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未來(lái)科技:軟件與微電子 版權(quán)信息
- ISBN:9787030704566
- 條形碼:9787030704566 ; 978-7-03-070456-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù):暫無(wú)
- 重量:暫無(wú)
- 所屬分類(lèi):
未來(lái)科技:軟件與微電子 本書(shū)特色
展示信息科學(xué)前沿技術(shù)研究成果,融合國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的研究與應(yīng)用優(yōu)秀成果。
未來(lái)科技:軟件與微電子 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)聚焦信息科學(xué)、生命科學(xué)、新能源、新材料等為代表的高科技領(lǐng)域,以及物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)展與新興技術(shù)的交叉融合,其中70%的內(nèi)容來(lái)源于IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)相關(guān)刊物內(nèi)容的全文翻譯,另外30%的內(nèi)容由Steer Tech和iCANX Talks上的靠前知名科學(xué)家的學(xué)術(shù)報(bào)告、報(bào)道以及相關(guān)活動(dòng)內(nèi)容組成。本書(shū)將以創(chuàng)新的方式宣傳和推廣所有可能影響未來(lái)的科學(xué)技術(shù),打造具有號(hào)召力,能夠影響未來(lái)科研工作者的世界品質(zhì)的新型科技傳播、交流、服務(wù)平臺(tái),形成“讓科學(xué)成為時(shí)尚,讓科學(xué)家成為榜樣”的社會(huì)力量!
未來(lái)科技:軟件與微電子 目錄
未來(lái)科技探索
重塑未來(lái)遠(yuǎn)景:軟件定義制造業(yè) 1
智慧城市的人類(lèi)-機(jī)器協(xié)作模型 11
對(duì)抗機(jī)器學(xué)習(xí):從實(shí)驗(yàn)室到真實(shí)世界的攻擊 23
理解智能醫(yī)療設(shè)備 29
趨向具象智能:正在興起的智能物品 35
軟件技術(shù)部門(mén)介紹 47
軟件設(shè)計(jì)的迷霧 50
將軟件工程應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析 54
從多重物理量多組件科學(xué)代碼的軟件設(shè)計(jì)中得到的啟示 61
異常事件序列檢測(cè) 66
基于乘性融合的多模態(tài)和情境感知的情感識(shí)別模型 76
對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)中使用的4種重采樣方法的評(píng)估 86
iCANX人物
遇見(jiàn)科研、體育、創(chuàng)新三棲明星——專(zhuān)訪Prineha Narang 94
所有開(kāi)掛的人生,都是厚積薄發(fā)——專(zhuān)訪納米發(fā)電機(jī)之父王中林 97
未來(lái)科學(xué)家
音樂(lè)是她的“語(yǔ)言”,樂(lè)觀是她的哲學(xué),科學(xué)是她的信仰 Miso Kim:我為微笑代言 101
千縷思,一簞食,懂業(yè)務(wù),愛(ài)生活 陶立:“孜孜不倦”地追求工作和生活 104
未來(lái)科技:軟件與微電子 節(jié)選
未來(lái)科技探索 重塑未來(lái)遠(yuǎn)景:軟件定義制造業(yè) 文| Lei Xu 得克薩斯大學(xué)里奧格蘭德河谷分校 Lin Chen 得州理工大學(xué) Zhimin Gao 蒙哥馬利奧本大學(xué) Hiram Moya 得克薩斯大學(xué)里奧格蘭德河谷分校 Weidong Shi 休斯敦大學(xué) 譯|閆昊 我們描述了軟件定義制造的概念,它將制造生態(tài)系統(tǒng)分為軟件定義層和物理制造層。軟件定義制造允許更好的資源共享和協(xié)作,它有改變現(xiàn)有制造業(yè)的潛力。 人們一致認(rèn)為,強(qiáng)大的制造業(yè)對(duì)于保持一個(gè)家經(jīng)濟(jì)賦能,其中提高日本在制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力是該計(jì)國(guó)家的整體競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。主要國(guó)家正在大舉投資,以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)現(xiàn)代化,并在雖然名稱(chēng)不同,但為了提高制造業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)。Stock和 Seliger早在2011年就提出力,增加技術(shù)投資的理念是一致的。這些戰(zhàn)略的一個(gè)了工業(yè)4.0的概念[1],該概念得到廣泛研究,這是第重要投資方向是發(fā)展新的信息通信技術(shù)(information 一個(gè)關(guān)于下一代制造業(yè)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略。“創(chuàng)新25”and communications technology,ICT),加快工業(yè)物聯(lián)是日本的一攬子計(jì)劃,旨在通過(guò)創(chuàng)新和開(kāi)放態(tài)度為國(guó)家經(jīng)濟(jì)賦能,其中提高日本在制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力是該計(jì)劃的重要組成部分。 雖然名稱(chēng)不同,但為了提高制造業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力,增加技術(shù)投資的理念是一致的。這些戰(zhàn)略的一個(gè)重要投資方向是發(fā)展新的信息通信技術(shù)(information and communications technology,ICT),加快工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能(artificial intelligence,AI)、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等與傳統(tǒng)制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的融合。這些努力大部分旨在將實(shí)體制造基礎(chǔ)設(shè)施與ICT 更緊密地連接起來(lái),并建立封閉和專(zhuān)有的制造基礎(chǔ)設(shè)施。 值得期望的是,集成極大地提高了制造效率,同時(shí)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度或利用率。這樣人們就可以從重復(fù)性的任務(wù)中解脫出來(lái),更多的時(shí)間可以用于創(chuàng)造性的活動(dòng)上。基于工廠數(shù)字化的發(fā)展,提出了敏捷制造的概念[2],該概念的重點(diǎn)是使組織能夠快速響應(yīng)客戶(hù)需求和市場(chǎng)變化。 *初,ICT 和制造基礎(chǔ)設(shè)施的集成集中在每個(gè)單獨(dú)的工廠,資源共享不是考慮的因素。但這至少會(huì)帶來(lái)兩個(gè)限制: (1)投資在每個(gè)工廠的信息系統(tǒng)沒(méi)有得到充分利用。信息系統(tǒng)的能力(如計(jì)算和通信)被設(shè)計(jì)用來(lái)處理工廠的高峰需求,而在其他時(shí)候,資源被浪費(fèi)了。 (2)每個(gè)工廠都是一個(gè)筒倉(cāng)。雖然一個(gè)工廠配備了先進(jìn)的信息系統(tǒng)和高度自動(dòng)化的精確操作能力,但它并沒(méi)有完全支持與其他工廠的協(xié)作,特別是對(duì)于屬于其他實(shí)體的工廠。由于協(xié)作在現(xiàn)代制造中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,這反過(guò)來(lái)又制約了每個(gè)工廠的潛力。這種孤立也帶來(lái)了其他問(wèn)題。例如,現(xiàn)代制造業(yè)通常涉及全球供應(yīng)鏈。也就是說(shuō),如果鏈條上沒(méi)有*先進(jìn)的配置,那么就會(huì)限制整個(gè)過(guò)程。隨著工廠變得越來(lái)越先進(jìn),新來(lái)者要躍上競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)就變得越來(lái)越困難,這進(jìn)一步可能會(huì)導(dǎo)致壟斷,而壟斷反過(guò)來(lái)又限制了創(chuàng)新。 云計(jì)算的發(fā)展揭示了如何減輕這些限制,并提出了云制造的概念[3]。在云制造的范例中,大多數(shù)計(jì)算和存儲(chǔ)作業(yè)不需要為每個(gè)工廠單獨(dú)維護(hù)專(zhuān)用的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施,而是轉(zhuǎn)移到云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施,由不同實(shí)體擁有的多個(gè)工廠共享。從信息處理的角度來(lái)看,云制造享受了云計(jì)算的所有好處——例如高靈活性、可用性、可擴(kuò)展性和按需付費(fèi)的服務(wù)方式,并且它部分地解決了信息處理資源浪費(fèi)的問(wèn)題。 隨著5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)部署的增加,不同工廠之間的資源共享進(jìn)一步改善。5G基礎(chǔ)設(shè)施使各種虛擬技術(shù)能夠支持網(wǎng)絡(luò)切片,這使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建具有不同特性的虛擬專(zhuān)網(wǎng)。它還為與工廠集成的專(zhuān)用和專(zhuān)有通信系統(tǒng)提供了一個(gè)很好的替換選擇。 除了利用云計(jì)算和5G提升資源共享水平,眾包在制造業(yè)也變得更加流行[4]。為了加速新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),并在現(xiàn)有范圍內(nèi)引入創(chuàng)新的改進(jìn),制造業(yè)迫切需要利用和共享組織和員工的知識(shí)。眾包提供了一種協(xié)作的創(chuàng)意產(chǎn)生和解決問(wèn)題的機(jī)制。它允許人們從更廣泛的社區(qū)獲得顯性知識(shí),并以一種不正式的方式提取以前未知的隱性知識(shí)[5]。 從這些技術(shù)和方法的采用可以看出,未來(lái)制造業(yè)的趨勢(shì)至少包括兩個(gè)基本組成部分:資源共享和協(xié)作。資源共享減少了與制造基礎(chǔ)設(shè)施集成的信息系統(tǒng)的空閑時(shí)間,并提供了更高級(jí)別的靈活性和彈性。與此同時(shí),協(xié)作加速了制造業(yè)的創(chuàng)新和研發(fā)。 沿著這個(gè)方向,制造業(yè)的格局將繼續(xù)轉(zhuǎn)變,進(jìn)一步加強(qiáng)資源共享和協(xié)作。一個(gè)很有前途的方法是軟件定義制造。軟件定義制造從 ICT的關(guān)鍵技術(shù)中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),如軟件定義網(wǎng)絡(luò)[6]和軟件定義基礎(chǔ)設(shè)施[7]。總體思路是將某些制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)化為一個(gè)統(tǒng)一的、共享的平臺(tái)。該領(lǐng)域的從業(yè)者可以在平臺(tái)上自由安排他們的工作,這樣他們就可以在所有類(lèi)型的任務(wù)上輕松協(xié)作,充分釋放平臺(tái)的潛力。 軟件定義制造概述 軟件定義制造通過(guò)擴(kuò)展云制造、5G等現(xiàn)有理念,打破了不同工廠之間的界限,并將對(duì)未來(lái)制造至關(guān)重要的資源共享和協(xié)作提升到一個(gè)新的水平。 軟件定義制造的架構(gòu) 圖1顯示了當(dāng)前利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造現(xiàn)代化的實(shí)踐與未來(lái)軟件定義的制造基礎(chǔ)設(shè)施之間的主要差異。如圖1(a)所示,當(dāng)前的研發(fā)工作,例如工業(yè)4.0[1,8],重點(diǎn)是單個(gè)制造工廠的現(xiàn)代化和數(shù)字化,通過(guò)引入機(jī)器人和人工智能組件等自動(dòng)化工具來(lái)降低工作強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率,并通過(guò)更好的預(yù)測(cè)消除潛在故障。在這個(gè)框架下,每個(gè)工廠的潛力都可以被*大化,整個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)力垂直上升。 在圖1(b)中,軟件定義的制造框架不是將制造業(yè)垂直拆分為孤島,而是打破了界限,使其成為一個(gè)開(kāi)放、可共享的生態(tài)系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō),軟件定義制造將行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)橫向劃分為物理制造層(physical manufacturing layer,PML)和軟件定義層(software definition layer,SDL),所有從業(yè)者都可以訪問(wèn)和共享。 (1)PML。該框架要求PML支持通用生產(chǎn)并盡可能靈活。 PML由一組站點(diǎn)組成,每個(gè)站點(diǎn)都有一組可以由軟件控制的設(shè)備。在這里,設(shè)備可以是3D打印機(jī)或其他能夠制作各種不同物品的儀器。 PML由多個(gè)從業(yè)人員共享。 雖然單個(gè)站點(diǎn)支持所有生產(chǎn)活動(dòng)是一個(gè)挑戰(zhàn),但為特定部門(mén)建立這樣的站點(diǎn)以滿(mǎn)足大多數(shù)生產(chǎn)需求是可行的。汽車(chē)行業(yè)也采取了類(lèi)似的策略,通過(guò)引入汽車(chē)平臺(tái)來(lái)提高共享部件的比例[9]。長(zhǎng)期以來(lái),該行業(yè)一直在追求柔性制造,其目標(biāo)是處理混合零件的能力,允許零件裝配的變化,并支持生產(chǎn)量和設(shè)計(jì)變更。這些功能中的大多數(shù)都與 PML 的目標(biāo)一致。 領(lǐng)先的設(shè)備制造商,如ABB和Leidos,已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種支持柔性制造的技術(shù),可以用于 PML的建設(shè)。在軟件定義制造的早期階段, PML還可以包括多種類(lèi)型的站點(diǎn)來(lái)支持多個(gè)部門(mén),然而,這些網(wǎng)站的共享性質(zhì)并沒(méi)有改變。 (2)SDL。SDL負(fù)責(zé)實(shí)際制造之外的一切,包括設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、模擬和制造過(guò)程的整個(gè)信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的控制(如從 PML站點(diǎn)和設(shè)備發(fā)送指令和接收反饋)。 SDL可以進(jìn)一步分解為兩個(gè)子層:計(jì)算層和通信層。計(jì)算層為從業(yè)人員管理各種有價(jià)值的數(shù)字資產(chǎn),如設(shè)計(jì)和技術(shù)流程,它們決定了從業(yè)人員生產(chǎn)產(chǎn)品的能力和效率水平。通信層是連接網(wǎng)絡(luò)和世界的橋梁,它支持計(jì)算和物理制造基礎(chǔ)設(shè)施之間的可靠連接。通信層也可通過(guò)計(jì)算層進(jìn)行配置和可控,也就是說(shuō),從業(yè)者可以決定制造任務(wù)所需的連接特性,如帶寬和延遲。 圖1從當(dāng)前(a)到未來(lái)的(b)軟件定義制造基礎(chǔ)設(shè)施。在軟件定義制造的框架下,所有從業(yè)者共享信息處理資源和物理制造資源,不僅提高了資源的利用率,而且使協(xié)作更加順暢和容易與 PML類(lèi)似,SDL基礎(chǔ)設(shè)施由多個(gè)從業(yè)者共享。不同之處在于 SDL是跨不同行業(yè)共享的。同時(shí),從業(yè)者可以使用 SDL 存儲(chǔ)和管理私人資產(chǎn),以供自己使用、與他人進(jìn)行交易或與其他從業(yè)人員合作。 軟件定義制造的組件和使用 在軟件定義制造的基礎(chǔ)架構(gòu)中有三種類(lèi)型的組件: (1)計(jì)算節(jié)點(diǎn): SDL的計(jì)算層由大量的計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成,主要負(fù)責(zé)計(jì)算和存儲(chǔ)任務(wù)。計(jì)算節(jié)點(diǎn)的組織方式有很多種,一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是讓一個(gè)中心化的一方來(lái)提供和管理所有的計(jì)算節(jié)點(diǎn),就像目前云計(jì)算的做法一樣。 (2)通信通道:通信通道也是 SDL的一部分,負(fù)責(zé)為系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)之間提供可靠的連接。隨著5G基礎(chǔ)設(shè)施的部署,計(jì)算節(jié)點(diǎn)和通信通道可以融合并由單個(gè)運(yùn)營(yíng)商管理。 (3)制造節(jié)點(diǎn):這些節(jié)點(diǎn)組成了 PML。制造節(jié)點(diǎn)是高度自治的,任何人都可以擁有它。連接到框架后,日常操作完全由 SDL控制。 從業(yè)者p與軟件定義的制造交互如下: (1)p登錄到托管在云中的管理門(mén)戶(hù),這是軟件定義制造框架的一部分。通過(guò)管理門(mén)戶(hù),p可以看到供需信息、自己的所有數(shù)字資產(chǎn)、制造節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài),以及自己訂閱的其他服務(wù)(如調(diào)度工具)。 (2)p通過(guò)軟件定義的制造框架完成生產(chǎn)計(jì)劃,并將指令提交給制造節(jié)點(diǎn)。 (3)制造節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的指令(如工藝流程和數(shù)量)進(jìn)行生產(chǎn)。財(cái)務(wù)結(jié)算協(xié)議與此過(guò)程集成在一起,支付選項(xiàng)可以是制造節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的一部分。 圖2以從業(yè)者的角度顯示了軟件定義的制造體系結(jié)構(gòu)的具體示例。SDL使用云邊緣計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建和實(shí)現(xiàn),其中包括數(shù)量有限、具有大量計(jì)算和存儲(chǔ)資源的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心和大量物理分布的邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心。 云(圖2中的集成式計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施)負(fù)責(zé)與從業(yè)者以及大多數(shù)與研發(fā)工作相關(guān)的計(jì)算和存儲(chǔ)密集型制造活動(dòng)進(jìn)行交互。由于物理制造設(shè)施(制造節(jié)點(diǎn))在地理上是分布式的,因此利用多個(gè)邊緣數(shù)據(jù)中心(圖2中的分布式計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施)來(lái)控制靠近它們的制造節(jié)點(diǎn)的操作。通信基礎(chǔ)設(shè)施被集成為云邊緣計(jì)算系統(tǒng)的一部分。 從業(yè)者利用云數(shù)據(jù)中心完成新產(chǎn)品的研發(fā)工作。云還能夠維護(hù)對(duì)調(diào)度至關(guān)重要的所有制造節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài),包括位置、生產(chǎn)能力、計(jì)劃工作負(fù)載和運(yùn)輸信息。當(dāng)系統(tǒng)中存在多種類(lèi)型的制造節(jié)點(diǎn)時(shí),還提供節(jié)點(diǎn)類(lèi)型信息。從業(yè)者利用這些信息來(lái)安排實(shí)際的生產(chǎn)工作。如果該產(chǎn)品是另一個(gè)產(chǎn)品的子組件,那么從業(yè)者在決定自己的計(jì)劃時(shí)也會(huì)考慮合作者的日程安排。 計(jì)劃完成后,指令被分發(fā)到邊緣數(shù)據(jù)中心,邊緣數(shù)據(jù)中心將與制造節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)以啟動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程。即使對(duì)于單一的從業(yè)者來(lái)說(shuō),制造過(guò)程也可能涉及多個(gè)步驟。在這種情況下,可以使用多個(gè)制造節(jié)點(diǎn)。如果一個(gè)制造節(jié)點(diǎn)的*終產(chǎn)品是另一個(gè)制造節(jié)點(diǎn)的原始產(chǎn)品,那么運(yùn)輸將作為計(jì)劃的一部分。 在軟件定義的制造框架下,SDL和PML不屬于任何特定的實(shí)體。兩者實(shí)際上都提供給所有的從業(yè)者,并且資源分配過(guò)程對(duì)他們是透明的。換句話說(shuō),每個(gè)從業(yè)者相信他或她是唯一使用系統(tǒng)的人,不需要知道系統(tǒng)中的其他從業(yè)者。在圖2中,被虛線區(qū)域覆蓋的資源被分配給了從業(yè)者,并且,從從業(yè)者的角度來(lái)看,所有這些都是專(zhuān)用的。然而,在現(xiàn)實(shí)中,這些資源也可以被其他從業(yè)者利用。 圖2 從從業(yè)者的角度看的軟件定義制造用例 軟件定義制造的影響 通過(guò)水平而非垂直地劃分制造生態(tài)系統(tǒng),軟件定義的制造框架有潛力改變制造業(yè)的商業(yè)模式,因?yàn)樗蚱屏斯聧u模式并實(shí)現(xiàn)了自由和充分競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)。在本節(jié)中,我們總結(jié)了軟件定義制造變得更加成熟并在實(shí)踐中被廣泛采用時(shí)的潛在影響。 加速創(chuàng)新 創(chuàng)新在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在當(dāng)前的制造生態(tài)系統(tǒng)中,加入制造業(yè)務(wù)的門(mén)檻越來(lái)越高,特別是對(duì)于需要精密和昂貴設(shè)備的先進(jìn)制造業(yè)。如果不能使用這些設(shè)施,從業(yè)者就什么都做不了,例如,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一個(gè)新的設(shè)計(jì),或者為了收集市場(chǎng)反饋而構(gòu)建少量的產(chǎn)品。老牌的大企業(yè)將試圖進(jìn)一步加強(qiáng)壁壘,以維持它們的壟斷地位。因此,它阻礙了廣泛參與,間接阻礙了創(chuàng)新。 采用軟件定義制造可以完全改變游戲規(guī)則,并有助于實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造中給出的概念[10,11]。在新的框架下,整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施(包括 SDL和
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