智能制造的市場(chǎng)前景及技術(shù)發(fā)展

作者/ 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：智能制造涉及云計(jì)算、嵌入式視覺(jué)、工業(yè)和消費(fèi)類物聯(lián)網(wǎng)(IIoT和IoT)及5G 等各個(gè)領(lǐng)域，隨著社會(huì)需求的不斷提高，相關(guān)政策支持的不斷完善，以及基礎(chǔ)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，智能制造的各項(xiàng)技術(shù)也將得到進(jìn)一步的突破和發(fā)展。

人工智能與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合下的“機(jī)器人2.0”

　　機(jī)器人在汽車、電子制造等行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，但目前的機(jī)器人多指一些自動(dòng)化設(shè)備，并不是真正意義上的機(jī)器人。而隨著傳感器、人工智能等技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)，機(jī)器人將逐漸與人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)感知、深度學(xué)習(xí)和決策等功能，從執(zhí)行一項(xiàng)簡(jiǎn)單重復(fù)性的工作進(jìn)化為執(zhí)行各種復(fù)雜多樣化的工作，并開(kāi)始應(yīng)用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自律化。如今，微軟、谷歌、英特爾等科技巨頭已進(jìn)軍機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，布局“機(jī)器人2.0”時(shí)代，引領(lǐng)智能機(jī)器人的創(chuàng)新發(fā)展。我國(guó)已發(fā)布《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》，重點(diǎn)開(kāi)展人工智能、機(jī)器人深度學(xué)習(xí)等新一代機(jī)器人技術(shù)研究，注重戰(zhàn)略性、前瞻性、創(chuàng)新性的工作，以期在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)變革中實(shí)現(xiàn)“彎道超車”。

　　專業(yè)級(jí)無(wú)人

　　由于航拍應(yīng)用的局限性，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)短期內(nèi)將不會(huì)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，從技術(shù)、成本、應(yīng)用成熟度和行業(yè)發(fā)展規(guī)律等角度看，中國(guó)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)正在逐漸走向成熟，愈發(fā)激烈的競(jìng)爭(zhēng)也促使企業(yè)向?qū)I(yè)級(jí)應(yīng)用轉(zhuǎn)型。技術(shù)方面，隨著傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理芯片廠商，如英特爾、高通、英偉達(dá)布局無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)上，無(wú)人機(jī)將成為實(shí)現(xiàn)人工智能的最佳載體，快速突破專業(yè)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。產(chǎn)品方面，以歌爾聲學(xué)、比亞迪為代表的ODM廠商逐漸布局無(wú)人機(jī)生產(chǎn)制造，加速產(chǎn)品量產(chǎn)及迭代，有效降低專業(yè)應(yīng)用成本，從根本上推動(dòng)專業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展。應(yīng)用方面，經(jīng)過(guò)幾年的用戶培養(yǎng)，無(wú)人機(jī)在各專業(yè)領(lǐng)域，尤其是農(nóng)業(yè)植保的應(yīng)用逐步為用戶所接受，無(wú)人機(jī)專業(yè)應(yīng)用將呈現(xiàn)旺盛的市場(chǎng)需求。

　　互聯(lián)性對(duì)智能設(shè)備更高的性能要求

互聯(lián)大趨勢(shì)要求更高的可編程性和軟件定義性

　　未來(lái)將會(huì)有超過(guò)500億的器件和機(jī)器于2020年前實(shí)現(xiàn)互連。一旦連接，它們必須具有足夠的安全性以抵御硬件級(jí)別的直接入侵。 因?yàn)檫@些設(shè)備、機(jī)器、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境的感知度越來(lái)越高，它們必須適應(yīng)它們的環(huán)境和需求，因而必須具有更高的可編程性與軟件定義性。此外，它們還必須具備可擴(kuò)展性，因?yàn)樵絹?lái)越多的功能不僅進(jìn)行了虛擬化，而且還高效映射到了共享計(jì)算資源中。由于數(shù)據(jù)和視頻是通過(guò)無(wú)處不在的傳感器和攝像機(jī)采集的，因此，分析必須幫助這些機(jī)器進(jìn)行識(shí)別、說(shuō)明、決策和行動(dòng)。此外，這些系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)還必須滿足心急的最終用戶與實(shí)時(shí)場(chǎng)景不斷增長(zhǎng)的需要，其需要即時(shí)的低時(shí)延響應(yīng)。然而在幕后，它們還必須在盡量降低功耗的同時(shí)，通過(guò)更為高級(jí)的算法處理呈指數(shù)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)包和像素。并且還必須高度差異化，否則將在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的低成本全球市場(chǎng)中失敗。這只能通過(guò)將軟件智能與硬件優(yōu)化、“任意”連接相組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。Xilinx 全可編程解決方案可實(shí)現(xiàn)更智能的互連差異化系統(tǒng)，從而可將高級(jí)別的軟件智能性與硬件優(yōu)化及“任意”連接功能進(jìn)行完美整合，成為驅(qū)動(dòng)行業(yè)大趨勢(shì)未來(lái)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。

　　關(guān)鍵技術(shù)相互依存

　　推動(dòng)這些大趨勢(shì)的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推斷、實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)、日益異構(gòu)化的傳感器融合、預(yù)測(cè)分析、大規(guī)模無(wú)線MIMO，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)以及超高清視頻串流。我們看到的是，技術(shù)的進(jìn)步有空前加速和統(tǒng)一的趨勢(shì)，眾多的技術(shù)正在不斷地被組合在一起，創(chuàng)造出全新的應(yīng)用和市場(chǎng)。

　　我們也越來(lái)越多地看到這些大趨勢(shì)和相關(guān)支持技術(shù)的相互依存。例如，包括自動(dòng)駕駛汽車、“協(xié)作機(jī)器人(cobot)”和“感知與規(guī)避”無(wú)人機(jī)等視覺(jué)導(dǎo)向的自主系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，就是通過(guò)將可重配置和實(shí)時(shí)傳感器融合、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)集中于同一“全可編程”或者硬件加速多處理系統(tǒng)級(jí)芯片(MPSoC)而實(shí)現(xiàn)的。

　　由于5G連接技術(shù)的出現(xiàn)，這些自主系統(tǒng)將成為物聯(lián)網(wǎng)的組成部分，從而獲得不間斷的機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練更新、預(yù)測(cè)維護(hù)指令、新功能及服務(wù)更新，以及實(shí)時(shí)的超高清視頻云端上傳和下載。在“霧”計(jì)算的配合下，云計(jì)算將利用可重配置的FPGA加速技術(shù)，以更高的吞吐量和更低的時(shí)延處理這些工作負(fù)載。

　　擴(kuò)陣容、推環(huán)境、建專區(qū)

　　一方面，Xilinx大力擴(kuò)充了其產(chǎn)品陣容。今天的Xilinx從產(chǎn)品上既有廣泛的全可編程FPGA器件系列，還包括從單核到雙核，直到多核的可擴(kuò)展型系統(tǒng)級(jí)Zynq SoC及MPSoC芯片; 既有傳統(tǒng)的高端產(chǎn)品系列，又?jǐn)U充了強(qiáng)大的成本優(yōu)化型FPGA系列和基于ARM的SoC系列產(chǎn)品， 從而為越來(lái)越多領(lǐng)域?qū)θ删幊唐骷男枨筇峁┝素S富的選擇。

　　另一方面，為滿足更加廣泛的軟件與系統(tǒng)工程師社區(qū)的需求，Xilinx推出新一代軟件定義的SDx開(kāi)發(fā)環(huán)境，大幅降低FPGA開(kāi)發(fā)難度，為軟件及系統(tǒng)級(jí)工程師也能享受FPGA硬件開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)提供了“全可編程”的編程模式，工程師可以用其熟悉的C、C++、OpenCL語(yǔ)言或者堆棧進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　此外，面向可編程器件應(yīng)用需求，Xilinx相繼在官網(wǎng)推出了面向軟件、硬件及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的嵌入式視覺(jué)開(kāi)發(fā)者專區(qū)及“加速專區(qū)”。其中匯集龐大而豐富的工程設(shè)計(jì)資源，包括軟件開(kāi)發(fā)優(yōu)化庫(kù)、硬件開(kāi)發(fā)人員視覺(jué) IP、項(xiàng)目，以及Xilinx及其聯(lián)盟計(jì)劃成員和社區(qū)開(kāi)發(fā)人員所提供的各種教程。通過(guò)這些專區(qū)，Xilinx為開(kāi)發(fā)人員快速啟動(dòng)開(kāi)發(fā)下一代視覺(jué)系統(tǒng)提供了一個(gè)“一站式平臺(tái)”，幫助他們充分利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的傳感器融合、高級(jí)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法以及對(duì)象檢測(cè)與分析功能等。

工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)成為關(guān)鍵

　　全球各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家引領(lǐng)生產(chǎn)方式變革，穩(wěn)步推進(jìn)實(shí)施再工業(yè)化、制造業(yè)回歸、工業(yè)4.0等發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展中國(guó)家制造業(yè)擺脫落后產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求日趨迫切。

　　以此為契機(jī)，工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)成為了提高生產(chǎn)效率和實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵組成部分。 如今，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如EtherCAT?、PROFINET?、Ethernet I/P?等的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加，確保了高效通信的可靠性和效率。這些通信網(wǎng)絡(luò)成為貫穿整個(gè)工廠生產(chǎn)的關(guān)鍵。

　　運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)需求增長(zhǎng)

　　就國(guó)內(nèi)而言，“中國(guó)制造2025”等政策為運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品提供了強(qiáng)有力的政策支持，未來(lái)該市場(chǎng)仍有很大的增長(zhǎng)潛力?！爸腔酃S”概念將為運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品帶來(lái)巨大需求;市場(chǎng)對(duì)相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品以及解決方案的需求也應(yīng)運(yùn)而生，主要表現(xiàn)在：小型運(yùn)動(dòng)控制方案正在向包含通訊、反饋、控制等的大型方案轉(zhuǎn)變和中小客戶在產(chǎn)業(yè)升級(jí)過(guò)程中對(duì)運(yùn)動(dòng)控制需求增長(zhǎng)。

　　以太網(wǎng)通訊相關(guān)芯片——RZ/T1系列

　　近年來(lái)，針對(duì)這一市場(chǎng)趨勢(shì)，瑞薩電子推出了一系列工業(yè)以太網(wǎng)通信相關(guān)芯片。其中，RZ/T1系列是適用于AC伺服系統(tǒng)的高速實(shí)時(shí)性芯片。這顆芯片基于ARM核，不含ROM的設(shè)計(jì)使其擁有更高的主頻，能實(shí)現(xiàn)更高速實(shí)時(shí)的處理，這是一般Flash MCU所無(wú)法企及的。

　　RZ/T1系列是集成度非常高的芯片，它由三大塊組成，即：

　　1.搭載超實(shí)時(shí)性MCU：Cortex?-R4F@300/450/600MHz(可選)，含單、雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，內(nèi)置緊密耦合存儲(chǔ)器(512K+32K, TCM)，消除緩存存儲(chǔ)器易造成的執(zhí)行時(shí)間波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高速處理和相應(yīng)。

　　2.內(nèi)置用于工業(yè)以太網(wǎng)通信的R-IN引擎：Cortex?-M3@150MHz， 可支持多種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，如EtherCAT?、PROFINET?、Ethernet I/P?等，客戶無(wú)需外置其它專用以太網(wǎng)通信芯片。

　　3.內(nèi)置編碼器接口：支持多種協(xié)議的編碼器接口，如NIKON A-Format、EnDat、BISS-B/C、Tamagawa Seiki等，客戶無(wú)需外置FPGA/ASIC即可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)值編碼器接口功能。

　　基于RZ/T1芯片，瑞薩電子也提供相應(yīng)的開(kāi)發(fā)評(píng)估套件及運(yùn)動(dòng)控制解決方案套件，幫助客戶更容易地評(píng)估RZ/T1的各種特性和驅(qū)動(dòng)控制性能，縮短開(kāi)發(fā)周期。運(yùn)動(dòng)控制解決方案套件包含所有開(kāi)發(fā)需要的設(shè)備，包括MPU主板、變頻板、電機(jī)、固件、工具、文檔等。

　　邊緣計(jì)算和存儲(chǔ)的應(yīng)用需求

　　智能制造網(wǎng)絡(luò)邊緣安全需要重視

　　邊緣計(jì)算以及存儲(chǔ)增加是我們持續(xù)觀察到的趨勢(shì)。隨著行業(yè)變革開(kāi)始向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和工業(yè) 4.0發(fā)展，制造行業(yè)的機(jī)遇仍在孕育當(dāng)中。智能制造的最終目標(biāo)是通過(guò)互聯(lián)的流程和實(shí)時(shí)的產(chǎn)品增加對(duì)信息的安全訪問(wèn)和可見(jiàn)性，從而提高整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的效率和生產(chǎn)率。因此，智能制造需要更多邊緣計(jì)算和存儲(chǔ)，并且可靠、安全地連接到云。

　　據(jù)“Cisco 全球云指數(shù)”估計(jì)，一家互聯(lián)智能工廠每天可產(chǎn)生1PB數(shù)據(jù)，其中只有0.2%的數(shù)據(jù)傳輸回云。傳輸?shù)皆频臄?shù)據(jù)量可能因回程的成本效益、數(shù)據(jù)所有權(quán)問(wèn)題等因素而異，由此導(dǎo)致了大量的邊緣處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，目的是通過(guò)數(shù)據(jù)分析獲益。

　　隨著智能制造進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)安全成為亟需解決的熱門(mén)話題。貫穿在當(dāng)今眾多攻擊事件中的共同主題是：攻擊者將惡意代碼寫(xiě)入通常位于網(wǎng)絡(luò)附近或邊緣位置的設(shè)備的非易失性存儲(chǔ)中，意圖令該設(shè)備成為惡意僵尸網(wǎng)絡(luò)的一部分。隨著網(wǎng)絡(luò)安全防御體系的發(fā)展正在跟上最新攻擊的發(fā)展步伐，充分利用軟件和硬件的現(xiàn)有功能至關(guān)重要。因此，切不可輕視智能制造網(wǎng)絡(luò)邊緣的系統(tǒng)代碼保護(hù)工作。

邊緣計(jì)算在制造業(yè)中的應(yīng)用

　　在制造業(yè)中，邊緣計(jì)算意味著“互聯(lián)”機(jī)器可以實(shí)時(shí)收集、分析數(shù)據(jù)，并做出明智的決策。這些計(jì)算單元可以通過(guò)傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)或以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，但由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)廣為普及且部署成本較低，因此，使用微型機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)模塊進(jìn)行連接更為高效，這些模塊嵌入到這些邊緣計(jì)算單元中，可以始終開(kāi)啟、隨時(shí)可用。這些單元的部署范圍相當(dāng)廣，可以部署在工廠的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)中，也可以部署到生產(chǎn)車間執(zhí)行重復(fù)任務(wù)的機(jī)器人中。這些邊緣計(jì)算單元可直接與云基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通訊，并直接提供用于分析的數(shù)據(jù)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和各項(xiàng)規(guī)則，這些單元還可以根據(jù)歷史行為預(yù)測(cè)潛在問(wèn)題或故障。這為操作員提供了充足的預(yù)警，方便做出變更并避免停機(jī)，從而提高工作效率并提供更高的投資回報(bào)(ROI)。這些邊緣計(jì)算單元可以是安全、強(qiáng)大、耐用且性能更高的微型解決方案，比如 M2M 模塊、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或工業(yè) PC (IPC)，它們還可以執(zhí)行邊緣分析，提供實(shí)時(shí)決策和行動(dòng)。這些工業(yè)PC 通常采用x86和ARM處理器，具備各種外形尺寸，可擴(kuò)展性好，能夠滿足多種客戶需求，足以取代可編程邏輯控制器(PLC)或可編程自動(dòng)化控制器(PAC)等傳統(tǒng)的專用解決方案。此外，工廠中的操作員還可以利用工業(yè)PC執(zhí)行工單管理、通知、報(bào)告和儀表盤(pán)任務(wù)，有助于提高效率。這樣的工業(yè)PC 可以緊密集成到分布式控制系統(tǒng)或常用的自動(dòng)化工具中。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是另一種工業(yè)PC，可以通過(guò)嵌入式蜂窩技術(shù)連接可部署的其他高級(jí)功能。值得注意的是，雖然蜂窩技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)很多突破，新的蜂窩解決方案不斷問(wèn)世，但由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要在極端環(huán)境中進(jìn)行部署，因此，通常該類型網(wǎng)關(guān)對(duì)于堅(jiān)固耐用有更高的要求。

　　工業(yè)商數(shù)(IQ)

　　綜合上述挑戰(zhàn)和趨勢(shì)，美光科技推出了自己的工業(yè)商數(shù)(IQ)來(lái)應(yīng)對(duì)各項(xiàng)挑戰(zhàn)。推出工業(yè)商數(shù)(IQ)是為了針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)在內(nèi)存和存儲(chǔ)方面做出明智的選擇，不僅有助于滿足功能性的產(chǎn)品要求，還可以確保設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期可靠性和品質(zhì)，適合廣泛的耐用型/工業(yè)使用案例(特別是邊緣計(jì)算)。

　　美光認(rèn)為工業(yè)商數(shù)相當(dāng)重要，這體現(xiàn)著其“設(shè)計(jì)流程中提前選擇的電子組件和存儲(chǔ)解決方案對(duì)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期成功至關(guān)重要”這一思維模式。該商數(shù)所包括的范圍可從針對(duì)具體應(yīng)用的固件調(diào)整、嚴(yán)格的產(chǎn)品認(rèn)證、溫度可靠性測(cè)試、擴(kuò)展的產(chǎn)品可用性，到更高效地管理硬件產(chǎn)品線、最大程度減少代價(jià)高昂的現(xiàn)場(chǎng)故障和維護(hù)停機(jī)，進(jìn)而降低總體擁有成本 (TCO)。以機(jī)器人為例，只選擇技術(shù)正確、密度合適的存儲(chǔ)是不夠的，還務(wù)必要考慮使用壽命、沖擊和振動(dòng)下的性能穩(wěn)定性、可靠性以及與安全性相關(guān)的參數(shù)。

工業(yè)以太網(wǎng)演進(jìn)的PHY解決方案

　　現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境充斥著復(fù)雜的自動(dòng)化和制造技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)連接是使其基本運(yùn)行的關(guān)鍵所在。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常包括可編程邏輯控制器(PLC)、電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)接口(HMI)。以太網(wǎng)技術(shù)將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的所有這些節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，在網(wǎng)絡(luò)上傳遞精確控制和同步時(shí)鐘等信息。高速裝配線機(jī)器人是工廠應(yīng)用以太網(wǎng)的一個(gè)例子，通過(guò)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，以確保成品被完好無(wú)損地進(jìn)行包裝。

　　與在辦公網(wǎng)絡(luò)之類的企業(yè)應(yīng)用中部署以太網(wǎng)不同，工業(yè)網(wǎng)路有更多物理與電子不良的環(huán)境——這就帶來(lái)了一系列特殊的挑戰(zhàn)。以太網(wǎng)組件和IEEE? 802.3系列標(biāo)準(zhǔn)正在不斷發(fā)展，以滿足工廠車間的特殊需求。環(huán)境高溫、電壓浪涌、嚴(yán)格的延遲要求和不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)速度是工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)PHY(物理層設(shè)備或者收發(fā)器)必須要解決的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。