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北邮张平:多种ICT技术耦合支撑工业4.0

作者:电子信息产业网来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2015-01-23 11:19我要评论

工业4.0的浪潮即将来临,新兴的技术将渗透到工业的各个方面。这将形成一个灵活度高,具有个性化、智能化的生产模式。工业要实现向智能方向的转型,就离不开信息通信技术的支撑。

工业4.0即是ICT和CPS的结合

“工业4.0”最终需要实现的目标是制造业向智能化的方向转型;“智能”思想是“工业4.0”的核心。“工业4.0”主要可以分为两大部分,第一部分是“智能工厂”,重点研究智能化生产系统及过程,以及网络化分布式生产设施的实现。第二部分是“智能生产”,主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。

工业4.0对于移动通信来说不是一个陌生的字眼,它与“两化融合”息息相关。在4G的发展乃至下一代移动通信5G的研究中,移动通信领域已经接触到类似的概念;而对工业4.0的实践反过来有助于移动通信自身的创新和发展。

德国学术界和产业界对“工业4.0”概念的一个比较统一的阐释是继机械化、电气化和信息技术之后,以智能制造为主导的第四次工业革命。主要是指通过信息通信技术(ICT)和信息物理系统(CPS)的结合,将制造业向智能化转型,实现集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变,最终建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务生产模式。

ICT技术,即为信息通信技术。最近几年,ICT技术飞速发展,各种新的概念、技术不断涌现,已经应用到各个领域、行业中,并发挥着巨大的作用。信息物理系统(CPS)包括智能机器、储存系统和生产设施,各个部分能够相互独立地自动交换信息、触发动作和控制。而物联网、服务网以及数据网是“工业4.0”的基础。

多个ICT技术耦合工业4.0

在推动工业4.0的发展进程中,CPS面临了各种问题,其中与信息通信技术相关的主要可以归纳为如下几个问题:1.异构异质融合问题,2.海量性问题,3.实时性问题。针对这些方面的问题,有一些相关的ICT技术可以对它们进行解决或改善。

异构网络融合(异构异质融合问题)

在工业环境中实现设备与设备间的相互通信,网络的异构异质是需要首先考虑到的问题。异构性是指要求不同类型的无线技术(如Internet,WSN等)可以进行互联互通,并且保证服务质量。异质性是指要求不同公司生产的、不同功能的硬件不兼容的设备在没有彼此差异的情况下进行互联互通。由于整个工业环境是由很多具有通信、计算、精确决策控制设备组成的智能网络,可知整个通信网络也具有高度的复杂性。

CPS在不同的服务领域需要得到不同的通信模式支持,这需要ICT提供相应的不同制式的通信模式,实现大范围嵌入式设备之间的互联以及向虚拟世界互联。通过网络间的融合与协同,对异构网络分离的、局部的优势能力与资源进行有序整合,最终实现无处不在、无所不能的一种智能网络。在异构的网络中,每一个通信节点都具备自路由的功能,形成一个自组织、自管理、自修复、自我平衡的智能网络。各个设备因为异构异质的融合可以相互之间进行良好的通信交流,在不同的网络共存的情况下,还可以整合与优化资源配置,利用性能更好的网络进行通信,实现更高效的资源利用。

大数据、云计算等服务的提供(海量性问题)

在工业4.0的大环境下,工业企业的信息化水平越来越高,信息数据量也越来越多,各种设备仪器产生的海量数据对信息处理的要求也提高了。现在新兴的大数据、云计算这类ICT技术刚好可以解决数据海量性的问题。

大数据技术的战略意义不在于掌握庞大的数据信息,其重点在于对数据的“加工能力”,对大量的数据进行专业化的处理,是之能转化成有用的信息。在工业环境中建立一个大数据的平台,这样能提高工厂对不同设备收集的海量信息进行及时的处理,增加信息系统的计算能力和数据消化能力,对工业4.0的发展是很有作用的。而且大数据最能迎合工业4.0需求的地方不仅仅是它的“大”,更关键的是在于它的数据的整合分析和利用。这也很好的突出了工业4.0智能化的方向。

云计算是一种商业计算模型,它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上,使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务。我们可以像使用水电资源一样使用云计算提供的计算和存储资源,解决了在数据中心存储空间不能满足工业环境的需要的问题。

短距离低时延技术(实时性问题)

由于移动设备的接入会造成设备状态随机变化,所以需要对物理设备进行实时动态重组,这对计算过程的时间确定性和并行性要求很高,对网络实时性要求也非常高。目前有如下一些方法可以满足这些需求:

采用多跳转发方式进行通信,并结合先应式路由协议来降低路由请求的延迟。其优势有:即时通信、容易部署、节省能量或带宽资源、自组织能力与容错性强、具有自愈能力、组网成本低等。

在新的空口设计Soft Defined Air Interface (SDAI)方面进行积极创新,其核心是能够面向业务和内容,自适应地调整或重组帧结构、双工模式、多址方案、波形和调制编码等流程模块,以达到性能和资源配置的多重最优化。该方面目前也是5G的研究重点和热点。

还可以部署专用于短距离通信的传输技术,比较有代表性的是ZigBee。作为一种新兴的短距离、低速率无线通信网络技术,该技术主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

通过ICT技术中的无线网络部署及通信方式创新、新型空口协议设计以及低成本低功率实时通信技术,可实现工业4.0对短距离低时延的需求。

移动通信网络承载工业4.0

工业4.0将引入大量具有互通信能力的物理组件,需要通过承载网络实现跨领域和跨地区的智能制造,同时还对安全可靠性具有较高的要求。而移动通信网络因其具有覆盖范围广、基础设施丰富、可靠度高的优势,有可能成为工业4.0的主要承载网络之一。此外,工业4.0对多种异构网络融合的需要,也与下一代移动通信网络的发展思路相吻合。

创新的ICT技术是工业4.0稳步发展的基石。在其“助力”下,智能制造即使需要在广大区域里面解决各种纷杂的需求也不再是不可解决的难题。

世界各国争相发展科技融合,企图占据未来工业制高点。德国、美国、日本等国家先后在先进制造和先进工作上布局,而中国在工业4.0的浪潮中想抓住机遇,离不开信息通信技术的支撑。通过融合信息通信技术,未来社会的工业智能化一定能变为现实。

(作者系北京邮电大学教授、网络与交换技术国家重点实验室主任张平 北京邮电大学副教授、博士张治)

相关资料

工业4.0(Industry 4.0)首次提出是在2011年的汉诺威工博会上。在德国政府推出的《高技术战略2020》中,工业4.0被列为十大未来项目之一。2014年10月,李克强总理访德期间,中德双方共同发表了《中德合作行动纲要:攻速创新》,宣布两国将开展“工业4.0”合作。

美国也越来越重视工业发展。2009年年初,为在国际竞争中赢得主动权,美国开始调整经济发展战略,同年12月公布《重振美国制造业框架》,2011年6月和2012年2月相继启动《先进制造业伙伴计划》和《先进制造业国家战略计划》,实施“再工业化”。

日本政府则极端重视高端制造业的发展,大规模编制技术战略图。首先,日本于2009年3月出台了信息技术发展计划,以促进IT技术在医疗、行政等领域的应用;其次,政府加大了开发企业3D打印机等尖端技术的财政投入。2014年,经济产业省继续把3D打印机列为优先政策扶持对象,计划当年投资45亿日元。

可以看出,如今各国政府都十分重视工业发展。工业革命4.0,简单说即是利用信息通信技术,将更为庞大的机器群连接起来,让机器之间自相控制,自行优化,智能生产,大大减少从事重复劳动和经验工作的人力数量,使生产质量和效率提升到一个新阶段。


责任编辑:闵杰
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