作者/ 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：智能制造涉及云計算、嵌入式視覺、工業(yè)和消費類物聯(lián)網(wǎng)(IIoT和IoT)及5G 等各個領(lǐng)域，隨著社會需求的不斷提高，相關(guān)政策支持的不斷完善，以及基礎(chǔ)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，智能制造的各項技術(shù)也將得到進一步的突破和發(fā)展。

人工智能與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合下的“機器人2.0”

　　機器人在汽車、電子制造等行業(yè)中的應用已經(jīng)非常普遍，但目前的機器人多指一些自動化設(shè)備，并不是真正意義上的機器人。而隨著傳感器、人工智能等技術(shù)的進步，未來，機器人將逐漸與人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)感知、深度學習和決策等功能，從執(zhí)行一項簡單重復性的工作進化為執(zhí)行各種復雜多樣化的工作，并開始應用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)自律化。如今，微軟、谷歌、英特爾等科技巨頭已進軍機器人產(chǎn)業(yè)，布局“機器人2.0”時代，引領(lǐng)智能機器人的創(chuàng)新發(fā)展。我國已發(fā)布《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》，重點開展人工智能、機器人深度學習等新一代機器人技術(shù)研究，注重戰(zhàn)略性、前瞻性、創(chuàng)新性的工作，以期在機器人產(chǎn)業(yè)變革中實現(xiàn)“彎道超車”。

　　專業(yè)級無人

　　由于航拍應用的局限性，消費級無人機市場短期內(nèi)將不會呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，從技術(shù)、成本、應用成熟度和行業(yè)發(fā)展規(guī)律等角度看，中國無人機市場正在逐漸走向成熟，愈發(fā)激烈的競爭也促使企業(yè)向?qū)I(yè)級應用轉(zhuǎn)型。技術(shù)方面，隨著傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理芯片廠商，如英特爾、高通、英偉達布局無人機數(shù)據(jù)處理平臺上，無人機將成為實現(xiàn)人工智能的最佳載體，快速突破專業(yè)應用的技術(shù)瓶頸。產(chǎn)品方面，以歌爾聲學、比亞迪為代表的ODM廠商逐漸布局無人機生產(chǎn)制造，加速產(chǎn)品量產(chǎn)及迭代，有效降低專業(yè)應用成本，從根本上推動專業(yè)應用市場的發(fā)展。應用方面，經(jīng)過幾年的用戶培養(yǎng)，無人機在各專業(yè)領(lǐng)域，尤其是農(nóng)業(yè)植保的應用逐步為用戶所接受，無人機專業(yè)應用將呈現(xiàn)旺盛的市場需求。

　　互聯(lián)性對智能設(shè)備更高的性能要求

互聯(lián)大趨勢要求更高的可編程性和軟件定義性

　　未來將會有超過500億的器件和機器于2020年前實現(xiàn)互連。一旦連接，它們必須具有足夠的安全性以抵御硬件級別的直接入侵。 因為這些設(shè)備、機器、系統(tǒng)和網(wǎng)絡對環(huán)境的感知度越來越高，它們必須適應它們的環(huán)境和需求，因而必須具有更高的可編程性與軟件定義性。此外，它們還必須具備可擴展性，因為越來越多的功能不僅進行了虛擬化，而且還高效映射到了共享計算資源中。由于數(shù)據(jù)和視頻是通過無處不在的傳感器和攝像機采集的，因此，分析必須幫助這些機器進行識別、說明、決策和行動。此外，這些系統(tǒng)和網(wǎng)絡還必須滿足心急的最終用戶與實時場景不斷增長的需要，其需要即時的低時延響應。然而在幕后，它們還必須在盡量降低功耗的同時，通過更為高級的算法處理呈指數(shù)增長的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)包和像素。并且還必須高度差異化，否則將在競爭日益激烈的低成本全球市場中失敗。這只能通過將軟件智能與硬件優(yōu)化、“任意”連接相組合來實現(xiàn)。Xilinx 全可編程解決方案可實現(xiàn)更智能的互連差異化系統(tǒng)，從而可將高級別的軟件智能性與硬件優(yōu)化及“任意”連接功能進行完美整合，成為驅(qū)動行業(yè)大趨勢未來發(fā)展的強大動力。

　　關(guān)鍵技術(shù)相互依存

　　推動這些大趨勢的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括機器學習訓練和推斷、實時的計算機視覺、日益異構(gòu)化的傳感器融合、預測分析、大規(guī)模無線MIMO，網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)以及超高清視頻串流。我們看到的是，技術(shù)的進步有空前加速和統(tǒng)一的趨勢，眾多的技術(shù)正在不斷地被組合在一起，創(chuàng)造出全新的應用和市場。

　　我們也越來越多地看到這些大趨勢和相關(guān)支持技術(shù)的相互依存。例如，包括自動駕駛汽車、“協(xié)作機器人(cobot)”和“感知與規(guī)避”無人機等視覺導向的自主系統(tǒng)的開發(fā)，就是通過將可重配置和實時傳感器融合、計算機視覺和機器學習技術(shù)集中于同一“全可編程”或者硬件加速多處理系統(tǒng)級芯片(MPSoC)而實現(xiàn)的。

　　由于5G連接技術(shù)的出現(xiàn)，這些自主系統(tǒng)將成為物聯(lián)網(wǎng)的組成部分，從而獲得不間斷的機器學習訓練更新、預測維護指令、新功能及服務更新，以及實時的超高清視頻云端上傳和下載。在“霧”計算的配合下，云計算將利用可重配置的FPGA加速技術(shù)，以更高的吞吐量和更低的時延處理這些工作負載。

　　擴陣容、推環(huán)境、建專區(qū)

　　一方面，Xilinx大力擴充了其產(chǎn)品陣容。今天的Xilinx從產(chǎn)品上既有廣泛的全可編程FPGA器件系列，還包括從單核到雙核，直到多核的可擴展型系統(tǒng)級Zynq SoC及MPSoC芯片; 既有傳統(tǒng)的高端產(chǎn)品系列，又擴充了強大的成本優(yōu)化型FPGA系列和基于ARM的SoC系列產(chǎn)品， 從而為越來越多領(lǐng)域?qū)θ删幊唐骷男枨筇峁┝素S富的選擇。

　　另一方面，為滿足更加廣泛的軟件與系統(tǒng)工程師社區(qū)的需求，Xilinx推出新一代軟件定義的SDx開發(fā)環(huán)境，大幅降低FPGA開發(fā)難度，為軟件及系統(tǒng)級工程師也能享受FPGA硬件開發(fā)的優(yōu)勢提供了“全可編程”的編程模式，工程師可以用其熟悉的C、C++、OpenCL語言或者堆棧進行設(shè)計。

　　此外，面向可編程器件應用需求，Xilinx相繼在官網(wǎng)推出了面向軟件、硬件及系統(tǒng)開發(fā)人員的嵌入式視覺開發(fā)者專區(qū)及“加速專區(qū)”。其中匯集龐大而豐富的工程設(shè)計資源，包括軟件開發(fā)優(yōu)化庫、硬件開發(fā)人員視覺 IP、項目，以及Xilinx及其聯(lián)盟計劃成員和社區(qū)開發(fā)人員所提供的各種教程。通過這些專區(qū)，Xilinx為開發(fā)人員快速啟動開發(fā)下一代視覺系統(tǒng)提供了一個“一站式平臺”，幫助他們充分利用基于機器學習技術(shù)的傳感器融合、高級計算機視覺算法以及對象檢測與分析功能等。

工業(yè)通訊網(wǎng)絡成為關(guān)鍵

　　全球各主要工業(yè)發(fā)達國家引領(lǐng)生產(chǎn)方式變革，穩(wěn)步推進實施再工業(yè)化、制造業(yè)回歸、工業(yè)4.0等發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展中國家制造業(yè)擺脫落后產(chǎn)能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的需求日趨迫切。

　　以此為契機，工業(yè)通信網(wǎng)絡成為了提高生產(chǎn)效率和實時處理的關(guān)鍵組成部分。 如今，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如EtherCAT?、PROFINET?、Ethernet I/P?等的節(jié)點數(shù)量和拓撲結(jié)構(gòu)復雜性的增加，確保了高效通信的可靠性和效率。這些通信網(wǎng)絡成為貫穿整個工廠生產(chǎn)的關(guān)鍵。

　　運動控制市場需求增長

　　就國內(nèi)而言，“中國制造2025”等政策為運動控制產(chǎn)品提供了強有力的政策支持，未來該市場仍有很大的增長潛力。“智慧工廠”概念將為運動控制產(chǎn)品帶來巨大需求;市場對相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品以及解決方案的需求也應運而生，主要表現(xiàn)在：小型運動控制方案正在向包含通訊、反饋、控制等的大型方案轉(zhuǎn)變和中小客戶在產(chǎn)業(yè)升級過程中對運動控制需求增長。

　　以太網(wǎng)通訊相關(guān)芯片——RZ/T1系列

　　近年來，針對這一市場趨勢，瑞薩電子推出了一系列工業(yè)以太網(wǎng)通信相關(guān)芯片。其中，RZ/T1系列是適用于AC伺服系統(tǒng)的高速實時性芯片。這顆芯片基于ARM核，不含ROM的設(shè)計使其擁有更高的主頻，能實現(xiàn)更高速實時的處理，這是一般Flash MCU所無法企及的。

　　RZ/T1系列是集成度非常高的芯片，它由三大塊組成，即：

　　1.搭載超實時性MCU：Cortex?-R4F@300/450/600MHz(可選)，含單、雙精度浮點運算單元，內(nèi)置緊密耦合存儲器(512K+32K, TCM)，消除緩存存儲器易造成的執(zhí)行時間波動，從而實現(xiàn)高速處理和相應。

　　2.內(nèi)置用于工業(yè)以太網(wǎng)通信的R-IN引擎：Cortex?-M3@150MHz， 可支持多種標準工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，如EtherCAT?、PROFINET?、Ethernet I/P?等，客戶無需外置其它專用以太網(wǎng)通信芯片。

　　3.內(nèi)置編碼器接口：支持多種協(xié)議的編碼器接口，如NIKON A-Format、EnDat、BISS-B/C、Tamagawa Seiki等，客戶無需外置FPGA/ASIC即可實現(xiàn)絕對值編碼器接口功能。

　　基于RZ/T1芯片，瑞薩電子也提供相應的開發(fā)評估套件及運動控制解決方案套件，幫助客戶更容易地評估RZ/T1的各種特性和驅(qū)動控制性能，縮短開發(fā)周期。運動控制解決方案套件包含所有開發(fā)需要的設(shè)備，包括MPU主板、變頻板、電機、固件、工具、文檔等。

　　邊緣計算和存儲的應用需求

　　智能制造網(wǎng)絡邊緣安全需要重視

　　邊緣計算以及存儲增加是我們持續(xù)觀察到的趨勢。隨著行業(yè)變革開始向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和工業(yè) 4.0發(fā)展，制造行業(yè)的機遇仍在孕育當中。智能制造的最終目標是通過互聯(lián)的流程和實時的產(chǎn)品增加對信息的安全訪問和可見性，從而提高整個生態(tài)系統(tǒng)的效率和生產(chǎn)率。因此，智能制造需要更多邊緣計算和存儲，并且可靠、安全地連接到云。

　　據(jù)“Cisco 全球云指數(shù)”估計，一家互聯(lián)智能工廠每天可產(chǎn)生1PB數(shù)據(jù)，其中只有0.2%的數(shù)據(jù)傳輸回云。傳輸?shù)皆频臄?shù)據(jù)量可能因回程的成本效益、數(shù)據(jù)所有權(quán)問題等因素而異，由此導致了大量的邊緣處理和數(shù)據(jù)存儲要求，目的是通過數(shù)據(jù)分析獲益。

　　隨著智能制造進入數(shù)字化時代，網(wǎng)絡安全成為亟需解決的熱門話題。貫穿在當今眾多攻擊事件中的共同主題是：攻擊者將惡意代碼寫入通常位于網(wǎng)絡附近或邊緣位置的設(shè)備的非易失性存儲中，意圖令該設(shè)備成為惡意僵尸網(wǎng)絡的一部分。隨著網(wǎng)絡安全防御體系的發(fā)展正在跟上最新攻擊的發(fā)展步伐，充分利用軟件和硬件的現(xiàn)有功能至關(guān)重要。因此，切不可輕視智能制造網(wǎng)絡邊緣的系統(tǒng)代碼保護工作。

邊緣計算在制造業(yè)中的應用

　　在制造業(yè)中，邊緣計算意味著“互聯(lián)”機器可以實時收集、分析數(shù)據(jù)，并做出明智的決策。這些計算單元可以通過傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)或以太網(wǎng)網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)，但由于蜂窩網(wǎng)絡廣為普及且部署成本較低，因此，使用微型機器對機器(M2M)模塊進行連接更為高效，這些模塊嵌入到這些邊緣計算單元中，可以始終開啟、隨時可用。這些單元的部署范圍相當廣，可以部署在工廠的遠程節(jié)點中，也可以部署到生產(chǎn)車間執(zhí)行重復任務的機器人中。這些邊緣計算單元可直接與云基礎(chǔ)設(shè)施進行通訊，并直接提供用于分析的數(shù)據(jù)。通過機器學習和各項規(guī)則，這些單元還可以根據(jù)歷史行為預測潛在問題或故障。這為操作員提供了充足的預警，方便做出變更并避免停機，從而提高工作效率并提供更高的投資回報(ROI)。這些邊緣計算單元可以是安全、強大、耐用且性能更高的微型解決方案，比如 M2M 模塊、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或工業(yè) PC (IPC)，它們還可以執(zhí)行邊緣分析，提供實時決策和行動。這些工業(yè)PC 通常采用x86和ARM處理器，具備各種外形尺寸，可擴展性好，能夠滿足多種客戶需求，足以取代可編程邏輯控制器(PLC)或可編程自動化控制器(PAC)等傳統(tǒng)的專用解決方案。此外，工廠中的操作員還可以利用工業(yè)PC執(zhí)行工單管理、通知、報告和儀表盤任務，有助于提高效率。這樣的工業(yè)PC 可以緊密集成到分布式控制系統(tǒng)或常用的自動化工具中。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是另一種工業(yè)PC，可以通過嵌入式蜂窩技術(shù)連接可部署的其他高級功能。值得注意的是，雖然蜂窩技術(shù)的進步帶來很多突破，新的蜂窩解決方案不斷問世，但由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要在極端環(huán)境中進行部署，因此，通常該類型網(wǎng)關(guān)對于堅固耐用有更高的要求。

　　工業(yè)商數(shù)(IQ)

　　綜合上述挑戰(zhàn)和趨勢，美光科技推出了自己的工業(yè)商數(shù)(IQ)來應對各項挑戰(zhàn)。推出工業(yè)商數(shù)(IQ)是為了針對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計在內(nèi)存和存儲方面做出明智的選擇，不僅有助于滿足功能性的產(chǎn)品要求，還可以確保設(shè)計的長期可靠性和品質(zhì)，適合廣泛的耐用型/工業(yè)使用案例(特別是邊緣計算)。

　　美光認為工業(yè)商數(shù)相當重要，這體現(xiàn)著其“設(shè)計流程中提前選擇的電子組件和存儲解決方案對實現(xiàn)長期成功至關(guān)重要”這一思維模式。該商數(shù)所包括的范圍可從針對具體應用的固件調(diào)整、嚴格的產(chǎn)品認證、溫度可靠性測試、擴展的產(chǎn)品可用性，到更高效地管理硬件產(chǎn)品線、最大程度減少代價高昂的現(xiàn)場故障和維護停機，進而降低總體擁有成本 (TCO)。以機器人為例，只選擇技術(shù)正確、密度合適的存儲是不夠的，還務必要考慮使用壽命、沖擊和振動下的性能穩(wěn)定性、可靠性以及與安全性相關(guān)的參數(shù)。

工業(yè)以太網(wǎng)演進的PHY解決方案

　　現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境充斥著復雜的自動化和制造技術(shù)，網(wǎng)絡連接是使其基本運行的關(guān)鍵所在。工業(yè)網(wǎng)絡通常包括可編程邏輯控制器(PLC)、電機控制和驅(qū)動，以及傳感器網(wǎng)絡和人機接口(HMI)。以太網(wǎng)技術(shù)將工業(yè)網(wǎng)絡中的所有這些節(jié)點連接起來，在網(wǎng)絡上傳遞精確控制和同步時鐘等信息。高速裝配線機器人是工廠應用以太網(wǎng)的一個例子，通過實時協(xié)調(diào)節(jié)點移動，以確保成品被完好無損地進行包裝。

　　與在辦公網(wǎng)絡之類的企業(yè)應用中部署以太網(wǎng)不同，工業(yè)網(wǎng)路有更多物理與電子不良的環(huán)境——這就帶來了一系列特殊的挑戰(zhàn)。以太網(wǎng)組件和IEEE? 802.3系列標準正在不斷發(fā)展，以滿足工廠車間的特殊需求。環(huán)境高溫、電壓浪涌、嚴格的延遲要求和不斷增長的網(wǎng)絡速度是工業(yè)級以太網(wǎng)PHY(物理層設(shè)備或者收發(fā)器)必須要解決的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。