物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算對(duì)制造業(yè)的影響

引 言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的興起源于無(wú)處不在、不斷縮小、低成本設(shè)備（如傳感器，智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備）的綜合利用。無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)連接和云計(jì)算服務(wù)及行業(yè)創(chuàng)新的壓力加大，為保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō)尤為重要，最近幾項(xiàng)研究報(bào)告顯示，基于物聯(lián)網(wǎng)的制造工廠生產(chǎn)率顯著提高。

1 物聯(lián)網(wǎng)與云在制造業(yè)中的商業(yè)價(jià)值

制造工廠多采用機(jī)器、傳感器和手持設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。然而這些機(jī)器和設(shè)備之間的直接、實(shí)時(shí)和雙向通信， 由于其接口和通信協(xié)議的多樣性和不兼容性而受到限制。盡管存在一些專有的解決方案，但其價(jià)格昂貴，很少開(kāi)放，且不允許實(shí)時(shí)的工廠數(shù)據(jù)分析和交付高價(jià)值的信息用于即時(shí)決策支持。相比之下，物聯(lián)網(wǎng)提供了基于互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)和解決方案，彌補(bǔ)了從任何工廠機(jī)器或設(shè)備收集數(shù)據(jù)的鴻溝，且支持在工廠或任何地方互聯(lián)網(wǎng)上的雙向機(jī)對(duì)機(jī)通信，可實(shí)時(shí)計(jì)算和交付高價(jià)值信息。如可為工廠經(jīng)理或 CEO 的智能手機(jī)提供實(shí)時(shí)關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI）監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。這些優(yōu)勢(shì)使得全球制造工廠能夠獲得前所未有的經(jīng)營(yíng)效益，增加利潤(rùn)并降低成本。

物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)為制造業(yè)帶來(lái)了重要的商業(yè)價(jià)值。例如， 可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接的機(jī)器、傳感器和手持設(shè)備捕捉日益詳細(xì)的工廠數(shù)據(jù)。使用云服務(wù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，可獲得生產(chǎn)力、質(zhì)量和安全洞察力，從而推動(dòng)業(yè)務(wù)和運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)型，降低勞動(dòng)力和生產(chǎn)力成本，增加利潤(rùn)。這些發(fā)現(xiàn)還可支持生產(chǎn)過(guò)程改進(jìn)，并及時(shí)向工人和工廠機(jī)器傳遞任務(wù)相關(guān)信息。

2 制造工廠引入物聯(lián)網(wǎng)解決方案

本節(jié)概述了制造工廠引入物聯(lián)網(wǎng)解決方案提高制造廠生產(chǎn)率、質(zhì)量和安全的若干機(jī)會(huì) [1]。實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn) KPI 和KPI驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)過(guò)程評(píng)估和改進(jìn)包括如下項(xiàng)目：

(1) 實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算和可視化 KPI；

(2) 向與其責(zé)任和需求相關(guān)的工廠管理層和人員提供個(gè)性化的 KPI可視化和警報(bào) ；

(3) 捕捉和分析生產(chǎn)過(guò)程，找出改進(jìn)的機(jī)會(huì)。

智能庫(kù)存管理包括電子標(biāo)簽產(chǎn)品，以便在工廠和消費(fèi)者之間進(jìn)行跟蹤和識(shí)別。智能庫(kù)存管理還包括優(yōu)化產(chǎn)品庫(kù)存操作，降低人工成本和時(shí)間。通過(guò)機(jī)械自動(dòng)化產(chǎn)品運(yùn)輸和存儲(chǔ)來(lái)填補(bǔ)客戶訂單（價(jià)格昂貴適合大型企業(yè)），或通過(guò)智能手機(jī)、其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)優(yōu)化人工庫(kù)存任務(wù)，跟蹤設(shè)備監(jiān)視和指導(dǎo)人工選擇和存儲(chǔ)活動(dòng)。

使用專門(mén)的攝像系統(tǒng)或可穿戴技術(shù)自動(dòng)化評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)解決方案還可通過(guò)電子監(jiān)控指導(dǎo)工人在生產(chǎn)線工作或執(zhí)行特殊的制造任務(wù)，從而提高員工的效率。最后，這些解決方案可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控（如使用 RFID 或近距離傳感器）提高工廠的安全性，以了解工人如何使用其保護(hù)設(shè)備、操作機(jī)器和進(jìn)入受限制的工作區(qū)域。

3 邊緣云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的發(fā)展

實(shí)時(shí)收集和分析信息，同時(shí)避免過(guò)多的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理延遲，是數(shù)字時(shí)代智能制造的核心。今天的云服務(wù)是由亞馬遜、谷歌、微軟和阿里巴巴等公司運(yùn)營(yíng)的大型數(shù)據(jù)中心托管和提供。利用平臺(tái)服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)等各種服務(wù)配置模式，虛擬化數(shù)據(jù)中心的硬件和軟件，然后將這些虛擬化資源按照即付即用的模式出租。

云數(shù)據(jù)中心一直以來(lái)提供更廉價(jià)、近乎無(wú)限的計(jì)算能力用于處理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。然而，隨著快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理所需的智能和資源容量主要集中在云數(shù)據(jù)中心的假設(shè)正在受到挑戰(zhàn)。

將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)中心的任務(wù)落在資源受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上，導(dǎo)致其帶寬和能源使用效率低下。存儲(chǔ)處理后的方法可能會(huì)產(chǎn)生部分節(jié)省。高度敏感的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在制造業(yè)和其他領(lǐng)域需要立即分析或響應(yīng)所感測(cè)的數(shù)據(jù)。例如，他們可警告室內(nèi)制造工廠的屋頂坍塌、空氣質(zhì)量、溫度和濕度 ；識(shí)別那些沒(méi)有對(duì)特定機(jī)器進(jìn)行適當(dāng)培訓(xùn)的工人 ；防止未經(jīng)授權(quán)的工人進(jìn)入禁區(qū)。

因此，傳統(tǒng)的以云為中心的物聯(lián)網(wǎng)方法必須向分布式模型范式轉(zhuǎn)移，他們可利用智能可編程在網(wǎng)絡(luò)邊緣的云服務(wù)，如智能網(wǎng)關(guān)（Raspberry Pi 3）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化解決方案（例如Cisco IOx）。網(wǎng)絡(luò)邊緣的云服務(wù)可提供更小范圍的計(jì)算和存儲(chǔ)能力（通常稱為邊緣數(shù)據(jù)中心），以支持傳統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的挑戰(zhàn) [2-3]。將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理活動(dòng)移近物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)接收器有兩個(gè)明顯的好處：

(1) 它為資源受限的邊緣設(shè)備節(jié)省能源，在當(dāng)前的資源管理模型下，這些設(shè)備必須不斷將數(shù)據(jù)上傳到云數(shù)據(jù)中心 ；

(2) 節(jié)省不必要的網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗。

邊緣數(shù)據(jù)中心通過(guò)提供更多的處理和存儲(chǔ)能力來(lái)支持智能制造工廠（SMPs），將其作為可用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的擴(kuò)展，但不需要將數(shù)據(jù)或流程處理轉(zhuǎn)移到集中式云數(shù)據(jù)中心，縮小了通信延遲和私有數(shù)據(jù)中心遷移總體規(guī)模。邊緣數(shù)據(jù)中心可使用一組機(jī)制來(lái)代表物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備處理數(shù)據(jù)，只有在需要更復(fù)雜的分析和處理能力時(shí)，才將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)中心。

4 智能制造工廠

智能制造系統(tǒng)是一種由智能裝備、智能控制和智能信息共同組成的人機(jī)一體化制造系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案將有助于改善業(yè)務(wù)成果 [4-5]。

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠 KPI指標(biāo)

制造企業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)因素是成本和質(zhì)量。成本和質(zhì)量KPI 來(lái)自主要客戶，并被映射到相應(yīng)的制造工廠運(yùn)營(yíng)和庫(kù)存管理和供應(yīng)鏈操作。因此，我們可大致將 KPI 進(jìn)行如下分類(lèi) ：

(1) 客戶驅(qū)動(dòng)的 KPI包括用于滿足客戶需求的KPI，如產(chǎn)品質(zhì)量、單位成本、消費(fèi)者安全、消費(fèi)者偏好以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)試用；

(2) 工廠運(yùn)營(yíng) KPI目標(biāo)跟蹤和改善工廠、供應(yīng)鏈的效率， 維護(hù)工廠和工人的安全和相關(guān)人員的培訓(xùn)，以及測(cè)量和預(yù)測(cè)產(chǎn)品的需求。

制造業(yè)的一個(gè)最重要的發(fā)展方向是從生產(chǎn)力、產(chǎn)品質(zhì)量和安全的角度，開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以實(shí)時(shí) KPI監(jiān)測(cè)和評(píng)估工廠的生產(chǎn)過(guò)程 [6]。這樣一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算、可視化，并預(yù)測(cè)工廠 KPI 指標(biāo)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向主管實(shí)時(shí)提供個(gè)性化的KPI。此外，這種基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案可實(shí)時(shí)提供個(gè)性化的KPI儀表盤(pán)，以適應(yīng)每位員工的職責(zé)范圍。例如，物聯(lián)網(wǎng)可將來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有工廠數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，并以圖形方式顯示與員工角色和職責(zé)相適應(yīng)的性能關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)。這種物聯(lián)網(wǎng)解決方案可幫助員工和管理人員即時(shí)評(píng)估并快速響應(yīng)客戶和運(yùn)營(yíng) KPI， 動(dòng)態(tài)地對(duì)生產(chǎn)力、產(chǎn)品質(zhì)量和安全性做出明智的決策。

4.2 提高生產(chǎn)力

目前的行業(yè) KPI 主要基于如下幾方面 ：

(1) 投入 ：每天在工廠加工的原材料或外部生產(chǎn)的部件 ；

(2) 產(chǎn)出 ：生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量、類(lèi)型和質(zhì)量，以及每天的訂單量 ；

(3) 資源：勞動(dòng)力和其他資源，如電力、水和機(jī)器維修費(fèi)用，可將工廠投入轉(zhuǎn)化為產(chǎn)出。

為了提高生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和安全性，制造商可使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)捕獲高保真生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，即關(guān)于每個(gè)活動(dòng)和子活動(dòng)的更詳細(xì)數(shù)據(jù)，而不是僅捕獲現(xiàn)有 KPI 所需數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同樣可以監(jiān)控工廠機(jī)器，確定其操作與空閑時(shí)間，以及它們生產(chǎn)的部件的質(zhì)量和可靠性。

制造商一方面可將工廠流程分解為更精細(xì)的活動(dòng)，例如， 不僅要考慮工作中有多少人員和機(jī)器以及他們生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量，還要考慮他們花費(fèi)多少時(shí)間在生產(chǎn)力較低的活動(dòng)，可以消除、減少或更換。另一方面是電子檢測(cè)和監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的活動(dòng)和子活動(dòng)，包括他們的投入 / 產(chǎn)出和他們使用的資源。物聯(lián)網(wǎng)非常適合，因?yàn)樗墒褂矛F(xiàn)有的 RFID、新型低成本傳感器和“自帶”智能手機(jī)，并將這些數(shù)據(jù)放在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行 KPI 計(jì)算和警報(bào)。制造商也可能計(jì)算出具有更高保真度的生產(chǎn)力， 質(zhì)量和安全關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI）來(lái)監(jiān)控這些活動(dòng)和資源（實(shí)時(shí)）。其他可能的方向是改進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程，包括更高效率和更少的非生產(chǎn)性活動(dòng)，并定期重復(fù)基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)過(guò)程改進(jìn)步驟。

4.3 優(yōu)化庫(kù)存管理

制造商可使用智能手機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)可穿戴設(shè)備從手工庫(kù)存管理操作中收集信息，并利用這些信息來(lái)優(yōu)化和自動(dòng)指導(dǎo)員工根據(jù)產(chǎn)品重量、生產(chǎn)日期和質(zhì)量進(jìn)行挑選和包裝活動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案能夠動(dòng)態(tài)地跟蹤、優(yōu)化和指導(dǎo)揀選和包裝活動(dòng)，通過(guò)減少勞動(dòng)力成本和移動(dòng)和查找存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)中相應(yīng)產(chǎn)品所需的時(shí)間，提高工廠的生產(chǎn)力。該解決方案還可將產(chǎn)品庫(kù)存、存儲(chǔ)或加熱和冷卻能力最小化至滿足客戶訂單所需的最低水平?；谖锫?lián)網(wǎng)的解決方案還可提高制造商跟蹤、查找和存儲(chǔ)基于質(zhì)量和重量的產(chǎn)品的能力，同時(shí)提高生產(chǎn)線靈活性，以滿足多個(gè)客戶訂單要求。

智能移動(dòng)設(shè)備廣泛使用，無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)跟蹤設(shè)備價(jià)格便宜，易于安裝和維護(hù)。基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案可利用任何智能移動(dòng)或物聯(lián)網(wǎng)跟蹤設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)還提供了標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)源的云平臺(tái)，整合這些設(shè)備及其數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)處理。通過(guò)包含進(jìn)化學(xué)習(xí)組件以在邊緣服務(wù)器上實(shí)時(shí)處理這些數(shù)據(jù)流，基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案（由相應(yīng)的云服務(wù)提供支持）可根據(jù)產(chǎn)品功能（如產(chǎn)品特性等）生成存儲(chǔ)、挑選、打包和傳輸產(chǎn)品的優(yōu)化路徑?；谖锫?lián)網(wǎng)的庫(kù)存管理解決方案應(yīng)該對(duì)工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并通過(guò)智能手機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)可穿戴設(shè)備為工作人員提供相應(yīng)的個(gè)性化指導(dǎo)，以優(yōu)化庫(kù)存管理。

4.4 產(chǎn)品的可追溯性

SMP（特殊的制造過(guò)程）對(duì)消費(fèi)者可追溯性的解決方案允許消費(fèi)者跟蹤他們購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品，也使制造商能夠識(shí)別產(chǎn)品零件的來(lái)源 [7]。這樣的解決方案還可識(shí)別工廠到消費(fèi)者供應(yīng)鏈中與產(chǎn)品有關(guān)的問(wèn)題，為工廠提供安全保障，防止造假， 創(chuàng)建一個(gè)更具激勵(lì)性的市場(chǎng)，優(yōu)質(zhì)的供應(yīng)商可賺取額外的利潤(rùn)。

物聯(lián)網(wǎng)是提供從工廠到消費(fèi)者的產(chǎn)品可追溯性的理想選擇。物聯(lián)網(wǎng)可使用各種 RFID 和傳感器技術(shù)跟蹤制造商的產(chǎn)品到消費(fèi)者。物聯(lián)網(wǎng)能夠輕松整合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸供應(yīng)鏈各個(gè)步驟收集的信息，這些信息在云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中存儲(chǔ)和處理，支持信息共享，將使制造商識(shí)別產(chǎn)品的供應(yīng)商。擁有這樣的信息將確保他們的產(chǎn)品能以較低的風(fēng)險(xiǎn)和成本滿足客戶期望。 基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案還可通過(guò)提高警報(bào)和提供調(diào)查產(chǎn)品相關(guān)危害和產(chǎn)品假冒的手段來(lái)提高產(chǎn)品安全性。這將使該行業(yè)保持其產(chǎn)品的聲譽(yù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

世界各地的行業(yè)聯(lián)盟正在大力發(fā)展和倡導(dǎo)一個(gè)以工業(yè) 4.0愿景（第四次工業(yè)革命）為支撐的開(kāi)放，標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)的智能制造工廠。 正如維基百科定義的那樣，工業(yè) 4.0“正在擁抱當(dāng)代自動(dòng)化，數(shù)據(jù)交換和制造技術(shù)?！毙畔a(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，人機(jī)物協(xié)同制造，正在顛覆傳統(tǒng)制造模式，工業(yè)化與信息化深度融合， 是制造模式發(fā)展的必然趨勢(shì)。