智能制造裝備與集成 課件 03 智能制造關(guān)鍵技術(shù)

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成智能制造裝備與集成INTELLIGENTMANUFACTURINGEQUIPMENTANDINTEGRATION高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.1智能制造的技術(shù)體系3.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)3.3大數(shù)據(jù)3.4云計(jì)算3.5人工智能3.6虛擬現(xiàn)實(shí)第三章智能制造關(guān)鍵技術(shù)高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.1智能制造的技術(shù)體系

智能制造技術(shù)：在數(shù)字化、自動(dòng)化裝置及系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將人工智能引入到制造過程中，形成以存儲(chǔ)、計(jì)算、邏輯、推理為特征的機(jī)器智能所驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品制造技術(shù)。智能制造技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)、人工智能技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果，也是三者結(jié)合的產(chǎn)物。3.1.1智能制造技術(shù)的發(fā)展高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.1.2智能制造技術(shù)的特征智能制造技術(shù)是智能技術(shù)與制造技術(shù)不斷融合、發(fā)展和應(yīng)用的結(jié)果。其主要特征如下：智能感知；智能決策；智能學(xué)習(xí)；智能診斷；智能優(yōu)化。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.1.3智能制造的關(guān)鍵技術(shù)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)主要分為：計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、工業(yè)電子技術(shù)、工業(yè)制造技術(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)在軟件方面的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能制造的核心與基礎(chǔ)，這些軟件主要有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助工藝(CAPP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等。信息技術(shù)是智能制造的基礎(chǔ)與支撐，新一代信息技術(shù)包括人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成工業(yè)電子技術(shù)集成了傳感、計(jì)算和通信三大技術(shù)，為智能制造構(gòu)建了一個(gè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的信息物理系統(tǒng)。它包括現(xiàn)代傳感技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、制造物聯(lián)技術(shù)，以及現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的定時(shí)定位技術(shù)等。工業(yè)制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)快速、高效、高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵。主要包括高端數(shù)控加工技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、滿足極限工作環(huán)境與特殊工作需求的智能材料生產(chǎn)技術(shù)、基于3D打印的智能成型技術(shù)等。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)3.2.1物聯(lián)網(wǎng)概述物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT),可以認(rèn)為是指通過信息傳感設(shè)備，將物體與互聯(lián)網(wǎng)之間相互鏈接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)主要特征：全面感知可靠傳遞智能處理高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成按功能可將物聯(lián)網(wǎng)分為三層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。從物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)來看，它主要包括兩方面的內(nèi)容:現(xiàn)代傳感器技術(shù)，將所有物品通過相應(yīng)的傳感器和射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification,RFID)將感知的各種信息變成可以識(shí)別的電信號(hào);網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，在此技術(shù)基礎(chǔ)上擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，延伸到所有可能的物體和物體之間的通信和信息交換。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.2現(xiàn)代傳感技術(shù)1.基本概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量微型而又廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式組成的一個(gè)多跳的具有自組織特性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是將覆蓋區(qū)域中的感知對(duì)象的信息進(jìn)行感知、采集和處理，并最終發(fā)送給觀測(cè)者，WSN結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1WSN結(jié)構(gòu)

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傳感器(Sensor)是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的一種監(jiān)測(cè)裝置,它可以感受到被監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度、濕度等信息，并按照一定規(guī)律變換為電信號(hào)或者其他所需形式輸出，以滿足信息的傳遞、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器、感知對(duì)象和觀測(cè)者共同構(gòu)成了WSN的三個(gè)必不可少的要素。WSN因具有低成本、低功耗、自組網(wǎng)、分布式監(jiān)測(cè)、不需要固定通信設(shè)施支持等五大優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.發(fā)展歷史從1978年開始，WSN歷經(jīng)多年的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下四個(gè)階段:第一階段:也稱第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)，初步實(shí)現(xiàn)了信息的單向傳遞。第二階段:也稱第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)于第一代監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有了顯著的綜合能力。第三階段:也稱第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到局部監(jiān)測(cè)的階段。第四階段:也稱第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)，即WSN階段，目前正處于研究開發(fā)和快速增長(zhǎng)期。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.應(yīng)用領(lǐng)域

WSN由于其具有高監(jiān)測(cè)精度、高容錯(cuò)性、覆蓋區(qū)域大、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：軍事領(lǐng)域環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能交通醫(yī)療護(hù)理工業(yè)方面的應(yīng)用空間探索高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.3射頻識(shí)別技術(shù)1.基本概念

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。

目前，RFID技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是各類RFID標(biāo)簽和卡的讀寫和管理。2.RFID的組成

典型的RFID系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽(Tag)、RFID閱讀器(Reader)、天線(Antenna)、計(jì)算機(jī)四部分組成，如圖3-2所示。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成圖3-2RFID系統(tǒng)圖

RFID標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，用以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。RFID閱讀器是讀取(或?qū)懭?標(biāo)簽信息的設(shè)備。天線是將RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息傳遞給閱讀器的設(shè)備。計(jì)算機(jī)用作后臺(tái)控制系統(tǒng)。通常將電子標(biāo)簽、閱讀器和天線三者稱為前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.RFID的分類RFID系統(tǒng)按電子標(biāo)簽的供電方式可以按照有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽來劃分。RFID系統(tǒng)按電子標(biāo)簽的工作方式可分為主動(dòng)式、半主動(dòng)式和被動(dòng)式三種。RFID系統(tǒng)按工作頻率可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波(MF)四種。表3-1為RFID使用頻段對(duì)照表。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成表3-1RFID使用頻段對(duì)照表

技術(shù)簡(jiǎn)單較高通信速度通信速率低受金屬材料影響車輛防盜超高速（UHF）433MHz技術(shù)復(fù)雜高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成4.RFID的基本工作原理

電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，就能憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(即無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(即有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)的耦合類型有兩種,分別是電感耦合方式(磁耦合)和電磁反向散射耦合方式(電磁場(chǎng)耦合)兩大類。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成5.RFID的特征通過電磁耦合方式實(shí)現(xiàn)的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。需要利用無線電頻率資源，并且須遵守?zé)o線電頻率使用的眾多規(guī)范。由于存放的識(shí)別信息是數(shù)字化的，因此通過編碼技術(shù)可以方便實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用?？梢苑奖愕剡M(jìn)行組合建網(wǎng)，以完成多種規(guī)模的系統(tǒng)應(yīng)用。涉及計(jì)算機(jī)、無線數(shù)字通信、集成電路、電磁場(chǎng)等眾多學(xué)科。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.4機(jī)器視覺技術(shù)1.機(jī)器視覺的定義

機(jī)器視覺是指用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，也就是用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀的三維世界的識(shí)別，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。

優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量快速、準(zhǔn)確、可靠，產(chǎn)品生產(chǎn)的安全性高，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度低，可實(shí)現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)和自動(dòng)化管理。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由圖像采集單元、圖像信息處理與識(shí)別單元、結(jié)果顯示單元和視覺系統(tǒng)控制單元組成。視覺系統(tǒng)控制單元根據(jù)判定結(jié)論控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的相應(yīng)控制操作。圖像采集單元獲取被測(cè)目標(biāo)對(duì)象的圖像信息，并傳送給圖像信息處理與識(shí)別單元。圖像信息處理與識(shí)別單元提取出目標(biāo)對(duì)象的相關(guān)特征，并將其判定結(jié)論提供給視覺系統(tǒng)控制單元。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.5網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)指可以不通過電纜或電線，而是利用無線電技術(shù)、紅外等傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。1.Wi-Fi

Wi-Fi是WLAN的主要技術(shù)之一，網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)主要由無線接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和支持網(wǎng)構(gòu)成。Wi-Fi與有線接入技術(shù)相比，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：覆蓋范圍廣、傳輸速率快；建設(shè)方便；投資經(jīng)濟(jì)性；健康安全。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.ZigBee

ZigBee

是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。

ZigBee

的技術(shù)特點(diǎn)：低功耗；低成本；短時(shí)延；網(wǎng)絡(luò)容量大；數(shù)據(jù)傳輸可靠；安全性高。Wi-Fi技術(shù)與ZigBee技術(shù)性能比較見表3-2。表3-2Wi-Fi技術(shù)與ZigBee技術(shù)性能比較

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.2.6物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，已經(jīng)逐步融入生產(chǎn)生活的多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。近年來，物聯(lián)網(wǎng)開始廣泛應(yīng)用于交通、物流、家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用案例如下：應(yīng)用RFID技術(shù)于電子收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用WSN技術(shù)于智能家居高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.3大數(shù)據(jù)3.3.1大數(shù)據(jù)概述1.基本概念

大數(shù)據(jù)技術(shù)是一系列面向海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、計(jì)算與分析，并從中提取信息和知識(shí)的技術(shù)總稱。方面特征容量(Volume)數(shù)據(jù)量巨大，來源多渠道種類(Variety)數(shù)據(jù)類型的多樣性速度(Velocity)獲得數(shù)據(jù)的速度價(jià)值(Value)合理運(yùn)用大數(shù)據(jù)，以低成本創(chuàng)造高價(jià)值表3-2Wi-Fi技術(shù)與ZigBee技術(shù)性能比較

大數(shù)據(jù)指具有4V特征，即Volume(數(shù)據(jù)量大)Variety(類型復(fù)雜)、Velocity(速度快)和Value(價(jià)值)的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)的特征如表3-3所示。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.發(fā)展歷史萌芽階段(20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初)：作為一個(gè)設(shè)想或概念出現(xiàn)。發(fā)展階段(21世紀(jì)初至2012)：在Hadoop基礎(chǔ)之上、用于大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和挖掘的工具產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，大數(shù)據(jù)技術(shù)生態(tài)逐漸形成。應(yīng)用階段(2012年至今)：大數(shù)據(jù)迎來了全面興盛的時(shí)期，底層技術(shù)基本成熟，成為支撐型的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施。目前大數(shù)據(jù)已在制造業(yè)，金融行業(yè)利、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)等領(lǐng)域深入應(yīng)用。而且我國(guó)大數(shù)據(jù)技術(shù)整體發(fā)展屬于“全球第一梯隊(duì)”。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.3.2數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理數(shù)據(jù)采集是從傳感器、社交網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息傳遞方式中收集、獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理是通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、集成、轉(zhuǎn)換等一系列操作，填補(bǔ)遺漏、消除重復(fù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成分類、統(tǒng)一、適合挖掘的形式，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。1.數(shù)據(jù)采集的常用方法系統(tǒng)日志采集方法網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方法數(shù)據(jù)庫(kù)采集系統(tǒng)高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.數(shù)據(jù)清洗數(shù)據(jù)清洗是做好數(shù)據(jù)分析并以此做出數(shù)據(jù)判斷的基礎(chǔ)工作，其主要任務(wù)是通過識(shí)別缺失值、異常數(shù)據(jù)、不一致數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)。3.數(shù)據(jù)變換數(shù)據(jù)變換是將數(shù)據(jù)從一種格式或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為另一種格式或結(jié)構(gòu)的過程，將數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，這對(duì)于數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)管理等活動(dòng)具有至關(guān)重要的作用。

數(shù)據(jù)變換的方法一般包括規(guī)范化和函數(shù)變換。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)規(guī)模的飛速增大，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求顯著增多。以適當(dāng)?shù)姆绞浇M織和管理數(shù)據(jù)不僅使得大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成為可能，也利于后續(xù)的訪問和部署。3.3.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理1.數(shù)據(jù)挖掘的定義數(shù)據(jù)挖掘又譯為資料探勘、數(shù)據(jù)采礦，是利用各種分析工具在海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)之間關(guān)系的過程。其具有如下特征：1)是交叉復(fù)合領(lǐng)域

2)不追求處理方法，只是為了獲取知識(shí)3)是一種探索性的活動(dòng)4)數(shù)據(jù)挖掘是有目的的活動(dòng)高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.數(shù)據(jù)挖掘與分析的常見方法1)聚類分析

2)關(guān)聯(lián)規(guī)則

3)決策樹

4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3.3.5數(shù)據(jù)可視化1.數(shù)據(jù)可視化的定義數(shù)據(jù)可視化旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。其與信息圖形、信息可視化、科學(xué)可視化以及統(tǒng)計(jì)圖形密切相關(guān)。2.數(shù)據(jù)可視化的常見方法1)地理空間數(shù)據(jù)可視化

2)時(shí)間數(shù)據(jù)可視化

3)多維方法數(shù)據(jù)可視化

4)層次化數(shù)據(jù)可視化

5)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.3.6大數(shù)據(jù)的應(yīng)用大數(shù)據(jù)在各行各業(yè)特別是公共服務(wù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，也會(huì)對(duì)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深刻的影響，如今各行各業(yè)開始高度關(guān)注大數(shù)據(jù)的研究和應(yīng)用。在云計(jì)算技術(shù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的助力下，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。相關(guān)案例：案例1:株洲冶煉集團(tuán)智能工廠案例2:海爾集團(tuán)基于社群生態(tài)的客戶需求挖掘和市場(chǎng)創(chuàng)造高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4云計(jì)算3.4.1云計(jì)算概述1.基本概念云計(jì)算是一種通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一組織和靈活調(diào)用各種ICT信息資源，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算的信息處理方式。2.發(fā)展歷史形成階段(2006-2010年)。云計(jì)算的商業(yè)模式得到業(yè)界和大眾的廣泛認(rèn)可。發(fā)展階段(2010-2015年)。云計(jì)算功能日趨完善、種類日趨多樣。應(yīng)用階段(2015年至今)。云計(jì)算的應(yīng)用逐漸向傳統(tǒng)行業(yè)拓展。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成未來，云計(jì)算將呈現(xiàn)布局邊緣化、技術(shù)精細(xì)化、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的特點(diǎn)，并成為新的基礎(chǔ)設(shè)施。具體表現(xiàn)：云布局從中心走向邊緣。云技術(shù)從粗放走向精細(xì)。云應(yīng)用從消費(fèi)領(lǐng)域走向工業(yè)領(lǐng)域。隨著發(fā)展，云計(jì)算的應(yīng)用開始從醫(yī)療、金融、礦誦T物流向時(shí)在政務(wù)云基等傳統(tǒng)行業(yè)滲透。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4.2虛擬化技術(shù)虛擬化技術(shù)是將一臺(tái)計(jì)算機(jī)虛擬為多臺(tái)邏輯計(jì)算機(jī)，每個(gè)邏輯計(jì)算機(jī)可運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，并且應(yīng)用程序都可以在相互獨(dú)立的空間內(nèi)運(yùn)行而互不影響，如圖3-14所示。圖3-14虛擬化示意圖

云計(jì)算對(duì)于資源的關(guān)鍵要求包括兩個(gè)方面:一是資源的整合；二是統(tǒng)一資源的匯聚。虛擬化正是一種解決上述要求的核心技術(shù)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成虛擬化作為一種資源管理技術(shù)，將計(jì)算機(jī)的各種實(shí)體資源，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存及存儲(chǔ)等，予以抽象、轉(zhuǎn)換后呈現(xiàn)出來，打破實(shí)體結(jié)構(gòu)間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態(tài)更好的方式來應(yīng)用這些資源。虛擬化技術(shù)的特點(diǎn)見表3-4。表3-4虛擬化技術(shù)的特點(diǎn)

封裝硬件獨(dú)立高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成虛擬化技術(shù)主要針對(duì)硬件和軟件。硬件虛擬化主要包括計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和網(wǎng)絡(luò)能力的虛擬化;軟件虛擬化一類關(guān)鍵性技術(shù)就是桌面虛擬化。計(jì)算虛擬化是向客戶端操作系統(tǒng)提供一個(gè)虛擬日獨(dú)立的服務(wù)器硬件環(huán)境，，以提高資源利用率和靈活性。存儲(chǔ)虛擬化就是對(duì)硬件存儲(chǔ)資源進(jìn)行抽象化，使存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用等管理分離，提升資源利用率。網(wǎng)絡(luò)虛擬化是對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)及其組件(比如交換機(jī)、端口以及路電器)進(jìn)行抽象，并從中分離網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的一種方式。桌面虛擬化是將用戶的桌面環(huán)境與其他的終端設(shè)備解耦合。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4.3分布式技術(shù)分布式是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特別是云化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心思想之一，分布式系統(tǒng)也是分布式計(jì)算和分布式存儲(chǔ)的支撐主體。1.分布式系統(tǒng)分布式，就是一件事分給多臺(tái)機(jī)器干，所有機(jī)器一起合作完成任務(wù)。分布式系統(tǒng)通常定義為一組通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信、為了完成共同的任務(wù)而協(xié)調(diào)工作的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)組成的系統(tǒng)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成2.分布式存儲(chǔ)/數(shù)據(jù)管理分布式存儲(chǔ)，利用多臺(tái)服務(wù)器分擔(dān)存儲(chǔ)負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的可靠性、存取效率和可擴(kuò)展性。分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)=對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的技術(shù)主要包括以下兩部分:分布式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式，存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)被分為很多塊，這些塊分布于通過網(wǎng)絡(luò)連接的不同的服務(wù)器中，供多個(gè)用戶進(jìn)行讀/寫和刪除等操作。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通常使用較小的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)可單獨(dú)放在一個(gè)地方，每臺(tái)計(jì)算機(jī)中都可能有數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的一份完整拷貝副本，共同組成一個(gè)完整的、全局的邏輯上集中、物理上分布的大型數(shù)據(jù)庫(kù)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4.4并行計(jì)算技術(shù)并行計(jì)算是將一個(gè)任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)并協(xié)同執(zhí)行以完成求解的過程。并行計(jì)算處理問題一般分為三步：將工作分離成離散獨(dú)立部分，有助于同時(shí)解決。同時(shí)并及時(shí)地執(zhí)行多個(gè)程序指令。將處理完的結(jié)果返回主機(jī)，經(jīng)一定處理后顯示輸出并行計(jì)算須滿足以下幾個(gè)基本條件:并行計(jì)算機(jī)。應(yīng)用問題必須具有并行度。并行編程。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.4.5云計(jì)算的應(yīng)用分在“互聯(lián)網(wǎng)+”政策和產(chǎn)業(yè)背景下，我國(guó)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)逐步進(jìn)入成熟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速階段，落地的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，云計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)逐步形成和完善。經(jīng)過近十年的快速發(fā)展，我國(guó)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)已成為信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的著力點(diǎn)，云計(jì)算市場(chǎng)保持了并將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。有關(guān)云計(jì)算的案例如下：案例1:12306火車票購(gòu)票系統(tǒng)案例2:華為云計(jì)算高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5人工智能現(xiàn)階段人工智能的應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)展:在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，可應(yīng)用于生物識(shí)別技術(shù)；在智能制造領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)智能制造的新模式、新手段、新業(yè)態(tài);在電力領(lǐng)域，可以保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。3.5.1人工智能概述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是最早被提出的人工智能技術(shù)也是沿用至今應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓展的深度學(xué)習(xí)技術(shù)是目前最為先進(jìn)的學(xué)習(xí)算法。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成人工智能可以被定義為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，致力于智能行為的自動(dòng)化。其存在兩個(gè)比較明顯的發(fā)展方向，即強(qiáng)人工智能和弱人工智能。弱人工智能是指通過人類編寫好的算法或者軟件智能化地去解決和計(jì)算某些問題。強(qiáng)人工智能是指通過對(duì)生物行頭或大腦的研究和模仿，以期達(dá)到對(duì)意識(shí)、情感、理智三位一體的人工智能建模。智能制造的關(guān)鍵技術(shù)中，涉及的人工智能技術(shù)主要包括模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)和智能算法。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5.2模式識(shí)別模式識(shí)別是人工智能的基礎(chǔ)技術(shù)，是通過計(jì)算機(jī)用數(shù)學(xué)技術(shù)方法對(duì)物理量及其變化過程進(jìn)行描述與分類的一門技術(shù)，通常用來對(duì)圖像、文字、照片以及聲音等信息進(jìn)行識(shí)別、處理和分類。基本方法分為統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別和句法模式識(shí)別。統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別首先是將被識(shí)別對(duì)象數(shù)字化，轉(zhuǎn)換為適于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信息。句法模式識(shí)別則用符號(hào)描述圖像特征。將統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別或句法模式識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)中的其他技術(shù)相結(jié)合，衍生出應(yīng)用廣泛的熱門技術(shù)，如聲紋識(shí)別技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)及數(shù)字水印技術(shù)等。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5.3機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)是基于已有數(shù)據(jù)、知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)模型或發(fā)現(xiàn)新知識(shí)的一個(gè)研究領(lǐng)域。深度學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)的區(qū)別如圖3-21所示。圖3-21機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)

高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成1.機(jī)器學(xué)習(xí)方法機(jī)器學(xué)習(xí)分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)。監(jiān)督學(xué)習(xí)監(jiān)督學(xué)習(xí)從給定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)出一個(gè)函數(shù)(模型參數(shù))，當(dāng)新的數(shù)據(jù)到來時(shí)，可以根據(jù)這個(gè)函數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果。無監(jiān)督學(xué)習(xí)在無監(jiān)督學(xué)習(xí)中,數(shù)據(jù)并不被特別標(biāo)識(shí),學(xué)習(xí)模型是為了推斷出數(shù)據(jù)的一些內(nèi)在結(jié)構(gòu)。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成半監(jiān)督學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)部分被標(biāo)識(shí)，部分沒有被標(biāo)識(shí)，這種學(xué)習(xí)模型可以用來進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是首先需要學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)以便合理地組織數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)測(cè)。強(qiáng)化學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)作為對(duì)模型的反饋，不像監(jiān)督型那樣，輸入數(shù)據(jù)僅僅是作為一個(gè)檢查模型對(duì)錯(cuò)的方式。2.機(jī)器學(xué)習(xí)算法分類1)回歸算法

2)基于實(shí)例的算法

3)決策樹算法4)貝葉斯算法5)基于核的算法6)聚類算法7)降低維度算法高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5.4智能算法智能計(jì)算也有人稱之為“軟計(jì)算”，是人們受白然(生物界)規(guī)律的啟迪，根據(jù)其原理，模仿求解問題的算法。1.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”是在對(duì)人腦組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制的認(rèn)識(shí)理解基礎(chǔ)之上模擬其結(jié)構(gòu)和智能行為的一種工程系統(tǒng)。2.遺傳算法遺傳算法(GeneticAlgorithms)是基于生物進(jìn)化理論的原理發(fā)展起來的一種廣為應(yīng)用的、高效的隨機(jī)搜索與優(yōu)化的方法。其主要特點(diǎn)是群體搜索策略和群體中個(gè)體之間的信息交換，搜索不依賴于梯度信息。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.模擬退火算法模擬退火算法:由初始解i和控制參數(shù)初值t開始，對(duì)當(dāng)前解重復(fù)“產(chǎn)生新解?計(jì)算目標(biāo)函數(shù)差?接受或舍棄”的迭代，并逐步衰減t值，算法終止時(shí)的當(dāng)前解即為所得近似最優(yōu)解。4.群集智能技術(shù)通過對(duì)社會(huì)性昆蟲的模擬產(chǎn)生了一系列對(duì)于傳統(tǒng)問題的新的解決方法，所謂群集智能，指的是“無智能的主體通過合作表現(xiàn)出智能行為的特性”。高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.5.5人工智能的應(yīng)用人工智能正在給各行業(yè)帶來變革與重構(gòu)，一方面，將人工智能技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有的產(chǎn)品中可以創(chuàng)新產(chǎn)品并發(fā)展新的應(yīng)用場(chǎng)景;另一方面，人工智能技術(shù)的發(fā)展正在顛覆傳統(tǒng)行業(yè)人工智能對(duì)人工的替代趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。如何實(shí)現(xiàn)人工智能產(chǎn)業(yè)自身的創(chuàng)新并應(yīng)用到集體場(chǎng)景中，將會(huì)是各行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。相關(guān)案例如下：案例1:利用人工智能技術(shù)輔助診斷新冠肺炎案例2:百度機(jī)器翻譯高等學(xué)校智能制造工程專業(yè)系列教材-智能制造裝備與集成3.6虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)指本來沒有的事物和環(huán)境，通過各種技術(shù)虛擬出來，讓你感覺就如同置身于真實(shí)世界中一樣。VR技術(shù)的主要特征是:用戶能夠進(jìn)入到一個(gè)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的交互式的三維虛擬環(huán)境可以與之進(jìn)行交互。通過參與者與仿直環(huán)境的相互作用，并利用人類本身對(duì)所接觸中事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟