智能制造技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車(chē)制造業(yè)在新型工業(yè)背景下不斷進(jìn)行改造和升級(jí)，智能制造技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的發(fā)展，智能技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用也將大大推動(dòng)未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的進(jìn)程。

1 工業(yè)4.0背景下的智能制造技術(shù)[1]

工業(yè)4.0承諾提高制造靈活性，以及實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制，更好的質(zhì)量和更高的生產(chǎn)率。智能制造在工業(yè)4.0中發(fā)揮著重要作用，將傳統(tǒng)資源轉(zhuǎn)換為智能對(duì)象，使其在智能環(huán)境中感知并工作。工業(yè)4.0旨在創(chuàng)建智能工廠，其中制造技術(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和云計(jì)算進(jìn)行升級(jí)和轉(zhuǎn)換。在工業(yè)4.0時(shí)代，制造系統(tǒng)能夠監(jiān)控物理過(guò)程，創(chuàng)建物理世界的所謂“數(shù)字雙胞胎”（或“網(wǎng)絡(luò)雙胞胎”），并通過(guò)與人類(lèi)的實(shí)時(shí)通信和合作做出明智的決策。將嵌入式生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)與智能生產(chǎn)流程相結(jié)合，為從根本上改變行業(yè)價(jià)值鏈、生產(chǎn)價(jià)值鏈和商業(yè)模式的新技術(shù)時(shí)代鋪平道路。

全面實(shí)施智能制造，客戶(hù)越來(lái)越多的定制需求將增加制造成本，需應(yīng)用諸如網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化和服務(wù)技術(shù)以及智能對(duì)象/資產(chǎn)技術(shù)的平臺(tái)技術(shù)，通過(guò)智能設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流和供應(yīng)鏈管理充分利用靈活和可重新配置的制造系統(tǒng)，從而降低成本。多路平臺(tái)技術(shù)需要一個(gè)更開(kāi)放的創(chuàng)新框架，因此，面向服務(wù)的智能制造概念將成為工業(yè)4.0的關(guān)鍵組成部分。圖1顯示了工業(yè)4.0 IMS（Industry Manufacturing System）框架，其中研究主題分為智能設(shè)計(jì)、智能機(jī)器、智能監(jiān)控、智能控制和智能調(diào)度。

圖1 工業(yè)4.0 IMS框架

智能制造在現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中變得越來(lái)越重要，也將影響傳統(tǒng)汽車(chē)制造業(yè)的工業(yè)轉(zhuǎn)型，將尖端技術(shù)應(yīng)用于制造和服務(wù)中的傳統(tǒng)產(chǎn)品，為各種產(chǎn)品和系統(tǒng)提供附加價(jià)值。

2 從傳統(tǒng)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)到整子（Holonic）智能系統(tǒng)[2]

在過(guò)去的50年中，自動(dòng)化制造系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）技術(shù)得到快速發(fā)展。CIM模型是為一步開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的功能模型，但由于制造系統(tǒng)的環(huán)境極不穩(wěn)定，商業(yè)市場(chǎng)的需求轉(zhuǎn)變需要過(guò)程控制系統(tǒng)的全面轉(zhuǎn)換，現(xiàn)有CIM系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展很困難，并且在異常情況下性能會(huì)顯著下降，強(qiáng)烈分層和集中的系統(tǒng)通常具有剛性互連，導(dǎo)致通信渠道不靈活。因此，具有更快反應(yīng)和適應(yīng)技術(shù)，更靈活的操作和分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)才能滿(mǎn)足現(xiàn)有需求。

2.1 整子智能系統(tǒng)（Holonic Intelligent System）

整子智能系統(tǒng)（HIS）又稱(chēng)分布式智能系統(tǒng)。系統(tǒng)是完全分散的，所有單元都具有某種形式的智能，不需要中央處理單元。如圖2和圖3所示，系統(tǒng)單元（SE）使用定義良好的協(xié)議相互通信，這些單元可以直接相互尋址而無(wú)需中央處理單元的干預(yù)，中央處理單元將傳輸信息并包含用于系統(tǒng)操作的算法。這些算法根據(jù)任務(wù)（分布式智能）分布在各個(gè)單元中。SE具有自治性、協(xié)作性，用于轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲(chǔ)和處理信息，系統(tǒng)的自主性確保所有智能單元能夠運(yùn)行，直到其本身或相鄰單元決定它無(wú)法操作。該算法運(yùn)用系統(tǒng)組決策而不是類(lèi)似點(diǎn)的決策，故系統(tǒng)傳感形式是區(qū)域的，而不是點(diǎn)狀的。

圖2 執(zhí)行任務(wù)的臨時(shí)組示意圖

圖3 內(nèi)部功能分類(lèi)

2.2 結(jié)論

考慮到本文中提到的相關(guān)研究成果，整子智能系統(tǒng)是替代傳統(tǒng)集中型自動(dòng)化制造系統(tǒng)的最合適的技術(shù)。該系統(tǒng)運(yùn)用到汽車(chē)制造中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化科學(xué)管理，不會(huì)由于系統(tǒng)的復(fù)雜性而影響生產(chǎn)效率，對(duì)制造業(yè)的發(fā)展起著重要推動(dòng)作用。

3 車(chē)聯(lián)網(wǎng)的智能技術(shù)運(yùn)用[3]

社會(huì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)（SIoV）是車(chē)載領(lǐng)域應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)（SIoT）的概念，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)有的VANET（Vehicular Ad-hoc Networks，車(chē)載自組網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的發(fā)展，徹底改變了現(xiàn)有的智能交通系統(tǒng)（ITS）。文中介紹了一種基于Restful Web技術(shù)的可擴(kuò)展的SIoV架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)Web技術(shù)的重要性，以滿(mǎn)足所需的互操作性并支持眾多組合式服務(wù)。

圖4 SIoV的整體架構(gòu)示意圖

如圖4所示，SIoV有物理世界層、網(wǎng)關(guān)層、霧層、云層四個(gè)部分，其中包括應(yīng)用程序、用戶(hù)、安全隱私、信任管理以及關(guān)系管理系統(tǒng)。

物理世界層處理車(chē)輛、環(huán)境傳感器、駕駛員、乘客和行人等物理對(duì)象。核心功能是通過(guò)安裝在車(chē)輛中的傳感器以及駕駛員和乘客攜帶的設(shè)備來(lái)感測(cè)數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)層負(fù)責(zé)為物理世界層提供面向基于云的基礎(chǔ)架構(gòu)的門(mén)戶(hù)。該層收集物理世界數(shù)據(jù)并將其傳遞給霧層。所有數(shù)據(jù)都通過(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)使用藍(lán)牙、BLE或Wi-Fi傳送到智能車(chē)輛模塊。智能車(chē)輛的特殊模塊具有必要的通信協(xié)議棧，允許它們直接與霧層通信。另一方面，沒(méi)有直接向霧層發(fā)送數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)車(chē)輛和環(huán)境傳感器使用RSU或附近的智能車(chē)輛模塊來(lái)完成。其中，云層利用云技術(shù)提供集中式后端服務(wù)，由高性能服務(wù)器和存儲(chǔ)器來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算、存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)并制定系統(tǒng)范圍決策的位置，動(dòng)態(tài)地調(diào)度和管理其資源以響應(yīng)所設(shè)計(jì)的策略和系統(tǒng)的當(dāng)前趨勢(shì)。霧層由許多霧節(jié)點(diǎn)組成，可以是邊緣路由器、智能手機(jī)和各種其他計(jì)算系統(tǒng)。通過(guò)在SIoV中提供基于霧的分散式架構(gòu)，該層在確保所需的可擴(kuò)展性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

此外，所提出的SIoV架構(gòu)可擴(kuò)展集成并與名稱(chēng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（NDN）、信息中心網(wǎng)絡(luò)（ICN）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）協(xié)同使用。

4 新興車(chē)輛通信技術(shù)的智能應(yīng)用[4]

新興通信技術(shù)在智能交通系統(tǒng)（ITS）領(lǐng)域開(kāi)辟了新的管理可能性，特別是車(chē)輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）和車(chē)輛到車(chē)輛（V2V）通信的技術(shù)應(yīng)用。

在主動(dòng)交通管理領(lǐng)域，配備車(chē)載通信系統(tǒng)的車(chē)輛能夠與基礎(chǔ)設(shè)施和其他車(chē)輛交換信息。本文提出了一種利用智能車(chē)輛通信能力且名為“合作合并助手”（CoopMA）的新型合并輔助策略，其控制需要在主要行車(chē)道上配備有裝備的車(chē)輛，以便為交通信號(hào)燈釋放的入口匝道車(chē)輛創(chuàng)造合并空隙，減少合并車(chē)輛對(duì)交通流量的干擾，實(shí)現(xiàn)V2I通信的智能車(chē)輛的合并輔助功能。

Fig.3.Representation of the communication request by the Cooperative MA system.The control centre estimates the traffic conditions on the on-ramp and main carriageway,releases the on-ramp vehicles using the traffic signal and slows down the cooperative vehicle on the main carriageway.

文中Fig.3中，CoopMA系統(tǒng)需要V2I和I2V信息交換，分別實(shí)現(xiàn)入口匝道和主要行車(chē)道車(chē)輛向控制中心提供交通狀況信息、控制中心釋放入站匝道車(chē)輛并使合作車(chē)輛周期性地減速?？刂浦行墓烙?jì)入口匝道和主要行車(chē)道的交通狀況，使用交通信號(hào)釋放入站匝道車(chē)輛，并減慢主要行車(chē)道上的合作車(chē)輛的速度。

由于以間接的方式實(shí)現(xiàn)，車(chē)輛到車(chē)輛（V2V）通信不是必需的。除了合作車(chē)輛和交通燈釋放的第一輛車(chē)（均由CoopMA算法直接控制），其他車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)受到正常車(chē)輛遵守規(guī)則的限制。因此，雖然任何類(lèi)型的V2V通信都可以改善系統(tǒng)，但不需要V2V通信。從必要通信的描述中可以清楚地看出，CoopMA需要適度的先進(jìn)技術(shù)，每個(gè)交通燈周期只需要一個(gè)智能車(chē)輛，由CoopMA計(jì)算的可以在間隙中合并的最大車(chē)輛數(shù)量可以由傳統(tǒng)的RM控制策略用作確定目標(biāo)入口匝道流量的進(jìn)一步約束。

在不久的將來(lái)，交通將由裝備和未裝備的車(chē)輛組成，并且應(yīng)該開(kāi)發(fā)在這個(gè)過(guò)渡時(shí)期可用的管理系統(tǒng)。智能通信技術(shù)的創(chuàng)造和應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的發(fā)展。

5 智能運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）中車(chē)載傳感器的應(yīng)用[5]

近年來(lái)，車(chē)載自組網(wǎng)絡(luò)（VANETs）吸引了業(yè)界和學(xué)術(shù)研究界的興趣，是未來(lái)加強(qiáng)運(yùn)輸安全和保障的最有效途徑。智能傳感器則將在系統(tǒng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。本文設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)并實(shí)施了一種具有自主恢復(fù)程序的車(chē)載傳感器診斷分析解決方案?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)用于監(jiān)測(cè)、報(bào)告和自動(dòng)恢復(fù)的車(chē)輛傳感器，其算法不僅確定傳感器的操作狀態(tài)，還執(zhí)行自主恢復(fù)的程序。

Fig.2.Proposed architecture of diagnosis expert system

Fig.2中系統(tǒng)包括以下六個(gè)部分：

1）用戶(hù)顯示：指示特定傳感器的狀態(tài)以獲取駕駛員信息。在出現(xiàn)故障的情況下，系統(tǒng)執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)的分析，向駕駛員顯示狀態(tài)，恢復(fù)命令自動(dòng)給予傳感器。

2）專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)：從人類(lèi)技術(shù)專(zhuān)家、專(zhuān)業(yè)書(shū)籍、技術(shù)手冊(cè)和各種其他來(lái)源收集的信息以規(guī)則的形式保存的領(lǐng)域。

3）推理引擎：當(dāng)任何傳感器發(fā)生任何類(lèi)型的故障時(shí)，推理引擎使用知識(shí)庫(kù)分析存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)知識(shí)推斷規(guī)則是否滿(mǎn)足。

4）系統(tǒng)內(nèi)存：存儲(chǔ)從信號(hào)代理應(yīng)用程序接收的數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)日志文件。

5）信號(hào)代理：讀取傳感器信號(hào)的軟件應(yīng)用程序。日志文件中的傳感器數(shù)據(jù)直接傳送到主軟件應(yīng)用程序以進(jìn)行決策。

6）傳感器：為了安全起見(jiàn)，使用全球定位系統(tǒng)（GPS）、發(fā)動(dòng)機(jī)和防撞雷達(dá)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

傳感器的智能制造技術(shù)的發(fā)展豐富了智能車(chē)輛領(lǐng)域所需的控制策略，同時(shí)，通過(guò)具有車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)的路邊單元連接的車(chē)輛可以提供更好的安全系統(tǒng)。