物联感知在制造业的应用探究

殷智

摘要： 该文针对生产制造业当前的迫切需求，提出了制造业物联感知系统（TIS-M）的解决方案。建设一套具有生产制造业产、供、销通用性物联感知应用平台，将生产物料、生产设备、生产人员、产品、运输配送、销售、售后服务集中在信息系统上进行物物相连，统一管理。达到提高企业生产能力和效率，提高产、供、销各环节的监管监控水平

关键词： 物联感知；物联网；制造业；TIS-M

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）08-1830-05

1 研究背景

1.1 物联网以及物联感知内涵

物联网概念形成于上世纪九十年代末期，通常被定义成，将各类物品利用射频识别手段、红外感应装置，采取GPS全球定位体系以及激光扫描仪器等技术、系统，实现了信息同网络的有效连接，可完成大量信息的快速交换以及高效通讯，进而进行智能化的分析识别、精准的跟踪定位、有效的监督管理。发展至2003年，美国进一步明确传感网络手段将成为今后丰富大众生活，优化总体环境的重要技术之一。突尼斯在2005年底举办了信息社会世界峰会，并进一步明确了物联网的核心内涵。发布的报告中清晰的指出，物联网技术的广泛应用印证了新一轮通信时代的到来，世界范围内的各个物体，大到房屋、汽车轮胎，小到牙刷、毛巾，均可利用网络实现主动交换。该过程中现代化的射频识别手段、传感技术、纳米处理技术、嵌入技术手段实现了丰富广泛的实践应用。

继计算机、互联网之后，"物联网"掀起世界信息产业的第三浪潮， 中科院早在1999年就启动了传感网研究，《国家中长期科学与技术发展规划（2006-2010年）》和"新一代宽带移动无线通信网"重大专项中均将传感网列入重点研究领域。我国物联网发展主体面向有关重要的战略事项以及应用需要，进行基础系统标准、重要技术、实践应用、集成管理、评估测试等手段深入研究与开发，在技术、标准与应用等方面接近国际水平。目前物联网已在智能电网、智能交通、智能物流、金融服务业、公共安全等领域得到应用。

物联网的发展将对各行各业的信息化起到极大的促进作用。行业专家普遍认为，物联网系统技术的快速发展将进一步推进制造业向着信息化的方向不断前行。对制造业来说，更是一次难得的机遇，同时也是一个极大的挑战。

1.2 制造业生产管理的问题与需求

制造业为当前我国工业发展的核心主体，总体产值可占据我国GDP总量的近42.5%，成为我国国民经济发展建设的支柱。伴随经济一体化进程的持续深入以及我国成为世贸组织成员，制造业需要应对更为激烈的内部以及外部市场竞争。怎样占据有利地位，提升发展竞争力，形成世界制造中心，成为当前应主力探讨的重点问题。新时期，由于制造业实现信息化发展为其工业化进程中的必要途径。为此，政府机构给予了全面重视，科技部则逐步启动了重要的专项投资用于制造业的信息化发展，通过信息化建设引领工业化进程，通过工业化发展进一步推进信息化管理。不难看出，当前制造业信息化发展建设正在热烈的拓展延伸。

纵观我国制造业信息化发展的历史进程，较多单位践行信息化工作之路上呈现出操之过急的现象，均盼望着一步到位。人们提出了“ERP可令企业信息化发展快速进行”的论断。而后较多企业投入了可观的人力物力资源，并从事大量的开发研究工作，进行深入的探索实践。然而事实上取得的效果与最初的盼望却事与愿违，最终在各类异构技术影响下企业之中形成了较多分散、单独的信息孤岛。

全球范围内，制造业以强烈的势头向我国拓展转移，行业改革迫切的需要新型管理模式。制造业的信息化发展建设则从起初的盲目性、随意性投入、较多功能的限制逐步发展成当前关注协同化生产管理，把握精益化的生产制造模式。

伴随计算机技术、网络系统、现代化物联网技术的快速發展，加之市场竞争的不断激烈，信息化渐渐变成企业捕捉竞争优势的必不可少的途径策略。各单位不论处在哪个地区、从事何类行业，建设发展规模怎样，均始终处于信息化发展建设的实践进程之中。当前，我国信息化建设仍旧为初中级发展水平。制造业的全面信息化仍旧需要走很长的路，承担着艰巨的任务职能，应有效的利用物联网以及感知技术实现进一步推动与完善。

2 物联感知在工业制造业上的应用

从专家角度来讲，物联网的核心本质在于深层次的信息化。基于制造业具有一定的特殊性，不但需要较多的员工以及生产系统设施全面支持实践生产。同时会形成大量实在产品。为此，制造业信息化发展阶段中应用物联网体现了深远的意义。物联网系统技术的不断发展势必会继续推进制造业实现科学化、信息化与现代化的建设。

例如，借助物联网系统技术，在制造企业之中可为各个员工配备射频识别电子标签。利用装设在工厂之中各个环节部位的射频识别读取装置，便可完成对员工的自动化识别，并掌握具体的位置定位信息。该类方式还可应用于企业生产产品之中，令各个产品均包含属于自身的特征身份证编号。利用分布于不同流通环节的射频识别读取装置，便可实时的掌握企业产品具体的位置信息，令制造企业可全面的跟踪自身生产产品的踪迹。另外，针对企业智能化的产品设备，例如家电类产品，制造单位可在其中内置物联网系统连接功能，令其可利用智能化方法直接与互联网进行连接，进而可对家电产品具体的状态、功能进行实时快速监督管控，明确运行服务质量，做好远程管理与维护。

从该例子中，可以隐含着工业制造业在生产环节上对物联网和物联感知的要求，然而在其他环节，如原材料供应、仓储货运、产品销售，售后服务等环节同样需要物联感知技术上的支持和支撑。因而工业制造企业需要搭建了一个私有物联网平台，将生产物料、生产设备、生产人员、产品、运输配送、销售点集中在信息系统上进行物物相连，进行统一管理。

该物联网系统借助射频识别技术、传感手段、无线通信系统以及全球定位感知技术，将生产设备、生产产品、仓储货柜、物流车辆、经销点及工作人员等通过信息平台进行统一调配管理，打破传统对人员与设备的管理需要耗费大量的人力物力的状况，实现制造企业产、供、销一体化的无障碍管理。从而提高企业的生产效率，解放生产力，减少资源耗费，并提高产供销各环节的监控监管水平。

因而提出了以下生产制造业产品从生产流程监控、采购、库存、包装、运输配送、销售等一系列信息化管理解决方案。

3 技术解决方案

3.1 解决方案基础框架

针对制造业对物联感知的的业务及管理需求，该文提出了通用性的制造业产、供、销、物联感知信息化解决方案。该解决方案拟建设一个制造业物联感知系统（the internet of Things Integration System- Manufacturing industry，简称TIS-M），TIS-M属于平台式架构，其基础架构如下：

TIS-M包括：物联感知层、业务应用层、接口管理层；物联感层提供感知采集、数据刻划、数据存储等数据处理，基于基础感知层上搭建适合于制造业的通用产供销管理模型，和外部系统接口管理。

3.2 功能设计

TIS-M系统主要由物联感知、业务应用、接口管理三层结构构成，系统搭建在硬件网络支撑平台上，通过数据接口层与ERP、CRM、CAD、OA、MIS、SCM等其他原有外部系统进行数据交换。

系统的整体框架，如图2所示。

3.2.1 物联感知层

物联感知层主要由以下四大功能模块构成：

物联感知是最基本的支撑层级，主要对物体信息进行感知、采集、识别、存储、计算。物联感知层包括感知、传输、刻划、存储。

3.2.1.1 感知

通过射频识别（RFID）、二维码、微机电系统（MEMS）、视频、GPS等传感技术识别物件，从而获得到该物件的信息。传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。

3.2.1.2 传输

通过3G网络、Internet、GPRS、WiFi等通信网络。它是一种使用交换设备，传输设备，将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。它使得点与点之间建立通信系统，实现数据的传输，使感知得到的数据，得以存储在计算机数据库中。

3.2.1.3 刻划

数据刻划是物联网数据进行标识和管理，它对感知采集得到的物联信息在计算机中进行标识和编码、分类、分级管理，使得数据可以识别和管理。同时对从采集终端的采集得到的数据进行数据属性进行定义，以便在特定的条件下集得到特定的信息。并可以对感知设备、采集设备进行设定和监控维护。

3.2.1.4 存储

对感知采集得到的各种数据进行数据存储及海量计算，通过数据抽取、整合、关联，挖掘，分析，统计等。在该层级提供云计算存储和计算支撑，以多维度索引方式存储、和检索数据，为基础应用和业务应用提供数据存储、挖掘及云计算支撑。

3.2.2 业务应用层

业务应用层，包括基础平台和应用系统。

3.2.2.1 基础平台

基础平台集成了工作流引擎、数据读写中间件、智能搜索引擎、数据交换引擎、安全认证引擎、数据识别中间件等系统组件。这些系统组件为系统平台功能实现提供基础计算和处理支撑。灵活的组件，功能的相互独立，可并向使用，便于系统的开发调用。物联感知系统基于这些组件搭建基础功能和应用功能。

基于各种基础系统组件，在基础平台上同时搭建了系统基础功能模块，包括：系统基础设置、设备管理、人员权限分配、组织机构设置、数据接口管理、系统运行系统日志管理、安全认证管理、数据备份与恢复等功能。以支持业务应用系统。系统基础功能为系统的应用系统的搭建，提供必备的基本功能，包括系统安全、基础设定、设备管理、用户权限、数据备份等等基础应用支撑。

3.2.2.2 应用系统

应用系统部分，为生产制造企业搭建产供销三种主要业务处理系统，并可以扩展定制开发其他应用模块，如，人、财、策、研、料等功能系统。

1） 合作方数据采集端

由于生产制造企业的所用到的零部件或半成品并非全部自产，需要对外采购零部件。而在零部件的供应和生产上，部分零部件或半成品需要严格进行管理。以便在日后产生问题，可以进行问题溯源。因此对生产材料的管理，可以对重要零部件使用RFID标签进行标记、识别、信息记录，以便于管理和溯源。

2） 生产管理系统

通过物联感知技术，为生产制造企业提供生产环节的处理功能，如生产流程管理，生产计划管理，生产指挥调度等。企业可以实现生产流程的定制，生产任务和计划安排，安装生产计划，进行生产调度，通过RFID实现对各生产流程线上的产品或半成品进行状态的监控，自动汇报生产进度，实时调配生产力。

3） 供应链管理系统

使用RFID对原料采购、成品和半成品、仓储库存进行管理，可以方便的进行数量的统计，仓储位置快讯查找。通过RFID与生产环节物料配送对接，实现整个供应链上的物料快速流通，便于跟踪和管理，为生产企业实现JIT零库存提供支撑系统。

4） 销售管理系统

使用RFID、视频监控，再结合GPS+GIS技术，可实现对高质、高价的商品的运输配送实时在途监控。配送车上装上防拆卸的GPS车载定位系统，在货物的运输途中，可对配送车进实时跟踪定位。同时，车内货品贴上RFID标签，与车辆对应。在途卸货、拆卸GPS，都会触发联动预警，从而确保商品的安全配送。

3.2.2.3 数据总线

系统搭建物联数据服务总线，为TIS-M平台提供了与生产且原有的ERP、CAD、CAPP、CAE、CAM、MES、PDM、PLM、MES、OA、SCM、CRM等企業原有的系统的数据接口。物流数据服务总线为TIS-M与各外部系统起到信息桥梁的作用，使得物流感知系统的数据与其他系统进行数据共享，完美兼容企业原有系统。

物流数据服务总线采用是基于标准的商业EDI中间件产品的应用体系结构，各种组件及接口应基于开放、标准化的原则设计，具有数据交换体系、数据共享体系、数据流转体系和信息安全体系。本平台支持异构性数据源、具有跨平台运行能力，具备应用整合、数据集成、数据解析和数据控制功能。

3.3 技术路线

拟建设的TIS-M技术应用及技术选型如下：

3.3.1 物联感知技术

物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等技术领域，因此物联网涵盖的关键技术也非常多，物联网技术体系划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性技术和支撑技术。

3.3.2 基于云计算的海量数据存储

云计算是一种超级的计算模式，可以把网络中的计算机虚拟为一个资源池，将所有的计算资源集中起来，并用特定软件实现自动管理，使得各种计算资源可以协同工作，这就使得处理数量巨大的数据成为了可能。

3.3.3 分级次的物联数据刻划

数据刻划是将物联感知得到的海量数据进行数据的标识、编码、关联、分级。它基于海量数据存储的支撑下实现海量数据的多维度索引。

由于物联网的投入使用，特别是工业制造业，零部件、半成品、成品等等，涉及到大量的数据。通过物联采集将会产生庞大的数据，要使用这些庞大的数据，必须对物联感知采集得到的数据进行识别、编码、关联和分类、分级。即是数据刻划。也就是说，将物与物之间的关系在计算机数据存储时虚拟出来。如，A部件，由B和C零部件构成，而A和D部件共同组成E。那么A、B、C、D、E将会在计算机中如实虚拟刻划出来。

数据刻划的一个主要目的是将相关联的数据进行分级次管理，从而形成多维度的索引，即是将子类，父类等各个级别的关系如实刻划，便于从各角度快速索引。分级次数据刻划实现的方法采用海量数据云计算的方式实现。通过WordCount算法实现海量数据的对比、关联和分级处理。

3.3.4 SOA通用物联数据服务总线

本系统基于面向服务的体系结构（Service-Oriented Architecture，SOA），采用组合构件技术，包括J2EE架构、多层架构设计、面向对象设计、面向对象实现、通用的数据接口等技术，设计实现为企业提供多功能、多内容服务的信息平台。

3.3.5 J2EE应用整合框架

J2EE体系结构提供中间层集成框架用来满足无需太多费用而又需要高可用性、高可靠性以及可扩展性的应用的需求。通过提供统一的开发平台，J2EE降低了开发多层应用的费用和复杂性，同时提供对现有应用程序集成强有力支持，完全支持Enterprise JavaBeans，有良好的向导支持打包和部署应用，添加目录支持，增强了安全机制，提高了性能。

4 影响及意义

4.1 提高企业生产能力和效率，提高产供销的监管监控水平

应用射频识别技术、传感器、全球定位以及无线通信技术，将生产设备、生产产品、仓储货柜、物流车辆、经销点及工作人员等通过信息平台进行统一调配管理，打破传统对人员与设备的管理需要耗费大量的人力物力的状况，实现制造企业产、供、销一体化的无障碍管理。从而提高企业的生产效率，解放生产力，减少资源耗费，并提高产供销各环节的监控监管水平。

4.2 有助于推动工业信息化建设，促进两化融合

新时期，市场竞争更为激烈，随着计算机系统、网络技术、物联网的快速更新发展，信息化变成企业提升核心竞争力的重要途径。各类企业无论区域环境怎样、行业发展如何、规模标准怎样，均处于信息化发展的整体进程之中。制造业引入物联感知体系，正是基于制造业的基础模型，而提出针对制造业产供销等各环节监督管理的信息平台，为企业提高生产效率和管理水平。系统的建设及推广应用有助于推动企业信息化发展，信息化带动工业化、以工业化促进信息化，促进了两化融合。

4.3 促进物联网的科学发展

物联网映射出现代社会今后的发展趋势，逐步成为互联网以及计算机后的信息产业发展又一次革新浪潮，体现了广泛的市场空间以及行业发展机遇。

我国有关物联网的发展建设包含一定的瓶颈问题以及制约影响。首先产业系统虽然初步建立然而产业化水平还需进一步提升，没能构成规模化发展的产业优势。另外，具体的关键核心技术还需要做进一步突破。同国外发达技术领域还包含一定差距。例如，传感器技术、芯片处理、生产关键应用设施、进行智能化的通信管控、筛选处理海量信息数据等层面均有所欠缺。另外，相关标准仍旧较为分散，没能创建优质健全的工作体系。在国际领域中需要应对标识等有关资源以及重要标准的激烈竞争。再者，物联网技术系统的应用范畴、服务领域仍旧有限，无法构成较为成熟健全的商业发展模式，需要投入较高的应用服务成本。

而制造业物联感知系统是基于RFID、无线通信技术、全球定位以及传感处理技术开创形成搭建的信息平台，它为企业搭建了一个私有物联网平台，将生产物料、生产设备、生产人员、产品、运输配送、销售点集中在信息系统上进行物物相连，统一管理。因此系统的搭建，针对当前存在的问题，进一步做出了改善，抢占了新一轮全球竞争制高点，为物联网的发展起到了推动作用，加快了物联网技术和产业的发展。4.4 拉動产业链的发展

系统通过物联感知搭建成创新型物联网应用基础平台，促进工业信息化发展的同时，也快速推动了物联网的发展，物联网是互联网应用拓展重点，物联网是信息化与工业化融合的切入点，物联网是低碳经济的支撑点，物联网是战略性新兴产业的增长点，物联网是民生服务的新亮点。无论是制造工业的发展或是物联网的发展，势必会拉动产业链的进一步发展，为社会创造更多的财富。

5 结论

在市场竞争日益激烈的今天，我国信息化发展仍旧为初级阶段，制造业实现信息化发展任重道远。物联网及其相应技术的高速发展，可以借助物联网和物联感知技术来推动工业制造业的信息化发展，进而提高企业生产能力和效率，创造出更多财富。

而该文针对生产制造业当前的迫切需求，提出了制造业物联感知系统（TIS-M）的解决方案。建设一套具有生产制造业产、供、销通用性物联感知应用平台，将生产物料、生产设备、生产人员、产品、运输配送、销售、售后服务集中在信息系统上进行物物相连，统一管理。达到提高企业生产能力和效率，提高产、供、销各环节的监管监控水平。

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