泛在制造信息感知与网络技术可能取得重大突破

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆武汉分馆新材料与先进制造团队

姜山（E-mail:jiangs@mail.whlib.ac.cn）、万勇

审稿专家：中国工程院院士、中科院沈阳自动化所王天然研究员

1 主要科技内涵及意义

泛在信息制造技术是以泛在网络为基础、以泛在感知为核心、以泛在服务为目的、以泛在智能拓展和提升为目标的综合性一体化信息处理技术。面向制造的泛在网络是工业现场级的传感器网络、面向物流管理的射频识别（RFID）网络、工厂控制网络和企业信息Internet的集成融合。泛在感知是指以微型系统与电子器件为泛在信息技术的硬件基础，借助嵌入各种应用环境的系统来实现对多种模式信息的捕获、分析和传递，为人类深层次理解物理世界提供前所未有的技术手段，极大地拓展人们对物理世界的了解和检测能力，促进各领域工业生产活动的进一步合理化和精细化控制[1]。

泛在信息技术将在相当长时间内对制造技术和制造业产生深刻的影响，特别是在对精度要求极高的超精密加工制造，需要在极端环境条件下的制造加工等领域产生不可估量的影响。基于泛在感知的信息化制造系统技术的发展，将大大提升装备的宜人化水平，并具有自标定、自诊断、自修复等功能，制造系统将呈现出以人为决策主体的人际协同工作的局面；利用丰富的信息支持，形成更有效的生产组织与调度，增加设备的利用率，提升制造业的生产效率。装备智能化水平将得到本质的提升，制造模式和制造手段不再被动地满足用户需求，而是主动感知用户场景的变化并进行信息交互，通过分析人的个性化需求主动提供服务[1]。

2 世界主要进展

目前，在超大规模微传感器组网方面，单跳星形网络仍是目前工厂中使用最可靠的网络拓扑形式，同时多跳的Mesh结构开始成为工厂无线传感器网络拓扑结构的研究热点。

在工厂无线传感器网络与RFID集成方面，二者之间的融合交叉才刚刚起步。目前，主要有三种融合方式：RFID阅读器与无线传感器网络节点的融合；RFID标签和无线传感器网络节点的融合；RFID与无线传感器网络在系统层次上的融合[2]。

在工厂控制网络无线化方面，以IEEE802.15.4为代表的低功耗短程无线技术和以IEEE802.11为代表的无线局域网技术开始进入现场设备级和车间级网络，WiMax技术正在被应用于构建企业级远程数据交换网络。思科和英特尔已发布了相关产品。

在低成本无线定位和跟踪技术方面，除GPS系统之外，Wifi、Zigbee、蓝牙、超宽带和RFID实时定位及跟踪技术逐渐在工厂得到应用，目前主要研究问题集中在降低精确测距技术成本以及提高精度和实时性方面。

在工厂无线测控网络与Internet融合方面，目前工厂测控网络仍停留在与工厂ERP系统内部互联。嵌入式IPv6网络技术正成为研究热点，互联网工程任务组正在着手制定相关标准用于解决工厂设备信息及传感信息的远程访问问题[1]。

正是基于这些技术的出现和发展，德国和美国政府及公司近期推出了多项基于设备互联和制造服务的制造业创新战略和计划。

3 中国的优势

我国政府高度重视包括泛在感知网络技术在内的物联网技术发展。国家级科研基金如“973”、“863”均面向传感器网和物联网设立了重大项目，科研投入不断提高[3]。国家级战略规划如《国家中长期科技发展规划纲要》[4]、《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》[5]将物联网以及相关感知与网络技术列为战略产业和重点发展方向，并在资金层面予以大力支持，2013年度工信部物联网专项资助资金达5亿元[6]，国家批准在无锡成立传感网创新示范区[7]，众多城市相继展开物联网产业布局和科研支撑计划。在政府大力扶持下，我国在物联网相关领域取得多项重要突破并建成数个大型成熟的应用示范系统。此外，我国在世界传感网领域是标准主导国之一，拥有大量专利，我国无线智能传感器网络产业链条完整，无线通信网络和宽带覆盖率高，为泛在制造业感知网络的发展提供了坚实的基础设施支持[8]。

中科院是我国最早展开无线传感网络的研究机构之一，早在1999年就在“知识创新工程点领域方向研究”中将其列为重点项目。“十五”、“十一五”期间，上海微系统所、沈阳自动化所、微电子所等几十家相关单位，先后投入数亿元，在传感器网络领域攻克了大量关键技术，并研制了多种样机。2010年，中科院成立物联网研究发展中心，作为中科院在物联网领域的总体单位，开展物联网与智能传感器创新产品研发和应用。中科院还领导建立了多项具有中国特色的传感网创新体系架构，被国家和国际标准采纳[9]。中科院沈阳自动化所、信息工程所、上海微系统所，浙江大学等单位在工业领域的设备互联、网络互联、信息安全等领域，都进行了前期的部署。

4 未来标志性目标或成果

围绕着制造过程中的信息获取与交互，重点解决无处不在的超大规模传感器节点的互联与信息传输、企业范围内的信息流集成与远程访问两个核心科学问题。

在超大规模传感器节点的互联与信息传输方面，将在技术上突破拓扑结构的限制，实现使用同一通信介质的微传感器的快速动态组网、网络的动态维护以及按需加入不同网络。突破无线传感器网络与RFID网络的集成中间件技术，实现无线传感器网络与RFID网络的互操作。发展集成RFID阅读功能和无线传感与组网功能的核心设备。

在企业范围内的信息流集成与远程访问方面，将突破面向工厂自动化的高可靠、高实时的无线网络技术和企业级远程无线网络技术，实现无线网络与有线控制网络的互联与互操作。突破精确无线测距技术，提高测距传感器精度，降低成本。通过全面获取过程数据和产品质量信息，为控制策略的优化提供基础；通过随时获取设备的健康状态与运行效率信息以及面向工厂资产跟踪的位置信息，实现企业精细化管理[1]。

由此将引发制造业的管理模式由目前的集中管控向分布式控制模式转变，由局部或本地的优化控制向跨域的全局优化决策方向发展。

1 中国科学院先进制造领域战略研究组.中国至2050年先进制造科技发展路线图.北京:科学出版社，2009.

2 聂涛,陆阳,张鹏.RFlD与WSN在物联网下协同机制的分析.计算机应用研究，2011,28（6）:2006-2010.

3 余向阳.无线传感器网络研究综述.单片机与嵌入式系统应用,2008，8:8-11.

4 国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）.中国政府网.2013-08-16.http://www.gov.cn/jrzg/2006-02/09/content_183787.htm.

5 国务院关于印发“十二五”国家战略性新兴产业发展规划的通知.中国政府网.2013-08-16.http://www.gov.cn/zwgk/2012-07/20/content_2187770.htm

6 工信部拟明年设5亿物联网专项资金.中国政务信息化网.2013-08-16.http://www.chinaeg.gov.cn/show-2680.html.

7 中国首个“国家传感网创新示范区”在无锡开建.新华网.2013-08-16.http://www.gov.cn/jrzg/2009-12/02/content_1478558.htm

8 靠什么“抢滩”物联网？求是理论网.2013-08-16.http://www.qstheory.cn/kj/kj/201009/t20100927_50576.htm

9 中国科学院工程管理与信息技术学院.关于我们.2013-08-16.http://ceit.ucas.ac.cn/index.php?id=451.