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在制造業(yè)與新一代信息技術(shù)深度融合發(fā)展并加速智能化變革的背景下，智能制造是增強我國制造業(yè)在全球競爭格局中比較優(yōu)勢的關(guān)鍵舉措。自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將重構(gòu)智能制造體系，支撐工業(yè)設(shè)備的大規(guī)模互聯(lián)與實時管理決策，再與人工智能、大數(shù)據(jù)結(jié)合以形成智能生產(chǎn)的充分閉環(huán)。自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系是推動我國工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的必然要求，更是維護制造業(yè)發(fā)展安全、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈高端化的戰(zhàn)略選擇。

中國工程院王耀南院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2025年第3期發(fā)表《面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究》一文。文章梳理了智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要素、基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造技術(shù)要素、自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟硬件系統(tǒng)3個方面呈現(xiàn)了面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系全貌；系統(tǒng)總結(jié)了面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)示范應(yīng)用，涵蓋自主可控的機器人化智能制造、基于自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)檢測與感知、面向智能制造的網(wǎng)絡(luò)化多機協(xié)同控制、面向智能制造的多機協(xié)同調(diào)度規(guī)劃；進一步研判了面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的當(dāng)前挑戰(zhàn)和技術(shù)方向?？煞e極應(yīng)用第五代移動通信、自主可控工業(yè)軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“云邊端”協(xié)同、搭載國產(chǎn)分布式操作系統(tǒng)的機器人、自主可控的多機協(xié)同制造技術(shù)，同時加快構(gòu)建自主可控標(biāo)準(zhǔn)體系，驅(qū)動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造的融合發(fā)展，為我國制造業(yè)穩(wěn)健升級和高質(zhì)量發(fā)展開辟新途徑。

一、前言

智能制造是高度柔性化及集成化、決策自動化的系統(tǒng)，通過計算機模擬人類專家的智能活動，能夠自適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)制造環(huán)境。智能制造自20世紀(jì)80年代興起，主要經(jīng)歷3個發(fā)展階段：在數(shù)字化階段，由計算 ? 通信 ? 控制技術(shù)驅(qū)動，實現(xiàn)基礎(chǔ)信息化；在網(wǎng)絡(luò)化階段，以萬物互聯(lián)技術(shù)為支撐，形成全流程協(xié)同能力；目前進入智能化階段，以“人工智能（AI）+大數(shù)據(jù)+云計算”深度融合的方式，逐步構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的自主決策系統(tǒng)。智能制造的演進過程，反映了制造業(yè)從能量驅(qū)動向信息驅(qū)動的根本性轉(zhuǎn)變——隨著產(chǎn)品復(fù)雜度的提升，信息量呈指數(shù)級增長，制造系統(tǒng)對信息處理能力的需求超越傳統(tǒng)技術(shù)極限，使智能制造成為新工業(yè)革命的核心驅(qū)動力。

制造企業(yè)集成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)遠程運維、供應(yīng)鏈實時響應(yīng)、產(chǎn)品個性化定制等新型服務(wù)模式，在引入數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化算法后賦予生產(chǎn)線以自主調(diào)節(jié)生產(chǎn)參數(shù)的能力。在智能化的前沿研究方面，依托第五代移動通信（5G）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、AI、云計算、集群機器人、數(shù)字孿生等技術(shù)，形成“數(shù)據(jù)采集 ? 智能分析 ? 自主執(zhí)行”的閉環(huán)制造體系。然而，在全球產(chǎn)業(yè)競爭加劇、地緣沖突風(fēng)險攀升的背景下，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：高端工業(yè)芯片、核心工業(yè)軟件、實時操作系統(tǒng)等關(guān)鍵產(chǎn)品較多依賴進口，關(guān)鍵設(shè)備與協(xié)議“黑箱化”導(dǎo)致供應(yīng)鏈安全風(fēng)險，數(shù)據(jù)跨境流動、系統(tǒng)互操作方面標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)缺失。為此，構(gòu)建自主可控的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，既是我國工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的必然要求，更是維護制造業(yè)發(fā)展安全、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈高端化的戰(zhàn)略選擇。

有別于廣義工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的通用性概念，本文提出自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，突出技術(shù)自主研發(fā)、供應(yīng)鏈安全的雙重屬性，具有3個層級的內(nèi)涵：① 完全自主知識產(chǎn)權(quán)層級，即工業(yè)操作系統(tǒng)、協(xié)議棧、智能算法等核心技術(shù)具有完整的自主研發(fā)能力，支持從架構(gòu)設(shè)計到代碼實現(xiàn)的全鏈條可控；② 部分替代依賴層級，針對短期內(nèi)難以突破的“卡脖子”環(huán)節(jié)（如高端傳感器、精密控制器），通過異構(gòu)冗余設(shè)計、多源供應(yīng)商管理形成替代方案，降低單一技術(shù)路徑的風(fēng)險；③ 供應(yīng)鏈安全可控層級，建立涵蓋研發(fā)、生產(chǎn)、運維的全生命周期可信保障機制，確保核心組件的穩(wěn)定供應(yīng)和數(shù)據(jù)主權(quán)歸屬的明確性。這3個層級的內(nèi)容具有遞進關(guān)系，有助于穩(wěn)健形成技術(shù)突破與風(fēng)險緩釋的立體化保障體系。

本文圍繞更好發(fā)揮自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對智能制造的關(guān)鍵賦能作用這一主旨，面向核心技術(shù)國產(chǎn)化替代的核心層級，探討自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造的協(xié)同發(fā)展路徑，展望面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突破方向。相關(guān)內(nèi)容有助于形成可復(fù)制推廣的自主化技術(shù)方案，推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從“可用”向“可信、可控、可替代”的更高維度演進，保障我國智能制造在全球競爭格局中占據(jù)優(yōu)勢。

二、智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

（一）智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

智能制造是現(xiàn)代制造業(yè)轉(zhuǎn)型的重要趨勢，與前沿科技深度融合，引領(lǐng)制造業(yè)的數(shù)字化、智能化變革。在全球范圍內(nèi)，智能制造發(fā)展迅猛，衍生出一系列特色技術(shù)突破與應(yīng)用范式。

我國智能制造正處于蓬勃發(fā)展期，相關(guān)國家政策推動制造業(yè)穩(wěn)健轉(zhuǎn)型智能化和高效化。在制造企業(yè)層面，以比亞迪為代表的諸多汽車品牌，建立智能化生產(chǎn)線和自動化裝配流程，實現(xiàn)汽車從設(shè)計、制造到檢測的全過程智能化管理；建成智能工廠，顯著提高制造能力。盡管已有長足進步，但我國智能制造仍面臨對國外高端裝備技術(shù)依賴性強、面向中小企業(yè)推廣緩慢、標(biāo)準(zhǔn)化體系不完善等挑戰(zhàn)，制約了全球產(chǎn)業(yè)鏈上的地位提升、自主技術(shù)的應(yīng)用兼容性。

以德國、美國、日本為代表的制造業(yè)強國，也在大力推進智能制造發(fā)展，進而帶動全球制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。德國提出“工業(yè)4.0”，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)與制造過程深度融合，提升了生產(chǎn)的自動化水平和靈活度。例如，西門子股份公司基于“數(shù)字化工廠”概念建立了高度自動化和互聯(lián)的生產(chǎn)系統(tǒng)，產(chǎn)品的制造合格率達到99.998%，成為全球智能制造的標(biāo)桿。美國工業(yè)界積極推廣智能制造，如通用電氣公司在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上融入大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)，實現(xiàn)預(yù)測性維護與生產(chǎn)優(yōu)化，兼顧簡化維護與提升效率。日本豐田汽車公司采用“外部合作+自主研發(fā)”雙軌策略，推動大數(shù)據(jù)、超高速通信及互聯(lián)汽車技術(shù)應(yīng)用，加速企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型。

后續(xù)，智能制造將更顯多元化、融合化、智能化，與數(shù)據(jù)驅(qū)動、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合，推動制造業(yè)更加智能、高效、快捷發(fā)展；也將實現(xiàn)高度的自動化生產(chǎn)、個性化定制、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，促進制造業(yè)從“制造”向“智造”轉(zhuǎn)型升級。也要注意到，國際智能制造領(lǐng)域依然面臨與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容、網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等方面的挑戰(zhàn)，需要更多關(guān)注安全性、互用性。

（二）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是推動制造業(yè)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級的重要支撐。美國、德國、日本等制造業(yè)強國同樣在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域表現(xiàn)突出。例如，通用電氣公司率先推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升工業(yè)設(shè)備的運營效率；西門子股份公司在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上集成數(shù)據(jù)采集與分析功能，支持制造企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高設(shè)備使用率；日本推動相關(guān)企業(yè)建立并深入應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)平臺，促進跨企業(yè)、跨行業(yè)生產(chǎn)合作。然而，數(shù)據(jù)隱私安全風(fēng)險、標(biāo)準(zhǔn)化不足等因素仍然在制約跨國生產(chǎn)的合作水平。

我國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與美國、德國、日本等制造業(yè)強國基本同步，形成了特色路徑和比較優(yōu)勢。2022年，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)增加值超過4萬億元，支撐制造業(yè)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型并成為新的經(jīng)濟增長點。例如，海爾集團公司推出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模產(chǎn)品定制平臺，提升了生產(chǎn)效率和客戶滿意度。華為技術(shù)有限公司建立“5G+云+AI”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，支持應(yīng)用企業(yè)在云端進行數(shù)據(jù)實時分析和決策，顯著縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。比亞迪股份有限公司建設(shè)了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能生產(chǎn)線，大幅提高汽車零部件的生產(chǎn)精度及效率。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進展良好，后續(xù)需著力解決混合關(guān)鍵性隔離、容錯設(shè)計、可擴展性、網(wǎng)絡(luò)安全防護等方面的不足。

我國是全球制造業(yè)大國，需要加快建立自主可控的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保相關(guān)核心技術(shù)、關(guān)鍵環(huán)節(jié)不再受制于人。目前，中低端工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈基本實現(xiàn)自主可控，但以微控制器、數(shù)字信號處理芯片為代表的高端工業(yè)芯片，工業(yè)操作系統(tǒng)，控制軟件等軟硬件的自主可控率存在不足，仍需依賴國際市場供給。后續(xù)，5G、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)進一步融入，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將不斷深化。此過程中伴生著設(shè)備兼容性、網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險、數(shù)據(jù)隱私保護等問題，需要積極應(yīng)對以確保工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)健發(fā)展與全面應(yīng)用。

三、面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系

（一）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要素

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的先進制造模式，核心在于全面連接、感知、分析、優(yōu)化生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，支持設(shè)備、工序、人員之間實時開展信息交互和協(xié)同工作，提升制造業(yè)的智能化、高效化、靈活化水平。美國通用電氣公司在2012年首次提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，旨在實現(xiàn)人、機、物、系統(tǒng)的連接，分析工業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)生更高價值的信息。德國定義“工業(yè)4.0”，目的是利用信息與通信技術(shù)實現(xiàn)機器和工業(yè)過程的智能互聯(lián)。在我國，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被普遍視為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主要特征，屬于新工業(yè)革命的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引入5G、AI大模型、數(shù)字孿生等前沿技術(shù)，賦予生產(chǎn)過程以智能化的監(jiān)控、預(yù)測、優(yōu)化能力，在進一步提高生產(chǎn)效率的同時，更好保障智能制造的安全和可靠性。

5G是先進的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)速度、容量、延遲等方面相較前代移動通信技術(shù)實現(xiàn)大幅提升，能夠支撐各類新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。5G融合邊緣計算，在靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)就近提供智能服務(wù)，滿足敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等行業(yè)數(shù)字化的關(guān)鍵需求。5G網(wǎng)絡(luò)中引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，提供定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以高效滿足差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，實現(xiàn)一網(wǎng)多用。

大模型技術(shù)加速自然語言開發(fā)創(chuàng)新，革新開發(fā)交互模式。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大模型技術(shù)結(jié)合，有望引發(fā)智能制造領(lǐng)域內(nèi)的深刻變革。就目前的進展看，雖然基礎(chǔ)大模型很難直接應(yīng)用到工業(yè)制造環(huán)節(jié)，但基礎(chǔ)大模型提供方與制造企業(yè)可以合作開發(fā)具有針對性的行業(yè)大模型。近期，我國已有一些深度融合AI的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，支持端到端并行訓(xùn)練優(yōu)化、場景模型遷移、大模型應(yīng)用集成等任務(wù)。

工業(yè)數(shù)字孿生集成多種數(shù)字化技術(shù)，推動智能制造的創(chuàng)新性應(yīng)用。在數(shù)字空間中應(yīng)用建模工具構(gòu)建精確的物理對象模型，經(jīng)由實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的運行；數(shù)字孿生技術(shù)與現(xiàn)實數(shù)據(jù)、虛擬模型融合，支持綜合決策能力提升，優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)全流程。

（二）基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造技術(shù)要素

針對傳統(tǒng)制造依賴集中式控制、多為標(biāo)準(zhǔn)化流水線作業(yè)，缺乏靈活性，難以適應(yīng)產(chǎn)品個性化、快速響應(yīng)生產(chǎn)、高效資源配置等需求的不足，柔性制造系統(tǒng)、可重構(gòu)制造系統(tǒng)成為有潛力的改進方案：前者可在同一系統(tǒng)上生產(chǎn)具有可變組合的多種產(chǎn)品，但吞吐量較?。缓笳吡η缶C合柔性制造系統(tǒng)、專業(yè)生產(chǎn)線的優(yōu)點，但涉及對生產(chǎn)配置、零件制造進行復(fù)雜的分析及規(guī)劃。立足當(dāng)前的研究與應(yīng)用進展，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造關(guān)鍵技術(shù)主要分為3個方面。

1.分布式模塊化技術(shù)

分布式模塊化的核心理念是開展模塊化設(shè)計和分布式控制，支持動態(tài)配置與擴展，適用于批量生產(chǎn)、高度定制化和柔性生產(chǎn)。生產(chǎn)流程包含加工、物流、質(zhì)檢等功能模塊，各模塊均配置獨立控制單元，用于增強制造系統(tǒng)的魯棒性，由此形成分布式智能制造系統(tǒng)。分布式智能制造系統(tǒng)強調(diào)具有自主決策能力，其中的模塊可視作獨立智能體，根據(jù)局部實時信息自主進行決策；各模塊之間通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時交換信息，協(xié)調(diào)工作進度和資源調(diào)度。例如，生產(chǎn)過程中一個加工單元完成任務(wù)后立即通知物流單元進行運輸，減少等待時間并避免資源浪費。良好的適應(yīng)性與學(xué)習(xí)能力是分布式智能制造系統(tǒng)另一個顯著特征。引入AI、深度強化學(xué)習(xí)等技術(shù)，相關(guān)系統(tǒng)可基于歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行不斷學(xué)習(xí)，進而優(yōu)化自身的決策流程。訓(xùn)練后的智能體可以根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整生產(chǎn)計劃，通過強化學(xué)習(xí)逐步提升決策能力，增強分布式系統(tǒng)在面對復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境時的應(yīng)變能力。

模塊化設(shè)計指將產(chǎn)品劃分為獨立模塊并實現(xiàn)功能優(yōu)化，模塊內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)具有高度的一致性，模塊之間存在弱的相互依賴性。相比傳統(tǒng)制造，模塊化制造不僅降低設(shè)計復(fù)雜性和全生命周期成本，而且提高產(chǎn)品質(zhì)量和制造靈活性；支持零部件的標(biāo)準(zhǔn)化與重復(fù)使用，顯著縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期。引入數(shù)字孿生技術(shù)為模塊化生產(chǎn)提供虛實融合的管控能力，構(gòu)建的高保真生產(chǎn)系統(tǒng)模型支持模塊化節(jié)點的動態(tài)重組和快速調(diào)整。此外，模塊化生產(chǎn)將復(fù)雜的生產(chǎn)流程分解為可獨立設(shè)計和執(zhí)行的模塊，激勵單一企業(yè)專注自身優(yōu)勢領(lǐng)域，形成高效的分工協(xié)作模式，促進產(chǎn)業(yè)鏈的深度協(xié)作。這種垂直分工模式可顯著提升制造企業(yè)的生產(chǎn)效率和響應(yīng)速度，為構(gòu)建智能制造生態(tài)體系筑牢能力基礎(chǔ)。

2. 大模型與機器人制造技術(shù)

在智能制造領(lǐng)域，大模型、機器人制造技術(shù)獲得廣泛關(guān)注。工業(yè)機器人包括機械臂、自動導(dǎo)引車（AGV）、各類帶有復(fù)雜傳感器的機器人，具有操作精度高、作業(yè)靈活的特點，在諸多工業(yè)生產(chǎn)場景中得到應(yīng)用。近年來，大模型技術(shù)發(fā)展迅速，在多模態(tài)信息處理、大規(guī)模數(shù)據(jù)集處理、人機協(xié)作方面具有顯著優(yōu)勢，賦予制造技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展新動能。例如，工業(yè)預(yù)訓(xùn)練大模型使用工業(yè)數(shù)據(jù)集進行預(yù)訓(xùn)練、面向特定業(yè)務(wù)場景進行微調(diào)、集合領(lǐng)域?qū)I(yè)知識開展增量學(xué)習(xí)，形成解決制造業(yè)細(xì)分場景中任務(wù)的能力；據(jù)此構(gòu)建的智能制造系統(tǒng)，能夠自主識別和理解關(guān)鍵信息，在復(fù)雜制造過程中作出決策，在執(zhí)行過程中進行自我優(yōu)化和持續(xù)學(xué)習(xí)。

機器人制造是智能制造的核心技術(shù)之一。在早期，機器人只能按照存儲器中的程序執(zhí)行簡單、機械的工業(yè)任務(wù)（如抓取、搬運、包裝等動作），一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需重新設(shè)計程序。隨著傳感器、控制技術(shù)的進步，機器人通過視覺、聽覺、觸覺等傳感器獲取并處理工業(yè)環(huán)境和作業(yè)目標(biāo)的變化信息，動態(tài)調(diào)整自身行為，進而提高機器人制造的精確度和靈活性。AI技術(shù)則推動機器人制造的智能化、自主化、高效化發(fā)展。

機器人制造與大模型的深度結(jié)合，推動機器人在語言交互、多模態(tài)感知、智能決策、個性化交互、自主學(xué)習(xí)等方面不斷提升能力以及朝著具身智能方向發(fā)展，以工業(yè)機器人的自主設(shè)計、決策、任務(wù)執(zhí)行為關(guān)注重點。大模型與工業(yè)機器人的結(jié)合框架（見圖1）主要包含3個步驟。① 任務(wù)與過程參數(shù)匹配，細(xì)分為指令解析、命令執(zhí)行兩個階段：對于前者，大模型通過少樣本學(xué)習(xí)提取特定的制造任務(wù)，如增材制造打印、夾緊等；對于后者，大模型設(shè)置場景布局，根據(jù)前面階段的任務(wù)提取，為工業(yè)機器人選擇匹配的末端執(zhí)行器。② 自主執(zhí)行任務(wù)，以末端執(zhí)行器的路徑規(guī)劃為例，機器人與末端執(zhí)行器耦合后，大模型進行連續(xù)決策來構(gòu)造末端執(zhí)行器的路徑，引入應(yīng)用程序編程接口（API）、錯誤模塊、反射機制等，糾正執(zhí)行任務(wù)的動作。③ 大模型與工業(yè)機器人集成，經(jīng)大模型訓(xùn)練后的智能體與任務(wù)設(shè)計、執(zhí)行能力緊密結(jié)合，支持具身智能機器人在實際工業(yè)場景下的高效運作。

圖1　大模型與工業(yè)機器人的結(jié)合框架

注：x，y，z表示三維坐標(biāo)。

3. “云邊端”協(xié)同技術(shù)

接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備數(shù)量不斷增加，產(chǎn)生了高維、異構(gòu)的實時工業(yè)數(shù)據(jù)。處理與分析實時工業(yè)數(shù)據(jù)，有助于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量?！霸七叾恕眳f(xié)同技術(shù)用于增強智能制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析能力，支持實時監(jiān)控制造過程、及時作出調(diào)整和新的安排，保障生產(chǎn)制造的高效化和智能化。“云邊端”協(xié)同技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造場景，如加工過程中的設(shè)備故障診斷、預(yù)測性維護、生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控等，增強了制造過程的靈活度和效率，實現(xiàn)了智能化管理。

“云邊端”協(xié)同是集成云計算、邊緣計算、終端設(shè)備的分布式計算架構(gòu)，通過各種計算層的緊密協(xié)作，建立高效、智能、低延時的數(shù)據(jù)處理與業(yè)務(wù)執(zhí)行能力（見圖2）。在該架構(gòu)中，云、邊、端承擔(dān)獨立任務(wù)，再經(jīng)功能互補構(gòu)成完整的智能系統(tǒng)。終端是整個系統(tǒng)的感知層和執(zhí)行層，包含傳感器、攝像頭、工業(yè)機器人等智能化設(shè)備，主要負(fù)責(zé)工業(yè)數(shù)據(jù)的實時采集、具體操作的有效執(zhí)行。邊緣端是部署在靠近數(shù)據(jù)源的邊緣服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，對終端采集的數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，執(zhí)行異常檢測、實時監(jiān)控等任務(wù)。相較云端，邊緣計算更靠近數(shù)據(jù)產(chǎn)生的場所，能有效完成時間敏感型任務(wù)，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延。云端是具有強大計算能力和存儲容量的遠程服務(wù)器及計算中心，在整個架構(gòu)中處于核心層次，承擔(dān)大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理、復(fù)雜的大模型訓(xùn)練、高容量的數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)。云端生成的策略、訓(xùn)練好的模型下發(fā)至邊緣端和終端，支持智能制造系統(tǒng)開展更加高效和智能的生產(chǎn)控制與決策執(zhí)行。

“云邊端”協(xié)同涉及多項關(guān)鍵技術(shù)，以高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和通信協(xié)議為基礎(chǔ)。常用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議有消息隊列遙測傳輸、OPC UA、Modbus等，用于大規(guī)模設(shè)備和傳感器的數(shù)據(jù)傳輸、管理、監(jiān)控、控制。5G能夠突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸瓶頸，為工業(yè)現(xiàn)場的多設(shè)備互聯(lián)和實時協(xié)作提供通信支持。高效的任務(wù)分配和資源調(diào)度技術(shù)[53]是實現(xiàn)“云邊端”協(xié)同的重要基礎(chǔ)，將不同類型的任務(wù)合理分配到計算節(jié)點，高效調(diào)度計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)帶寬，追求最優(yōu)的系統(tǒng)性能。常用的調(diào)度技術(shù)包含負(fù)載均衡、優(yōu)先級調(diào)度、基于優(yōu)化算法的調(diào)度、基于機器學(xué)習(xí)的智能調(diào)度等。邊緣智能也是“云邊端”協(xié)同的重要組成部分，將AI融入邊緣計算，賦予邊緣設(shè)備以數(shù)據(jù)處理、分析與決策的能力。在邊緣設(shè)備部署智能算法，將減少數(shù)據(jù)傳輸延遲和云端計算壓力，提升系統(tǒng)的實時性與可靠性，為構(gòu)建高效、智能、可靠的分布式系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

圖2　“云邊端”協(xié)同架構(gòu)

（三）自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟硬件系統(tǒng)

自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟硬件系統(tǒng)是當(dāng)前工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要組成部分，強調(diào)核心技術(shù)、關(guān)鍵硬件設(shè)備、各類軟件實現(xiàn)國產(chǎn)化和自主化，盡快擺脫對外部技術(shù)的依賴。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)主要包括：行業(yè)設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的生成和具體操作的執(zhí)行；邊緣層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、向頂層傳輸數(shù)據(jù)，分解云端的計算壓力；基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）層，提供平臺運行所需的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，確保平臺的可擴展和靈活性；平臺即服務(wù)（PasS）層，提供開發(fā)工具、運行環(huán)境和API，用于構(gòu)建、部署、管理工業(yè)應(yīng)用，增強平臺的整體能力；工業(yè)軟件包含各工業(yè)領(lǐng)域的專用軟件和行業(yè)通用工具（見圖3）。

圖3　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)

1.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)構(gòu)成，包含智能傳感器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、嵌入式設(shè)備、邊緣計算節(jié)點、工業(yè)控制器、云端服務(wù)器等。智能傳感器采集工業(yè)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、加工信息，將相關(guān)實時數(shù)據(jù)傳輸至上層進行處理。工業(yè)網(wǎng)關(guān)是連接現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備、上層管理系統(tǒng)的“橋梁”，支持多種通信協(xié)議與接口，聚合各類終端采集的數(shù)據(jù)并上傳到邊緣計算節(jié)點、云端服務(wù)器。邊緣計算節(jié)點、云端服務(wù)器對下層設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理、分析，支持控制決策。工業(yè)控制器、嵌入式設(shè)備根據(jù)上層系統(tǒng)下發(fā)的指令，執(zhí)行具體的控制和操作。

在硬件系統(tǒng)中，通信協(xié)議是確保各類設(shè)備高效可靠交換數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。Modbus、CANopen等現(xiàn)場總線協(xié)議，專為自動化控制系統(tǒng)設(shè)計，支持跨設(shè)備實時傳輸數(shù)據(jù)。在特定的工業(yè)場景中，移動熱點、藍牙等無線通信技術(shù)也獲得廣泛應(yīng)用：前者憑借高帶寬的優(yōu)勢，適合大數(shù)據(jù)傳輸場景；后者具有低功耗特性，常用于短距離設(shè)備的通信。以太網(wǎng)／網(wǎng)際互連協(xié)議、以太網(wǎng)控制自動化等協(xié)議適合高效實時傳輸數(shù)據(jù)的工業(yè)場景。多樣化的通信協(xié)議協(xié)同工作，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸保障。

我國正在推進自主可控的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)建設(shè)。例如，面向制造產(chǎn)線復(fù)雜計算場景，研發(fā)基于國產(chǎn)芯片的邊緣計算AI一體機，以AI與邊緣計算相結(jié)合的方式提升邊緣側(cè)的算力及數(shù)據(jù)處理能力；研發(fā)集成開源操作系統(tǒng)的工業(yè)控制器，支持自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)的可靠應(yīng)用。

2. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“大腦”，包含操作系統(tǒng)、工業(yè)軟件、云平臺、大數(shù)據(jù)平臺。操作系統(tǒng)是整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)的核心，以高性能、高可靠性、高安全性支撐工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜需求。國產(chǎn)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)主要是以國際開源操作系統(tǒng)（如Linux、Ubuntu）為底層進行二次開發(fā)而形成的。國內(nèi)企業(yè)也研制了面向數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的開源操作系統(tǒng)，支持服務(wù)器、云計算、邊緣計算、嵌入式等應(yīng)用場景。工業(yè)軟件是工業(yè)技術(shù)和相關(guān)流程的程序化封裝及復(fù)用，主要分為研發(fā)設(shè)計類、生產(chǎn)控制類、經(jīng)營管理類、運維服務(wù)類。

面向離散制造的典型工業(yè)軟件有計算機輔助設(shè)計（CAD）／計算機輔助工程（CAE）軟件、工藝自主規(guī)劃軟件、機器人產(chǎn)線數(shù)字孿生軟件、機器人智能制造產(chǎn)線一體化控制軟件等。① 對于CAD/CAE軟件，主要通過建模語言映射、基于文件等方式實現(xiàn)集成。CAD模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾何計算魯棒性差，集成過程仍在模型修復(fù)及簡化、網(wǎng)格生成等方面存在技術(shù)難題。工業(yè)界采用的方案高度依賴專家經(jīng)驗，需要大量的人工交互，整體效率偏低。學(xué)術(shù)界提出了幾何分析、無網(wǎng)格方法以試圖解決相關(guān)問題，但產(chǎn)生了曲面重參數(shù)化等問題。CAD/CAE一體化工業(yè)軟件仍待攻關(guān)突破。② 對于工藝自主規(guī)劃軟件，國際工業(yè)軟件龍頭企業(yè)實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)集成及模型管理，但產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃依賴人工進行迭代優(yōu)化。一些機構(gòu)開展的研究項目，支持制造過程中的產(chǎn)品設(shè)計，構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝一體化建模環(huán)境，但多處于演示驗證階段，軟件工具尚不成熟。③ 對于機器人產(chǎn)線數(shù)字孿生軟件，離散工業(yè)制造提出了柔性化制造的高要求，數(shù)字孿生技術(shù)的重要性開始顯現(xiàn)。現(xiàn)有針對離散制造機器人產(chǎn)線的數(shù)字孿生軟件較少，接口不統(tǒng)一、“信息孤島”等問題未能完全解決。復(fù)雜系統(tǒng)建模則對軟件的算法、數(shù)據(jù)處理能力提出新要求。④ 對于機器人智能制造產(chǎn)線一體化控制軟件，工業(yè)視覺檢測、加工制造流程成為關(guān)鍵的細(xì)分方向。當(dāng)前的工業(yè)視覺檢測軟件依賴傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)算法，不適應(yīng)隨機性強、特征復(fù)雜的工作任務(wù)。深度學(xué)習(xí)技術(shù)具有應(yīng)用潛力，但面臨缺陷樣本匱乏、數(shù)據(jù)收集及標(biāo)注成本高昂等問題。機器人高效協(xié)同的加工控制技術(shù)需要以裝配、焊接、磨拋等加工控制一體化軟件為基礎(chǔ)，但相關(guān)軟件研發(fā)仍存在諸多挑戰(zhàn)。

面向流程制造的典型工業(yè)軟件有驅(qū)動集中式企業(yè)資源計劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、驅(qū)動過程控制系統(tǒng)（PCS）等。當(dāng)前，流程工業(yè)中較多使用PCS/MES/ERP三層結(jié)構(gòu)，存在各層系統(tǒng)相對獨立、集成度不高的問題，不利于上下游生產(chǎn)單元之間的高效協(xié)同及整體優(yōu)化。后續(xù)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的流程工業(yè)智能制造新模式需重點提升制造流程全局優(yōu)化能力，驅(qū)動PCS/MES/ERP三層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向智能自主控制系統(tǒng)、人機互動及協(xié)作的管理與決策智能化系統(tǒng)兩層結(jié)構(gòu)，構(gòu)建面向產(chǎn)品全生命周期的跨企業(yè)流程工業(yè)智能優(yōu)化制造模式。

未來，工業(yè)軟件開發(fā)可依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，以提升軟件開發(fā)效率和行業(yè)利用率為目標(biāo)，追求云化、智能化、平臺化發(fā)展，為實施自主可控的智能制造戰(zhàn)略提供堅實保障。

四、面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)示范應(yīng)用

（一）自主可控的機器人化智能制造

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機器人技術(shù)作為智能制造的核心驅(qū)動力，承擔(dān)著自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵任務(wù)。自主可控機器人事關(guān)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、國家經(jīng)濟安全發(fā)展、國際競爭力提升。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系下發(fā)展自主可控機器人，需要在技術(shù)研發(fā)、制造、應(yīng)用全過程中完全掌握核心技術(shù)和生產(chǎn)工藝，降低甚至消除對外部供應(yīng)鏈的依賴，主要表現(xiàn)在：自主研發(fā)核心零部件，包括高精度減速器、高性能伺服電機、工業(yè)級傳感器；獨立創(chuàng)制關(guān)鍵算法，如機器人運動規(guī)劃、視覺導(dǎo)航、人機交互等智能算法；全面掌控系統(tǒng)集成和應(yīng)用生態(tài)，尤其是機器人整機設(shè)計、軟硬件協(xié)同開發(fā)。此外，自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控并保護數(shù)據(jù)流通、設(shè)備連接，為機器人系統(tǒng)的信息安全提供保障；在涉及敏感操作或高價值生產(chǎn)過程時，保障機器人穩(wěn)定運行并增強自主可控性更顯必要。

1. 協(xié)作機器人

協(xié)作機器人可與人類聯(lián)合工作，其設(shè)計注重安全性、靈活性、易操作性；與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比，在人機共享的工作環(huán)境中可更加安全地與人類協(xié)作。協(xié)作機器人配置先進的傳感器和力控技術(shù)，實時感知與人類的接觸，在發(fā)生碰撞時自動停止或減速以抑制安全隱患；具有高的靈活性，可執(zhí)行重復(fù)性、嚴(yán)格精度要求的任務(wù)，如裝配、焊接、包裝、測試等，極大地提高生產(chǎn)效率；結(jié)合具體工作場景進行簡單的編程，或者通過示教器進行快速培訓(xùn)，支持非專業(yè)人員準(zhǔn)確操作。

我國在自主可控協(xié)作機器人方向進展顯著，基本實現(xiàn)從技術(shù)引進到自主研發(fā)的轉(zhuǎn)型，在核心零件、控制技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上實現(xiàn)自主可控。市場上出現(xiàn)了許多協(xié)作機器人制造企業(yè)，如沈陽新松機器人自動化股份有限公司、上海節(jié)卡機器人科技有限公司、遨博（北京）智能科技有限公司等，推出了高性能、全面國產(chǎn)化的協(xié)作機器人產(chǎn)品，促進了汽車裝配、醫(yī)療輔助、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域的智能化發(fā)展。

2. 復(fù)合機器人

復(fù)合機器人集成多個機器人系統(tǒng)或多類技術(shù)，以移動機器人、機械臂結(jié)合到統(tǒng)一平臺上為常見形式，具有同時執(zhí)行多種任務(wù)的能力；整合感知環(huán)境、規(guī)劃路徑、執(zhí)行操作等功能，針對復(fù)雜任務(wù)進行自主或半自主操作。復(fù)合機器人克服傳統(tǒng)機器人功能單一的局限性，在靈活性、自動化程度、任務(wù)復(fù)雜度方面具有明顯優(yōu)勢，多用于倉儲、物流、柔性制造等任務(wù)。

例如，遨博（北京）智能科技有限公司聯(lián)合國內(nèi)多家供應(yīng)商、高校，研發(fā)了自主可控復(fù)合機器人，攻克了高性能零部件自主可控、多設(shè)備融合、系統(tǒng)級安全等關(guān)鍵技術(shù)，推動復(fù)合機器人在新能源汽車、醫(yī)藥、食品、航空、航天等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。常見的復(fù)合機器人主體由機械臂、自主移動機器人融合而成，機身裝有激光、視覺、力控等傳感模塊，具有多模態(tài)信息獲取能力；采用同一套控制系統(tǒng)對各個部件進行統(tǒng)一控制，實現(xiàn)模塊之間的互聯(lián)互通。

3. 特種機器人

特種機器人用于特定場景或者為特定任務(wù)定制，通常執(zhí)行人類難以完成或不安全的任務(wù)；具有特殊的環(huán)境適應(yīng)能力和功能設(shè)計，可在極端溫度、高輻射、爆炸危險、復(fù)雜地形、其他惡劣條件下工作，契合國防裝備、應(yīng)急救援、核工業(yè)、海洋探測等方面的特殊應(yīng)用需求。

例如，中煤科工集團沈陽研究院有限公司研發(fā)了搭載國產(chǎn)操作系統(tǒng)的礦用變電所／水泵房巡檢機器人、礦用危險氣體巡檢機器人、礦用仿生四足巡檢機器人，部分產(chǎn)品正式裝配至神東煤炭大柳塔煤礦大柳塔井投入使用。這是國產(chǎn)操作系統(tǒng)在工業(yè)機器人領(lǐng)域的首次應(yīng)用，為提升礦山智能化水平、推動能源行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了科技支撐，在減少對國外操作系統(tǒng)的依賴、防范基礎(chǔ)軟件“卡脖子”風(fēng)險方面具有重要意義。

4. 人形機器人

人形機器人具有接近人類的外觀和動作，能夠模擬人類行走、抓取、交流等基本動作；既可執(zhí)行動作任務(wù)，也能采用語音識別、視覺處理等AI技術(shù)與人類進行交互，在服務(wù)業(yè)、教育、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

例如，華為技術(shù)有限公司、樂聚（深圳）機器人技術(shù)有限公司聯(lián)合研發(fā)了基于開源操作系統(tǒng)的人形機器人。該機器人搭載了具身智能大模型，具有較強的智能化、泛化能力。國產(chǎn)操作系統(tǒng)提供了更有保障的應(yīng)用安全性，具有與外部傳感設(shè)備數(shù)據(jù)互聯(lián)、超級終端多設(shè)備連接的特性，支持人形機器人更加智能和高效率地工作。相關(guān)機器人已進入新能源汽車工廠進行驗證性應(yīng)用，也在科研、交通勸導(dǎo)、展廳導(dǎo)覽、家庭服務(wù)等場景中獲得應(yīng)用。

（二）基于自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)檢測與感知

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)是智能制造工業(yè)檢測和感知的核心工具，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的支持下開展實時數(shù)據(jù)采集和環(huán)境感知，精準(zhǔn)監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備狀態(tài)，參與產(chǎn)品的全生命周期管理，提高供應(yīng)鏈的可追溯性。自動化立體倉庫是SCADA系統(tǒng)的典型應(yīng)用，引入大數(shù)據(jù)分析、智能調(diào)度算法，提升存儲效率、物料管理精準(zhǔn)度，推動生產(chǎn)和物流的高度集成與優(yōu)化。鑒于立體倉庫環(huán)境與工況的復(fù)雜性，穿梭車需要精準(zhǔn)、快速地到達指定位置并完成操作，但傳統(tǒng)的視覺方法在工況頻繁變化的環(huán)境下無法實現(xiàn)精準(zhǔn)定位、實時健康狀態(tài)檢測，需要集成多個協(xié)同作業(yè)傳感設(shè)備才能支撐運轉(zhuǎn)。應(yīng)用自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，獲取立體倉庫控制系統(tǒng)的設(shè)定、運行狀態(tài)等工業(yè)數(shù)據(jù)，經(jīng)由信號處理與自適應(yīng)深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法分析感知數(shù)據(jù)，實現(xiàn)立體倉庫狀態(tài)的全面監(jiān)測。機器人視覺感知與控制技術(shù)國家工程研究中心團隊開展了基于自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)檢測和感知研究，取得了一系列成果。例如，采用多源信號融合與特征提取方法，解決了多傳感器融合感知分析難題，構(gòu)建復(fù)雜立體倉庫系統(tǒng)的狀態(tài)感知與健康監(jiān)測能力。

電機作為立體倉庫堆垛機、穿梭車的重要組成部分，多因絕緣老化、長時間超負(fù)荷運行等出現(xiàn)故障，需要開展電機設(shè)備的實時健康管理，提高立體倉庫運行的可靠性和安全性。應(yīng)用自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多傳感器信號融合的健康監(jiān)測框架（見圖4），構(gòu)建智能立體倉庫，采集并傳輸電機運行的多源信號，在邊緣端進行數(shù)據(jù)處理與計算。本研究團隊提出了修正點陣圖的信號轉(zhuǎn)圖像新方法，將立體倉庫電機的多源振動信號轉(zhuǎn)換為可視化圖像，充分利用多源信號開展電機健康管理；設(shè)計多尺度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，判斷電機健康狀況，實現(xiàn)電機狀態(tài)感知。

圖4　多傳感器信號融合健康監(jiān)測框架

（三）面向智能制造的網(wǎng)絡(luò)化多機協(xié)同控制

從制造工藝角度看，工業(yè)現(xiàn)場作業(yè)可分為非接觸式作業(yè)（如噴涂、焊接）和接觸式作業(yè)（如打磨、裝配）。多機協(xié)同加工制造整合多種自動化設(shè)備（如AGV、機械臂），聯(lián)合完成復(fù)雜制造任務(wù)（見圖5），較單機作業(yè)具有更高的靈活性和綜合效率；將復(fù)雜作業(yè)任務(wù)分解為多個步驟、開展并行處理，多臺機器能分別執(zhí)行不同任務(wù)，顯著縮短生產(chǎn)周期。多機協(xié)同加工制造可提升生產(chǎn)線的柔性、降低單一設(shè)備的負(fù)載，使系統(tǒng)在個性化定制或小批量生產(chǎn)時表現(xiàn)更佳，但也面臨通信時延與丟包、設(shè)備對惡劣環(huán)境的適應(yīng)性、協(xié)同作業(yè)過程的柔順性及安全性等方面的難題。

圖5　典型多機協(xié)同加工制造場景

在多機協(xié)同控制系統(tǒng)中，AGV、機械臂是常見的設(shè)備。AGV多通過輪式驅(qū)動進行移動。相應(yīng)運動學(xué)模型包含位置、行進方向、速度等信息，用于描述AGV在平面上的移動方式，為協(xié)同作業(yè)時的軌跡規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。機械臂的動力學(xué)模型由牛頓 ? 歐拉方程或拉格朗日方程描述，用于表征關(guān)節(jié)之間的相互作用力、外部作用力對機械臂運動的影響；精確控制機械臂的加速度和力，可確保多機協(xié)作時各設(shè)備動作的協(xié)調(diào)及穩(wěn)定。

多機協(xié)同控制策略分為集中式、分布式控制。集中式控制由中央控制器收集所有設(shè)備的狀態(tài)信息，再作出統(tǒng)一決策；雖然能夠支持全局協(xié)調(diào)和優(yōu)化，但中心節(jié)點決策需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬、計算資源與問題變量規(guī)模呈指數(shù)上升關(guān)系，在設(shè)備規(guī)模較大時易出現(xiàn)通信和計算瓶頸。分布式控制中的每個設(shè)備根據(jù)自身狀態(tài)、鄰近設(shè)備狀態(tài)獨立作出決策，減少與中心節(jié)點通信，具有良好的系統(tǒng)擴展性和魯棒性。然而，分布式控制涉及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的點對點通信，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提出更高的安全與自主可控需求。

在多機協(xié)同加工制造中，基于自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的分布式控制（見圖6）相較于集中式控制具有優(yōu)勢。分布式控制可減少全局通信需求，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬占用，利于大規(guī)模、多設(shè)備系統(tǒng)部署；具有更強抗故障能力，即使部分設(shè)備發(fā)生故障，其他設(shè)備仍能基于局部信息繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，確保系統(tǒng)工作的連續(xù)性；具有更好的擴展性，在系統(tǒng)中設(shè)備數(shù)量增加后，僅需進行局部控制更新，無需重新配置整個系統(tǒng)。整體上，分布式控制適用于大型制造系統(tǒng)，靈活應(yīng)對多變的生產(chǎn)需求，確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。

圖6　邊端網(wǎng)絡(luò)場景下的多機協(xié)同控制方法

注：MFAC表示無模型自適應(yīng)控制。

（四）面向智能制造的多機協(xié)同調(diào)度規(guī)劃

多機調(diào)度規(guī)劃是多機協(xié)同加工制造的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有方法通常忽視對任務(wù)自身復(fù)雜內(nèi)在結(jié)構(gòu)的深入挖掘，未能準(zhǔn)確刻畫真實環(huán)境中資源受限、存在多個耦合優(yōu)化指標(biāo)的復(fù)雜情況。這就導(dǎo)致單機性能與任務(wù)負(fù)荷的適配性不足，難以提高多機協(xié)同的整體性能。多機調(diào)度規(guī)劃需聯(lián)合開展任務(wù)分配與路徑設(shè)計，以確保資源共享情況下任務(wù)分配的合理性，進而有效規(guī)避協(xié)同時的死鎖、碰撞等問題，最大化資源利用并提升協(xié)作效率（見圖7）。

圖7　面向智能制造的多機協(xié)同調(diào)度規(guī)劃機制

多機路徑規(guī)劃以任務(wù)分配為基礎(chǔ)，任務(wù)分配受路徑規(guī)劃結(jié)果的直接影響，因而聯(lián)合優(yōu)化的目標(biāo)是為所有機器人合理分配任務(wù)，規(guī)劃出無沖突且高效的路徑。任務(wù)分配和路徑規(guī)劃問題常轉(zhuǎn)化為多商品網(wǎng)絡(luò)流問題。先設(shè)置決策變量和相應(yīng)的約束條件，后引入任務(wù)分配和路徑規(guī)劃：前者通過任務(wù)量、任務(wù) ? 機器人分配約束、任務(wù)開始／完成約束來實現(xiàn)，后者通過任務(wù)量、任務(wù) ? 邊約束、流量 ? 邊約束、節(jié)點死鎖避免約束、相向沖突避免約束來實現(xiàn)。然后，設(shè)計和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使用分支定界方法求解整個聯(lián)合優(yōu)化模型。最終，計算出最小化任務(wù)的最大完工時間、在給定時間內(nèi)的最大化任務(wù)完成量，獲得復(fù)雜多機調(diào)度問題的可用解。有研究表明，結(jié)合分支定界法的聯(lián)合優(yōu)化算法使最優(yōu)解中出現(xiàn)路徑?jīng)_突的概率下降至僅約3%。

五、面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研判

（一）面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展挑戰(zhàn)

當(dāng)前，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)自主可控能力不強，如關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施對外依存度偏高、國產(chǎn)化率較低。與發(fā)達國家相比，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、推廣應(yīng)用等方面尚存差距，導(dǎo)致高端關(guān)鍵基礎(chǔ)裝備、控制系統(tǒng)、軟件及平臺市場仍被進口產(chǎn)品主導(dǎo)。例如，日本、歐洲企業(yè)主導(dǎo)了伺服電機、減速器、控制系統(tǒng)等機器人核心產(chǎn)品供應(yīng)，國內(nèi)企業(yè)在高端機器人領(lǐng)域仍存在不小的技術(shù)差距。此外，我國工業(yè)門類齊全，面臨著多樣化的工業(yè)場景需求，不同的行業(yè)和企業(yè)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的具體應(yīng)用要求存在差異，如工業(yè)自動化側(cè)重低延遲（而非高帶寬），視頻監(jiān)控及檢測則關(guān)注高帶寬（而非低延遲），導(dǎo)致工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立難度較大。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能的智能制造技術(shù)是推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要動力。然而，面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面臨多重挑戰(zhàn)，突出表現(xiàn)在高端芯片制造、高端工業(yè)軟件國產(chǎn)化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)自有標(biāo)準(zhǔn)體系等方面。① 高端芯片是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心部件，制造過程復(fù)雜且成本高。國內(nèi)企業(yè)在高端芯片制造領(lǐng)域與國際先進水平差距明顯，特別是集成設(shè)備制造商模式投資量大、技術(shù)門檻高，對設(shè)備、工藝、材料要求苛刻；在高端芯片的設(shè)計、制造、封裝測試全鏈條上仍待突破眾多關(guān)鍵技術(shù)，以擺脫對外依賴、實現(xiàn)自主可控。② 高端工業(yè)軟件如數(shù)字孿生軟件、電子設(shè)計自動化（EDA）軟件等，是支持智能制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)。國內(nèi)企業(yè)的研發(fā)工作起步較晚，整體技術(shù)水平仍處于追趕狀態(tài)。數(shù)字孿生軟件需要具有大量復(fù)雜數(shù)據(jù)處理、高性能渲染等能力，國產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和平臺設(shè)計仍有不足。EDA軟件是芯片設(shè)計的核心工具，國產(chǎn)化過程中缺乏模型庫、數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)資源以及軟件集成、數(shù)據(jù)交換等標(biāo)準(zhǔn)。③ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的國際競爭格局失衡，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)受制于技術(shù)壁壘較高、規(guī)則主導(dǎo)權(quán)旁落而顯自主性不強。美國、德國、日本的技術(shù)組織主導(dǎo)著國際工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展，推行提出的技術(shù)路徑，通過專利池、認(rèn)證機制構(gòu)建排他性生態(tài)，使后發(fā)國家陷入“技術(shù)適配性鎖定”困境。國內(nèi)企業(yè)若遵循既有國際標(biāo)準(zhǔn)接入全球供應(yīng)鏈，既需向國外技術(shù)組織支付知識產(chǎn)權(quán)費用，也面臨關(guān)鍵數(shù)據(jù)跨境流動的監(jiān)管風(fēng)險。

（二）面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展方向

后續(xù)，可采取部署專項發(fā)展規(guī)劃、加大科技研發(fā)投入、引導(dǎo)社會資本參與、推動“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新等方式，加快突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，構(gòu)建自主可控的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)生態(tài)體系，保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟硬件、高端工業(yè)軟件的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求。在這一發(fā)展過程中，應(yīng)充分依托國內(nèi)技術(shù)優(yōu)勢與前沿進展，如5G、自主可控工業(yè)軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“云邊端”協(xié)同、搭載國產(chǎn)分布式操作系統(tǒng)的機器人、自主可控的多機協(xié)同制造技術(shù)，同時加快構(gòu)建自主可控的標(biāo)準(zhǔn)體系，驅(qū)動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造融合發(fā)展。

發(fā)揮5G的深度賦能作用。5G是廣泛部署的新一代信息通信技術(shù)，速度高、時延低、連接廣，支持深刻改變智能制造的生產(chǎn)方式和管理模式。在5G規(guī)?；ㄔO(shè)的基礎(chǔ)上，智能制造企業(yè)可以利用5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，推進生產(chǎn)現(xiàn)場的全面數(shù)字化和智能化。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，5G支持大規(guī)模設(shè)備接入、實時數(shù)據(jù)傳輸，促成遠程監(jiān)控、預(yù)測性維護、智能調(diào)度等新型應(yīng)用。5G與AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合運用，進一步推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造向更高級別發(fā)展。

工業(yè)軟件是智能制造的“大腦”“中樞神經(jīng)”。在中高端工業(yè)軟件方向，國內(nèi)企業(yè)正在擺脫對國外市場和技術(shù)的依賴，著力推進自主可控工業(yè)軟件的研發(fā)和應(yīng)用。自主研發(fā)的工業(yè)軟件顧及行業(yè)和企業(yè)的個性化需求，涵蓋設(shè)計、仿真、制造、管理等產(chǎn)品全生命周期的主要環(huán)節(jié)，兼有良好的靈活性、可定制性。以此為基礎(chǔ)，智能制造企業(yè)將拓展應(yīng)用本領(lǐng)域核心技術(shù)，全面提升自主創(chuàng)新能力。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“云邊端”協(xié)同是智能制造主攻發(fā)展方向之一。緊密結(jié)合云計算、邊緣計算、終端設(shè)備，開展數(shù)據(jù)的實時處理和分析，提升智能制造的響應(yīng)速度與管理決策能力。依托技術(shù)進步迅速的國產(chǎn)大模型，強化數(shù)據(jù)建模與智能算法能力，重點突破基于時間序列分析的預(yù)測性維護、基于強化學(xué)習(xí)的動態(tài)調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能化控制與決策。

機器人制造是智能制造生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。搭載國產(chǎn)分布式操作系統(tǒng)的機器人，具有數(shù)據(jù)處理和交互能力，可與智能設(shè)備連接并協(xié)同工作，適用于智能制造相關(guān)的自動化生產(chǎn)線、智能倉儲、智能物流等場景，顯著提升生產(chǎn)效率和靈活性；其模塊化設(shè)計架構(gòu)兼具橫向擴展與垂直定制能力，可快速響應(yīng)柔性生產(chǎn)需求，適應(yīng)產(chǎn)品定制化開發(fā)及制造，為智能制造提供全場景協(xié)同解決方案。

發(fā)展自主可控的多機協(xié)同制造技術(shù)，精準(zhǔn)應(yīng)對復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境和市場需求，構(gòu)建智能化、柔性化、個性化生產(chǎn)模式，支持智能制造的高效協(xié)同生產(chǎn)。單個機器人集成傳感器、控制器、執(zhí)行器與通信設(shè)備，參與多個機器人的精準(zhǔn)配合與高效協(xié)作。拓展集群機器人協(xié)同制造模式，提升超大型部件（如飛機機身、高鐵車身、船舶螺旋槳等）的制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

構(gòu)建自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，重點在設(shè)備互聯(lián)協(xié)議、數(shù)據(jù)安全治理、系統(tǒng)互操作性等方面建立差異化的標(biāo)準(zhǔn)，加快從“標(biāo)準(zhǔn)遵循者”向“規(guī)則共塑者”轉(zhuǎn)變。依托5G領(lǐng)域的技術(shù)先發(fā)優(yōu)勢，推動我國主導(dǎo)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)成為國際標(biāo)準(zhǔn)。在國家數(shù)據(jù)安全立法框架下，設(shè)計包括數(shù)據(jù)分級分類、跨境流動審計在內(nèi)的本土化標(biāo)準(zhǔn)，提高智能制造領(lǐng)域的數(shù)據(jù)治理能力。將國內(nèi)企業(yè)在智能工廠、工業(yè)云平臺的最佳實踐提煉為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)，面向全球市場開展案例推介。

六、結(jié)語

智能制造是增強我國制造業(yè)在全球競爭格局中比較優(yōu)勢的關(guān)鍵舉措，自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠兼顧技術(shù)自主研發(fā)、供應(yīng)鏈安全的現(xiàn)實發(fā)展需要。本文圍繞面向智能制造的自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，梳理了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造協(xié)同發(fā)展的過程與現(xiàn)狀，分析了技術(shù)體系構(gòu)成及主要技術(shù)要素，總結(jié)了我國在此領(lǐng)域內(nèi)的示范應(yīng)用情況，進一步識別了發(fā)展挑戰(zhàn)并闡明了技術(shù)發(fā)展方向。自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能制造緊密融合并協(xié)同發(fā)展，將為我國制造業(yè)穩(wěn)健升級、高質(zhì)量發(fā)展開辟新途徑。

著眼未來全球科技競爭加劇的發(fā)展背景，需發(fā)揮自主可控工業(yè)軟件、“云邊端”協(xié)同決策與控制、自主可控機器人、多機協(xié)同制造等方面的技術(shù)驅(qū)動力，加快我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造的技術(shù)突破及融合應(yīng)用。自主可控工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將重構(gòu)智能制造體系，支撐工業(yè)設(shè)備的大規(guī)?；ヂ?lián)與實時管理決策，再與AI、大數(shù)據(jù)結(jié)合以形成智能生產(chǎn)的充分閉環(huán)。國產(chǎn)工業(yè)軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺將覆蓋制造全生命周期的主要環(huán)節(jié)，推動制造業(yè)自主創(chuàng)新能力的質(zhì)變。后續(xù)，我國智能制造領(lǐng)域?qū)⑿纬筛痈咝?、智能、可持續(xù)的發(fā)展模式，為全球智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻中國智慧和中國方案。