工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)對制造業(yè)推進的思考

PAGEPAGE6工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)對制造業(yè)推進的思考（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016）摘要：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)給我國工業(yè)的升級和發(fā)展帶來了很大的機遇和挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的進一步融合，新技術(shù)，新模式，新業(yè)態(tài)將層出不窮。若要在這種新時代中迅速發(fā)展，占據(jù)主要的優(yōu)勢，必須要對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)有更深入的認識。本文主要在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的發(fā)展，應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)等方面作了進一步的研究。文章最后通過一個實例闡述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)對制造業(yè)的影響。關(guān)鍵字：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；應(yīng)用；關(guān)鍵技術(shù)Reflectiononthepromotionofindustrialinternetandbigdataformanufacturing（CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityOfAeronauticsAndAstronautics,Nanjing210016）Abstract:TheemergenceofindustrialInternetandbigdatahasbroughtgreatopportunitiesandchallengestoChina'sindustrialupgradinganddevelopment.WiththefurtherintegrationofindustrialInternetandbigdata,newtechnologies,newmodels,newformatswillemergeinanendlessstream.Inthisneweraofrapiddevelopment,inordertooccupythemainadvantage,wemusthaveagreaterunderstandingoftheindustrialInternetandbigdata.Inthispaper,thedevelopment,applicationandkeytechnologiesoftheindustrialInternetandbigdataarefurtherstudied.Finally,anexampleisgiventoillustratetheimpactofindustrialInternetandbigdataonmanufacturingindustry.KeyWords:IndustrialInternet;bigdata;application;keytechnology1、前言大數(shù)據(jù)的概念是1997年左右提出的，至今已經(jīng)約有20年的發(fā)展，在中國，大數(shù)據(jù)也推進了5年之久.從我們圍繞工業(yè)信息化特別是在工業(yè)企業(yè)建立了一批具有大數(shù)據(jù)能力的企業(yè)來看，工業(yè)大數(shù)據(jù)的意義十分重大。當(dāng)下，隨著互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)領(lǐng)域的全面融合，衍生出了一種新型的工業(yè)形態(tài)一工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)正前所未有地改變著工業(yè)的產(chǎn)業(yè)組織形態(tài)和生產(chǎn)方式。本文在第二節(jié)描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的發(fā)展；第三節(jié)敘述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的應(yīng)用；第四節(jié)主要研究了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)；第五節(jié)通過實例介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用；第五節(jié)對前面的敘述做了總結(jié)，并展望工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的未來。2、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將人和機器連接起來，將為制造商和客戶帶來前所未有的數(shù)據(jù)、信息和解決方案。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以為制造業(yè)企業(yè)建立交流的平臺，打破買方和賣方之間的“封閉”，使買賣雙方的交易透明化，同時有利于降低交易成本。在1990年JohnRomkey和SimonHackett將烤箱與網(wǎng)絡(luò)連接生產(chǎn)出了第一臺互聯(lián)網(wǎng)烤面包機[1]。1991年Interop在烤面包機上增加了一個小的機器人將一小片面包放入烤箱里面，因此誕生了一個完整的自動化機器[2]。20世紀(jì)末期聯(lián)網(wǎng)能夠讓計算機之間相互通信的大型主框架計算機、軟件和“數(shù)據(jù)信息包”。而網(wǎng)絡(luò)的開放性和靈活性是為革命的爆炸性增長奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵要素[3]。在二十一世紀(jì)的今天，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)相融合，為加快生產(chǎn)力，減少低效和浪費，以及改善人類工作經(jīng)驗開辟了新的領(lǐng)域。大數(shù)據(jù)這個詞語被創(chuàng)造出來是在20世紀(jì)90年代，在2000年的時候第一次在學(xué)術(shù)論文上有人將它提出，在2003年的時候在FrancisX.Diebolt在《宏觀經(jīng)濟測量和預(yù)測的大數(shù)據(jù)動態(tài)因子模型》一書中正式將大數(shù)據(jù)這個詞語進行詮釋和應(yīng)用。在2005年的時候，當(dāng)前最火爆的Hadoop項目就已經(jīng)被創(chuàng)建，之所以在10多年后大數(shù)據(jù)和Hadoop項目才受到熱捧和關(guān)注主要是因為當(dāng)時的數(shù)據(jù)還不夠大。在現(xiàn)如今的世界，隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、IOT、智能設(shè)備的發(fā)展，你舉目四望會發(fā)現(xiàn)整個世界每秒都在生產(chǎn)海量的數(shù)據(jù)，我們所有的世界空間、所有的行為路徑都在被數(shù)據(jù)給描述，我們都在生產(chǎn)數(shù)據(jù)又依賴于數(shù)據(jù)。研究機構(gòu)Gartner對大數(shù)據(jù)給出了這樣的定義?！按髷?shù)據(jù)”是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力來適應(yīng)海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)[4]。大數(shù)據(jù)是從不同領(lǐng)域和資源產(chǎn)生的，包括巨大、復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、半結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)及隱藏的數(shù)據(jù)集。大數(shù)據(jù)特征可以被歸類為6V（Volume,Velocity,Variety,Veracity,ViabilityandValue）[5-8]，將這些要素連接并組合在一起，將會給各企業(yè)和經(jīng)濟體提供新的機會。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的無縫結(jié)合是當(dāng)今世界的主流技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將傳感器和其他先進的檢測儀器嵌人到機器陣列中，從簡單到高度復(fù)雜。這就使得可以收集和分析大量的數(shù)據(jù)，用于改善機器的性能，同時不可避免地提高了與之相連的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的效率。數(shù)據(jù)本身，也可以變得“智能化”，即能夠立刻知道它需要到達哪些用戶處。許多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的實踐都證明，各種各樣的新的創(chuàng)新能夠給企業(yè)和全球經(jīng)濟帶來巨大利益。就像工業(yè)革命一樣，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)革命正在以動態(tài)的方式展開，而我們現(xiàn)在正處在轉(zhuǎn)折點上。3、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的應(yīng)用滲透到了工業(yè)企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)，條形碼、二維碼、RFID、工業(yè)傳感器、工業(yè)自動控制系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、ERP、CAD/CAM/CAE/CAI等技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。我國的工業(yè)企業(yè)也進入了互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)的新的發(fā)展階段，工業(yè)企業(yè)所擁有的數(shù)據(jù)也日益豐富。工業(yè)企業(yè)中生產(chǎn)線處于高速運轉(zhuǎn)，由工業(yè)設(shè)備所產(chǎn)生、采集和處理的數(shù)據(jù)量遠大于企業(yè)中計算機和人工產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)類型看也多是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，生產(chǎn)線的高速運轉(zhuǎn)則對數(shù)據(jù)的實時性要求也更高。因此，工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用所面臨的問題和挑戰(zhàn)并不比互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用少，某些情況下甚至更為復(fù)雜。本文將從以下四個方面闡述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)在工業(yè)中的應(yīng)用。3.1開放式產(chǎn)品設(shè)計互聯(lián)網(wǎng)可以融合不同領(lǐng)域，大規(guī)模的參與者進行產(chǎn)品的協(xié)同開發(fā)?？蛻襞c工業(yè)企業(yè)之間的交互和交易行為將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，挖掘和分析這些客戶需求數(shù)據(jù)，能夠幫助客戶參與到產(chǎn)品的需求分析和產(chǎn)品設(shè)計等創(chuàng)新活動中，為產(chǎn)品創(chuàng)新作出貢獻。如圖1所示，系統(tǒng)的模型是根據(jù)用戶要求定制產(chǎn)品的模型圖[9]。首先，用戶根據(jù)自己的喜好設(shè)計產(chǎn)品或通過Web頁面提供個性化產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)。然后，Web服務(wù)器將用戶的信息提交給工業(yè)云，它解析產(chǎn)品數(shù)據(jù)和關(guān)鍵參數(shù)。同時，將這些數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送這傳送到工業(yè)機器人，工人和控制器。生產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)這些產(chǎn)品開始創(chuàng)建數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品的制造過程中，各種各樣的相關(guān)的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)皆坪拖噜徆?jié)點用于管理和優(yōu)化。圖3數(shù)據(jù)挖掘流程圖4.5分析應(yīng)用大數(shù)據(jù)是達到人與機器融合在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，腦機接口技術(shù)給我們提供了巨大的想象空間，人類不僅可以和機器產(chǎn)生互動，并且有可能控制機器。在人與機器互動的過程中，機器還可能讀懂人類的意念，從而和人類發(fā)生深層次的融合。針這種復(fù)雜的結(jié)合關(guān)系，必須應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)整合很多更加全面的信息數(shù)字系統(tǒng)，或者是虛擬系統(tǒng)，將和物理世界之間產(chǎn)生高度的互動和相互的關(guān)聯(lián)。在這一方面，微軟邁出了關(guān)鍵的一部。最近微軟宣布和AutodeskFusion360合作，想把Hololens用于工業(yè)設(shè)計、機械設(shè)計和其他產(chǎn)品開發(fā)的領(lǐng)域，具體來說就是用來給設(shè)計師們構(gòu)建立體模型時使用。比起普通顯示器上的2D、3D模型，Hololens能夠更直觀地用全息影像把設(shè)計作品的尺寸、信息呈現(xiàn)出來，對于設(shè)計師團隊來說能夠提高溝通效率，更好地消除交流障礙。而對于開發(fā)工程師來說，全息影像提供更簡便的反饋，準(zhǔn)確地將信息傳達給設(shè)計師。如圖4所示為Hololens所展示的增強現(xiàn)實視覺效果。圖4增強現(xiàn)實效果圖5、實例介紹本節(jié)主要內(nèi)容為一個基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的制造企業(yè)的系統(tǒng)模型及關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)下述應(yīng)用的實例深入了解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)在制造領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用。5.1基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的制造系統(tǒng)模型在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與生產(chǎn)模式之間存在數(shù)據(jù)傳遞的接口環(huán)境，比如，傳感器與驅(qū)動器、局域網(wǎng)、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)安全軟件。如圖5所示為一個基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的制造系統(tǒng)模型。工業(yè)互聯(lián)能夠通過傳感器狀態(tài)控制設(shè)備的狀態(tài)，并通過驅(qū)動器能夠?qū)崟r調(diào)整設(shè)備的工作。圖6描述了在制造過程中發(fā)動機組件的配置文件和刀具的旋轉(zhuǎn)運動。因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以在線仿真、監(jiān)控生產(chǎn)制造過程中各部件的狀態(tài)并給控制器發(fā)送信號實時調(diào)整設(shè)備的制造過程。圖5工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)制造系統(tǒng)模型圖6生產(chǎn)過程監(jiān)控及復(fù)雜事件：工件和切削刀具的仿真文件所有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)間交換的數(shù)據(jù)擴展到由仿真模型支持的云制造環(huán)境中：個體云、團體云和公共云[13]。5.2大數(shù)據(jù)的形成及形式結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如圖7所示，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)隨時間變化的制造過程的數(shù)據(jù)，設(shè)備間互聯(lián)形成的數(shù)據(jù)及供應(yīng)鏈相關(guān)的數(shù)據(jù)，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)指社會網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、客戶服務(wù)數(shù)據(jù)及市場數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)處理工具必須能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)進行實時分析，這樣才能及時解決隨時間發(fā)生的問題降低制造成本[14]。圖7結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的結(jié)合可以實時處理在生產(chǎn)制造過程中的突發(fā)問題。圖8所示為實時處理生產(chǎn)制造問題的模型，在生產(chǎn)制造過程中有時會用到適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)算法去預(yù)測和解決可能出現(xiàn)的問題。生產(chǎn)制造車間里面的內(nèi)部事件、外部事件、接口因素和環(huán)境模式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過互聯(lián)網(wǎng)集成到數(shù)據(jù)處理的云平臺上，云平臺根據(jù)一定的算法分析數(shù)據(jù)形成一套解決方案并對解決的問題進行實時監(jiān)控。對生產(chǎn)制造進行周期性的問題分析，找出大數(shù)據(jù)中的規(guī)律，從而預(yù)測可能發(fā)生的問題，為生產(chǎn)制造避免可能發(fā)生的損失。圖8實時處理生產(chǎn)問題模型所有預(yù)測和需要解決的問題都是分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所采集的大數(shù)據(jù)實現(xiàn)的。如文獻[15]描述了在生產(chǎn)制造過程中預(yù)處理事件的過程，即調(diào)查分析大數(shù)據(jù)解決將實時發(fā)生的問題和可能發(fā)生的問題。6、總結(jié)與展望工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)革命已經(jīng)展開。我國很多企業(yè)開始逐漸將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)，盡管如此，我們目前還遠低于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用極限；基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字技術(shù)還沒有將全部潛力充分實現(xiàn)與全球產(chǎn)業(yè)系。當(dāng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三大要素智能設(shè)備、智能系統(tǒng)和智能決策與機器、設(shè)備、機組和網(wǎng)絡(luò)整合在一起的時候，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全部潛能就會體現(xiàn)出來。生產(chǎn)率提高、成本降低和廢物排放的減少所帶來的益處將帶動整個工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。通過以上對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的調(diào)查與研究，我們可以預(yù)測工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)可以給我們的工業(yè)發(fā)展帶來顛覆性的改變。未來20年最有可能改革制造領(lǐng)域的首先是半導(dǎo)體、先進材料、添加制造技術(shù)、生物制造等等，我們說未來工廠要從數(shù)字化制造到數(shù)字化工程。我們未來的工業(yè)可以實現(xiàn)整個工廠的數(shù)字化，甚至延伸到產(chǎn)業(yè)鏈的外部，包括供應(yīng)鏈。參考文獻1.NEOweis，CAracenay，WGeorge，et.al.InternetofThings:Overview,Sources,ApplicationsandChallenges.ProceedingsoftheSecondInternationalAfro-EuropeanConferenceforIndustrialAdvancementAECIA2015-20162.L.Internet:Theinternettoaster./i/iamythstoast.html(2000).Accessed03Dec20143.辛妍.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的興起及要素.新經(jīng)濟導(dǎo)刊[J].2015(11):75-804.Gartner,Gartneritglossary./it-glossary/big-data/(2014).Accessed05Jan20155.Schroeck,M.,Shockley,R.,Smart,J.,Romero-Morales,D.,Tufano,P.:Analytics:theReal-worlduseofBigData(2012)6.Knilans,E.:The5vsofBigData./ts/advantage/2014/07/the-5-vs-of-big-data/(2014).Accessed05Jan20157.Ding,G.,Wu,Q.,Wang,J.,Yao,Y.-D.:Bigspectrumdata:thenewresourceforcognitivewirelessnetworking(2014).arXivpreprintarXiv:1404.65088.Chen,M.,Mao,S.,Zhang,Y.,Leung,V.C.:BigDataApplications,inBigData,pp.59–79.Springer(2014)9.JiafuWan,Software-DefinedIndustrialInternetofThingsintheContextofIndustry4.0:IEEESENSORSJOURNAL,VOL.16,NO.20,OCTOBER15,201610.Chenyang,WeimingShen,XianbinWang.ApplicationsofInternetofThingsinManufacturing.Proceedingofthe2016IEEE20thInternationalConferenceonComputerSupportedCooperativeWorkinDesign.[11]U.Fayyad,G.Piatetsky-Shapiro,P.Smyth,Fromdataminingtoknowledgediscoveryindatabases,AIMag.17(3)(1996)37.[12]L.Wang,F.Leite,KnowledgediscoveryofspatialconflictresolutionphilosophiesinBIM-enabledmepdesigncoordinationusingdataminingtechniques:aproof-of-concept,in:ProceedingsoftheASCEInternationalWorkshoponComputinginCivilEngineering(WCCE’1