工業(yè)4.0是當(dāng)前的熱門話題。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、智能工廠、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生和人工智能等流行語不僅說明了生產(chǎn)工廠的自動(dòng)化程度不斷提高，還說明了功能多樣化的系統(tǒng)正在實(shí)現(xiàn)全面網(wǎng)絡(luò)化，目的是盡可能將信息技術(shù)集成到工業(yè)領(lǐng)域中。

在信息技術(shù)的保護(hù)傘下，計(jì)算機(jī)視覺發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。機(jī)器視覺是每個(gè)自動(dòng)化環(huán)境不可或缺的組成部分。無論是對于機(jī)器人等硬件、用于圖像分析的軟件，或是用于訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（深度學(xué)習(xí)）的軟件而言，機(jī)器視覺都是至關(guān)重要的一部分。

計(jì)算機(jī)視覺能帶來什么貢獻(xiàn)？我們以智能工廠為例進(jìn)行細(xì)致的分析。

工業(yè)4.0是經(jīng)過近200年的發(fā)展而取得的初步成果。我們來簡要回顧一下工業(yè)革命的四個(gè)階段：

工業(yè)1.0 1830年-1871年：蒸汽機(jī) 機(jī)械生產(chǎn)工廠的出現(xiàn)可以生產(chǎn)更多的貨物和產(chǎn)品。

工業(yè)2.0 1871年-1969年：電力 引入生產(chǎn)線和批量生產(chǎn)。生產(chǎn)可以分為多個(gè)單獨(dú)的、自成一體的工作步驟。全球化由此揭開序幕。

工業(yè)3.0 1970年-20世紀(jì)末： 實(shí)現(xiàn)合理化和自動(dòng)化。第一個(gè)可編程控制器問世。越來越多的人力勞動(dòng)被機(jī)器取代。

工業(yè)4.0 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。機(jī)器人與人合作完成制造過程。機(jī)器人和機(jī)器能與工件、客戶和公司形成廣泛的連接。

智能工廠的智能表現(xiàn)在什么方面？

“智能工廠”一詞描述的是工廠自動(dòng)化領(lǐng)域中的智能網(wǎng)絡(luò)。由數(shù)據(jù)和流程組成的知識是智能工廠的基本前提。但是這些知識從何而來？

通常需要借助芯片來收集數(shù)據(jù)。但如果缺乏適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，芯片收集的數(shù)據(jù)就毫無價(jià)值可言，數(shù)據(jù)必須可適用于多個(gè)系統(tǒng)和組件，以便為決策流程提供基礎(chǔ)。正是這樣才能讓工廠變得智能。

智能化的秘訣在于讓所有涉及的單個(gè)部分或子系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。通常聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)被稱為總線系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助自動(dòng)化設(shè)備（例如控制系統(tǒng)(PLC)）將所有芯片和驅(qū)動(dòng)器經(jīng)由相同的數(shù)據(jù)線連接起來。

工廠的子系統(tǒng)和設(shè)備有時(shí)距離較遠(yuǎn)，因此總線系統(tǒng)通常需要使用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，使用戶能以低成本獲得線材或交換機(jī)等硬件配件，并且各個(gè)系統(tǒng)之間可以使用較長的線材進(jìn)行連接。

利用視覺系統(tǒng)來提供數(shù)據(jù)

在自動(dòng)化工廠環(huán)境中，除了功能強(qiáng)大的重要芯片之外，還需要配合相機(jī)的視覺系統(tǒng)，它們在現(xiàn)代自動(dòng)化中已經(jīng)發(fā)揮著極為重要的作用。視覺系統(tǒng)通常由以下組件組成：

  配備GigE接口的相機(jī)以及用于精確同步多個(gè)單元的精密時(shí)間協(xié)議(PTP)

  鏡頭                            

  線材 光源

  主機(jī)控制器，用于控制和評估

與所有其他子系統(tǒng)一樣，視覺系統(tǒng)的硬件和軟件都必須連接到所有其他系統(tǒng)以及中央控制系統(tǒng)。這是通過工業(yè)通信的特殊數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的。這些標(biāo)準(zhǔn)為各個(gè)子系統(tǒng)提供了通用的機(jī)器語言，可以說它們能確保各個(gè)子系統(tǒng)兼容互通。其中一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是umati（全稱universal machine technology interface），它使用OPC UA作為開放式的通用接口標(biāo)準(zhǔn)。

使用OPC UA在工廠設(shè)置中實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)

OPC UA使機(jī)器數(shù)據(jù)可以被機(jī)器讀取，并且可以進(jìn)行語義記錄。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不僅提供了芯片數(shù)據(jù)和控制命令等方面的預(yù)備工作，還定義了它們的傳輸方式，并確定系統(tǒng)與安全機(jī)制之間的接口。

從芯片和驅(qū)動(dòng)器所在的最低現(xiàn)場層級，再到抽象信息層（包括監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)或者云端），全都可以在工廠設(shè)置中全面應(yīng)用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)。

借助OPC UA，不同的組件既可以在同一層級實(shí)現(xiàn)水平聯(lián)網(wǎng)，也可以在不同的層級進(jìn)行垂直聯(lián)網(wǎng)。

要想智能工廠的所有領(lǐng)域都能獲得高效運(yùn)用，實(shí)時(shí)功能必不可少。為此，該標(biāo)準(zhǔn)能以TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò))的形式提供擴(kuò)展選項(xiàng)。OPC UA TSN也是將圖像直接從視覺系統(tǒng)傳輸?shù)狡渌�子系統(tǒng)或控制單元的先決條件，但此功能尚未實(shí)現(xiàn)。

輕松實(shí)現(xiàn)智能工廠

系統(tǒng)的中央接口是PLC，現(xiàn)在它包含所有子系統(tǒng)及其軟件。這個(gè)中央節(jié)點(diǎn)也是連接到較高層級的系統(tǒng)（如ERP）的接口。通過將較高層級的系統(tǒng)外包到云端，可以進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)。

利用這樣的配置就可以輕松地連接傳送帶、機(jī)器人以及視覺系統(tǒng)的各個(gè)部件。借助PTP，只需將OPC UA作為標(biāo)準(zhǔn)，并且提供TSN等潛在的擴(kuò)展功能，就能為相機(jī)的實(shí)時(shí)功能提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

展望未來，智能工廠設(shè)置的結(jié)構(gòu)會(huì)比常規(guī)設(shè)置更趨簡化：