伴隨著全球性市場競爭的日漸激烈，制造行業(yè)在提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效益、減少生產(chǎn)成本和縮減資源消耗等層面面臨著更為嚴苛的要求。制造企業(yè)借力于制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新，通過加入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、3D打印和云計算等新興技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化、智能化和全局性優(yōu)化，來面對上述挑戰(zhàn)，由此引發(fā)了新一輪的產(chǎn)業(yè)革命，即以全球化、信息化、智能化、智慧化和綠色化為發(fā)展方向的智慧制造浪潮，并獲得了全世界主要制造國家的高度重視。
在我國，伴隨著要素成本的持續(xù)增長和傳統(tǒng)比較優(yōu)勢的不斷弱化，以往依靠發(fā)達國家?guī)幼鳛樵鲩L引擎的局勢已經(jīng)在產(chǎn)生變化，從低附加值、勞動密集型模式向追求高附加值、高技術(shù)含量模式的轉(zhuǎn)變，是中國制造業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。針對上述挑戰(zhàn)，政府明確提出“中國制造2025規(guī)劃”，以信息化與工業(yè)化深度融合為主線重點推動以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)等的融合創(chuàng)新，進而提升中國制造的水準。
一、智慧工廠的內(nèi)涵與大數(shù)據(jù)技術(shù)
2010年，Chand等在知名雜志《時代周刊》發(fā)文探究了制造業(yè)的未來發(fā)展趨勢，將其劃分為三個階段：①工廠和企業(yè)范圍的互聯(lián)化，通過整合不同車間工廠和企業(yè)的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以便更好地協(xié)調(diào)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，提升企業(yè)整體效率；②通過計算機模擬和建模對數(shù)據(jù)信息加以處理，生成“制造智能”，以實現(xiàn)柔性制造、生產(chǎn)優(yōu)化和更快的產(chǎn)品定制；③由不斷增長的制造智能激發(fā)工藝和產(chǎn)品創(chuàng)新引起市場變革，改變原有商業(yè)模式和消費者的購物行為。其本質(zhì)上，這三個階段是從數(shù)據(jù)信息的角度出發(fā)，通過自底向上的過程創(chuàng)建未來智慧工廠的藍圖，并且敘述了實現(xiàn)智慧工廠的三個主要需求特征，即透明化制造、智能化管控和智慧化協(xié)同。第一階段通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)工廠內(nèi)的物物互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享，透明化制造過程；第二階段在第一階段的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)處理與分析實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等制造執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊的實施應(yīng)用，提升工廠智能化水準；第三階段加入服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)對工廠智能化功能做服務(wù)包裝，通過基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交互在云制造平臺實現(xiàn)客戶參與的全球化工廠資源協(xié)同，形成以大規(guī)模個性化定制為特征的商業(yè)新模式。
由于制造資源配置逐漸呈現(xiàn)出信息密集型趨勢，運用大數(shù)據(jù)融合、處理、存儲、分析等技術(shù)使智慧工廠大數(shù)據(jù)為制造資源實時感知、制造過程優(yōu)化控制、制造服務(wù)敏捷配置等環(huán)節(jié)提供決策支持，成為傳統(tǒng)制造過程實現(xiàn)數(shù)據(jù)化制造、信息化制造、知識化制造、智慧化制造逐步升級發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)。因此大數(shù)據(jù)技術(shù)作為智慧工廠技術(shù)體系中的核心技術(shù)，將進行重點關(guān)注與深入討論。
二、基于大數(shù)據(jù)的智慧制造技術(shù)體系構(gòu)架
依據(jù)對智慧工廠內(nèi)涵和大數(shù)據(jù)技術(shù)的探究可知：制造互聯(lián)通過各類工業(yè)化通訊手段提供數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)，其本質(zhì)是實現(xiàn)工廠資源的“互聯(lián)化”目標；制造執(zhí)行基于廣泛互聯(lián)和透徹感知，通過大數(shù)據(jù)采集與分析發(fā)現(xiàn)工廠運轉(zhuǎn)規(guī)律，運用智能化決策手段實現(xiàn)工廠性能優(yōu)化，其本質(zhì)是通過工廠內(nèi)部、車間層級的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用服務(wù)實現(xiàn)“智能化”目標；制造協(xié)同在“智能化”基礎(chǔ)上引進互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，通過客戶行為分析、市場趨勢預(yù)測等手段，對分布式的工廠資源與服務(wù)進行配置優(yōu)化，達到工廠組織結(jié)構(gòu)、運行模式的自適應(yīng)變化，其本質(zhì)是通過多個“智能化”服務(wù)的合理優(yōu)化配置實現(xiàn)“智慧化”目標。依據(jù)制造互聯(lián)中的工廠互聯(lián)化環(huán)節(jié)，與制造執(zhí)行中的數(shù)據(jù)采集、分析與應(yīng)用三個環(huán)節(jié)，以及制造協(xié)同中的服務(wù)配置環(huán)節(jié)，智慧工廠的技術(shù)架構(gòu)體系應(yīng)包含五個層級（如下圖），即物物互聯(lián)層、對象感知層、數(shù)據(jù)分析層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和云端服務(wù)層，這些層級將逐步實現(xiàn)工廠制造過程的互聯(lián)化、數(shù)字化、信息化、智能化和智慧化這“五化”目標。與此同時，體系中還包含大數(shù)據(jù)中心，負責完成智慧工廠大數(shù)據(jù)的處理、存儲、分析和應(yīng)用等環(huán)節(jié)，為各層次功能實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。下面分別展開詳細介紹。
1、物物互聯(lián)層
物物互聯(lián)層主要面向包含生產(chǎn)設(shè)備、計算機與操作人員在內(nèi)的物理制造資源，針對要收集的多源制造數(shù)據(jù)，通過配置各類傳感器、RFID標簽和二維碼來收集制造數(shù)據(jù)，并運用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、藍牙、紅外等，依照約定的協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換和通信。最終實現(xiàn)物理制造資源的互聯(lián)和互感，保障制造過程多源數(shù)據(jù)的實時、精確和可靠獲取。
2、對象感知層
智能感知層首先針對多種類型傳感器生成體系化管理，在實現(xiàn)異構(gòu)傳感器管理、傳感器數(shù)據(jù)格式化封裝、傳感器數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等的基礎(chǔ)上，運用傳感器數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)對物理制造資源有關(guān)數(shù)據(jù)的主動感知和數(shù)據(jù)實時獲取。同時針對Web端的用戶交互操作生成標準化定義，在對用戶界面進行模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上，運用Web中間件的用戶行為解析功能，實現(xiàn)對用戶事務(wù)數(shù)據(jù)的實時感知獲取。
3、數(shù)據(jù)分析層
數(shù)據(jù)分析層是在獲取制造數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過提取—轉(zhuǎn)換—裝載（Extract-Transform-Load，ETL）過程將源自異構(gòu)傳感器和用戶界面上多源、分散的數(shù)據(jù)抽取集成為全局統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式，以搭建制造過程數(shù)據(jù)倉庫；并根據(jù)數(shù)據(jù)間屬性連接和主題相關(guān)性，搭建以數(shù)據(jù)為節(jié)點、數(shù)據(jù)相關(guān)性為邊的數(shù)據(jù)關(guān)系復雜網(wǎng)絡(luò)；通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析手段，從復雜網(wǎng)絡(luò)模型中獲取數(shù)據(jù)間的耦合作用機理，搭建數(shù)據(jù)演化規(guī)律預(yù)測模型，從而實現(xiàn)對制造過程變化規(guī)律的精準描述，并提供可用以制造業(yè)務(wù)應(yīng)用的標準化信息。
4、業(yè)務(wù)應(yīng)用層
業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要面向制造企業(yè)的不同優(yōu)化角度，在搭建面向具體主題的數(shù)據(jù)倉庫的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)分析過程獲取關(guān)聯(lián)信息描述的數(shù)據(jù)演化規(guī)律，并采用實時預(yù)警、反饋調(diào)控和仿真優(yōu)化等具體手段，實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控服務(wù)、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度服務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化服務(wù)、設(shè)備維護維修服務(wù)等各種制造服務(wù)業(yè)務(wù)，其本質(zhì)是對工廠運行知識的應(yīng)用，以實現(xiàn)制造過程的實時動態(tài)優(yōu)化，提升制造企業(yè)智能化水平。
5、云端服務(wù)層
云端服務(wù)層將制造資源等基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)分析平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件與生產(chǎn)制造服務(wù)虛擬化封裝成云端服務(wù)，搭建面向制造的服務(wù)倉庫。同時基于服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)和云制造服務(wù)平臺實現(xiàn)對封裝制造資源及服務(wù)的集中管理和高度共享，根據(jù)客戶大規(guī)模定制產(chǎn)品生命周期的個性化需求，通過制造資源的敏捷配置與制造服務(wù)的客戶定制，實現(xiàn)全球化互聯(lián)工廠的協(xié)同制造，為客戶提供可靠的個性化服務(wù)，生成智慧工廠下的協(xié)同制造新模式。
6、大數(shù)據(jù)中心
大數(shù)據(jù)中心的相應(yīng)數(shù)據(jù)包含制造資源基本配置數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、傳感器采集數(shù)據(jù)和用戶操作事務(wù)數(shù)據(jù)、全局統(tǒng)一格式數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則信息、業(yè)務(wù)應(yīng)用優(yōu)化知識和制造增值智能服務(wù)、制造服務(wù)封裝平臺和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同智慧集成等不同的體現(xiàn)形式。大數(shù)據(jù)中心不僅需要針對這些數(shù)據(jù)普遍存在的高噪聲、多樣性、多尺度的特性選用合適的數(shù)據(jù)清洗方法與數(shù)據(jù)集成方法提升 數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)可用性，還需要針對數(shù)據(jù)普遍存在的規(guī)模性和高速性選用高效并行的數(shù)據(jù)查詢、存儲與讀取算法以提升 數(shù)據(jù)獲取與分析效率，針對智慧工廠多層次業(yè)務(wù)應(yīng)用情況下數(shù)據(jù)普遍存在的高維度特性創(chuàng)建面向主題的數(shù)據(jù)倉庫，以提升 業(yè)務(wù)相應(yīng)數(shù)據(jù)的聚集程度；最終可以將智慧工廠大數(shù)據(jù)作為云制造平臺中重要的的制造資源進行虛擬化封裝與網(wǎng)絡(luò)化交易，以提升 數(shù)據(jù)的全局共享程度?；诖髷?shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)支撐，大數(shù)據(jù)技術(shù)可根據(jù)智慧工廠技術(shù)體系不同層次的互聯(lián)化、數(shù)據(jù)化、信息化、智能化和智慧化目標，提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)交易等諸多功能，使智慧工廠的技術(shù)體系實現(xiàn)與發(fā)揮智慧化效用。
四、結(jié)束語
伴隨著以計算機和互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)在行業(yè)應(yīng)用的逐步推進，制造業(yè)正在經(jīng)歷以信息化與自動化緊密結(jié)合為標志的新一代產(chǎn)業(yè)革命，逐步形成具備全球化、信息化、透明化和智能化等特性的智慧化新工廠。本文在對智慧工廠“制造互聯(lián)＋智能制造執(zhí)行＋制造協(xié)同”內(nèi)涵和大數(shù)據(jù)特點深入探討和分析的基礎(chǔ)上，提出包含物物互聯(lián)、對象感知、數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)應(yīng)用和云端服務(wù)的智慧工廠技術(shù)體系層次化架構(gòu)，探討了大數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造過程動態(tài)化優(yōu)化技術(shù)方法體系。本文所提的基于大數(shù)據(jù)的智慧工廠技術(shù)體系，對物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)、用戶交互網(wǎng)和企業(yè)知識網(wǎng)等技術(shù)在工廠層級的集成具備重要的借鑒價值，為傳統(tǒng)制造工廠從數(shù)字化、信息化、智能化到智慧化發(fā)展奠定了研究基礎(chǔ)。