn)線和工業(yè)機(jī)器人，并將其采集到的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)等上傳至智能制造系統(tǒng)，可以有效監(jiān)控生產(chǎn)線正常運(yùn)作，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率。作為現(xiàn)代信息技術(shù)重要支柱之一的智能傳感器技術(shù)，必將成為工業(yè)領(lǐng)域在高新技術(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。4.1.3智能終端智能終端是一類(lèi)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備。它能夠感知環(huán)境信息，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和加密，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器或數(shù)據(jù)平臺(tái)。不僅如此，為了向用戶(hù)提供最佳的使用體驗(yàn)，智能終端還應(yīng)當(dāng)具有一定的判斷能力，為用戶(hù)選擇最佳的服務(wù)通道。1.智能終端的體系結(jié)構(gòu)智能終端體系結(jié)構(gòu)分為硬件系統(tǒng)和軟件結(jié)構(gòu)。從硬件上看，智能終端普遍采用的還是計(jì)算機(jī)的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)——馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，即由運(yùn)算器（Calculator，也叫算術(shù)邏輯部件ALU）、控制器（Controller）、存儲(chǔ)器（Memory）、輸入設(shè)備（Input

Device）和輸出設(shè)備（Output

Device）5大部件組成，其中的運(yùn)算器和控制器構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的核心部件—中央處理器（Center

Process

Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU）。如圖4-7所示。4.1.3智能終端由于目前通信協(xié)議棧不斷增多，多媒體與信息處理任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜，某些通用的應(yīng)用往往被放在獨(dú)立的處理單元中去處理，從而形成一種松耦合的主從式多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如圖4-8所示。每一個(gè)處理單元都可以看作一個(gè)單獨(dú)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)行著不同的程序。按照其在智能終端硬件中的作用，可分為主處理單元和從處理單元。每個(gè)從處理單元（如基帶處理單元、GPS單元和多媒體解碼單元等）通過(guò)一定的方式與主處理單元（在圖4-4中應(yīng)用處理單元為主處理單元）通信，接受主處理單元的指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，并向主處理單元返回結(jié)果。這些特定的處理單元芯片往往是以ASIC（專(zhuān)用集成電路）的形式出現(xiàn)的，但實(shí)際上仍然是片上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。例如，常用的2.5G基帶處理芯片

實(shí)際上就是依靠?jī)?nèi)置的ARM946內(nèi)核執(zhí)行程序來(lái)實(shí)現(xiàn)GSM、GPRS等協(xié)議的處理。4.1.3智能終端計(jì)算機(jī)軟件結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。在智能終端的軟件結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)軟件主要是操作系統(tǒng)和中間件。操作系統(tǒng)的功能是管理智能終端的所有資源（包括硬件和軟件），同時(shí)也是智能終端系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)是一個(gè)龐大的管理控制程序，大致包括5個(gè)方面的管理功能：進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件管理。常見(jiàn)的智能終端操作系統(tǒng)有Linux，Windows

CE，iPhone

OS等。中間件一般包括函數(shù)庫(kù)和虛擬機(jī)，使得上層的應(yīng)用程序能在一定程度脫離下層的硬件和操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件則提供用戶(hù)直接使用的功能，滿(mǎn)足用戶(hù)需求。從提供功能的層次來(lái)看，操作系統(tǒng)提供底層API（應(yīng)用程序編程接口），中間件提供高層API，而應(yīng)用程序提供與用戶(hù)交互的接口。在某些軟件結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用程序可以跳過(guò)中間件，而直接調(diào)用部分底層API來(lái)使用操作系統(tǒng)提供的底層服務(wù)。以Google公司主導(dǎo)的Android智能終端軟件平臺(tái)為例，在操作系統(tǒng)層次上為L(zhǎng)inux。在中間件層次上還可以細(xì)分為兩層，下層為函數(shù)庫(kù)和Dalvik虛擬機(jī)，上層為應(yīng)用程序框架，通過(guò)該框架，可以使某個(gè)應(yīng)用發(fā)布的服務(wù)能為其它應(yīng)用所使用。最上層的應(yīng)用程序使用下層提供的服務(wù)，來(lái)最終為用戶(hù)提供應(yīng)用功能。4.1.3智能終端2.智能終端的硬件系統(tǒng)智能終端硬件系統(tǒng)以主處理器內(nèi)核為核心，可分為3個(gè)層次來(lái)進(jìn)行描述，分別是主處理器內(nèi)核，SoC（片上系統(tǒng)）級(jí)設(shè)備，板級(jí)設(shè)備。主處理器內(nèi)核與SoC級(jí)設(shè)備使用片內(nèi)總線互連，板級(jí)設(shè)備則一般通過(guò)SoC級(jí)設(shè)備與系統(tǒng)連接。CPU和內(nèi)部總線構(gòu)成了一個(gè)一般的計(jì)算機(jī)處理器內(nèi)核，提供核心的運(yùn)算和控制功能?？紤]到系統(tǒng)的成本和可靠性，一般而言會(huì)把一些常用的設(shè)備和處理器內(nèi)核集成在一個(gè)芯片上，例如Flash控制器，Mobile

DDR控制器，UART（通用異步收發(fā)器）控制器，存儲(chǔ)卡控制器，LCD（液晶顯示器）控制器等等。板級(jí)設(shè)備一般通過(guò)通信接口與主CPU連接，通常是一些功能獨(dú)立的處理單元（如移動(dòng)通信處理單元，GPS接收器）或者交互設(shè)備（如LCD顯示屏，鍵盤(pán)等）。4.1.3智能終端板級(jí)設(shè)備是不與處理器內(nèi)核在同一芯片上的其它設(shè)備，稱(chēng)其為板級(jí)設(shè)備，主要是從與主處理器內(nèi)核關(guān)系的角度出發(fā)的，從架構(gòu)上看，其本身可能也是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，例如GPS接收器里也集成了ARM內(nèi)核來(lái)通過(guò)接收的衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算當(dāng)前的位置。板級(jí)設(shè)備通常使用數(shù)據(jù)接口與主處理器連接，例如，GPS接收器一般使用UART接口與主處理器交換數(shù)據(jù)。板級(jí)設(shè)備非常豐富，主要有以下幾類(lèi)：存儲(chǔ)類(lèi)：如內(nèi)存芯片、Flash芯片等。移動(dòng)通信處理部分：移動(dòng)通信處理部分主要提供對(duì)移動(dòng)通信的支持，包括基帶處理芯片和射頻芯片?；鶐幚硇酒脕?lái)合成即將發(fā)射的基帶信號(hào)，或?qū)邮盏降幕鶐盘?hào)進(jìn)行解碼，一般是微處理器+數(shù)字信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)，使用UART接口與主處理器相連接。射頻芯片則負(fù)

責(zé)發(fā)送和接受基帶信號(hào)。通信接口類(lèi)：如藍(lán)牙控制器，紅外控制器，WiFi網(wǎng)卡等。交互類(lèi)：如揚(yáng)聲器，麥克風(fēng)，鍵盤(pán)，LCD顯示屏等。傳感器類(lèi)：如攝像頭，加速度傳感器，GPS等。4.1.3智能終端3.智能終端的發(fā)展趨勢(shì)1）智能設(shè)備形式多樣化，向更多行業(yè)滲透隨著移動(dòng)芯片技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)的快速進(jìn)步以及操作系統(tǒng)向車(chē)載系統(tǒng)、企業(yè)/行業(yè)平板、可穿戴設(shè)備、M2M（機(jī)器與機(jī)器）設(shè)備、智能機(jī)器人、電子書(shū)等的擴(kuò)展，智能終端的行業(yè)范圍和規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，相關(guān)技術(shù)和市場(chǎng)將獲得更大發(fā)展空間。同時(shí)，更多的行業(yè)將進(jìn)入智能化升級(jí)階段，通過(guò)移動(dòng)智能終端和云計(jì)算，家庭、企業(yè)、物流、能源、服務(wù)之間將實(shí)現(xiàn)信息交換和共享，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效率。可穿戴的智能設(shè)備、智能汽車(chē)等將深刻影響人們的生活方式，相關(guān)行業(yè)也將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。4.1.3智能終端2）從智能終端到智能硬件和機(jī)器智能，開(kāi)啟智能化時(shí)代智能化浪潮正由智能終端向智能硬件和機(jī)器智能發(fā)展，一個(gè)智能化新時(shí)代即將開(kāi)啟。智能手機(jī)的爆發(fā)式增長(zhǎng)已經(jīng)過(guò)去，將逐步邁入結(jié)構(gòu)調(diào)整期。而同時(shí)，可穿戴設(shè)備等泛智能終端正在改變?nèi)藱C(jī)協(xié)同方式，成為下一個(gè)市場(chǎng)爆發(fā)點(diǎn)。未來(lái)，智能終端在新工業(yè)革命的大背景下，將加速向制造業(yè)等傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展，無(wú)所不在并且彼此互聯(lián)的智能終端將推動(dòng)基礎(chǔ)工業(yè)機(jī)器的智能化。智能終端作為最終下沉至用戶(hù)端的主要連接硬件，正成為構(gòu)建智能制造體系的重要入口。在未來(lái)，將會(huì)有更多的行業(yè)憑借配套的智能終端產(chǎn)品徹底改變自身的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式，有效提高生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效率，減少運(yùn)行成本，提升用戶(hù)體驗(yàn)。以智能終端為切入點(diǎn)，構(gòu)建垂直細(xì)分領(lǐng)域的智能制造產(chǎn)業(yè)體系，將機(jī)器、服務(wù)、人、產(chǎn)品連接起來(lái)，是制造業(yè)企業(yè)下一步的重要發(fā)展方向。4.2工業(yè)識(shí)別工業(yè)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)智能制造技術(shù)的基礎(chǔ)。未來(lái)的智能工廠將實(shí)現(xiàn)高度互聯(lián)與集成，而編碼與識(shí)別技術(shù)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、信息集成與共享的基礎(chǔ)。工業(yè)識(shí)別技術(shù)能夠?yàn)樯a(chǎn)、物流過(guò)程實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的信息，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造。4.2.1機(jī)器視覺(jué)技術(shù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)功能，也就是用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀的三維世界的識(shí)別。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的感受部分是視網(wǎng)膜，它是一個(gè)三維采樣系統(tǒng)，三維物體的可見(jiàn)部分投影到視網(wǎng)膜上，人們按照投影到視網(wǎng)膜上的二維的像來(lái)對(duì)該物體進(jìn)行三維理解(對(duì)被觀察對(duì)象的形狀、尺寸、離開(kāi)觀察點(diǎn)的距離、質(zhì)地和運(yùn)動(dòng)特征等的理解)。1.機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、圖像的輸出或顯示。圖像的獲取實(shí)際上是將被測(cè)物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)處理的一系列數(shù)據(jù)，它主要由三部分組成：照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機(jī)輸出信號(hào)。視覺(jué)信息的處理主要依賴(lài)于圖像處理技術(shù)，它包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過(guò)這些處理后，輸

出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的提升，既改善了圖像的視覺(jué)效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要是利用顏色、形狀等信息來(lái)識(shí)別環(huán)境目標(biāo)。以機(jī)器人對(duì)顏色的識(shí)別為例：當(dāng)攝像頭獲得彩色圖像以后，機(jī)器人上的嵌入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化，將像素根據(jù)顏色分成兩部分：感興趣的像素(搜索的目標(biāo)顏色)和不感興趣的像素(背景顏色)。然后，對(duì)這些感興趣的像素進(jìn)行RGB顏色分量的匹配。4.2.1機(jī)器視覺(jué)技術(shù)2.機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，已日臻成熟，成為現(xiàn)代加工制造業(yè)不可或缺的部分，廣泛應(yīng)用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金屬加工、電子制造、包裝、汽車(chē)制造等行業(yè)的各個(gè)方面。在流水化作業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方面，有時(shí)需要由工作人員觀察、識(shí)別、發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的錯(cuò)誤和疏漏。若引入機(jī)器視覺(jué)取代傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法，能極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的良品率。同時(shí)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還能在檢測(cè)超標(biāo)準(zhǔn)煙塵及污水排放等方面發(fā)揮作用。利用機(jī)器視覺(jué)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)房及生產(chǎn)車(chē)間的火災(zāi)、煙霧等異常情況。利用機(jī)器視覺(jué)中的面相檢測(cè)和人臉識(shí)別技術(shù)，可以幫助企業(yè)加強(qiáng)出入口的控制和管理，提高管理水平，降低管理成本。近年來(lái)新興行業(yè)的發(fā)展，也為機(jī)器視覺(jué)拓展了新的市場(chǎng)空間。4.2.1機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在太陽(yáng)能領(lǐng)域太陽(yáng)能電池和模塊生產(chǎn)者可以使用機(jī)器視覺(jué)，裝配、檢測(cè)、識(shí)別和跟蹤產(chǎn)品。在交通監(jiān)控領(lǐng)域可以利用車(chē)牌識(shí)別技術(shù)，發(fā)現(xiàn)違章停車(chē)、逆行、交通肇事車(chē)輛等。3）自然災(zāi)害領(lǐng)域在對(duì)地震、山體滑坡、泥石流、火山噴發(fā)的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、防范，以及對(duì)河流水文狀況的監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)都有巨大應(yīng)用空間等待發(fā)掘。3）在工業(yè)領(lǐng)域根據(jù)檢測(cè)性質(zhì)和應(yīng)用范圍，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用分為定量和定性檢測(cè)兩大類(lèi)，每類(lèi)又分為不同的子類(lèi)。在工業(yè)在線檢測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)都十分活躍，如：印刷電路板的視覺(jué)檢查、鋼板表面的自動(dòng)探傷、大型工件平行度和垂直度測(cè)量、容器容積或雜質(zhì)檢測(cè)、機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別分類(lèi)和幾何尺寸測(cè)量等。此外，許多場(chǎng)合使用其它方法難以完成檢測(cè)任務(wù)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)則可出色勝任。機(jī)器視覺(jué)正越來(lái)越多地在工業(yè)領(lǐng)域代替人類(lèi)視覺(jué)，這無(wú)疑很大程度上提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和檢測(cè)系統(tǒng)的智能水平。4.2.1機(jī)器視覺(jué)技術(shù)3.智能工廠對(duì)機(jī)器視覺(jué)的需求機(jī)器視覺(jué)在智能工廠中扮演著重要的角色，可以有效增加產(chǎn)能、提高產(chǎn)品合格率。在選擇小型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，傳統(tǒng)工業(yè)智能相機(jī)的優(yōu)勢(shì)是體積小、集成度高、便于開(kāi)發(fā)使用；嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)則在于配置相當(dāng)有彈性，可配備較高等級(jí)的CPU處理器，支持多通道相機(jī)，并具備高擴(kuò)展性。在選用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮以下因素：1）處理器計(jì)算性能在機(jī)器視覺(jué)圖像采集與分析的過(guò)程中，處理器的計(jì)算能力至關(guān)重要。圖像數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)后，必須通過(guò)系統(tǒng)處理器進(jìn)行計(jì)算與圖像質(zhì)量?jī)?yōu)化，因?yàn)槭芟抻贑PU計(jì)算資源，能夠處理的圖像數(shù)據(jù)量也會(huì)受到限制。然而，若能通過(guò)FPGA的支持，將圖像的矩陣計(jì)算在交給CPU計(jì)算之前做好過(guò)濾以及優(yōu)化處理，則可大幅加速圖像處理的性能，降低CPU負(fù)擔(dān)，一方面，可以把系統(tǒng)資源留給機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心—圖像算法，另一方面，還可更實(shí)時(shí)的處理大數(shù)據(jù)量的圖像，讓高速及復(fù)雜的圖像處理與分析得以實(shí)現(xiàn)。4.2.1機(jī)器視覺(jué)技術(shù)圖像傳感器的優(yōu)劣圖像傳感器是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的靈魂，直接影響著圖像的質(zhì)量。如果要將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用在高端高速的檢測(cè)應(yīng)用上，那么傳感器的質(zhì)量和尺寸，就會(huì)成為選用系統(tǒng)時(shí)必須考慮的要點(diǎn)。生產(chǎn)線環(huán)境工廠的環(huán)境通常是較為惡劣的，例如在飲料生產(chǎn)的包裝線，系統(tǒng)可能會(huì)直接接觸到液體。而在工具機(jī)加工的環(huán)境中，則是充滿(mǎn)切削工件的惡劣環(huán)境。如果機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要就近配置在嚴(yán)苛的生產(chǎn)線環(huán)境中，則應(yīng)根據(jù)需求，確定是否選用具備防水、防塵能力的產(chǎn)品。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件解決方案開(kāi)發(fā)的難易度與整合度的高低，是所有導(dǎo)入智能化系統(tǒng)的工程人員心中的一大擔(dān)憂(yōu)，也往往是決定項(xiàng)目成敗的最重要因素。如何縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本是關(guān)鍵。4.2.1機(jī)器視覺(jué)技術(shù)由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，易于自動(dòng)處理也便于集成設(shè)計(jì)信息和加工控制信息，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法則可大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度；而在一些不適合人工作業(yè)的危險(xiǎn)環(huán)境，或者人工視覺(jué)難以滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，也常用機(jī)器視覺(jué)替代人工視覺(jué)。傳統(tǒng)制造業(yè)的顛覆性轉(zhuǎn)型升級(jí)，將給中國(guó)自動(dòng)化行業(yè)帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。而機(jī)器視覺(jué)作為自動(dòng)化領(lǐng)域的高智能產(chǎn)品，未來(lái)將具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?.2.2射頻識(shí)別技術(shù)射頻識(shí)別（Radio

Frequency

Identification，RFID）技術(shù)，是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。在RFID系統(tǒng)中，識(shí)別信息存放在電子數(shù)據(jù)載體中，電子數(shù)據(jù)載體稱(chēng)為應(yīng)答器，應(yīng)答器中存放的識(shí)別信息由閱讀器讀寫(xiě)。目前，射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是各類(lèi)RFID標(biāo)簽和卡的讀寫(xiě)和管理。1.射頻識(shí)別技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)RFID標(biāo)準(zhǔn)有很多，分層次來(lái)看，主要有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是各國(guó)根據(jù)自身國(guó)情制定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定的主管部門(mén)是工業(yè)和信息化部與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，RFID的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正在制定中。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，典型一例是由國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì)（EAN）和美國(guó)統(tǒng)一代碼委員會(huì)（UCC）制定的EPC標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用與物品識(shí)別。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)說(shuō)明技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

10536密耦合非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

14443近耦合非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

15693疏耦合非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

18000基于貨物管理的RFID空中接口參數(shù)ISO/IEC

18000-1空中接口一般參數(shù)ISO/IEC

18000-2低于135kHz頻率的空中接口參數(shù)ISO/IEC

18000-313.56MHz頻率下的空中接口參數(shù)ISO/IEC

18000-42.45GHz頻率下的空中接口參數(shù)ISO/IEC

18000-6860-930MHz的空中接口參數(shù)ISO/IEC

18000-7433MHz頻率下的空中接口參數(shù)數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

15424數(shù)據(jù)載體/特征識(shí)別符ISO/IEC

15418EAN、UCC應(yīng)用標(biāo)識(shí)符及ASC

MH10數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符ISO/IEC

15434大容量ADC媒體用的傳送語(yǔ)法ISO/IEC

15459物品管理的唯一識(shí)別號(hào)（UID）ISO/IEC

15961數(shù)據(jù)協(xié)議：應(yīng)用接口ISO/IEC

15962數(shù)據(jù)編碼規(guī)則和邏輯存儲(chǔ)功能的協(xié)議ISO/IEC

15963射頻標(biāo)簽（應(yīng)答器）的唯一標(biāo)識(shí)性能標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

18046RFID設(shè)備性能測(cè)試方法ISO/IEC

18047有源和無(wú)源的RFID設(shè)備一致性測(cè)試方法ISO/IEC

10373-6按ISO/IEC

14443標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非接觸式IC卡進(jìn)行測(cè)試的方法應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

10374貨運(yùn)集裝箱標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

18185貨運(yùn)集裝箱密封標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC

11784動(dòng)物RFID的代碼結(jié)構(gòu)ISO/IEC

11785動(dòng)物RFID的技術(shù)準(zhǔn)則ISO/IEC

14223動(dòng)物追蹤的直接識(shí)別數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC制定的RFID標(biāo)準(zhǔn)可以分為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、性能標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)4類(lèi)，如表4-1所示。表4-1

RFID標(biāo)準(zhǔn)4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)2.射頻識(shí)別技術(shù)的特征射頻識(shí)別作為一種特殊的識(shí)別技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的條碼、插入式IC卡和生物（例如指紋）識(shí)別技術(shù)，具有下述特征：通過(guò)電磁耦合方式實(shí)現(xiàn)的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。需要利用無(wú)線電頻率資源，并且須遵守?zé)o線電頻率使用的眾多規(guī)范。由于存放的識(shí)別信息是數(shù)字化的，因此通過(guò)編碼技術(shù)可以方便實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用?？梢苑奖愕剡M(jìn)行組合建網(wǎng)，以完成多規(guī)模的系統(tǒng)應(yīng)用。涉及計(jì)算機(jī)、無(wú)線數(shù)字通信、集成電路、電磁場(chǎng)等眾多學(xué)科。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)3.射頻識(shí)別技術(shù)的基本原理在RFID系統(tǒng)中，射頻識(shí)別部分主要由閱讀器和應(yīng)答器兩部分組成，閱讀器與應(yīng)答器之間的通信采用無(wú)線的射頻方式進(jìn)行耦合。在實(shí)踐中，由于對(duì)距離、速率及應(yīng)用的要求不同，需要的射頻性能也不盡相同，所以射頻識(shí)別涉及的無(wú)線電頻率范圍也很廣。射頻識(shí)別過(guò)程在閱讀器和應(yīng)答器之間以無(wú)線射頻的方式進(jìn)行，其識(shí)別過(guò)程基本原理如圖4-9所示4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)閱讀器和應(yīng)答器之間的交互主要靠能量、時(shí)序和數(shù)據(jù)三個(gè)方面來(lái)完成：閱讀器產(chǎn)生射頻載波為應(yīng)答器提供工作所需能量。閱讀器與應(yīng)答器之間的信息交互通常采用詢(xún)問(wèn)-應(yīng)答的方式進(jìn)行，所以必須有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，該時(shí)序也由閱讀器提供。閱讀器與應(yīng)答器之間可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，閱讀器給應(yīng)答器的命令和數(shù)據(jù)通常采用載波間隙、脈沖位置調(diào)制、編碼解調(diào)等方法實(shí)現(xiàn)傳送。應(yīng)答器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息采用對(duì)載波的負(fù)載調(diào)制方式向閱讀器傳送。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)4.射頻識(shí)別技術(shù)的工作頻率在無(wú)線電技術(shù)中，不同的頻段有不同的特點(diǎn)和技術(shù)。實(shí)踐中不同頻段的RFID實(shí)現(xiàn)技術(shù)差異很大。從這一角度而言，RFID技術(shù)的空中接口幾乎覆蓋了無(wú)線電技術(shù)的全頻段，具體如下：低頻高頻超高頻微波工作頻率125-134KHz13.56MHz433MHz868~915MHz2.45GHz5.8GHz讀取距離<60cm0~60cm1m~100m1m~100m速度慢快快很快方向性無(wú)無(wú)部分有有現(xiàn)有的ISO標(biāo)準(zhǔn)11784/85，1422314443/15693EPC

C0,C1,C2,G218000-4主要應(yīng)用范圍進(jìn)出管理、固定設(shè)備管理圖書(shū)館、產(chǎn)品跟蹤、公交消費(fèi)貨架、卡車(chē)、拖車(chē)跟蹤收費(fèi)站、集裝箱表4-2

RFID主要頻段標(biāo)準(zhǔn)及特性4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)5.耦合方式根據(jù)射頻耦合方式的不同，RFID可以分為電感耦合（磁耦合）和反向散射耦合（電磁場(chǎng)耦合）兩大類(lèi)。1）電感耦合電感耦合也叫做磁耦合，是閱讀器和應(yīng)答器之間通過(guò)磁場(chǎng)（類(lèi)似變壓器）的耦合方式進(jìn)行射頻耦合，能量（電源）由閱讀器通過(guò)載波提供。由于閱讀器產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度受到電磁兼容性能的有關(guān)限制，因此一般工作距離都比較近。高頻和低頻RFID主要采用電感耦合的方式，即頻率為13.56MHz和小于135kHz。工作距離一般在1米以?xún)?nèi)，其耦合方式結(jié)構(gòu)框圖如圖4-10所示圖4-10電感耦合的電路結(jié)構(gòu)4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)電感耦合的RFID系統(tǒng)中，閱讀器與應(yīng)答器之間耦合工作原理如下所述：閱讀器通過(guò)諧振在閱讀器天線上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，當(dāng)在一定距離內(nèi)，部分磁力線會(huì)穿過(guò)應(yīng)答器天線，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)耦合。由于在電感耦合的RFID系統(tǒng)中所用的電磁波長(zhǎng)（低頻135kHz波長(zhǎng)為2400米，高頻13.56MHz為22.1米）比兩個(gè)天線之間的距離大很多，所以?xún)删€圈間的電磁場(chǎng)可以當(dāng)做簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)。穿過(guò)應(yīng)答器天線的磁場(chǎng)通過(guò)感應(yīng)會(huì)在應(yīng)答器天線上產(chǎn)生一個(gè)電壓，經(jīng)過(guò)VD的整流和對(duì)C2充電、穩(wěn)壓后，電量保存在C2中，同時(shí)C2上產(chǎn)生應(yīng)答器工作所需要的電壓。閱讀器天線和應(yīng)答器天線也可以看做一個(gè)變壓器的初、次級(jí)線圈，只不過(guò)它們之間的耦合很弱。因?yàn)殡姼旭詈舷到y(tǒng)的效率不高，所以這種方式主要適用于小電流電路，應(yīng)答器的功耗大小對(duì)工作距離有很大影響。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)在電感耦合方式下，應(yīng)答器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸采用負(fù)載調(diào)制的方法，其原理如圖4-11所示。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)上圖中所示為電阻負(fù)載調(diào)制，本質(zhì)是一種振幅調(diào)制（也稱(chēng)為調(diào)幅AM），以調(diào)節(jié)接入電阻R的大小可改變調(diào)制度的大小。實(shí)踐中，常通過(guò)接通或斷開(kāi)接入電阻R來(lái)實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制的振幅調(diào)制。其工作步驟如下：如果在應(yīng)答器中以二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制開(kāi)關(guān)S，則應(yīng)答器線圈上的負(fù)載電阻R按二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)的高低電平變化而接通和斷開(kāi)。負(fù)載的變化通過(guò)應(yīng)答器天線到閱讀器天線進(jìn)而產(chǎn)生相同規(guī)律變化的信號(hào)。即變壓器的次級(jí)線圈的電流變化，會(huì)影響到初級(jí)的電流變化。

在該變化反饋到閱讀器天線（相當(dāng)于變壓器初級(jí)）后，通過(guò)解調(diào)、濾波放大電路，恢復(fù)為應(yīng)答器端控制開(kāi)關(guān)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)。經(jīng)過(guò)解碼后就可以獲得存儲(chǔ)在應(yīng)答器中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而可以進(jìn)行下一步處理。這樣，二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息就從應(yīng)答器傳到了閱讀器。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)2）反向散射耦合反向散射耦合也稱(chēng)電磁場(chǎng)耦合，其理論和應(yīng)用基礎(chǔ)來(lái)自雷達(dá)技術(shù)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)（物體）時(shí)，其能量的一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度被散射到各個(gè)方向。在散射的能量中，一小部分反射回了發(fā)射天線，并被該天線接收（發(fā)射天線也是接收天線），對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大和處理，即可獲取目標(biāo)的有關(guān)信息。一個(gè)目標(biāo)反射電磁波的效率由反射橫截面來(lái)衡量。反射橫截面的大小與一系列參數(shù)有關(guān)，如目標(biāo)大小、形狀和材料、電磁波的波長(zhǎng)和極化方向等。由于目標(biāo)的反射性能通常隨頻率的升高而增強(qiáng)，所以反向散射耦合方式通常采用在超高頻（包括UHF和SHF）RFID系統(tǒng)中，應(yīng)答器和閱讀器的距離大于1米。反向散射耦合的原理框圖如圖4-12所示。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)反向散射耦合的RFID系統(tǒng)中，閱讀器與應(yīng)答器之間耦合工作原理如下所述：閱讀器通過(guò)閱讀器天線發(fā)射載波，其中一部分被應(yīng)答器天線反射回閱讀器天線。應(yīng)答器天線的反射性能受連接到天線的負(fù)載變化影響，因此同樣可以采用電阻負(fù)載調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)反射的調(diào)制。閱讀器天線收到攜帶有調(diào)制信號(hào)的反射波后，經(jīng)收發(fā)耦合、濾波放大后經(jīng)解碼電路獲得應(yīng)答器發(fā)回的信息。采用反向散射耦合方式的應(yīng)答器按照能量的供給方式分為有無(wú)源和有源兩種。無(wú)源應(yīng)答器的能量由閱讀器通過(guò)天線提供。但是在UHF和SHF頻率范圍，有關(guān)電磁兼容的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閱讀器所能發(fā)射的最大功率有嚴(yán)格的限制，因此在有些應(yīng)用中，應(yīng)答器采用完全無(wú)源方式會(huì)有一定困難。應(yīng)答器上安裝附加電池成為有源應(yīng)答器。當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入閱讀器的作用范圍時(shí)，應(yīng)答器由獲得的射頻功率激活，進(jìn)入工作狀態(tài)。為防止電池不必要的消耗，應(yīng)答器平時(shí)處于低功耗模式。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)6.射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成RFID系統(tǒng)由閱讀器、應(yīng)答器和高層等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)最簡(jiǎn)單的應(yīng)用系統(tǒng)只有一個(gè)閱讀器，它一次對(duì)一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行操作，例如公交汽車(chē)上的刷卡系統(tǒng)。較復(fù)雜的應(yīng)用需要一個(gè)閱讀器可同時(shí)對(duì)多個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行操作，要具有防碰撞（也稱(chēng)防沖突）的能力。更復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)要解決閱讀器的高層處理問(wèn)題，包括多閱讀器的網(wǎng)絡(luò)連接等。

1）高層對(duì)于由多閱讀器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的信息系統(tǒng)，高層是必不可少的。例如采用RFID門(mén)票的世博會(huì)票務(wù)系統(tǒng)。需要在高層將多個(gè)閱讀器獲取的數(shù)據(jù)有效的整合起來(lái)，提供查詢(xún)、歷史檔案等相關(guān)管理和服務(wù)。更進(jìn)一步，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的加工、分析和挖掘，為正確決策提供依據(jù)。這就是常說(shuō)的信息管理系統(tǒng)和決策系統(tǒng)。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)最簡(jiǎn)單的應(yīng)用系統(tǒng)只有一個(gè)閱讀器，它一次對(duì)一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行操作，例如公交汽車(chē)上的刷卡系統(tǒng)。較復(fù)雜的應(yīng)用需要一個(gè)閱讀器可同時(shí)對(duì)多個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行操作，要具有防碰撞（也稱(chēng)防沖突）的能力。更復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)要解決閱讀器的高層處理問(wèn)題，包括多閱讀器的網(wǎng)絡(luò)連接等。高層對(duì)于由多閱讀器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的信息系統(tǒng)，高層是必不可少的。例如采用RFID門(mén)票的世博會(huì)票務(wù)系統(tǒng)。需要在高層將多個(gè)閱讀器獲取的數(shù)據(jù)有效的整合起來(lái)，提供查詢(xún)、歷史檔案等相關(guān)管理和服務(wù)。更進(jìn)一步，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的加工、分析和挖掘，為正確決策提供依據(jù)。這就是常說(shuō)的信息管理系統(tǒng)和決策系統(tǒng)。閱讀器閱讀器在具體應(yīng)用中常稱(chēng)為讀寫(xiě)器（這兩種名稱(chēng)本書(shū)將不加區(qū)別），是對(duì)應(yīng)答器提供能量、進(jìn)行讀寫(xiě)操作的設(shè)備。雖然因頻率范圍、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸方法的不同，各種閱讀器在某些方面會(huì)有很大的差異，但閱讀器通常具有一些相同的功能如下：以射頻方式向應(yīng)答器傳輸能量。讀寫(xiě)應(yīng)答器的相關(guān)數(shù)據(jù)。完成對(duì)讀取數(shù)據(jù)的信息處理并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用操作。若有需要，應(yīng)能和高層處理交互信息。閱讀器的頻率決定了RFID系統(tǒng)工作的頻段，其功率決定了射頻識(shí)別的有效距離。閱讀器根據(jù)使用的技術(shù)不同可以是讀或者讀/寫(xiě)裝置，它是RFID系統(tǒng)信息控制和處理的中心。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)3）應(yīng)答器從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，RFID的核心在應(yīng)答器，閱讀器是根據(jù)應(yīng)答器的性能而設(shè)計(jì)的。但是由于封裝工藝等問(wèn)題，應(yīng)答器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)通常由專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)廠商和封裝廠商完成，普通用戶(hù)沒(méi)有能力也無(wú)法接觸到這一領(lǐng)域。目前應(yīng)答器趨向微型化和高集成度，關(guān)鍵技術(shù)在于材料、封裝和生產(chǎn)工藝，重點(diǎn)突出應(yīng)用而非設(shè)計(jì)。應(yīng)答器按照電源形式可以分為如下兩種類(lèi)型：有源應(yīng)答器，使用電池或其他電源供電，不需要閱讀器提供能量。通?？块喿x器喚醒，然后切換至自身提供能量。無(wú)源應(yīng)答器，沒(méi)有電池供電，完全靠閱讀器提供能量。應(yīng)答器按照工作頻率范圍可分為如下三種類(lèi)型：低頻應(yīng)答器，低于135kHz。高頻應(yīng)答器，13.56MHz±7kHz。超高頻應(yīng)答器，工作頻率為433MHz，866~960MHz、2.45GHz和5.8GHz（雖然屬于SHF，但由于性能的相似性，通常將其歸為超高頻應(yīng)答器范圍）。應(yīng)答器在某些應(yīng)用場(chǎng)合也叫做射頻卡、標(biāo)簽等，但從本質(zhì)而言都可統(tǒng)稱(chēng)為應(yīng)答器。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)7.射頻識(shí)別技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用將RFID技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合，可有效提升制造效率、制造品質(zhì)和企業(yè)管理水平。在制造過(guò)程中，應(yīng)用RFID技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)化，彌補(bǔ)企業(yè)計(jì)劃層與控制層之間的“信息斷層”，及時(shí)掌握生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)。有效跟蹤、管理和控制生產(chǎn)所需資源和在制品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的透明化和可視化管理。加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)物料配送的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，降低裝配差錯(cuò)率；加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控和跟蹤能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線整體生產(chǎn)效率。借助RFID技術(shù)在識(shí)別、感知、聯(lián)網(wǎng)、定位等方面的強(qiáng)大功能，將其應(yīng)用于復(fù)雜零件制造過(guò)程管理，可有效提升其制造效率和品質(zhì)。RFID技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：1）RFID技術(shù)的數(shù)字化車(chē)間RFID在數(shù)字化車(chē)間中的應(yīng)用主要包括產(chǎn)品管理、設(shè)備智能維護(hù)、車(chē)間混流制造。采用RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與主機(jī)之間的信息交互、產(chǎn)品的可視化跟蹤管理、元器件壽命定量監(jiān)控與預(yù)測(cè)。此外，可通過(guò)集成RFID技術(shù)的智能傳感器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備關(guān)鍵部位運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備性能特征的在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、設(shè)備早期故障診斷與專(zhuān)家支持；可通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與MES等系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)工藝路線、加工裝備、加工程序等智能選擇、加工/裝配狀態(tài)可視化跟蹤以及生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。4.2.2射頻識(shí)別技術(shù)基于RFID技術(shù)的智能產(chǎn)品全生命周期管理智能化是機(jī)電產(chǎn)品的未來(lái)發(fā)展的重要方向和趨勢(shì)，產(chǎn)品智能化的關(guān)鍵之一，在于如何實(shí)現(xiàn)其全生命周期信息的快速獲取和共享。RFID技術(shù)與傳感器技術(shù)的有效集成能實(shí)時(shí)、高效地獲取產(chǎn)品在加工、裝配、服役等階段狀態(tài)信息，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸使生產(chǎn)商及時(shí)掌握所生產(chǎn)的產(chǎn)品全生命周期的工況信息，為制造企業(yè)后臺(tái)服務(wù)支撐、遠(yuǎn)程指令下達(dá)以及用戶(hù)的個(gè)性化設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有力的數(shù)據(jù)支持。目前，這一技術(shù)已經(jīng)在工程機(jī)械、智能家電等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景?；赗FID技術(shù)的制造物流智能化將RFID系統(tǒng)與制造企業(yè)自動(dòng)出入庫(kù)系統(tǒng)集成，可實(shí)現(xiàn)在制品和貨品出入庫(kù)自動(dòng)化與貨品批量識(shí)別。另外，RFID技術(shù)和GPS技術(shù)的集成，可以實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)在制品精確定位，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)物流信息共享與產(chǎn)品全程監(jiān)控，從而優(yōu)化企業(yè)采購(gòu)過(guò)程。將智能物流系統(tǒng)與企業(yè)ERP（企業(yè)管理軟件）、MES（生產(chǎn)執(zhí)行系

統(tǒng)）系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接，可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)訂單并減低產(chǎn)品庫(kù)存，提升制造企業(yè)在制品物流管理的智能化水平。目前，RFID技術(shù)已經(jīng)在車(chē)間物流管理、供應(yīng)鏈管理以及物流園管理中得到成功應(yīng)用，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用到制造企業(yè)全物流管理系統(tǒng)中。將RFID技術(shù)應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域，將促進(jìn)智能制造技術(shù)的發(fā)展，拓展智能制造的

研究領(lǐng)域，加快智能制造領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，逐步減少高品質(zhì)產(chǎn)品制造對(duì)專(zhuān)家的依

賴(lài)性，徹底改變現(xiàn)有生產(chǎn)方式和制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局。4.2.3工廠物聯(lián)網(wǎng)工廠物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造企業(yè)或智能工廠中的應(yīng)用，它指通過(guò)傳感器技術(shù)、標(biāo)識(shí)識(shí)別技術(shù)、圖像視頻技術(shù)、定位技術(shù)等感知技術(shù)，實(shí)時(shí)感知企業(yè)或工廠中需

要監(jiān)控、連接和互動(dòng)的裝備，并構(gòu)建企業(yè)辦公室的信息化系統(tǒng)，打通辦公信息化

系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的直接聯(lián)系。工廠物聯(lián)網(wǎng)從下至上由三個(gè)層次構(gòu)成，包括感知控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。生產(chǎn)指標(biāo)由企業(yè)信息化系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層自動(dòng)下達(dá)至機(jī)器的執(zhí)行系統(tǒng)，生產(chǎn)結(jié)果由感知控制層自動(dòng)采集并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層上傳至應(yīng)用層（一般是企業(yè)信息化系統(tǒng)），并在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)智能化的自動(dòng)監(jiān)控和報(bào)警，還可在云制造平臺(tái)上對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，提高生產(chǎn)制造的智能化水平。4.2.3工廠物聯(lián)網(wǎng)1.工廠物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)集成了RFID、傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、中間件、云計(jì)算等新技術(shù)，其發(fā)展會(huì)極大地促進(jìn)各行業(yè)的信息化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的自動(dòng)化信息交互與處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)可歸納為以下幾點(diǎn)：產(chǎn)品智能化：產(chǎn)品中加入大量電子技術(shù)元素，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的智能化。例如，通過(guò)在產(chǎn)品中植入RFID芯片，記錄產(chǎn)品的靜態(tài)信息，如出廠日期、編號(hào)、產(chǎn)

品類(lèi)型等；通過(guò)在產(chǎn)品中植入智能傳感器，可記錄設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，如檢測(cè)設(shè)

備的運(yùn)行狀態(tài)等，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺(tái)信息系統(tǒng)中。實(shí)時(shí)售后服務(wù)：通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，獲取全球范圍內(nèi)產(chǎn)品運(yùn)行的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)后臺(tái)信息化系統(tǒng)的分析、處理、反饋，實(shí)施在線售后服務(wù)，提高服務(wù)水平。過(guò)程監(jiān)控與管理：工廠可以通過(guò)以太網(wǎng)或現(xiàn)場(chǎng)總線，采集生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)施生產(chǎn)控制和設(shè)備維護(hù)，包括供需轉(zhuǎn)換、工時(shí)統(tǒng)計(jì)、部件管理、產(chǎn)品狀況質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)和設(shè)備狀況監(jiān)測(cè)與節(jié)能等。物流管理：在工廠內(nèi)外的物流設(shè)備中植入RFID，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品位置、數(shù)量、交接的管理和控制，提高物流流通效率，對(duì)特殊貯藏要求的貨品實(shí)施在線監(jiān)測(cè)與防偽，實(shí)現(xiàn)了信息在真實(shí)世界和虛擬空間之間的智能化流動(dòng)。4.2.3工廠物聯(lián)網(wǎng)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)物聯(lián)網(wǎng)與智能制造技術(shù)相結(jié)合，對(duì)智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：制造過(guò)程向全球化的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展隨著企業(yè)逐漸實(shí)現(xiàn)跨國(guó)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、營(yíng)銷(xiāo)和服務(wù)，對(duì)信息系統(tǒng)提出了支持多語(yǔ)種、多工廠、多個(gè)企業(yè)實(shí)體的開(kāi)發(fā)與管理需求，以及全球協(xié)作開(kāi)發(fā)的需求。工業(yè)發(fā)達(dá)

國(guó)家的許多企業(yè)將信息化技術(shù)綜合集成，并廣泛應(yīng)用于研發(fā)、管理、財(cái)務(wù)運(yùn)作、

營(yíng)銷(xiāo)、服務(wù)等核心業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研制、采購(gòu)、銷(xiāo)售等在全球范圍內(nèi)的協(xié)作，

在全球范圍進(jìn)行資源的優(yōu)化配置。生產(chǎn)和研發(fā)向精益化的方向發(fā)展通過(guò)整合各種產(chǎn)品生產(chǎn)、服務(wù)反饋的數(shù)據(jù)，企業(yè)把物理世界與數(shù)字世界充分關(guān)聯(lián)起來(lái)，為企業(yè)提供一種企業(yè)級(jí)的產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，使產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性有了系統(tǒng)的保障。同時(shí)，高度的信息共享，使企業(yè)可以通過(guò)優(yōu)化業(yè)務(wù)流程和資源配置，強(qiáng)化運(yùn)行細(xì)節(jié)管理和過(guò)程管理，追求持續(xù)改進(jìn)，推動(dòng)企業(yè)不斷適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)造效益的能力，達(dá)到精益管理，從而提高制造業(yè)生產(chǎn)力。制造設(shè)計(jì)從高能耗向低能高效轉(zhuǎn)變將物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與“綠色、環(huán)保、節(jié)能、低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展理念緊密結(jié)合，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)、更簡(jiǎn)單、更高效的管理，幫助企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)智能制造綠色設(shè)計(jì)和綠色制造的行業(yè)要求。4.2.3工廠物聯(lián)網(wǎng)3.工廠物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線過(guò)程檢測(cè)、實(shí)時(shí)參數(shù)采集、生產(chǎn)設(shè)備與產(chǎn)品監(jiān)控管理、材料消耗監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)，可以大幅度提高生產(chǎn)智能化水平。比如在鋼鐵行業(yè)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，企業(yè)可以在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度等參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)流程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工廠生產(chǎn)設(shè)備的融合，可對(duì)工廠在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種污染源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。把傳感器應(yīng)用到設(shè)備、油氣管道中，可以感知危險(xiǎn)環(huán)境中工作人員、設(shè)備機(jī)器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息等；還可對(duì)危險(xiǎn)物品的運(yùn)輸進(jìn)行監(jiān)控，準(zhǔn)確描述每一批運(yùn)輸物料的特征，從而追蹤到每一個(gè)貨柜或散貨中的原物料，為運(yùn)輸提供更多的安全保障；除對(duì)?；愤M(jìn)行全程跟蹤和監(jiān)控，利用RFID還可以追蹤和管理油氣資源設(shè)施間的輸送環(huán)節(jié)，提高油氣運(yùn)輸安全性；RFID亦可遠(yuǎn)程遙控油氣管道的閥門(mén)開(kāi)關(guān)，平衡油氣流動(dòng)，進(jìn)而使設(shè)備的管理更加智能化。由于經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯，物聯(lián)網(wǎng)在智能工廠中具有廣泛的應(yīng)用前景?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能工廠至少可以實(shí)現(xiàn)以下五大功能，即：電子工單、生產(chǎn)過(guò)程透明化、生產(chǎn)過(guò)程可控化、產(chǎn)能精確統(tǒng)計(jì)、車(chē)間電子看板。經(jīng)由這些功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程中資訊的視覺(jué)化，也會(huì)對(duì)生產(chǎn)管理和決策產(chǎn)生影響。4.3信息技術(shù)信息技術(shù)是用于管理和處理信息的各種技術(shù)的總稱(chēng)，它運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、安裝和實(shí)施信息系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。隨著信息化在全球的快速發(fā)展，信息技術(shù)已成為支撐當(dāng)前經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)生活的基石。信息技術(shù)代表著先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展方向，其廣泛應(yīng)用讓信息作為重要生產(chǎn)要素的作用得以發(fā)揮，使人們能更高效的進(jìn)行資源優(yōu)化配置，從而推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)，提高社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率和社會(huì)運(yùn)行效率。4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)信息技術(shù)是用于管理和處理信息的各種技術(shù)的總稱(chēng)，它運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、安裝和實(shí)施信息系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。隨著信息化在全球的快速發(fā)展，信息技術(shù)已成為支撐當(dāng)前經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和社會(huì)生活的基石。信息技術(shù)代表著先進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展方向，其廣泛應(yīng)用讓信息作為重要生產(chǎn)要素的作用得以發(fā)揮，使人們能更高效的進(jìn)行資源優(yōu)化配置，從而推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)，提高社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率和社會(huì)運(yùn)行效率。1.數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)與通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)量的暴漲成了許多行業(yè)共同面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和寶貴機(jī)遇。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代化管理理念的普及，制造業(yè)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)越來(lái)越依賴(lài)信息技術(shù)。如今，制造業(yè)整個(gè)價(jià)值鏈、制造業(yè)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，都涉及到諸多的數(shù)據(jù)。如圖4-14所示，制造業(yè)企業(yè)需要管理的數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多，涉及到大量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)：產(chǎn)品數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)、建模、工藝、加工、測(cè)試、維護(hù)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、零部件配置關(guān)系、變更記錄等。運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)：組織結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)管理、生產(chǎn)設(shè)備、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、質(zhì)量控制、生產(chǎn)、采購(gòu)、庫(kù)存、目標(biāo)計(jì)劃、電子商務(wù)等。價(jià)值鏈數(shù)據(jù)：客戶(hù)、供應(yīng)商、合作伙伴等。外部數(shù)據(jù)：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)、行業(yè)數(shù)據(jù)、市場(chǎng)數(shù)據(jù)、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?jǐn)?shù)據(jù)等。隨著大規(guī)模定制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的發(fā)展，制造業(yè)企業(yè)還需要實(shí)時(shí)從網(wǎng)上接受眾多消費(fèi)者的個(gè)性化定制數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，配置各方資源、組織生產(chǎn)并管理更多各類(lèi)有關(guān)數(shù)據(jù)。4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)2.大數(shù)據(jù)的價(jià)值大數(shù)據(jù)可能帶來(lái)的巨大價(jià)值正在被傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)認(rèn)可，它通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展，以及數(shù)據(jù)的全面感知、收集、分析和共享，為企業(yè)管理者和參與者呈現(xiàn)出看待制造業(yè)價(jià)值鏈的全新視角。工業(yè)大數(shù)據(jù)的價(jià)值具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1）實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)在智能制造體系中，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使工廠/車(chē)間的設(shè)備傳感層與控制層的數(shù)據(jù)和企業(yè)信息系統(tǒng)融合，將生產(chǎn)大數(shù)據(jù)傳送至云計(jì)算數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，形成決策并反過(guò)來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。具體而言，生產(chǎn)線、生產(chǎn)設(shè)備都將配備傳感器抓取數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)無(wú)線通信連接互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)本身進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。而生產(chǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同樣經(jīng)過(guò)快速處理、傳遞，反饋至生產(chǎn)過(guò)程中，將工廠升級(jí)成為可以管理和自適應(yīng)調(diào)整的智能網(wǎng)絡(luò)，使得工業(yè)控制和管理最優(yōu)化，最大限度利用有限資源，從而降低工業(yè)和資源的配置成本，使得生產(chǎn)過(guò)程能夠高效地進(jìn)行。4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)過(guò)去，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，其自然磨損本身會(huì)使產(chǎn)品的品質(zhì)發(fā)生一定的變化。而由于信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以通過(guò)傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，知道產(chǎn)品出了什么故障，哪里需要配件，使得生產(chǎn)過(guò)程中的這些因素能夠被精確控制，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化。因此，在一定程度上，工廠/車(chē)間的傳感器所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)直接決定了智能制造所要求的智能化設(shè)備的智能水平。此外，從生產(chǎn)能耗角度看，設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中利用傳感器集中監(jiān)控所有的生產(chǎn)流程，能夠發(fā)現(xiàn)能耗的異?；蚍逯登闆r，由此能夠在生產(chǎn)過(guò)程中不斷實(shí)時(shí)優(yōu)化能源消耗。同時(shí)，對(duì)所有流程的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也將會(huì)整體上大幅降低生產(chǎn)能耗。4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)2）實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者個(gè)性化需求，一方面需要制造業(yè)企業(yè)能夠生產(chǎn)提供符合消費(fèi)者個(gè)性偏好的產(chǎn)品或服務(wù)，另一方面需要互聯(lián)網(wǎng)提供消費(fèi)者的個(gè)性化定制需求。由于消費(fèi)者人數(shù)眾多，每個(gè)人需求不同，導(dǎo)致需求的具體信息也不同，加上需求不斷變化，就構(gòu)成了產(chǎn)品需求的大數(shù)據(jù)。消費(fèi)者與制造業(yè)企業(yè)之間的交互和交易行為也將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，挖掘和分析這些消費(fèi)者動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，能夠幫助消費(fèi)者參與到產(chǎn)品的需求分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等創(chuàng)新活動(dòng)中，為產(chǎn)品創(chuàng)新作出貢獻(xiàn)。制造業(yè)企業(yè)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而傳遞給智能設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，設(shè)備調(diào)整，原材料準(zhǔn)備等步驟，才能生產(chǎn)出符合個(gè)性化需求的定制產(chǎn)品。大數(shù)據(jù)是制造業(yè)智能化的基礎(chǔ)，其在制造業(yè)大規(guī)模定制中的應(yīng)用包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、訂單管理、智能化制造、定制平臺(tái)等。其中定制平臺(tái)是核心，定制數(shù)據(jù)達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，方能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的挖掘，可將其應(yīng)用于流行預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)匹配、時(shí)尚管理、社交應(yīng)用、營(yíng)銷(xiāo)推送等領(lǐng)域，如圖4-15所示。同時(shí)，大數(shù)據(jù)能夠幫助制造業(yè)企業(yè)提升營(yíng)銷(xiāo)的針對(duì)性，降低物流和庫(kù)存的成本，減少生產(chǎn)資源投入的風(fēng)險(xiǎn)4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，將帶來(lái)倉(cāng)儲(chǔ)、配送、銷(xiāo)售效率的大幅提升與成本的大幅下降，并將極大地減少庫(kù)存，優(yōu)化供應(yīng)鏈。同時(shí)，利用銷(xiāo)售數(shù)據(jù)、產(chǎn)品的傳感器數(shù)據(jù)和供應(yīng)商數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)等方面的大數(shù)據(jù)，制造業(yè)企業(yè)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)全球不同市場(chǎng)區(qū)域的商品需求，跟蹤庫(kù)存和銷(xiāo)售價(jià)格，從而節(jié)約大量成本。4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)3.大數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)為了獲取大數(shù)據(jù)中的有價(jià)值信息，必須選擇一種有效的方式來(lái)處理它。大數(shù)據(jù)技術(shù)一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析四個(gè)部分。1）大數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)可以是從傳感器、網(wǎng)絡(luò)社交、論壇等渠道獲得的信息，數(shù)據(jù)類(lèi)型包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)采集即是通過(guò)傳感體系、網(wǎng)絡(luò)通信體系、智能識(shí)別體系及軟硬件資源接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的海量數(shù)據(jù)的智能化識(shí)別、跟蹤、接入、傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換、監(jiān)控、初步處理和管理等。2）大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)大量數(shù)據(jù)接收完畢后，需要對(duì)多種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，將一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單一的數(shù)據(jù)類(lèi)型，并過(guò)濾掉錯(cuò)誤及無(wú)用的信息。這種在主要的處理以前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的一些處理叫做大數(shù)據(jù)預(yù)處理。大數(shù)據(jù)預(yù)處理有多種方法：數(shù)據(jù)清理，數(shù)據(jù)集成，數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)歸約。這些大數(shù)據(jù)處理技術(shù)在數(shù)據(jù)挖掘之前使用，可以提高數(shù)據(jù)挖掘模式的質(zhì)量，降低實(shí)際挖掘所需要的時(shí)間。4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)面對(duì)如此巨大的數(shù)據(jù)量，能否建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)并隨時(shí)管理和調(diào)用其中數(shù)據(jù)，成為大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的關(guān)鍵。這需要開(kāi)發(fā)新型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，如鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)、列存數(shù)據(jù)庫(kù)、圖存數(shù)據(jù)庫(kù)以及文檔數(shù)據(jù)庫(kù)等類(lèi)型，以解決海量圖文數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及應(yīng)用問(wèn)題。大數(shù)據(jù)分析大數(shù)據(jù)分析是指對(duì)規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中包括：可視化分析。不管對(duì)于數(shù)據(jù)分析專(zhuān)家還是普通用戶(hù)，數(shù)據(jù)可視化都是數(shù)據(jù)分析工具最基本的功能。數(shù)據(jù)挖掘。從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識(shí)的過(guò)程。預(yù)測(cè)性分析。根據(jù)可視化分析和數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果做出一些預(yù)測(cè)性判斷。語(yǔ)義引擎。分析語(yǔ)義中隱含的消息，并主動(dòng)地提取信息。4.3.1工業(yè)大數(shù)據(jù)4.大數(shù)據(jù)與新一代智能工廠消費(fèi)需求的個(gè)性化，要求傳統(tǒng)制造業(yè)突破現(xiàn)有的生產(chǎn)方式與制造模式，處

理和挖掘消費(fèi)需求所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)與信息。同時(shí)，非標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量的生產(chǎn)信息與數(shù)據(jù)，需要及時(shí)收集、處理和分析，用

來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。這兩方面的大數(shù)據(jù)信息流最終會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在智能設(shè)備之間傳遞，由智能設(shè)備來(lái)分析、判斷、決策、調(diào)整、控制并繼續(xù)開(kāi)展智能生產(chǎn)，生產(chǎn)出高品質(zhì)的個(gè)性化產(chǎn)品?？梢哉f(shuō)，大數(shù)據(jù)是構(gòu)成新一代智能工廠的重要技術(shù)支撐。智能工廠中的大數(shù)據(jù)，是“信息”與“物理”世界彼此交互與融合的產(chǎn)物。大數(shù)據(jù)應(yīng)用將帶來(lái)制造業(yè)企業(yè)創(chuàng)新和變革的新時(shí)代，在傳統(tǒng)的制造業(yè)生產(chǎn)管理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等感知的物理數(shù)據(jù)，形成智能制造時(shí)代的生產(chǎn)數(shù)據(jù)私有云，創(chuàng)新制造業(yè)企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、營(yíng)銷(xiāo)和管理方式，帶給企業(yè)更快的速度、更高的效率和更敏銳的洞察力。4.3.2云計(jì)算技術(shù)云計(jì)算，是利用互聯(lián)網(wǎng)將龐大且可伸縮的IT運(yùn)算能力集合起來(lái)，并作為服務(wù)提供給多個(gè)客戶(hù)的技術(shù)。云計(jì)算是新一代的IT模式，它在后端龐大計(jì)算中心的支撐下，能為用戶(hù)提供更方便的體驗(yàn)和更低廉的成本。如圖4-16示。由于在后端有規(guī)模龐大、高自動(dòng)化與高可靠性的云計(jì)算中心的存在，人們只要接入互聯(lián)網(wǎng)，就能非常方便地訪問(wèn)各種基于云的應(yīng)用和信息，免去了安裝和維護(hù)等繁瑣操作，同時(shí)，企業(yè)和個(gè)人也能以低廉的價(jià)格使用這些由云計(jì)算中心提供的服務(wù)，或者在云中直接搭建其所需的信息服務(wù)。在收費(fèi)模式上，云計(jì)算和水電等公用事業(yè)服務(wù)非常類(lèi)似，用

戶(hù)只需為其所使用的部分付費(fèi)。對(duì)云計(jì)算的使用者（主要是個(gè)人用戶(hù)和企業(yè)）來(lái)講，云計(jì)算提升了用戶(hù)體驗(yàn)，并降低了成本。4.3.2云計(jì)算技術(shù)1.云計(jì)算的架構(gòu)云計(jì)算分為服務(wù)和管理兩大部分，如圖4-17所示4.3.2云計(jì)算技術(shù)服務(wù)方面，主要以向用戶(hù)提供各種基于云的服務(wù)為主，共包含三個(gè)層次：SaaS：軟件即服務(wù)（Software

as

a

Service），這層的作用是將應(yīng)用以主要基于Web的方式提供給客戶(hù)。PaaS：平臺(tái)即服務(wù)（Platform

as

a

Service），這層的作用是將一個(gè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和部署平臺(tái)作為服務(wù)提供給用戶(hù)。IaaS：基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（Infrastructure

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Service），這層的作用是將各種底層的計(jì)算（比如虛擬機(jī)）和存儲(chǔ)等資源作為服務(wù)提供給用戶(hù)。從用戶(hù)角度而言，這三層服務(wù)之間關(guān)系是獨(dú)立的，因?yàn)樗鼈兲峁┑姆?wù)是完全不同的，而且面對(duì)的用戶(hù)也不盡相同。但從技術(shù)角度而言，云服務(wù)這三層之間有一定的依賴(lài)關(guān)系的。比如一個(gè)SaaS層的產(chǎn)品和服務(wù)不僅需要用到SaaS層本身的技術(shù)，而且還依賴(lài)PaaS層所提供的開(kāi)發(fā)和部署平臺(tái)，或者直接部署于IaaS層所提供的計(jì)算資源上，還有，PaaS層的產(chǎn)品和服務(wù)也很有可能構(gòu)建于IaaS層服務(wù)之上。管理方面，主要以云的管理層為主，其功能是確保整個(gè)云計(jì)算中心能夠安全和穩(wěn)定的運(yùn)行，并能被有效地管理。4.3.2云計(jì)算技術(shù)2.云管理層云管理層是云最核心的部分。云管理層也是前面三層云服務(wù)的基礎(chǔ)，為它們提供多種管理和維護(hù)等方面的功能和技術(shù)。如圖4-18所示，云管理層共有九個(gè)模塊，這九個(gè)模塊可分為三層，它們分別是用戶(hù)層、機(jī)制層和檢測(cè)層。4.3.2云計(jì)算技術(shù)用戶(hù)層模塊功能說(shuō)明用戶(hù)管理云方面的用戶(hù)管理主要有3種功能。其一是賬號(hào)管理，包括對(duì)用戶(hù)身份及其訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行有效地管理，還包括對(duì)用戶(hù)組的管理；其二是單點(diǎn)登錄，在多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，用戶(hù)只需要登錄一次就可以訪問(wèn)所有相互信任的應(yīng)用系統(tǒng)，這個(gè)機(jī)制可以極大地方便用戶(hù)在云服務(wù)之間進(jìn)行切換；其三是配置管理，對(duì)與用戶(hù)相關(guān)的配置信息進(jìn)行記錄、管理和跟蹤，配置信息包括虛擬機(jī)的部署、配置和應(yīng)用的設(shè)置信息等。客戶(hù)支持好的用戶(hù)體驗(yàn)對(duì)于云而言也是非常關(guān)鍵的，所以幫助用戶(hù)解決疑難問(wèn)題的客戶(hù)支持是必需的，并且需要建設(shè)一整套完善的客戶(hù)支持系統(tǒng)，以確保問(wèn)題能按照其嚴(yán)重程度或者優(yōu)先級(jí)來(lái)依次

進(jìn)行解決，而不是一視同仁。這樣，能提升客戶(hù)支持的效率和效果。計(jì)費(fèi)管理利用底層監(jiān)控系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)每個(gè)用戶(hù)所使用的資源（比如所消耗CPU的時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)帶寬等）和服務(wù)（比如調(diào)用某個(gè)付費(fèi)API的次數(shù)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，來(lái)準(zhǔn)確地向用戶(hù)索取費(fèi)用，并提供完善和詳細(xì)的報(bào)表。服務(wù)管理大多數(shù)云都在一定程度上遵守SOA（Service-OrientedArchitecture，面向服務(wù)的架構(gòu)）的設(shè)計(jì)規(guī)范。SOA的意思是將應(yīng)用不同的功能拆分為多個(gè)服務(wù)，并通過(guò)定義良好的接口和契約來(lái)將這

些服務(wù)連接起來(lái)，這樣做的好處是能使整個(gè)系統(tǒng)松耦合，從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠通過(guò)不斷演化來(lái)更好地為客戶(hù)服務(wù)。而一個(gè)普通的云也同樣由許許多多的服務(wù)組成，比如部署虛擬機(jī)的服務(wù)、啟動(dòng)或者關(guān)閉虛擬機(jī)的服務(wù)等，而管理好這些服務(wù)對(duì)于云而言是非常關(guān)鍵的。1）用戶(hù)層顧名思義，這層主要面向使用云的用戶(hù)，并通過(guò)多種功能來(lái)更好地為用戶(hù)服務(wù)，共包含四個(gè)模塊：用戶(hù)管理、客戶(hù)支持、計(jì)費(fèi)管理和服務(wù)管理。各模塊的具體功能如表4-3所示。表4-3用戶(hù)層模塊4.3.2云計(jì)算技術(shù)2）機(jī)制層這層主要提供各種用于管理云的機(jī)制。通過(guò)這些機(jī)制，能讓云計(jì)算中心內(nèi)部的管理更自動(dòng)化、更安全和更環(huán)保。和用戶(hù)層一樣，該層也包括4個(gè)模塊：運(yùn)維管理、資源管理、安全管理和容災(zāi)支持。各模塊具體功能如表4-4所示。表4-4機(jī)制層模塊機(jī)制層模塊功能說(shuō)明運(yùn)維管理云的運(yùn)行是否出色，往往取決于其運(yùn)維系統(tǒng)的強(qiáng)健和自動(dòng)化程度。而和運(yùn)維管理相關(guān)的功能主要包括三個(gè)方面：首先是自動(dòng)維護(hù)，運(yùn)維操作應(yīng)盡可能地專(zhuān)業(yè)和自動(dòng)化，從而降低云計(jì)算中心的運(yùn)維成本；其次是能源管理，它包括自動(dòng)關(guān)閉閑置的資源，根據(jù)負(fù)載來(lái)調(diào)節(jié)CPU的頻率以降低功耗并提供關(guān)于數(shù)據(jù)中心整體功耗的統(tǒng)計(jì)圖與機(jī)房溫度的分布圖等來(lái)提升能源的管理，并相應(yīng)地降低浪費(fèi)。還有就是事件監(jiān)控：它是通過(guò)對(duì)在數(shù)據(jù)中心發(fā)生的各項(xiàng)事件進(jìn)行監(jiān)控，以確保在云中發(fā)生的任何異常事件都會(huì)被管理系統(tǒng)捕捉到。資源管理資源管理模塊和物理節(jié)點(diǎn)的管理相關(guān)，比如服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，它涉及下

面這3個(gè)功能：其一是資源池，通過(guò)使用資源池這種資源抽象方法，能將具有龐大數(shù)量的物理資源集中到一個(gè)虛擬池中，以便于管理；其二是自動(dòng)部署，就是將資源從創(chuàng)建到使

用的整個(gè)流程自動(dòng)化；其三是資源調(diào)度；它將不僅能更好地利用系統(tǒng)資源，而且能自動(dòng)

調(diào)整云中資源來(lái)幫助運(yùn)行于其上的應(yīng)用更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)流量，從而起到負(fù)載均衡的作用。安全管理安全管理是對(duì)數(shù)據(jù)、應(yīng)用和賬號(hào)等IT資源采取全面保護(hù)，使其免受犯罪分子和惡意程序的侵害，并保證云基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的資源能被合法地訪問(wèn)和使用。容災(zāi)支持在容災(zāi)方面，主要涉及兩個(gè)層面：其一是數(shù)據(jù)中心級(jí)別。如果數(shù)據(jù)中心的外部環(huán)境出現(xiàn)了類(lèi)似斷電、火災(zāi)、地震或者網(wǎng)絡(luò)中斷等嚴(yán)重的事故，將很有可能導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)中心不可用，這就需要在異地建立一個(gè)備份數(shù)據(jù)中心來(lái)保證整個(gè)云服務(wù)持續(xù)運(yùn)行。這個(gè)備份數(shù)據(jù)中心會(huì)實(shí)時(shí)或者異步地與主數(shù)據(jù)中心進(jìn)行同步，當(dāng)主數(shù)據(jù)中心發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候，備份數(shù)據(jù)中心會(huì)自動(dòng)接管在主數(shù)據(jù)中心中運(yùn)行的服務(wù)；其二是物理節(jié)點(diǎn)級(jí)別。系統(tǒng)需要檢測(cè)每個(gè)物理節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，如果一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)試圖恢復(fù)它或者將其屏蔽，以確保相關(guān)云服務(wù)正常運(yùn)行。4.3.2云計(jì)算技術(shù)3）檢測(cè)層檢測(cè)層主要監(jiān)控云計(jì)算中心的方方面面，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)，以供用戶(hù)層和機(jī)制層使用。全面監(jiān)控云計(jì)算的運(yùn)行主要涉及3個(gè)層面：其一是物理資源層面，主要監(jiān)控物理資源的運(yùn)行狀況，比如CPU使用率、內(nèi)存利用率和網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率等；其二是虛擬資源層面，主要監(jiān)控虛擬機(jī)的CPU使用率和內(nèi)存利用率等；其三是應(yīng)用層面，主要記錄應(yīng)用每次請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間（Response

Time）和吞吐量（Throughput），以判斷它們是否滿(mǎn)足預(yù)先設(shè)定的SLA（Service

Level

Agreement，服務(wù)級(jí)別協(xié)議）。4.3.2云計(jì)算技術(shù)3.云計(jì)算的4種模式為適應(yīng)用戶(hù)不同的需求，云計(jì)算演變?yōu)椴煌哪Ｊ健Ｔ贜IST（NationalInstitute

of

Standards

and

Technology，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院）的名為“The

NIST

Definition

of

Cloud

Computing”的關(guān)于云計(jì)算概念的著名文檔中，共定義了云的4種模式，它們分別是：公有云、私有云、