繆學(xué)勤

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，上海 200233)

?

工業(yè)4.0推動(dòng)機(jī)電一體化走向智能技術(shù)系統(tǒng)

繆學(xué)勤

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，上海 200233)

2013年4月，德國(guó)開(kāi)啟了工業(yè)4.0第四次工業(yè)革命，以確保其制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)世界領(lǐng)先地位。為了一步一步地實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略目標(biāo)，德國(guó)全力支持“智能工廠創(chuàng)新聯(lián)盟”領(lǐng)導(dǎo)的“智能工廠”和 “it’s OWL” 創(chuàng)新集群主導(dǎo)的“智能技術(shù)系統(tǒng)”兩個(gè)重大研發(fā)項(xiàng)目。全面論述了機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展、智能技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生的背景、技術(shù)定義與主要特征。深入分析了認(rèn)知信息處理3層模型以及智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的參考架構(gòu)。最后，闡述了自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)解決方案及其應(yīng)用。

工業(yè)4.0 機(jī)電一體化 認(rèn)知信息處理 智能技術(shù)系統(tǒng) 執(zhí)行器 傳感器 信息物理融合系統(tǒng) 即插即生產(chǎn)自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)

0 引言

2013年4月，德國(guó)開(kāi)啟了工業(yè)4.0第四次工業(yè)革命，以確保其制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)世界領(lǐng)先地位。工業(yè)4.0主要包括兩個(gè)主題，即“智能工廠”與“智能生產(chǎn)”。為了一步一步地實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略目標(biāo)，對(duì)應(yīng)上述兩個(gè)主題，德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部全力支持“智能工廠創(chuàng)新聯(lián)盟”領(lǐng)導(dǎo)的“智能工廠”項(xiàng)目和“ it’s OWL(北威州智能技術(shù)系統(tǒng))”創(chuàng)新集群主導(dǎo)的“智能技術(shù)系統(tǒng)”項(xiàng)目。

“智能生產(chǎn)”的基本設(shè)想是制造的產(chǎn)品集成有動(dòng)態(tài)數(shù)字存儲(chǔ)器、感知和通信能力，承載著在其整個(gè)供應(yīng)鏈和生命周期中所需的各種必需的信息；整個(gè)生產(chǎn)價(jià)值鏈中所集成的生產(chǎn)設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)重組與自配置，能夠根據(jù)當(dāng)前的狀況靈活地決定生產(chǎn)過(guò)程。智能生產(chǎn)目標(biāo)是滿足用戶的各種需求，建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)的主要手段之一是采用“智能技術(shù)系統(tǒng)”[1]。

1 機(jī)電一體化技術(shù)概況

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透，機(jī)電一體化(mechatronics)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械和微電子技術(shù)緊密結(jié)合的一門技術(shù)，它使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式以及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”發(fā)展階段。機(jī)械工程工業(yè)由機(jī)械為中心的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到機(jī)電一體化產(chǎn)品[2]。

機(jī)電一體化指的是將電子技術(shù)引入機(jī)械結(jié)構(gòu)的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能，從而形成一個(gè)電子化設(shè)計(jì)及軟件與機(jī)械裝置相融合的系統(tǒng)。機(jī)電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。系統(tǒng)硬件是由基本單元(機(jī)械本體)、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，基本系統(tǒng)一般都是機(jī)械結(jié)構(gòu)。通常，滿足某種要求的物理系統(tǒng)都可以作為基本系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的性能，一般使用傳感器測(cè)量基本系統(tǒng)的相關(guān)物理量與它所處環(huán)境的參數(shù)，傳感器為信息處理單元提供輸入變量。目前，創(chuàng)新的傳感器發(fā)展很快，特別是采用非接觸檢測(cè)技術(shù)的傳感器。因而，在大多數(shù)情況下，該變量都是數(shù)字化的。信息處理單元將來(lái)自各傳感器的檢測(cè)信息和外部輸入的命令，進(jìn)行集中、儲(chǔ)存、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。由此可見(jiàn)，信息處理單元由各種控制功能組成。整個(gè)基本系統(tǒng)性能的適應(yīng)性則由執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元完成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信息和指令，執(zhí)行要求的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件，一般采用機(jī)械、電磁、電液等機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖1中，基本系統(tǒng)、傳感器、信息處理單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系用信息流、能量流和物料流3種類型的流動(dòng)圖來(lái)表示。

圖1 機(jī)電一體化系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

機(jī)電一體化技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、各種機(jī)械裝備、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)以及工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域。

2 智能技術(shù)系統(tǒng)

(1)三大技術(shù)發(fā)展加速催生新一代技術(shù)系統(tǒng)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，信息與通信技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了如下3個(gè)重要的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

① 電子部件的微小型化。

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的突破、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，新型微控制器和8核、16核等多核微處理器研發(fā)速度明顯加快，新產(chǎn)品不斷問(wèn)世。這些新型電子部件具有集成度高、可靠性與性能價(jià)格比高、抗干擾能力強(qiáng)以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)；平行計(jì)算功能極大地提高了信息處理能力，為智能技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)創(chuàng)造了優(yōu)越的硬件條件。

② 軟件成為創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力。

由于功能的增加、產(chǎn)品用戶特定需求的增加、交付要求不斷變化、不同技術(shù)學(xué)科和組織日益融合以及不同的公司間合作形式迅速變化等原因，工業(yè)產(chǎn)品及其相關(guān)的制造系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。特別是具有嵌入式軟件的系統(tǒng)，其復(fù)雜性還在快速地增加，管理這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，其難度越來(lái)越大。與此同時(shí)，近十年來(lái)軟件工程技術(shù)發(fā)展十分迅速，現(xiàn)代基于模型的方法、表示法和工具的使用，不斷創(chuàng)造出高質(zhì)量的軟件，使得我們能夠應(yīng)對(duì)這一日益復(fù)雜的系統(tǒng)。隨著軟件不斷融入到越來(lái)越多的現(xiàn)代工程產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)新的功能，現(xiàn)代工程產(chǎn)品及其相關(guān)的制造系統(tǒng)，將逐漸由傳統(tǒng)的硬件依賴轉(zhuǎn)向軟件依賴。

③ 工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化[3]。

過(guò)去二十年，互聯(lián)網(wǎng)很好地解決了人與人之間的互聯(lián)互通，并顛覆了與人密切相關(guān)的一些傳統(tǒng)行業(yè)。今后，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)將要實(shí)現(xiàn)物與物的互聯(lián)互通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息世界與物理世界的融合，于是產(chǎn)生了物聯(lián)網(wǎng)。工廠生產(chǎn)系統(tǒng)需要完成控制功能，為了將控制技術(shù)融入互聯(lián)網(wǎng)，在將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)，也要將計(jì)算與通信嵌入實(shí)物過(guò)程，并使其與實(shí)物過(guò)程密切互動(dòng)，從而出現(xiàn)了信息物理融合系統(tǒng)(cyber physic system, CPS)，又稱工業(yè)互(物)聯(lián)網(wǎng)，它將互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推向了新高度。

(2) 智能技術(shù)系統(tǒng)的定義與特征。

以上3個(gè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)加速了機(jī)電一體化系統(tǒng)的升級(jí)。新一代技術(shù)系統(tǒng)將以機(jī)械學(xué)、電氣/電子學(xué)、控制工程、軟件技術(shù)和新材料的緊密相互作用為基礎(chǔ)，通過(guò)“嵌入式智能”產(chǎn)生一種超越機(jī)電一體化的新系統(tǒng)。在這里，信息技術(shù)將與諸如認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和語(yǔ)言學(xué)等非技術(shù)學(xué)科相融合，跨學(xué)科融合不斷研發(fā)出過(guò)去只是在生物系統(tǒng)中才使用的新的集成方法、技術(shù)和規(guī)范，使用這些方法、技術(shù)和規(guī)程可以將感知、認(rèn)知和執(zhí)行功能集成融入技術(shù)系統(tǒng)，這樣的技術(shù)系統(tǒng)稱作智能技術(shù)系統(tǒng)(intelligent technical system，ITS)，如圖2所示[4]。

圖2 機(jī)電一體化升級(jí)到智能技術(shù)系統(tǒng)的演進(jìn)過(guò)程

智能技術(shù)系統(tǒng)具有自動(dòng)適配功能，適應(yīng)力強(qiáng)，并且使用方便。同時(shí)，系統(tǒng)還具有節(jié)約資源、可進(jìn)行直觀操作以及可靠性高等特點(diǎn)。

通常，智能技術(shù)系統(tǒng)都具有如下主要特征。

適應(yīng)性(adaptive),即智能技術(shù)系統(tǒng)能夠與所處的環(huán)境相互交互，并能自治地適應(yīng)它們的運(yùn)行模式。按照這種方式，在設(shè)計(jì)人員設(shè)定的框架內(nèi)，智能技術(shù)系統(tǒng)能夠在運(yùn)行期間逐步完善，從而確保它們能夠長(zhǎng)期保持最佳使用狀態(tài)。

堅(jiān)固性(robust)，即智能技術(shù)系統(tǒng)能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中靈活和自治地運(yùn)行，甚至能夠在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)者不希望或未曾預(yù)見(jiàn)到的環(huán)境中運(yùn)行。系統(tǒng)能夠處理不確定或者不足的信息，確保至少達(dá)到某種使用等級(jí)，滿足各種要求。

可預(yù)期性(anticipatory)，即以經(jīng)驗(yàn)積累的知識(shí)為基礎(chǔ)，智能技術(shù)系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)未來(lái)的效果和可能的情況。按照這種方式，系統(tǒng)能夠早期識(shí)別出風(fēng)險(xiǎn)，并能及時(shí)選擇和執(zhí)行適合的策略，迅速解決問(wèn)題。這樣一來(lái)，系統(tǒng)就能夠更有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

用戶友好性(user-friendly)，即智能技術(shù)系統(tǒng)能夠適應(yīng)用戶指定的特性，能與用戶進(jìn)行合理的交互。對(duì)用戶而言，系統(tǒng)具有一定的理解能力。

3 認(rèn)知信息處理參考模型及其模塊的研制

(1) 非認(rèn)知系統(tǒng)與認(rèn)知系統(tǒng)[5]。

信息處理方法是推動(dòng)機(jī)電一體化向智能技術(shù)系統(tǒng)升級(jí)的主要推動(dòng)力。機(jī)電一體化(反應(yīng)式)系統(tǒng)與智能技術(shù)(認(rèn)知)系統(tǒng)的信息處理方法是不同的。機(jī)電一體化系統(tǒng)在傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間提供一種反應(yīng)式和固定的耦合。而智能技術(shù)系統(tǒng)則類似于具有認(rèn)知的生物，能夠變更這些耦合。認(rèn)知處理不會(huì)取代直接的和反應(yīng)式耦合，它會(huì)與后者共存。認(rèn)知系統(tǒng)和非認(rèn)知系統(tǒng)的比較如圖3所示。

圖 3 非認(rèn)知系統(tǒng)和認(rèn)知系統(tǒng)的比較

在生物學(xué)中，認(rèn)知科學(xué)提出了用于行為控制的3層模型，智能系統(tǒng)信息處理方法完全建立在該模型的基礎(chǔ)上。行為控制的3層模型如圖4所示。從圖4可以看出，在內(nèi)部和外部條件變化時(shí)，認(rèn)知數(shù)據(jù)處理能夠使系統(tǒng)的性能更加靈活并且智能地適應(yīng)這種變化。認(rèn)知數(shù)據(jù)處理不會(huì)取代反應(yīng)式控制，它只是擴(kuò)展其功能，整個(gè)適應(yīng)過(guò)程總是伴隨著不斷地學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)意味著收集和發(fā)現(xiàn)信息，從中得出與系統(tǒng)環(huán)境有關(guān)的論斷，并進(jìn)一步處理如此獲得的知識(shí)。此后，這些知識(shí)就能夠被用于改變系統(tǒng)的行為(例如通過(guò)改變控制參數(shù))。在行為控制的不同層次，將產(chǎn)生不同的學(xué)習(xí)方式，并對(duì)知識(shí)進(jìn)一步加工。

圖4 行為控制3層模型

(2) 認(rèn)知信息處理參考模型。

如上所述，認(rèn)知科學(xué)完全參照認(rèn)知生物的行為，以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建了智能信息處理技術(shù)。因此，評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)是否具有“智能“，應(yīng)該看該技術(shù)系統(tǒng)是否具備如下3個(gè)特殊的特征：

① 主動(dòng)嵌入到環(huán)境中，并能夠與所處的生產(chǎn)場(chǎng)景環(huán)境交換信息；

② 借助周圍環(huán)境與系統(tǒng)相關(guān)信息的內(nèi)部表達(dá)，產(chǎn)生靈活的、與環(huán)境相適應(yīng)的控制動(dòng)作；

③ 具有學(xué)習(xí)和參與綜合信息處理的能力。

為了表達(dá)這些特征，斯圖伯(STRUBE)研究員研發(fā)了認(rèn)知信息處理3層參考模型，如圖5所示。從圖5可以看出，模型的最低層是非認(rèn)知調(diào)節(jié)，它包含連續(xù)控制和固定的反射，我們稱其為“原動(dòng)技能(motoric skills)”；中間層表示關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié),通過(guò)條件反射建立學(xué)習(xí)過(guò)程。對(duì)于這種類型的學(xué)習(xí)，最著名的例子是巴普洛夫試驗(yàn);模型的最高層產(chǎn)生認(rèn)知調(diào)節(jié)。認(rèn)知是對(duì)所有類型的事件進(jìn)行信息檢測(cè)、信息處理，并將信息存入內(nèi)存。此外，這些信息將被用于適應(yīng)類似于生物的行為。這就意味著處理過(guò)程近似于目標(biāo)管理、規(guī)劃或控制活動(dòng)。

圖5 認(rèn)知信息處理3層模型及其實(shí)現(xiàn)

(3) 操作器-控制器智能模塊的研制。

為了實(shí)現(xiàn)STRUBE認(rèn)知信息處理3層模型，德國(guó)帕德博恩(Pader-born)大學(xué)Jugen Gausemeier 教授領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)人員開(kāi)發(fā)了用于自尋最優(yōu)系統(tǒng)的操作器-控制器模塊(OCM)[6]。在這里，信息處理分成3級(jí)，即控制器、條件反射操作器和認(rèn)知操作器。

控制器的主要任務(wù)是按照更優(yōu)的方式控制基本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。其控制回路是獲取測(cè)量信號(hào)和確定調(diào)節(jié)信號(hào)十分有效的鏈路，因此稱它為“原動(dòng)”回路。該級(jí)軟件在硬實(shí)時(shí)條件下運(yùn)行。大量控制器配置能夠由控制器本身完成。

條件反射操作器的操作能夠監(jiān)視和指揮控制器。它不能直接訪問(wèn)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；但是它能夠通過(guò)改變參數(shù)和結(jié)構(gòu)，完成對(duì)控制器的修改。條件反射操作器本質(zhì)上是面向事件的，它與控制器緊密相連，其按硬實(shí)時(shí)方式處理事件。作為認(rèn)知操作器的連接部件，條件反射操作器可以當(dāng)作控制器和那些軟實(shí)時(shí)或不能實(shí)時(shí)工作的部件之間的接口。它將進(jìn)入的信號(hào)過(guò)濾，并將其送給下一級(jí)。條件反射操作器負(fù)責(zé)若干OCM之間的實(shí)時(shí)通信，這些OCM一起構(gòu)成一個(gè)自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)。

認(rèn)知操作器位于OCM的最高一級(jí)，系統(tǒng)能夠采用各種方法(諸如學(xué)習(xí)方法、基于模型的最佳化方法或基于系統(tǒng)的知識(shí)的系統(tǒng)方法)，去使用它本身和其周圍環(huán)境的信息，以提升它自身的性能。在這里，特別要強(qiáng)調(diào)能夠?qū)崿F(xiàn)自尋最優(yōu)的認(rèn)知能力。

4 智能子系統(tǒng)與智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)

智能技術(shù)系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)形式，即智能子系統(tǒng)；另一種是組群(cluster)結(jié)構(gòu)形式，稱作智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)(亦稱網(wǎng)絡(luò)化、信息物理融合系統(tǒng))，其系統(tǒng)構(gòu)成架構(gòu)的技術(shù)概念如圖6所示。

圖6 智能子系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化信息物理融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(技術(shù)概念)

從圖6可以看出，一個(gè)子系統(tǒng)的基本配置包括基本系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信息處理4個(gè)單元。信息處理單元通過(guò)通信系統(tǒng)聯(lián)系傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器用于感知必要的信息，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與基本系統(tǒng)聯(lián)合完成實(shí)際的系統(tǒng)動(dòng)作，基本系統(tǒng)通常是機(jī)械結(jié)構(gòu)。在信息處理單元內(nèi)，由認(rèn)知調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的基本認(rèn)知功能主要有感知與識(shí)別、編碼或語(yǔ)言的使用，它們的實(shí)現(xiàn)方法是不同的。我們稱由4個(gè)單元構(gòu)成的基本配置為一個(gè)子系統(tǒng)。智能子系統(tǒng)一般用于小型的單臺(tái)設(shè)備。

對(duì)于大型機(jī)械裝備或生產(chǎn)流水線，為了完成各種各樣的功能，通常都由幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，它們被看成是一個(gè)相互作用的組合體。這些智能子系統(tǒng)在地理位置上是分散的，通常采用分布式結(jié)構(gòu)，它們彼此之間需要進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，從而形成了網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但是，由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的功能作用僅能通過(guò)單個(gè)系統(tǒng)間的交互作用呈現(xiàn)出來(lái)。無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)還是單個(gè)系統(tǒng)的角色都是靜態(tài)的，而要完成整體功能作用，就需要借助于通過(guò)動(dòng)態(tài)改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。在過(guò)去，這完全是分開(kāi)考慮的問(wèn)題，諸如一方面是云計(jì)算，另一方面是嵌入式系統(tǒng)。現(xiàn)在，我們可以采用最新的信息物理融合系統(tǒng)(CPS)的途徑進(jìn)行集成。按照加利福尼亞大學(xué)Edward A.Lee教授的定義：“CPS是計(jì)算過(guò)程和物理過(guò)程的集成系統(tǒng)，利用嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，并通過(guò)反饋環(huán)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程和物理過(guò)程的相互影響”[7]。由定義可以看出，智能技術(shù)主要是通過(guò)嵌入式計(jì)算和通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，智能系統(tǒng)也主要由一個(gè)或多個(gè)嵌入式系統(tǒng)組成。CPS系統(tǒng)是一種網(wǎng)絡(luò)型嵌入式系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)將不再僅由一個(gè)全局集中的控制單元進(jìn)行控制，通過(guò)本地系統(tǒng)控制策略完全可以實(shí)現(xiàn)更佳的性能。它將打破在PC機(jī)時(shí)代建立的傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的體系架構(gòu)，從而全面實(shí)現(xiàn)分布式智能。

5 智能技術(shù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

從2007年開(kāi)始，德國(guó)科技創(chuàng)新主要依靠分布在全國(guó)各地的15個(gè)前沿技術(shù)創(chuàng)新集群(the leading edge cluster)，每個(gè)集群都主攻一個(gè)專業(yè)方向?！癷t’s OWL”北威州創(chuàng)新集群專注于智能技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)品與系統(tǒng)的研發(fā)，它是歐洲具有最強(qiáng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力的地區(qū)之一，其愿景是成為全球智能技術(shù)系統(tǒng)市場(chǎng)和技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。該集群共有174個(gè)成員，包括25個(gè)工程和顧問(wèn)咨詢公司、25個(gè)核心公司和78個(gè)基本公司、6個(gè)高等院校以及10個(gè)競(jìng)爭(zhēng)力中心。2012年2月，聯(lián)邦德國(guó)教研部投入1億歐元，支持45個(gè)產(chǎn)品和生產(chǎn)的研發(fā)項(xiàng)目，計(jì)劃用5年時(shí)間完成。這些項(xiàng)目分為平臺(tái)、創(chuàng)新及可持續(xù)項(xiàng)目3種類型。

平臺(tái)項(xiàng)目，即為推動(dòng)集群內(nèi)各家公司在今后幾年內(nèi)進(jìn)入智能技術(shù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)成果向大量中小型企業(yè)轉(zhuǎn)移，創(chuàng)建自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)、人機(jī)交互、智能網(wǎng)絡(luò)、能源效率以及系統(tǒng)工程等5個(gè)最基本的技術(shù)平臺(tái)。

創(chuàng)新項(xiàng)目，即系統(tǒng)集群內(nèi)的核心公司為實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)，基于上述技術(shù)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)子系統(tǒng)、系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)等具體產(chǎn)品和解決方案。

可持續(xù)項(xiàng)目,即這些項(xiàng)目研究采取7種有效措施，在政府計(jì)劃支持的時(shí)間結(jié)束后，仍然能保持長(zhǎng)期的可持續(xù)性。特別是在這些項(xiàng)目?jī)?nèi)，中小型企業(yè)在今后幾年仍然能夠自身實(shí)現(xiàn)智能技術(shù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。

6 工業(yè)4.0智能自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)品與應(yīng)用

菲尼克斯電氣公司是“it’s OWL”北威州創(chuàng)新集群的核心成員，為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0“智能生產(chǎn)”戰(zhàn)略目標(biāo)，按照智能技術(shù)系統(tǒng)的技術(shù)概念，研發(fā)了自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)采用分散式模塊化結(jié)構(gòu)，并使用公司最新研制的即插即生產(chǎn)(plug and produce)智能化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。分散式模塊化結(jié)構(gòu)意味著整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所使用的機(jī)械、控制和通信系統(tǒng)全部采用模塊化設(shè)計(jì)，這就使得生產(chǎn)制造系統(tǒng)能夠按照工藝和生產(chǎn)的要求任意組合，系統(tǒng)的適應(yīng)性可以通過(guò)插入或移除其中的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖7 所示。

圖7 自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

即插即生產(chǎn)技術(shù)具有自尋最優(yōu)特性和即插即生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)自配置功能。自配置功能是建立在實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的自配置方法和生產(chǎn)系統(tǒng)、模塊和部件語(yǔ)義自描述能力的基礎(chǔ)上，無(wú)須使用任何工程工具。生產(chǎn)制造系統(tǒng)通過(guò)分析與理解外界及自身的信息，對(duì)系統(tǒng)中各組成部分進(jìn)行自動(dòng)協(xié)調(diào)、重組與擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量、種類、性能和質(zhì)量的自動(dòng)適應(yīng)，從而最佳地完成不斷變化的工作任務(wù)。該自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)已成功用于菲尼克斯公司的I/O裝置生產(chǎn)線，取得了滿意的效果。按照計(jì)劃，自適應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)與系統(tǒng)產(chǎn)品即將推向市場(chǎng)。與此同時(shí)，“it’s OWL” 創(chuàng)新集群的各成員公司也將分批發(fā)布各種類型的智能技術(shù)系統(tǒng)的產(chǎn)品和系統(tǒng)，并在傳統(tǒng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)用戶領(lǐng)域推廣應(yīng)用。這些創(chuàng)新的技術(shù)與產(chǎn)品，將為制造企業(yè)，特別是中小型制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)創(chuàng)造理想的條件，也為工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)提供了具體路徑和解決方案。

7 結(jié)束語(yǔ)

2015年5月，我國(guó)發(fā)布了“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)。該綱領(lǐng)將制造業(yè)定位成“立國(guó)之本，興國(guó)之器，強(qiáng)國(guó)之基”，并提出了建設(shè)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的三步走戰(zhàn)略：第一步，2015～2025年，邁入制造強(qiáng)國(guó)行列；第二步，2025～2035年，達(dá)到制造強(qiáng)國(guó)中等水平；第三步，2035～2049年，進(jìn)入世界制造強(qiáng)國(guó)前列，建成全球領(lǐng)先的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系。目前，各地正在制定落實(shí)“中國(guó)制造2025”的行動(dòng)方案，我們應(yīng)該借鑒工業(yè)4.0“智能技術(shù)系統(tǒng)”的理念、方案和路線圖，一步一步地推進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)的建設(shè)。

From Mechatronics to Intelligent Technical Systems

On the April of 2013, in order to ensure that the manufacturing industry leading position in the world, the fourth industrial revolution is started in the Germany.For implementing strategic objective of Industry 4.0, Germany fullly supports “Smart Factory” projects leaded by the Innovation Alliance of Smart Factory and “Intelligent Technical System” projects of the “it’s OWL” Leading-Edge Cluster.The development of mechatronic systems, the background of intelligent technical systems, the technical definition and the key characteristics are expounded comprehensively.The three layer model for a cognitive information processing and a

tructure for an intelligent networking system are analyzed thoroughly.Finally, the adaptive production system and its application are elaborated.

Industry 4.0 Mechatronics Cognitive information processing Intelligent technical system Actuator Sensor Cyber physic system Plug and produce Adaptive production system

LTE-A系統(tǒng)中改進(jìn)的信道估計(jì)算法的研究及實(shí)現(xiàn)

TH-39;TP271+.4

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601001

修改稿收到日期：2015-11-23。

作者繆學(xué)勤(1942-),男，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)理事。1989年至2001年任國(guó)際電工委員會(huì)IEC SC65C/WG6現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)委員，1988年被授予國(guó)家級(jí)有突出貢獻(xiàn)中青年專家，1991年獲國(guó)務(wù)院特殊津貼。長(zhǎng)期從事現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)集成與工程應(yīng)用。