摘要：物联网技术在提高制造业运营和物流流程的性能和灵活性方面发挥着重要的作用，实现了有效的产品设计和生命周期管理。
关键词：物联网; 5G;过程监控; 云计算; 云制造; 工业4.0
1引言
近年来，制造业组织面临的挑战日益增长。物联网的出现对多个工程领域的产品开发、生命周期管理以及整体决策流程产生了深远的影响。随着制造业全球化的发展，制造业组织通过提高产品和服务质量，加快产品开发力度和灵活性，降低生产和物流成本，提高竞争力，使其更好地适应市场波动。在整个产品生命周期中，新的信息通信技术（ICT）使工程、制造和物流利益相关者之间的协作更加密切，同时促成了与产品的最终用户的协作。在这种情况下，物联网技术将支持一系列制造和物流流程，同时提供管理和控制产品生命周期中每个阶段的机会。
2支撑技术
物联网时代的到来需要一系列支撑技术，这些技术介绍如下。
2.1智能传感器和射频技术
不同类型的传感器（Sensor）已经广泛应用于制造业的各个领域，在监测和控制产品的生产过程中发挥着非常重要的作用。能够使用内置资源处理和传播信息的智能传感器正在部署在整个制造业中，制造商通过收集和使用智能传感器产生的数据来获得运营状况和指导他们的决策。
射频识别（RFID）标签已被用于识别物体，通过无线电波记录元数据或控制目标。RFID技术在物流和供应链管理以及制造领域得到了广泛的应用，其功能的进一步发展以及许多特性（尺寸，成本，范围，内存，数据编码）的改进将扩大其适用范围，并将提供物联网系统使用的功能[1]。
2.2高速通信网络
随着制造过程变得越来越复杂，并且在车间和最终产品中安装的传感器的数量增加，产生的信息量呈指数增长，需要构建快速通信网络来获取这些信息。5G技术的出现被认为是下一代制造系统的关键推动力。例如，典型的汽车工厂每年将产生高达15TB的焊接数据。在现有基础设施上传输这些信息量将限制先进制造实践的效率和速度。在这种情况下，5G连接被认为是实现新型制造实践的关键技术。5G将运行在比传统蜂窝频段（6 GHz以上）更高的频率上，以获得更大的带宽，业界人士讨论了10 GHz至86 GHz的更高频段[2]。
物联网的独有特性，包括大量设备的互连，传感器的异质性，数据的实时生成，大数据量的分析和传播，使得相应的应用和服务的开发成为相当具有挑战性的任务。用于处理这些物联网特性和挑战的基础设施，即物联网中间件，将通过集成大量设备和应用程序来简化整体开发过程。物联网中间件应该能够应对一系列挑战，例如：分布式，异构设备的共存，处理能力的缺乏或某些设备的能耗限制，物联网设备的自主交互，网络的动态性，位置感知，以便接收解释和分析由设备生成的信息，以及嵌入式智能等[3]。
2.3云制造
云计算技术可以根据需要向网络设备提供共享的处理资源和数据。云计算的出现为云制造铺平了道路。云制造是一个新概念，是一个涉及多学科的领域，涵盖网络制造，制造网格，虚拟制造，敏捷制造，物联网和云计算等一系列技术。云制造的主要优势包括提高资源利用率，降低能源消耗，更好地协调不同的制造资源和可扩展性。正如最近出版物所强调的那样，基于物联网的云制造可以促进收集，通信和处理可用于所有制造阶段的有用信息和数据。它也可以桥接物理和虚拟世界，从而允许更好地控制制造资源[4]。
2.4大数据处理
物联网的一个重要作用，从传感器和终端设备收集非结构化形式的数据，并将其转化为可用信息来帮助做出决策。由于与其相关的数量，品种，速度，变异性，所产生的大量数据已成为术语“大数据”的代名词。原则上，大数据分析可用于分析历史过程数据，用于识别特定过程步骤，参数和输出之间的模式和关系，以及使用此信息进行决策以改进制造系统和最终产品的性能。在报告的工业案例中，特定流程或产品的数据量可能达到每天数百兆字节的范围，对此信息的分析将产生更好的调度决策[5]。
3应用领域
3.1企业级信息集成
最具挑战性的应用领域之一就是各种管理软件平台的互联和集成，如企业资源规划，供应链管理，制造执行系统和产品生命周期管理平台。这些平台的每一个设计和部署都是为了执行一系列不同的任务，但是它们的联系和整合是Industry 4.0的基础愿景之一。这些平台通常作为数据仓库运行，从而妨碍了关键信息的及时交换和更新，导致了决策过延迟程或影响所作决定的质量。面向服务的架构方法，通过标准化协议，整合了运营技术与信息技术的企业云系统将有助于实现不同系统的集成。工业自动化提供商声称运营技术与信息技术的结合将导致更好地协调运营和通信，以及供应链的敏捷性。早期报告显示，只有很小一部分公司将工厂数据与ERP系统完全整合。物联网将有助于收集这些数据，并且可以使不同的软件平台和工具更加紧密地集成在一起[6]。
3.2预测性维护
利用连接到制造设备的传感器的数据，以获得制造设备和资产的当前状况。预测性维护结合了状态监测数据和设备过程模型，以便在发生故障之前，及时执行维护任务。预测性维护领域强调在整个生命周期中管理和分析制造设备，以获得更透明的设备健康状况。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通过设计用于管理数控机床的智能系统进一步验证了这一概念。新颖的设计允许制造商获得关于制造设备健康状况更准确的信息，同时允许使用传感器更好地微调速度和精度。
3.3仓储管理与物流
在大规模定制时代，仓库运营和物流管理的作用日益重要。DHL发布的报告指出，仓库中使用低成本RFID标签的托盘或物品级标签的广泛采用将为物联网驱动的库存管理铺平道路。实时查看库存和订单状态的能力将降低安全库存水平。特别是在食品行业，一项研究显示，由于贮存条件差，大约25％的食品由于腐败而在食品供应链内丧失[7]。使用物联网技术可以更容易地监测和收集与关键参数（如温度，湿度和有效期）有关的数据，从而减少易腐物品的浪费。由物联网技术支持的协同仓储被认为是解决需求波动，劳动力和燃料成本的有效解决方案。
3.4能耗管理
物联网技术可能导致更智能的能源管理政策。在不同区域中使用多个传感器，可以提供制造环境中对实际操作条件更准确的观察。例如，可以通过更准确地检测特定区域中的温度和湿度，以及利用与特定区域中的人类操作者相关的其它信息来优化能耗系统。早期的研究工作表明，与完全手动控制相比，采暖，制冷和照明的室内气候的自动控制将导致能源减少高达40％。
3.5智能产品
利用物联网技术来改进产品设计以及产品使用过程中的性能。嵌入式设备或新的片上系统设备可帮助设计人员更好地了解消费者是如何实际使用产品的。对嵌入式传感器收集的产品使用情况数据分析表明，可以获得特定产品时间依赖性的使用模式，并且关于产品使用下限和上限的信息也可以获得。该信息可以用作迭代设计过程的一部分，目的是改进产品特性。其中将消费者和用户生成的信息与大数据分析和模式识别算法相结合可以帮助设计人员提取客户需求，以便重新定义现有设计，并开发新产品。
在[8]中，研究了207个中国高科技物联网企业，发现了产品创新与物联网发展之间的积极的关系。建设物联网和与其他组织发展物联网联盟的能力，提供了实现产品和流程创新所需信息的能力。沿着产品生命周期，产品的运行不断被监控，并收集有价值的信息。在具有多种操作参数的复杂产品（如机床和车辆）中，操作参数与产品输出（加工零件，燃料消耗和速度）的相关性分析将有利于产生更好的产品配置，进而获得更好的整体性能。
3.6智能操作员
可穿戴技术正逐渐变成制造业中人机对话的有力工具。大众汽车公司在沃尔夫斯堡的工厂推出了3D智能眼镜，将其作为订单的标配设备。波音公司在亚利桑那州工厂推出智能眼镜，用于支持电子线束装配：纸质的地图完全被取代，误差率从5％下降到接近0，组装时间减少了30％以上。通过使用智能眼镜，使质量控制人员能够查看检查清单，在发现缺陷的情况下，将图像，录像和录音转发给解决问题的工作人员。其他研究方法已经展示了如何将增强的护目镜与移动设备一起用作制造车间的通信工具[9]。
物联网将进一步改善连接性，并扩大这些可穿戴设备的适用范围。同时，物联网技术可以改善工作环境的安全性。物联网将允许工作人员实时获得任何安全隐患或不安全的状况。霍尼韦尔和英特尔合作开发了可佩戴的传感器系统，可以监测工作人员的心率，呼吸，姿势，是否暴露在毒气体。信息被传输到分析平台，使用3G或Wi-Fi，结果可以显示在基于云的仪表板上。基于物联网的安全解决方案可以应用于地下施工现场，该解决方案使用光栅传感器系统收集地下结构位移，环境条件和温度的数据，以及基于RFID的劳动跟踪系统来跟踪工人。可以通过移动设备将现场实时预警发送到工作人员，从而在事故发生前识别和预防潜在的事故。
参考文献
[1]一种RFID中间件设计与实现[J].徐云.信息安全与技术. 2013(08).
[2]5G无线通信技术发展跟踪与分析[J].王景尧,白岩.现代电信科技. 2014(12).
[3] 5G网络成熟将会促进整个物联网的欣欣向荣[J].电脑与电信. 2014(11).
[4]云制造模式下制造能力建模关键技术[J].罗永亮,张霖,陶飞,张雪松,任磊.计算机集成制造系统. 2012(07).
[5]海量信息融合方法及其在状态评价中的应用[J].李嘉菲,周斌,刘大有,胡亮,王峰.软件学报. 2014(09).
[6]基于物联网技术的物流企业信息系统集成[J].邢智毅. 计算机光盘软件与应用. 2012(08).
[7] M. Kummu, H. de Moel, M. Porkka, S. Siebert, O. Varis and P. J.Ward, “Lost food, wasted resources: Global food supply chain lossesand their impacts on freshwater, cropland, and fertiliser use,” Scienceof The Total Environment, 438, 2012, pp. 477–489
[8] X. Yu, B. Nguyen and Y. Chen, “Internet of things capability andalliance,” Internet Research, 26(2), 2016, pp. 402–434。
[9]物联网节点成就穿戴式设备新式网络带来美好生活[J].中国传媒科技 .2013-07-23.
论文作者:田洪莲
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/18
标签：产品论文; 数据论文; 传感器论文; 技术论文; 信息论文; 设备论文; 系统论文; 《基层建设》2017年第13期论文;