2023年貿(mào)澤電子技術(shù)創(chuàng)新周的直播活動迎來了今年的收官場主題—工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)。

如果要形象地理解工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)制造領域扮演的角色，它可以說是相當于智能制造的“神經(jīng)網(wǎng)絡”——將遍布于工廠的設備實現(xiàn)互聯(lián)互通、全面感知，實時收集和處理生產(chǎn)制造各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)和信息，繼而再借助人工智能技術(shù)以及算法等加持，進行數(shù)據(jù)的智能處理分析，實現(xiàn)更高進一步的預測性維護，不斷提升工業(yè)制造的效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗。

當前，全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）正以驚人的連接速度領航未來產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展大潮。GSMA預測，2025年全球物聯(lián)網(wǎng)終端連接數(shù)量將達到250億個，其中消費物聯(lián)網(wǎng)終端連接數(shù)量達到110億，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端連接數(shù)將達到140億，占全球連接的一半以上。中國的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場更以25%年增長率迅猛發(fā)展，為千行萬業(yè)開辟出新天地。

為了讓大家深入學習IIoT相關的創(chuàng)新技術(shù)和應用，我們特別策劃了本期專題，邀請到來自Analog Devices、Amphenol、Silicon Labs、Phoenix Contact、TE Connectivity等國際大廠的資深專家以及寧波市智能制造技術(shù)研究院的副院長，通過3天的線上直播，和大家共同探討了IIoT在智能工廠上的應用、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及技術(shù)上創(chuàng)新升級等內(nèi)容，帶領大家從多個角度了解當前IIoT的技術(shù)和應用發(fā)展趨勢，助力大家在未來IIoT相關的實踐中，靈活利用創(chuàng)新技術(shù)，推動制造、電力、汽車等產(chǎn)業(yè)進一步的智能化和綠色化。

從全面數(shù)據(jù)互聯(lián)，到IIoT+5G+邊緣AI的綜合能量，看國際大廠在智能制造應用領域的解題思路。以下是直播精華筆記。

全面的數(shù)據(jù)互聯(lián)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一大關鍵

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的發(fā)展將深刻改變智能制造的面貌，推動智能制造實現(xiàn)更深層次的數(shù)字化和智能化、更緊密的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、更廣泛的應用領域、更高效的數(shù)據(jù)處理和分析。

通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的“可視化”和“可追溯”。具體步驟包括——建立數(shù)字化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將生產(chǎn)設備、生產(chǎn)線、工廠等全部實現(xiàn)數(shù)字化，并構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)服務平臺，對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和分析。進而，通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)以圖表、圖像等方式呈現(xiàn)出來，幫助企業(yè)更好地了解生產(chǎn)情況，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

通過視頻監(jiān)控、傳感器等技術(shù)，對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控，了解生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。通過數(shù)據(jù)追溯技術(shù)，對生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)進行跟蹤和記錄，實現(xiàn)產(chǎn)品從原材料到成品的全程跟蹤和追溯，幫助企業(yè)更好地了解產(chǎn)品質(zhì)量和安全情況。

通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)進行深入分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的問題和瓶頸，提出改進措施和建議，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

此外還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和維護，提高設備運行效率和可靠性，也能實現(xiàn)更高效安全的人員管理以及質(zhì)量管理。

而這一切技術(shù)和應用的實現(xiàn)有一個重要前提——全面的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

01

Amphenol

互連解決方案擴闊IIoT

在智能工廠上的應用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，使得設備之間的通信變得越來越復雜和精密，產(chǎn)生了許多不同的通信接口與協(xié)議。不同的協(xié)議之間不一定能相互通信，而工業(yè)以太網(wǎng)使用通用接口的單一網(wǎng)絡以單一協(xié)議運行，減少了不同協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)滯后，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)處理，因此工業(yè)以太網(wǎng)迅速成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的首選協(xié)議。

Amphenol針對工業(yè)以太網(wǎng)提出了兩種互聯(lián)解決方案：ix Industrial 和 SPE，相較于傳統(tǒng)的RJ45連接器，具備更高的可靠性、更快的速度、更好的屏蔽性的有點。具體表現(xiàn)如下：

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• 更高的端口密度：ix Industrial 和SPE比傳統(tǒng)的RJ45連接器插孔小75%，IP20 ix Industrial 工業(yè)連接器的間距為10毫米，僅為RJ45的一半，這意味著在以太網(wǎng)交換機等典型的多端口應用中，可以將端口數(shù)量增加一倍。

• 優(yōu)化布線：SPE僅使用2根導線，布線更小、更輕、更靈活、成本更低；ix Industrial工業(yè)以太網(wǎng)支持4對（或8線）以太網(wǎng)，帶寬更高，而且ix Industrial 連接器有10個觸點，因此還有額外的2根導線用于電源或其他類型的信號。

• 更好的信號完整性：ix Industrial 和SPE在插入損耗和回波損耗方面都超過了規(guī)定的信號完整性性能標準。SPE的Cat5e或1Gb性能可達40米，10BASE-T或10Mb性能可達1公里，而ix Industrial 的Cat6A（10Gb）性能可達100米。總結(jié)來說，ix Industrial適用于制造結(jié)構(gòu)中各層之間高帶寬、高速數(shù)據(jù)通信；SPE適用于遠端設備的的實時高速傳輸。

• 更好的兼容性：ix Industrial 和SPE都遵循既定的IEC標準，與符合相同標準的其他產(chǎn)品互換。SPE遵循IEC 63171-6的標準，ix Industrial遵循IEC 61076-3-124的標準。

• 出色的電磁干擾控制：ix Industrial 和SPE均采用完全360度全金屬屏蔽設計，使用壽命較長。SPE通過配對的全金屬屏蔽確保防止輻射發(fā)射并保持信號完整性；ix Industrial通過配對的全金屬屏蔽防止任何輻射發(fā)射影響附近的設備。

• 安全性更高：ix Industrial 和SPE均采用 IP20防手指接觸設計，觸點是嵌入連接器內(nèi)部的，保護了操作連接器的人員和連接器本身。IP6X的版本可以提供更好防塵和放液體侵入的保護。

• 可靠性更高：相較于傳統(tǒng)的RJ45連接器采用的簡單的模制塑料閂鎖，ix Industrial 和 SPE均采用金屬閂鎖機制。

大多數(shù)以太網(wǎng)連接都需要在插座上安裝磁性元件，以便與PHY芯片進行正確通信。Amphenol提供了目前市場上唯一的ix-MAG 選件，其優(yōu)點是保持了連接器之間10毫米的中心到中心間距，從而實現(xiàn)了與標準版本相同的高端口密度。它還支持PoE++ 性能，可為傳感器和執(zhí)行器提供100W（或更高）的功率。除此之外，Amphenol還將今年年底推出M12與SPE混合型的工業(yè)以太網(wǎng)連接器，支持IEC 63171-7的標準，外形與M12保持一致，不僅具備單獨供電的功能，還具備SPE的高速傳輸?shù)男阅堋?/p>

# 小結(jié)

Amphenol帶來的下一代工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)方案具備高性能、堅固耐用、設計緊湊、接口標準化的優(yōu)勢，可廣泛應用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、機器人、自動化、邊緣設備等各種工業(yè)應用。

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02

Silicon Labs

高性能、靈活的無線連接解決方案增

強IIoT應用

針對IIoT的三大主要應用場景—能源效率、能量收集、預測性維護，Silicon Labs提出了三種高性能、靈活的無線連接解決方案：

• Wi-Fi 6 + BLE：如今大多數(shù)設備都使用2.4GHz Wi-Fi 4，但是由于通道有限，且低功耗藍牙、Zigbee也使用相同的頻譜，使得頻譜越來越擁擠，而Wi-Fi 6相當適用于密集環(huán)境中大量共存設備。即使在2.4GHz頻譜下，也可以在密集環(huán)境中支持許多共存設備。Wi-Fi 6中還引入了目標喚醒時間（TWT）的功能，使終端設備能夠在目標時間喚醒并查找數(shù)據(jù)，而不是定期喚醒，大大降低了功耗。Wi-Fi 6結(jié)合藍牙的高集成度解決方案，可實現(xiàn)超低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設備和更佳安全性（WPA3、PSA 2級）。

• Sub-GHz：Silicon Labs推出的Sub-GHz片上系統(tǒng)（SoC），具備遠距離射頻和節(jié)能特性且通過了Arm PSA 3級安全認證，適用于擁擠的 2.4G環(huán)境中的終端節(jié)點、有金屬干擾的終端節(jié)點，可以與BLE和Wi-SUN搭配使用，可以滿足高性能電池供電型物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的需求，可幫助提升能源效率。

• BLE Mesh和Wirepas Mesh：分散式的網(wǎng)狀網(wǎng)絡連接，適用于多跳和低延遲的超大型網(wǎng)絡，實現(xiàn)可靠的長距離無線連接。

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此外，Silicon Labs針對邊緣AI推出集成了人工智能和機器學習（AI/ML）硬件加速器的超低功耗Wi-Fi SoC（BG24、SiWx917）。具備如下優(yōu)勢：

• 物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以快速地在本地處理計算，無需啟動Wi-Fi連接、傳輸數(shù)據(jù)和等待響應。

• 如果需要進行云計算，可以在接入點上保持Wi-Fi活動狀態(tài)，實現(xiàn)快速啟動（Ramp-up）和高通量傳輸，減少云計算的延遲和能耗。

• 集成了AI/ML加速器（矩陣矢量處理器，Matrix Vector Processor），終端設備可以直接在Wi-Fi無線單元上處理數(shù)據(jù)，無需喚醒和占用中央微處理器，降低終端設備的功耗，延長電池壽命。

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03

TE Connectivity

無線技術(shù)助力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展

來看一下TE Connectivity的倉庫天線解決方案—四種Wi-Fi網(wǎng)絡基礎設施天線（不同的空間、不同的覆蓋范圍、不同的天線安裝位置）：

• 桿式安裝的筒狀全向天線

• 壁掛式的面板定向天線

• 吊頂式安裝的瓦片式全向天線

• 屋頂安裝的面板定向天線

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終端設備的倉庫天線解決方案，共有四種不同的天線類型：

• FPC尾纖天線：天線安裝在設備的塑料外殼上，設備無線電板尺寸可以很小，但是天線的性能受電纜布線的影響。

• PCB插拔式天線：與SMT天線相比，可以節(jié)省電路板空間，輻射性能較好，但是通常采用手工焊接。

• SMT天線：焊接方式采用回流焊接，但是占用更多電路板間隙空間。

• 支持自定義的天線：可以提高射頻的性能。

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IIoT +邊緣AI、5G，釋放更多創(chuàng)新能量

隨著IIoT的各項技術(shù)和應用方案的進一步發(fā)展和細化，“IIoT + X”及IIoT與各類其他前沿技術(shù)的融合是未來發(fā)展方向，并將進一步引發(fā)更多的技術(shù)和應用創(chuàng)新。

其中，AI與IIoT的融合是一大重要發(fā)展方向。因為IIoT技術(shù)讓工業(yè)設備實現(xiàn)了具備全面感知、可靠傳輸、智能處理、自組織與自維護等能力，但物與物之間的互聯(lián)會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)處理需求，這就需要AI強大的計算能力才能勝任。而與云端AI技術(shù)相比，邊緣AI由于不需要將數(shù)據(jù)上傳至云端，具備實時性好、帶寬資源要求低、隱私性高等特點，特別適合IIoT的應用。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是另一個重要方向。通過5G技術(shù)對人、機、物、系統(tǒng)等的全面連接，構(gòu)建覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展提供新的實現(xiàn)途徑，賦能產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2022年9月，國家工信部印發(fā)《5G全連接工廠建設指南》，支持企業(yè)采用以5G為代表的新一代信息通信技術(shù)，打造產(chǎn)線級、車間級、工廠級等生產(chǎn)現(xiàn)場的新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎設施，形成生產(chǎn)單元廣泛連接、信息（IT）運營（OT）深度融合、數(shù)據(jù)要素充分利用、創(chuàng)新應用高效賦能的先進工廠。

04

ADI

邊緣AI如何解決當前IIoT痛點

可以這樣理解AI和IIoT在一座工廠中扮演的角色——IIoT相當于工廠設備遍布的神經(jīng)網(wǎng)絡，AI則相當于工廠的大腦。但要讓智能設備達到類似人腦的智能，設備必然需要進行大量的矩陣運算，這意味著大量的存儲空間、強大的計算能力、高速的數(shù)據(jù)交互，成本很高，往往只有部署在云端的大型服務器才能夠勝任這一工作。

然而，IIoT技術(shù)畢竟是工業(yè)領域物與物之間的互連，許多工業(yè)設備是需要電池供電的，并且對于部分機密性較高的工廠來說，數(shù)據(jù)在設備之間的流通并不能完全依賴于云端，因此工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通常意味著低成本和低功耗。再者，許多工廠在建造時可能并未考慮增加電力走線，而AI技術(shù)通常要使用網(wǎng)電。這就使得AI技術(shù)與IIoT技術(shù)的融合產(chǎn)生了一定矛盾與困難。

針對上述痛點，ADI的邊緣AI技術(shù)將二者的優(yōu)點結(jié)合，從而實現(xiàn)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備的邊緣端執(zhí)行AI推理，比云計算的速度更快。

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ADI針對邊緣AI的特點提出了MAX7800X系列的邊緣AI解決方案。MAX7800X系列由兩個微控制器內(nèi)核（ARM Cortex M4F和RISC-V）加上一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）加速器構(gòu)成。該方案具備如下的技術(shù)優(yōu)勢：

• 超低功耗：得益于RISC-V出色的低功耗性能，與微控制器+DSP解決方案相比，邊緣AI定制的硬件加速器可以將功耗降低99%以上。

• 高速運算：相比于純微控制器方案，邊緣AI定制的硬件加速器具備更高的數(shù)據(jù)吞吐量，可將速度提高100倍以上。

• 低成本：遠低于FPGA或者GPU的解決方案。

MAX7800X的核心亮點在于它集成了一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）加速器，可以減少卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的運行能耗和等待時間，而且CNN加速器不受MCU內(nèi)核的干擾，極大地提高了AI推理的效率、改善了延遲。特殊的架構(gòu)設計使得MAX7800X可以以1fps的速度進行復雜的圖像分析，在視覺識別等應用領域具備出色的性能。

助力IIoT的創(chuàng)新升級，ADI還推出了1-Wire的通信協(xié)議，將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、時鐘線合成為一根總線，以此來降低系統(tǒng)功耗、減小系統(tǒng)設計的難度。1-Wire還具備如下的技術(shù)優(yōu)勢：

• 通信距離長：可支持長達300米的通信距離。

• 功能多樣性：與I2C類似，支持多地址的拓展。

• 高穩(wěn)定性、可靠性：高達8kV HBM的ESD保護等級。

• 安全性高：每個器件都具備唯一的64位識別碼（ROM ID）。

• 采用半雙工的雙向串行接口，支持兩種通信速率，分別是11kbps至15kbps的標準模式和60kbps至125kbps的高速模式。

• 通過特定的橋接器可實現(xiàn)與不同接口協(xié)議（I²C、UART、SPI等）進行轉(zhuǎn)換。

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05

Phoenix Contact

5G互連助力IIoT數(shù)字化轉(zhuǎn)型

5G技術(shù)的出現(xiàn)和演進顯著地增強了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務供給能力，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展提供堅實的技術(shù)保障。

圖1：5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的價值

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在ITU-R定義的5G的三大應用場景中，超高可靠低時延通信（uRLLC）達到了工業(yè)控制對網(wǎng)絡時延和可靠性的極高要求，海量大規(guī)模連接物聯(lián)網(wǎng)(mMTC)滿足了在工業(yè)互聯(lián)背景下對海量設備的數(shù)據(jù)采集需求，增強移動寬帶（eMBB）則可支撐如工業(yè)環(huán)境中超高清視頻的應用。

圖2：5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場景

圖3：工業(yè)5G網(wǎng)絡架構(gòu)

Phoenix Contact在5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域提出了SPE單對以太網(wǎng)、SFP光纖網(wǎng)絡、SMA同軸連接器三大互聯(lián)解決方案：

• 以太網(wǎng)連接解決方案-SPE單對以太網(wǎng)：通過了IEC 63171的連接器標準認證以及IEC 61156的線纜標準認證。相比RJ45接口標準可以成倍提高接口密度，實現(xiàn)設備小型化。傳輸距離可高達1,000米，傳輸速度升至1GBit/s。

  傳統(tǒng)的以太網(wǎng)線是4根或者8根的，SPE則采用1對2線全雙工的方式并且通過不同頻率來實現(xiàn)不同速度的通信。線芯的減少將極大降低線纜成本，在海量的電力物聯(lián)網(wǎng)感知層設備接入時，可節(jié)省大量成本。SPE還提供IP20及IP67兩種防護等級的版本，以應對不同的工作環(huán)境。SPE支持POE/PODL技術(shù)，可提供60W的電源輸入，而無需另外設計電源接口。

• 光纖網(wǎng)絡解決方案-SFP：運行期間可即插即用，傳輸速率可達10Gbps，符合光纖多源協(xié)議（MSA）SFF-8431和SFF-8432的標準認證。

• 無線傳輸解決方案-SMA同軸連接器：擁有不同種類的連接器類型可供選擇，分別是N型、SMA、R-SMA。連接器底座適用于波峰焊和THR焊接工藝，可以節(jié)省自動化裝配的成本。連接器均為無鉛材料，線纜長度有0.5m到30m可供選擇，可支持7.25GHz的頻率，具備良好的衰減性能。

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貿(mào)博士點評

未來，IIOT將如何進一步改變

智能制造的面貌？

寧波市智能制造技術(shù)研究院在直播分享中指出，未來以客戶為中心的產(chǎn)品開發(fā)以及“設計-制造-使用”一體化的趨勢，需要物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、VR/AR等技術(shù)的支持。這些交叉科技領域的融合將深刻改變智能制造的面貌，推動智能制造實現(xiàn)更深層次的數(shù)字化和智能化、更緊密的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、更廣泛的應用領域、更高效的數(shù)據(jù)處理和分析。

具體來看，IIoT在智能制造領域的發(fā)展趨勢可能會表現(xiàn)在以下幾個方面：

• 更深層次的數(shù)字化和智能化：隨著技術(shù)的不斷進步，IIoT將進一步推動智能制造的數(shù)字化和智能化。在產(chǎn)品的設計、制造和管理過程中，將實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)采集、分析和處理，進一步優(yōu)化生產(chǎn)流程和提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時，通過更智能化的設備和系統(tǒng)，將能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的自動化和智能化生產(chǎn)。

• 更緊密的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同：IIoT的發(fā)展將促進智能制造產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同。通過更緊密的上下游企業(yè)合作，實現(xiàn)更高效的生產(chǎn)和更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。同時，基于IIoT的供應鏈管理將得到進一步優(yōu)化，降低庫存和物流成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

• 更廣泛的應用領域：隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進步，IIoT將在更多的領域得到應用。例如，在能源、醫(yī)療、交通等領域，將有更多的智能設備和應用場景出現(xiàn)，推動這些領域的數(shù)字化和智能化進程。

• 更高效的數(shù)據(jù)處理和分析：隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，IIoT將能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和分析。通過對大量數(shù)據(jù)的分析和挖掘，將能夠更好地把握市場需求和趨勢，優(yōu)化產(chǎn)品設計、制造和管理過程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

而IIoT對智能制造領域的改變將體現(xiàn)在以下幾個方面：

• 生產(chǎn)方式的變革：IIoT將推動智能制造的生產(chǎn)方式由傳統(tǒng)的線性生產(chǎn)向數(shù)字化和網(wǎng)絡化的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?；贗IoT的智能制造將實現(xiàn)更高效、更靈活、更智能的生產(chǎn)模式，滿足市場需求的多樣化和個性化。

• 供應鏈的優(yōu)化：IIoT將促進智能制造的供應鏈優(yōu)化。通過實時數(shù)據(jù)采集和分析，可以更好地把握市場需求和趨勢，預測生產(chǎn)需求，實現(xiàn)精準供應和物流管理，降低庫存和物流成本。

• 產(chǎn)品質(zhì)量的提升：通過實時數(shù)據(jù)采集和分析，IIoT將能夠更好地監(jiān)控生產(chǎn)過程和質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。

• 生產(chǎn)效率的提高：IIoT將推動智能制造的生產(chǎn)效率大幅提高。通過自動化和智能化生產(chǎn)，可以減少人工干預和錯誤率，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力。

• 創(chuàng)新能力的提升：IIoT將促進智能制造的創(chuàng)新能力的提升。通過數(shù)字化和智能化技術(shù)，可以更快地開發(fā)新產(chǎn)品和市場應用。