Smart Manufacturing - Functional Information Model 智慧製造 - 功能資訊模式
《3S MARKET》未來的競爭力，取決於 IoT、AI Cloud\Edge Computing、CyberSecurity、Visualization 的技術融合。
這篇報導縱橫了產業的技術發展歷程，及未來 20 年的趨勢，精彩必看！
摘要
智慧製造是利用互聯的機器和工具，來提高製造性能，並透過實施大數據處理，人工智慧和先進的機器人技術，以及它們之間的互聯性，來優化所需的能源和勞動力的技術。
本文定義並討論了智慧製造系統，並說明了其當前的實施狀態，並分析了當前製造系統，與預測的未來智慧製造系統之間的差距，討論了與之相關的技術，及其在智慧製造技術中的貢獻。 另外，為實現這一快速成長的技術，並涵蓋其所有方面，分析並介紹了該領域的最新發展及其影響，以及實施挑戰、機會和智慧製造系統的未來方向。
1. 簡介
工業是國民經濟和國家繁榮的重要推動力，而更好的績效和高效率可以帶來更好的經濟。新興的製造業正在佈署更多的智慧技術，透過智慧製造系統，提高了機器利用率，並優化了能源使用，他們的系統生產率提高了 17-20％。
製造商正在競爭創新能力，對市場變化的反應時間短、低成本和可靠的產品，來滿足最終消費者的需求，而這種競爭最終導致了智慧製造，過程數位化，以及製造工廠對網路的實體控制。商業網點，包含智慧設備和感測器的製造系統，無需人工干預即可製造商品，可以透過在製造中，使用網路直接從最終客戶那裡，獲得客製化的製造說明。
大多數國家已經頒布了其網路實體系統，和數位製造政策，以促進未來製造業的發展。德國宣布了第四次工業革命，稱為「工業 4.0」（I 4.0），該革命基本上使用了相互連接的加工系統，這些系統相互影響，以進行生產計劃、工廠調度、產品客製化、靈活製造、故障辨識和恢復。 I 4.0 的概念可以看作是物聯網（IoT）、網路實體系統（CPS）、數位製造、智慧製造技術、增材製造、5G 行動通信、機器人技術、大數據處理、數據分析、系統整合、仿真和柔性製造系統（FMS）。
中國還宣布了其名為「中國製造 2025」的 2025 計劃和《網路+》 計劃，以將製造業提升到新的水準。透過替代經典的分層控制模式的分佈式製造系統，對於實現智慧製造系統非常重要，該系統將能夠解決日益增加的客製化、供應鏈突然波動，以及適合較小生產批次的需求。麥肯錫全球研究院的報告顯示，製造業具有 60％ 的自動化潛力，這也表示可以將智慧製造技術，應用於各行業以提高其能力。
圖1 顯示了用於 Industry 4.0 的智慧製造系統互連的示意圖。該智慧製造系統連接產品設計、分析、製造過程、庫存和供應鏈系統、產品客製化、即時加工單元、產品交付系統，和最終客戶透過使用雲端運算使按需製造，產品客製化和維持供需生態系統更加高效。
朝著智慧製造技術發展，對全球市場產生重大影響的一些領先國家，已經宣布了他們對下一代產業的倡議。 工業 4.0 是德國的萌芽，它已被許多國家接受為工業領域革命的下一代技術。 表1 列出了不同國家宣布的新興策略。
表1. 各國宣布的下一個工業發展策略。
這項研究簡要說明了智慧製造系統的範圍和必要性，以及智慧製造系統在不同方面的未來發展方向。它專注於討論製造系統中的當前實踐，及其在不同領域的創新，網路實體系統和互連設備的應用，及其對智慧製造的影響。
本文首先介紹了智慧製造系統，及其在應用領域中的重要性。第二部分介紹了製造和控制系統的背景、歷史發展，並討論了有助於智慧製造系統的組件。本文的第三部分重點介紹了與智慧製造和自動化系統相關的技術及其範圍。
第 4 節討論與智慧製造技術相關的標準化，第 5 節突出顯示智慧製造系統的實施挑戰，第 6 節討論智慧製造技術的未來機會。最後，在第 7 節中得出結論。
2. 製造業的歷史背景
從早期的機加工過程，到當今的自動化製造行業，製造業都取得了巨大的進步。經過多年的各種發明和反覆試驗，製造和工業化系統現已達到工業革命的第四代。在此期間，到目前為止已經進行了一些改進和更改。圖2 中的時間軸，顯示了工業革命的不同時期，突出了與新革命相同的重大成就/發明。
圖2. 工業革命年表。
2.1. 工業革命
（a）第一次工業革命
世界上第一個開始工業化的國家是英國，英國在 18 世紀上半葉開始了棉花工業的發展，從以勞動力為基礎的家庭手工業，發展為以機器為基礎的經濟。
從這一階段開始到新的製造過程，大約在 1760 年到 1820 年之間，是歐洲和美國的第一次工業革命。在此期間，就資本投資，產出和提供的就業人數而言，紡織工業是大型工業，也是首個使用現代生產技術的工業。
詹姆斯·哈格里夫斯（James Hargreaves）於 1764 年發現紡紗詹妮（一次生產多個線軸），促進了煤炭的加工和發明，鐵、鐵路和紡織品，是第一次工業革命的關鍵發展。現在是開始機械化的時候了，這個過程用工業代替了農業，成為社會經濟結構的基礎。煤炭的大量提取，以及蒸汽機的發明，創造了一種新型能源，由於鐵路的發展以及經濟、人力和物力交換的加速，推動了所有過程的發展。
（b）第二次工業革命
1830 年至 1914 年之間的時間是第二次工業革命的時期，也稱為技術革命。新技術的進步引發了新能源的出現：電力、天然氣和石油，這些能源產生了不同的發明。結果，內燃機的開發，開始了利用這些新資源的全部潛力。此外，鋼鐵行業隨著對鋼鐵的指數需求，而開始發展和成長。
化學合成的發展也帶給我們合成纖維、染料和肥料。隨著電報和電話的發明，通信方式也發生了革命性變化，隨著 20 世紀初汽車和飛機的出現，運輸方式也發生了變化。所有這些發明都是透過集中研究，和建立以新的「大型工廠」為基礎的經濟，和工業模型建構的資本而實現的。
化學也開始向新型人造材料的供應之路發展，例如消毒劑和防腐劑，尤其是苯酚和溴，微生物在傷口，水楊酸等感染中的作用。發電機、真空泵、氣體照明系統、變壓器，是電力系統在這場革命中發展起來。電力被認為是一般的能量傳輸系統。
鐵路已相對較快地發展，在汽車領域開發了柴油發動機、飛剪機船。鋼製工具、排水管和灌溉管、蒸汽脫粒機、播種機和機械收割機，在農業領域做出了一些貢獻。透過改變自然知識，及其對技術實踐的影響之間的關係，它不可逆轉地改變了技術，改變本身發生的方式。
（c）第三次工業革命
第一次世界大戰和第二次世界大戰，也影響了世界經濟和發展，第二次世界大戰後工業發展又恢復了，1969 年以後的時期被稱為第三次工業革命。機電系統已升級為基於成電腦的控制系統，其中可程式控制器（PLC）和工業機器人，是工業自動化系統中的偉大發明和實現。
第三次工業革命，是隨著一種新型能源的出現而出現的，這種新型能源的潛力已超過其前身，即核能的使用。這場革命見證了晶體管和微處理器的成長，也見證了電信和電腦的興起。這項新技術導致了微型材料的生產，這將打開大門，最顯著的是空間研究和生物科技。第三次革命使用電子和資訊技術，來實現生產自動化。
（d）第四次工業革命
2011年，一群商業政治和學術專家推出了「工業 4.0」一詞，這是第四次工業革命，目的在提高德國在製造業中的競爭力。它著重於透過物聯網、機器學習的互連性，並更多地關注於即時數據的處理。
工業 4.0 將物聯網和工業網路連接到製造系統，以與機器進行交互，以共享其資訊，並基於系統算法做出智慧決策。工業 4.0 主要包括人工智慧、自動化機器人、柔性製造自動化系統、增材製造和增強實境。轉移到 I 4.0 是一個循序漸進的過程，需要花費一些時間，從現有系統升級所有內容。實體基礎設施，採用新技術、熟悉新技術，以及提供技術人力，對於將其升級到現代系統而言，是必不可少的。
2.2. 控制系統的發展
在製作各種控制器或工具，以期望的方式，調節系統性能的各種實踐中。過去，大多數控制器都是基於槓桿、皮帶輪和重力類別運行的機械系統，以對正在進行的過程，採取任何措施。逐漸地，將機械化的控制器，替換為開關和機電繼電器的順序電路，然後替換為數位電子設備和智慧控制系統。表2 總結了從控制系統演變，到目前情景的控制系統中的主要發明。
表2. 控制系統的發展。
2.3. 與智慧製造相關的技術
智慧製造整合了與製造、運算、虛擬化、連接性、數據處理等相關的各種技術。由於各種技術的互操作性，智慧製造技術的範圍變得更加廣泛，從而帶來了成本效益、節省時間、易於配置、更好的理解，對市場需求的快速對應、靈活性和遠端監控。圖3 說明了智慧製造系統的基線，表3 給出了它們在智慧製造系統中的作用。
圖3. 智慧製造系統的組件。
表3. 技術及其在智慧製造中的作用。
3. 系統概述
過程自動化的興趣，來自最小化系統中的人為干預，以避免健康危害並提高生產率。製造業中的自動化，已從基本的液壓和氣動系統的使用，演變為當今的現代機器人應用。自動化的好處包括提高生產率和穩定品質、提高準確性、節省材料成本和能源。經過過去的技術改造，基於無線的自動化系統，已在各種類型的系統中採用，並且在其中使用 IoT 是為了簡化其操作。
正在引入在控制系統中使用網路，以提供遙感、距離控制，更輕鬆的數據採集系統，以及工業以及電力和能源系統中，採用的自動化系統的靈活性的額外好處。
物聯網是一個涉及廣泛且新興技術的話題，它可以在各種系統中實施，以使系統操作更容易，並且在具有全球聯網基礎架構的自動控制系統中，無需人工干預。
智慧製造系統的概念，以及微電網、智慧電網、高級計量系統、集中式負載調度和控制系統、配電系統自動化等，都利用了物聯網的功能。在電力系統傳輸和分配的背景下，智慧技術在自動化和控制中的應用仍在研究中，此類項目的某些實施，可被視為公用事業公司和地方政府的 PoC 專案。
3.1. 智慧製造系統
智慧製造系統（SMS）是製造系統各部分的數位化，具有互操作性、即時控制和監視、靈活的製造，對市場變化的快速反應，先進的感測器和大數據分析，可提高生產率。 SMS 在兩種模式下運行：半自治和完全自治。在半自治系統中，生產工程師定義目標，並在生產系統中設置參數。在全自動系統中，SMS 本身定義了最佳操作參數，並自動對所有相互關聯的生產單元實施。
對於製造商而言，要在競爭激烈的市場中立足，首先要考慮的是建設成本效益、優化產品製造和交付時間、產品品質，以及產品客製化靈活性的能力。
另一個問題是，任何製造系統都可以使用資訊，和不斷變化的環境作為變化因素，來持續維護和改善性能。開發了大量技術來創建智慧製造系統。技術選擇可能是將現有系統，轉換為智慧製造系統的主要問題之一。
有某些策略可以找到明智的選擇。供應鏈準備水準、製造企業解決方案協會（MESA）的製造轉型策略（基於 ISA-95 方法）是常用的策略。他們不以資通信為主要基礎，而是專注於單一技術或製造執行系統。必須使用資通信技術來評估，和更改為智慧系統。
使用資通信技術是一個聰明的主意，在工業 4.0 模式中得到了說明。可以將行業中的不同服務，轉換為將業務流程與系統的有效數據和流程管理，聯繫起來的智慧服務。使用物聯網來綁定系統和服務，可以將行業變成智慧行業。必須結合安全系統，來開發不同的數據分析軟體，以分析和保護傳入的數據。
圖4 顯示了美國國家標準技術研究院（NIST）提出的智慧製造生態系統，它描述了智慧製造相關領域，及其功能之間的相互關係。該生態系統在示意圖中顯示了企業的產品（綠色箭頭）、生產過程（藍色箭頭）和企業（橙色箭頭），及其生命週期之間的相關性。表4 中詳細說明了圖4 中所示的 NIST 智慧製造系統的組件。
圖4. NIST 智慧製造生態系統模式。
表4. 與 NIST 的智慧製造生態系統相關的組件。
透過網路融合實體的數位轉換和智慧技術，現在已成為下一代產業的支柱。德國的工業 4.0、中國的中國製造 2025、美國的工業網路和日本的社會 5.0，是技術領先國家的主要公告。這些技術在實現方法，行業目標群體和實現目標的時間表方面有所不同，但是具有實現智慧和數位技術，以促進世界上現有製造系統的目標是共同一致的。
顧名思義，工業 4.0 是專門針對德國在 2011 年宣布的下一階段工業革命的數位化轉型，它定義了六個優先領域。數位經濟與社會、可持續經濟與社會、創新工作場所、健康生活、智慧交通和公民安全。由於 I 4.0 的目標，是將製造技術與資訊技術和服務領域相結合，因此其性能在很大程度上，受到可靠的 Internet 連接和高效算法的影響。I 4.0 的目標是在製造業中，利用 IoT 來改善供應鏈，並專注於競爭以生產高附加值的產品，以及在世界分銷製造所需的模組和機床。
圖5 所示的 RAMI4.0 顯示了 I 4.0 環境中各層之間的 3D、生命週期流和層次結構層次。這在綜合介紹中，顯示了 I 4.0 各個組成部分之間的關係。行業的資產、整合、通信、資訊、功能和業務特徵，在層類別下列出。同樣的，產品、現場設備、控制設備、工作站、工作中心、企業和連接的世界，都屬於層次結構級別，該層次結構定義了 I 4.0 中，資訊和工作流程的發生方式。在 RAM I 4.0 參考模式中，將開發和維護系統，歸類為生命週期價值流。
圖5.工業4.0（RAMI4.0）的參考架構模式
《中國製造 2025》於 2015 年推出，目標是發展中國的工業市場，使其成為全球市場的製造中心。《中國製造 2025》也受到德國發起的工業 4.0 革命的啟發，並且特別針對數位製造技術的實施，以與全球工業市場競爭而定。（中國霸權主義興起）
中國的製造業歷史具有三個基本時期。最初的時期是孵化年，直到 1991 年，在那裡建立了結構改革和經濟特區，並允許私人公司參與製造和生產業務。下一個時期是航行期，一直持續到2001 年，大部分基礎設施建設，金融特別區都建立了，並且在 2001 年也加入了 WTO。
最近的製造業和工業化時代屬於動態年，現在專注於全球製造業的發展。供應鏈，使中國成為製造業的世界領先國家，也成為世界第二大經濟體。中國製造目的在用所有中國技術替代外國技術，並成為世界領先的製造商，目標是在到 2025 年，中國生產世界人口的 40％ 的手機晶片，70％ 的工業機器人和 80％ 的可再生能源設備。
但是，到目前為止，中國大多數行業仍然缺乏自動化技術，並且大多依賴於以勞動力為導向的製造業，《中國製造 2025》目的在在其製造系統中，實施更多的自動化技術，並在 2025 年內轉變為智慧製造技術的主題。
Society 5.0 於 2016 年 1 月推出，被確定為日本的成長策略之一，該概念也被稱為超級智慧社會。協會 5.0 的提出是日本的政治議程，涉及建立超級智慧社會的 12 種不同服務平台，包括智慧製造系統、智慧食品鏈系統、智慧交通系統、能源價值鏈、新製造系統、區域包容性護理系統、基礎設施維護和更新、抵禦自然災害的社會、新業務和服務、款待系統、全球環境資訊平台、綜合材料開發系統。
社會 5.0 是過去經歷狩獵社會、農業社會、工業社會和資訊社會的「新社會」的第五個版本。Society 5.0 的技術背景，是將網路實體系統（CPS）與資訊電腦技術（ICT），整合在背景中，基於 CPS 的 AI 機器人，將促進該技術的價值創造。 Society 5.0 起源於日本，其實現目標是為世界貢獻力量。（對照中國製造 2025 的國家工業發展策略，更凸顯中國的霸權心態）
工業網路平台（IIP），是美國通用電氣公司提出的，一種軟體即服務模式。如今，該行業在網路上的使用正在擴大，以實現網路的整合生產和控制機制。IIP 管理行業的實體組件，和網路組件之間的交互。
當前的 IIP 主要關注在智慧產品的維護，以及故障檢測和定位。有些人還提出了，將 Ind-OS 作為工業操作系統，透過 IIP 來監督製造系統，該系統整合了企業資源計劃（ERP）、企業資訊系統（EIS）、人力資源管理（HRM）、客戶關係管理（ CRM）和製造執行系統（MES）。
工業網路涵蓋 5C 體系結構，其中連接層位於基礎層中，以進行狀態監視，第二層是轉換層，用於將數據從連接層轉換為資訊，該資訊將由第三層的網路層利用。資訊形式的網路層由技術人員在認知層中使用，並由決策者根據技術人員的資訊和解釋，由配置層進行監督。表5 列出了顯示這些新興技術之間，關係的比較表。
表5. 新引入的智慧技術的特徵
3.2. 物聯網在流程工業中的應用
物聯網的使用，已在先進國家的工業自動化領域中被廣泛採用。自動導引車（AGV）用於無人運輸，特別是用於將貨物，從具有自動裝卸能力的一個位置，移動到另一個位置。AVG 遵循地面上的路線，或使用視覺攝影機、無線電波或雷射進行導航。AGV 還用於清潔、運送人員等，可以從雲端的伺服器進行集中控制。
隨著工業自動化系統的技術革命，工業 4.0 被引入為機器人工業自動化系統的一代，也被稱為網路實體系統或物聯網。
物聯網的架構基本上分為 4 層。第一層包括感測器和執行器，它們被整合到硬體中，以從中收集資訊。此後，網路層用於將收集的數據，從感測器傳輸到控制單元，並將控制單元傳輸到執行器。為了使用端的需求，存取服務並與控制單元進行交互，定義了服務層和介面層。
表6 列出了工業 IoT 的設計考慮因素，圖6 給出了其工作機制。實體系統的資訊，是透過使用感測器，和不同的機器學習工具來收集的。如圖所示，透過感測器收集的這些資訊，隨後將在本地智慧設備/感知設備中，進行系統管理和處理，然後將該資訊透過網路層發送到應用層，以在各自領域中實施。應用層決定對 IoT 整合系統，採取必要的執行處理措施。
表6. 行業中物聯網的設計考慮因素。
圖6. 物聯網架構概述。
如圖6 所示的 IoT 架構，說明了實體系統或負責透過感測器，與實體（例如溫度、濕度、速度、壓力、速度等）與實體感測器進行交互，並透過執行器和控制器，進行響應的實體之間的關係。物聯網系統中的佈署類型，適用於智慧建築、智慧家居、智慧健康、智慧交通、智慧行業 ⋯⋯ 等。
過去，網路是透過電子郵件、社交論壇，以及後來透過社交網路與人們聯繫的媒介。根據 Evans 的說法，思科技術公司聲稱物聯網誕生於 2008 年至 2009 年，當時互聯設備的數量超過了世界人口（圖7），儘管物聯網這個術語，是由英國技術先驅凱文·阿什頓在 1999 年提出的。
圖7. 每人已連接設備的數量。
思科還在資訊圖表中提供了一個範例，該範例描述了事物如何相互獨立地通信，並透過使用物聯網，來獲得有價值的結果。這表示最終使用端的警報，使他獲得了會議延遲 45 分鐘，火車延遲 20 分鐘，以及交通系統發生交通事故，導致改道的資訊，從而使他多睡了 5 分鐘，而這需要花費 15 分鐘到達火車站，並提醒咖啡壺 5 分鐘後開啟，並發出訊號通知汽車 5 分鐘內啟動，以在夜間暴風雪中融化積聚的冰塊。
該範例清楚地說明了系統之間的工作機制，因為它們是獨立工作的，並且當它們需要一起工作或做出共同決定時，可以說它具有 IoT 網路中，互連的設備和系統之間的互操作性。隨著網路使用的擴大，2015 年人均連接設備的數量，從 2003 年的 0.08 個增加到 3.47 個，預計到 2020 年將為人均 6.58 個。物聯網應透過提供穩定的連接性，數據交換和遠端可控性，將常規網路的優勢，擴展到實體事物。
3.3. 電力系統中的新興智慧技術
（a）智慧能源區
在過去的十年中，由於技術創新，以及不斷變化的經濟和監管環境，引起了對分佈式發電（DG）的極大興趣。私人小型工廠，特別是來自不可調度的可再生能源的小型工廠，直接連接到電網。Power Cloud 將智慧注入到能源區的管理中，以提高全球能源效率。
有相關文章報導，提出了針對能源區的物聯網解決方案，其目標是將各種分佈式發電廠內，能量的交換和本地儲能系統中，能量的交換到配電網，以提高能源效率和降低成本。在報導中還討論了地理參考的能量預測和生成過程，並使用地理資訊系統（GIS）來根據消費者的類別（即住宅、工業或公司辦公室）來定位消費者。
（b）智慧電網
智慧電網技術隨著電子控制、計量和監視的不斷發展而出現，美國國家工程院還引用了電網，作為 20 世紀人類的主要成就之一。智慧電網在用戶和公用事業服務公司之間，建立雙向交互，可以在此處交換電力和資訊。它是通信、控制、電腦、自動化，以及新技術和新工具，共同作用的網路，可以使網格（Grid computing）更有效率、更可靠、更安全，這也提高了故障檢測的速度，並允許網路進行自我修復。在沒有人工干預的情況下重新路由，並切換到另一個健康的來源。這也將提高供電的可靠性，並減少對自然災害或襲擊的脆弱性。
智慧電網可以看作是現有電力系統的最新升級，它允許用於分佈式發電和儲存的動態 Gateway，以及能源使用的智慧優化，並根據其消耗自動計費。智慧電網也稱為未來電網，根據 2007 年《能源獨立與安全法案》，必須包括基本功能，例如透過抵禦攻擊來實現容錯、自我修復能力、動態優化、提高了可靠性、電能品質，結合了需求響應，以及整合了分佈式能源。
在圖8 中，展示了智慧電網的佈局，該佈局具有電力系統的端到端通信功能，以確保更好的性能和可靠性。所有類型的發電站，發送和分配變電站，最終用戶和控制站都透過 Internet 協議鏈接，該 Internet 協議與這些單元之間來回交換資訊。如果需求增加，則發電站增加其中的有源發電單元，並且在低需求期間隔離的分佈式發電站也被啟動，以滿足能量需求。
當某些部分出現任何故障時，這些故障將被自動隔離，並可能進行重新佈線，以確保電源連續性。為了節省能源成本，可以自動安排在非高峰時段，運行諸如電動汽車充電，運行洗衣機等用電負荷的時間表。
（c）智慧電錶
圖8. 智慧電網的佈局。
智慧電錶的發展，是對先前使用的機電式電錶的改進，其工作機制如圖9 所示。電動電錶根據導電金屬圓盤的旋轉數進行操作，旋轉的旋轉數與所消耗的功率成比例，雖然先進的計量基礎設施或智慧電錶，可實現供應商和消費者之間的雙向通信，以透過最大程度地減少停電和損耗，來確保可靠的電力供應，但它們可以與遠端監控設備一起優化能源成本。
圖9.智慧電錶的框圖。
智慧電錶用於每小時或更頻繁地記錄一次能耗，並至少每天向公用事業服務提供商報告一次。智慧電錶基礎設施在其他應用中，也起著相當重要的作用，例如檢測電盜竊、改善系統安全性、負載分配和控制，以及智慧城市的發展。
（d）配電系統自動化
電力分配系統是電力系統中，向消費者供電的重要部分。對於配電系統的靈活控制、配電系統自動化（DSA）發揮了非常重要的作用，可以提高效率，可靠性和供電品質。圖10 顯示了 DSA 的基本體系結構。電氣和電子工程師協會（IEEE）已將配電自動化系統，定義為使電力公司能夠從遠端位置，以即時模式監視、協調和操作配電組件的系統。
為了使配電自動化更加智慧、高效和具有成本效益，全球的研究與開發集中在通信技術的革命，以及 IEC 61850 協議在配電自動化中的應用領域。直到今天，DSA 技術已不僅僅作為變電站和饋線的遠端操作和控製而建立，而且還正在轉變為一種自我修復的電力系統，可以對即時的適當措施，智慧的負荷預測和需求側管理立即做出響應。
圖10. 配電系統自動化的工作原理。
不同的電力部門也提出了準備 GIS 為基礎的清單的計劃，以跟踪其極、變壓器、電纜、消費者，與每個變壓器的連接，以了解所有數據及其在配電系統中的存在，作為一種途徑。
DSA 的發展。該系統還將幫助系統工程師獲取極、變壓器和用戶容量的實際數據，並根據與用戶的連接，來平衡變壓器的負載。該系統的其他好處，是可以快速評估故障檢測和定位，從而支持「關燈/客戶服務」部分，以快速簡便的方式，對故障進行故障排除。
4. 與智慧製造技術有關的標準化
智慧製造技術是資訊技術、工業製造技術，和人類創造力的共同輸出，導致製造系統的快速革命。美國國家標準技術研究院（NIST）於 2016 年 2 月發布的「智慧製造系統的當前標準前景」，德國電氣、電子和資訊技術委員會（DIN 和 VDE）於 2000 年發布了「德國標準化路線圖工業 4.0」。2015 年，由中國工業和資訊化部（MIIT）和中國標準化管理委員會（SAC），於 2015 年發布的「國家智慧製造標準體系結構建設指南」 ，是實施全球各地的製造系統智慧的領先標準。
除此之外，國際電工委員會（IEC）、國際自動化學會（ISA）、國際標準組織（ISO）、美國國家標準協會（ANSI）還在智慧製造系統的各個方面發布了該標準化。表7 中列出了各種已發布的標準化，及其在智慧製造系統中的主要作用。
表7. 與 SMS 相關的標準列表。
5. 智慧製造系統的特徵和挑戰
智慧製造系統能夠應對，現有行業面臨的各種挑戰和複雜性，但是在智慧製造系統的實施過程中，仍然存在一些挑戰。基於各種因變量，智慧製造系統被認為在安裝新的智慧製造系統，和/或升級現有智慧系統時會遇到安全問題，缺乏系統整合、缺乏對新技術的投資報酬和財務問題。具有智能製造技術的行業，在智慧製造系統面臨的挑戰，及其可能的解決方案，如下所述。
5.1. 智慧製造中的安全性問題
智慧製造系統意味著在製造系統中，使用整合網路系統，以在製造或加工單元之間，共享資訊給最終客戶。為此，它需要網路連接，並且特別是透過 Internet 進行安排。透過網路共享資訊，這需要在全球利用全局唯一標識，和端到端數據加密，來保護整個系統中數據和資訊的安全性。
因此，應該保護網路的每個節點，免受外部攻擊和數據濫用。設計諸如智慧製造系統之類的網路系統時，最重要的考慮是確保系統和整個過程的安全性。
5.2. 系統整合
實施智慧製造系統的另一個挑戰，是將新技術設備與現有設備整合在一起。現有設備與新設備的相容性，在智慧製造技術的實施中引起的各種問題。由某些通信協議控制的舊機器可能已過時，而新設備可能具有不同的協議。而且，機器對機器的通信和系統的互連性，要求更好的通信系統。最近的製造系統需要 IPv6 連接，以支持同時連接的更多設備。
5.3. 互通性
互操作性是不同系統獨立理解，和存取訪問彼此功能的能力。此功能支持它們之間的數據和資訊交換，而與它們的硬體或軟體製造商無關。 I 4.0 有四個互操作性級別，分別是操作性、系統性、技術性和語義性。操作互操作性將 CPS 與 I 4.0 相關聯，並與 I 4.0 的概念結構有關。系統互操作性涉及標準、指南、原理方法和模式。技術互操作性明確地為技術和 ICT 環境，以及相關軟體，建立了工具和平台。語義互操作性，涉及不同級別的機構和人員之間的資訊交換。
如果沒有通信協議和標準的適當搭配，則可能無法有效實現互操作性的特徵。通信頻寬、操作頻率、通信模式、硬體功能等，之間的差異決定了系統互操作性的局限性。
5.4. 人機協作的安全性
協作機器人或輕型機器人，是一種特殊類型的機器人，可以與工作區中的人類安全地進行實體交互，並且可以透過引入人機交互（HMI）的新範例來協同工作。國際機器人聯合會將人機協作，定義為機器人與工業環境中的工人協作，以執行專門任務的能力。主要考慮因素應在現場工作人員，其職業健康和安全中的進行，應避免任何危險環境，並應保持必要的職業健康和安全。
在實施 CPS 系統或工業機器人系統時，應給予最大的關注，以最大程度地減少任何類型的機械、電氣、高溫、噪聲、振動、輻射、材料/物質、工作環境，這些都會對行業中的工作場所造成危害 。
5.5. 多種語言
智慧製造系統應處理多種語言的操作，這些操作應能夠將以人類語言，給出的任何指令解釋為機器語言，以指示機器進行所需的操作。為了使「智慧製造」一詞成為現實，並在製造系統中實現 AI 和先進技術，它應該能夠以語音或文本格式，直接從操作員那裡獲得指令。
5.6. 新技術投資回報
在轉移到現有製造系統中，另一種先進技術的同時，對財務分析和投資報酬也進行了非常仔細的分析。將採用新技術應投入的額外投資，與升級過程中的生產損失進行比較，以現有系統獲得的收入，與投資收益的回收時間，將影響新技術的應用。
6. 全球智慧製造的機會與未來方向
參照各種研究成果和不同組織的報告，智慧製造系統具有巨大的市場機會，並在全世界的製造系統中得到廣泛採用。最新的調查顯示，中小企業很容易採用智慧製造。
根據 Manyika 提出的麥肯錫公司報告，住宅和食品服務業有 73％ 的自動化趨勢；製造業、運輸業和倉儲業有 60％ 的潛力實現自動化。由於這些領域具有最高的自動化可能性，因此它們現在已成為實施最新技術，以提高生產率和改善性能的研究中心。
2017 年的 WBR 調查報告得出結論，他們的調查參與者渴望盡快升級新的製造系統，其中 38％ 的人計劃安裝新技術，45％ 的人升級現有機械。使用智慧製造系統的企業中，有 17％ 計劃將兩者結合（如圖11 所示）。
有些研究者分析了現有製造與未來製造系統之間的差距，並顯示了在製造系統中，使用智慧製造/工業 4.0 技術的必要性和機會。如圖12 所示，與智慧製造技術相比，當前的製造系統缺少許多組件和功能。
智慧製造系統的主要考慮因素，例如自我配置、自我優化、早期意識、決策制訂和預測性維護，在最先進的製造系統中仍然缺乏，即使在可重構製造的系統中也是如此。
圖11. WBR Digital 關於適應智慧製造的調查報告。
圖12. 當前製造系統和工業 4.0 之間的技術差距。
系統的複雜性、機器之間的相互作用，以及它們之間的相互關係，每個子系統的作用，以及它們的工作機制和相互依賴性，決定了工業自動化系統的體系結構。自動化技術已經暴露了在連接的系統之間，共享資訊和數據的範圍，並且機器之間的過程處理和互操作性迅速增加，從而簡化了靈活的資源和過程管理，適當的異常處理。
自動化和智慧系統的使用，使人們有機會進入通常稱為智慧製造，或智慧製造的下一級別製造，該製造透過雲端運算的利用，處理來自最終用戶的數據和資訊，並加快客製化產品的製造生產。為了滿足當今市場需求，必須使用自動化且強大的系統。該技術還優化了生產成本，增加了設計的準確性，並縮短了產品交付時間。
7. 討論與結論
在當前的工業時代，智慧製造系統在實施更好的製造技術方面，一直發揮著非常要的作用。智慧製造技術提高了營運效率、生產率，並對全球經濟產生了巨大影響。已經發現，物聯網的出現，在提升配備智慧製造系統的製造系統中，起著非常重要的作用。製造系統的各種研究，已經調查了許多打算透過智慧製造系統來升級其行業。智慧製造系統的挑戰性因素，是其現有機器和系統與新技術的相容性問題。
像 IoT 和 CPS 這樣的智慧設備，現在已經成為一種通用標準，可以極大地改變任何具有感測、辨識、遠端控制和自動控制功能的行業。德國的工業 4.0、日本的社會 5.0、中國的製造 2025，和美國的工業網路倡議，都具有網路和互連設備的技術基礎，其基本主題是透過較少的人工干預和明智的決策，來進行過程控制的主題，這對全球市場影響很大。
本文介紹了智慧製造系統及其相關技術，新引入的模式，相關技術及其對智慧製造技術的影響，相關的標準化，以及智慧製造系統的挑戰和機會。
從各種 Internet 整合系統可以看出，透過 Internet 或 IoT ，進行實體對象之間，相互鏈接已存在的現有系統，和過程的升級或提升中，發揮了非常重要的作用。各式網路技術透過引入遙感和控制功能，正在增強自動化領域的 SCADA 系統。
由於諸如公共交通、電網營運和監控之類的實體對象之間，相互的聯繫，透過跟踪人體活力和頻繁報告、即時交通協調、資產跟踪、互連的車隊管理，透過網路進行自動駕駛汽車（如AGV）之類的自動駕駛車輛，從而提供了更好的醫療保健，改善了全世界人民的生活方式，以及社會經濟地位。物聯網在不同領域的使用，透過使用自動化系統並提高了生產率，幫助減少了人們在危險環境中的工作。
為了成功實施智慧製造技術，需要在工業領域適當的開發人工智慧、網路實體系統、大數據處理、增強和虛擬現實、物聯網、機器人技術等相關技術。
但是尚未發現這些技術的定義功能，在當前製造場景中是通用的，並且與概念性智慧製造系統和現有製造系統之間，沒有很大的差距。此外，為了使行業中的機器之間，進行正確的通信，應該實施最新的 IPv6 技術，該技術支援更多的互連設備。
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