机器人焊接的技术现状与发展趋势（最终版）

第一篇：机器人焊接的技术现状与发展趋势（最终版）

焊接机器人的技术现状与发展趋势

摘要 焊接机器人逐渐走入人类社会，在人们生产、生活中发挥着重要作用。文章介绍了焊接机器人应用意义和应用状况，从机器人用焊接工艺、焊接机器人系统仿真技术、机器人专用弧焊电源技术、多机器人及外围设备的协调控制技术、焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、遥控焊接技术七个方面阐述了焊接机器人的研究现状。并对焊接机器人技术的未来发展趋势进行了阐述。

关键词 焊接机器人、技术现状、发展趋势、智能控制

0 前言

近年来，随着我国劳动力成本的逐渐提升，以廉价劳动力为支撑的“中国制造”经济模式难以为继。焊接作为工业“裁缝”是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发

展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。焊接机器人应用的重要意义

（1）焊缝质量稳定，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度和干伸长量等对焊接结果有着决定作用。采用机器人焊接时，每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量稳定。而人工焊接时，焊接速度、干伸长量等都是变化的，很难做到质量的均一性。

（2）改善了劳动条件。采用机器人焊接，工人只需要做一些简单的参数调节停开机操作，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等。对于点焊来说，工人无需搬运笨重的手工焊钳，使工人从高强度的体力劳动中解脱出来。

（3）提高劳动生产率。机器人可 24h 连续生产。随着高速高效焊接技术的应用，采用机器人焊接，效率提高得更为明显

（4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

（5）缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是可以通过修改程序以适应不同工件的生产。焊接机器人技术研究现状

现阶段，国内外对焊接机器人的技术方面的研究都主要集中在七个方面：机器人用焊接工艺、焊接机器人系统仿真技术、机器人专用弧焊电源技术、多机器人及外围设备的协调控制技术、焊缝跟踪技术、机器人离线编程与路径规划技术以及遥控焊接技术。

2.1 机器人用焊接工艺

在机器人焊接方面，目前最常用的弧焊技术是气体保护焊，这种方法主要包括融化极氩弧焊和富氩混合气体保护焊。其次是钨极氩气保护焊，等离子弧焊、切割以及机器人激光焊的数量有限，比例较低。国外先进国家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气体保护焊、T.I.M.E焊、热丝TIG焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工艺方法不仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数倍至几十倍。2.2 焊接机器人系统仿真技术

机器人研究的跨学科性是很多研究者对其着迷的关键点，在研发、设计和制造过程中经常会遇到动力学、运动学方面的问题，又因为机器人是多连杆空间结构、自由度较高，在研发过程中遇到的问题就会更加复杂多变了。以机械手的仿真技术为例，在设计过程中使用机器人理论、CAD和计算机图形设计等技术在计算机中以动画形式呈现出来，然后对机械手的操作臂控制、运动学正反解分析和实际运行中在环境中遇到的抗干扰和避让问题进行仿真模拟，通过这种方法可以很好地解决遇到的问题。

2.3 机器人专用弧焊电源技术

在研发焊接机器人时，不仅要关注机器人系统的研究、设计和机器人的焊接技术，还要对弧焊电源给予重视。弧焊电源具有良好的电气性能，能够使焊接机器人的功能得到更大发挥。近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人专用弧焊逆变电源大多为单片机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率20～50kHz，最高可达 200kHz，焊接系统动特性优良，适合于机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电源，如适合铝及其铝合金TIG焊的方波交流电源、带有专家系统的焊接电源等“目前有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好地保证焊缝熔宽和熔深基本一致，不仅焊缝表面美观，还能减少焊接缺陷。弧焊电源不断向数字化方向发展，其特点是：焊接参数稳定，受网路电压波动、温升、元器件老化等因素的影响小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成形良好”另外，利用DS、快速响应，通过主控制系统指令精确控制逆变电源的输出，使之具有输出多种电流波形和电弧电压高速稳定调节功能，适应多种焊接方法对电源的要求。2.4 多机器人及外围设备的协调控制技术

严格来讲，焊接机器人是一个焊接机器人系统或工作站，通常包括焊机系统、机器人控制柜、机器人本体以及送丝单元等。在实际操作中，只有将变位机、焊接机器人以及弧焊电源等进行柔性化集成，才能发挥其作用。当给定多机器人系统某项任务时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，即机器人之间怎样进行有效地合作。目前，多机器人焊接的协调控制是一个目前的研究热点问题。2.5 焊缝跟踪技术

一般情况下弧焊就能够保证机器人的焊接质量，但在焊接工作的条件、环境、或者焊接过程中加工误差，应力精度发生变化时，往往会使焊炬偏离焊缝，致使焊缝质量缺陷甚至失败。在这种情况下，就要对焊缝进行实时测查，检测焊缝偏差，调节焊接参数和焊接路径等，以保障焊缝质量。焊缝跟踪技术是以传感器技术以及焊缝跟踪控制理论为基础的。

（1）传感器技术。近些年，随着智能技术的不断发展，在原有的基本传感器的基础上出现了一种新型的传感器，智能传感器。智能传感器技术在机器人传感研究方面起到了重要的推动作用。电弧传感器的工作原理是直接从焊接电弧本身获取焊缝偏差信息，不需要任何附加装置，具有成本低、实时性强等优点。光传感器中最具吸引力的莫过于视觉传感器。它是光传感技术与计算机的图像和视觉处理方法有机整合后产生的技术，可以有效提高弧焊机器人的适应能力。光传感器除了视觉传感器外，还包括光谱、光纤、光电、红外等种类。

（2）焊缝跟踪控制理论与方法。智能控制的雏形是模糊控制，它借鉴了人类思维的模糊性，结合模糊数学中的模糊关系、推理和决策等得出了控制动作。模糊控制具有鲁棒性和自适应等优点，能够很好地适应时变的焊接机器人系统，它为机器人焊接技术的发展和研究奠定了一个良好的技术基础。

神经网络控制是由人类大脑神经的工作机理受到启发而研究出的控制系统，对非线性的、时变的焊接系统具有很好的适应能力。机器人通过人工神经网络的硬件和软件系统能够对环境和工作进行记忆、联想和学习。和传统的专家系统不同，神经网络在对焊接参数的处理上有其独特特点：

系统在经历的环境和任务中能够进行学习，在遇到事件时，系统可以根据实验数据或经历过的事例中进行数据记录和调出，无需专家指导。

由于神经网络算法的自身特点，使用神经网络系统的机器人接收到的数据可以是模糊的或是不精确、不完整的。

输入和输出数据的关系没有直接关系时，是没有成型的算法或模型可以使用的。

2.6机器人离线编程与路径规划技术

机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。自动编程技术的核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术。针对弧焊应用，自动编程技术可以表述为在编程各阶段中辅助编程者完成独立的具有一定实施目的和结果的编程任务技术，具有智能化程度高、编程质量和效率高等特点。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件模型，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是当前研究的重点。2.7遥控焊接技术

遥控焊接是指人离开现场在安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而完成完整的焊接工作。如核电站设备的维修，海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊接，这些环境中的焊接工作不适合人亲临现场，而目前的技术水平还不可能实现完全的自主焊接，因此需要采用遥控焊接技术。目前美国、欧洲、日本等对遥控焊接进行了深入的研究，国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究。焊接机器人技术的发展趋势

3.1 虚拟现实

虚拟现实技术是一种包括 3D 电脑图形学技术、多功能传感器的交互接口技术和高清显示技术在内的对事件的现实性从空间和时间上进行分解后重新组合的技术，它能够被用在临场感通讯和遥控机器人等方面。另外，虚拟现实技术还能够被用于焊接过程的模拟，这样一来我们就可以在实际焊接之前先在电脑上先完成c数字化d焊接过程，再用已经完成的数字化操作来指导实际的焊接工作。这一仿真过程可以让用户在还没有进行后期焊接就可先了解未来产品的情况，进而达到有效预测评价生产系统的性能的效果，而且实际操作前先进行仿真实验，可以对各种工艺方案进行比较，进而选取和优化多机器人焊接轨迹。3.2 焊接机器人控制系统

开放式、模块化控制系统将是焊接机器人控制系统研究的重点方向。其他的研究热点还有基于PC机网络式控制器以及机器人控制器的标准化和网络化。离线编程的实用化将是在线编程的可操作性之外的编程技术的研究重点。3.3 多传感器信息智能融和技术

随着传感器种类和数量愈来愈多地使用在机器人系统中，诸如静电电容式距离传感器、超声波触觉传感器、基于光纤陀螺惯性测量的 3D 运动传感器等各种新型传感器如雨后春笋般出现。但是，我们都知道单一传感信号在输入信息方面的可靠性不是特别保准，而智能机器人对这一条件有要求很高，所以它就无法达到其要求，在此情形下多传感器智能信息融合技术便出现了，它可以 对各种信息进行综合的处理，并通过这些信息正确理解环境，进而达到机器人系统可以准而快地处理获得的各种信息的目的。

4结论

不可否认，焊接机器人技术在以前和当前的工业发展中均扮演中十分重要的角色，在未来肯定还会继续甚至扮演越来越重要的角色。最近几年，我国在机器人弧焊电源、仿真技术与离线编程、信息传感、智能控制、焊缝跟踪等方

面进行了大量研究，并对多项技术进行了攻关。相信在不久的将来，焊接机器人将为我们在越来越广的领域提供更加优质高效的服务。

参考文献

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[D]．安徽工业大学，2012.[4]宋金虎．我国焊接机器人的应用与研究现状

[J]．电焊机，2009,39（4）

[5]吕超荣.焊接机器人技术现状与发展趋势的研究

[J]．综述-研究，2015（1）

第二篇：机器人教育现状与发展趋势

机器人教育现状与发展趋势

机器人这个看似高深的类人智能电子产品正在走进课堂，走向大众教育。机器人进入教育仍然面临着许多问题。比如，机器人就像我们平时在电影上看到的机器人吗？机器人教育就是把机器人当玩具吗？机器人教育就是学习编程序吗？的确，机器人教育还是一个新鲜事物，还有需要期待发展、完善的地方，我们须要周全地考虑，促进它的健康成长。机器人进入教育，具有“五种类型”

机器人的发明、研究及应用实践是以科学研究和社会生产为需求的，进入到教育是其领域的扩大与发展。但是，由于它所涉及知识的广泛性和涉及技术的综合性，这都使的机器人对教育而言具有更多的价值。根据有关机器人教育专家的研究与实践，机器人对于教育的应用可以分为五种类型。

第一种方式，机器人学科教学（Robot Subject Instruction，简称RSI）

机器人学科教学，是指把机器人学看成是一门科学，在各级各类教育中，以专门课程的方式，使所有学生普遍掌握关于机器人学的基本知识与基本技能。其教学目标如下。

（1）知识目标：了解机器人软件工程、硬件结构、功能与应用等方面的基本知识。

（2）技能目标：能进行机器人程序设计与编写，能拼装多种具有实用功能的机器人，能进行机器人及智能家电的使用维护，能自主开发软件控制机器人。

（3）情感目标：培养对人工智能技术的兴趣，真正认识到智能机器人对社会进步与经济发展的作用。

机器人教育成为学科课程，尤其对中小学而言师资、器材、场地及活动经费、教学经验等都具有很大的挑战。

第二种方式，机器人辅助教学（Robot-Assisted Instruction，简称RAI）

机器人辅助教学是指师生以机器人为主要教学媒体和工具所进行的教与学活动。与机器人辅助教学概念相近的还有机器人辅助学习（Robot-Assisted Learning，简称RAL），机器人辅助训练（Robot-Assisted Training，简称RAT），机器人辅助教育（Robot-Assisted Education，简称RAE），以及基于机器人的教育（Robot-Based Education，简称RBE）。与机器人课程比较起来，机器人辅助于教学的特点是它不是教学的主体，是一种辅助。即充当助手、学伴、环境或者智能化的器材，起到一个普通的教具所不能有的智能性作用。

第三种方式，机器人管理教学（Robot-Managed Instruction，简称RMI）

机器人管理教学是指机器人在课堂教学、教务、财务、人事、设备等教学管理活动中所发挥的计划、组织、协调、指挥与控制作用。机器人管理是从组织形式、组织效率等进行发挥其自动化、智能性的特点，即属于一种辅助管理的功能。

第四种方式，机器人代理（师生）事务（Robot-Represented Routine，简称RRR）

机器人具有人的智慧和人的部分功能，完全能代替师生处理一些课堂教学之外的其他事务。比如机器人代为借书，代为作笔记，或者代为顶餐、打饭等。利用机器人的代理事务功能，目的是提高与学习相关的，能够促进学习效率、质量的提高。

第五种方式，机器人主持教学（Robot-Directed Instruction，简称RDI）

机器人主持教学（RDI）是机器人在教育中应用的最高层次。在这一层次中，机器人在许多方面不再是配角，而是成为教学组织、实施与管理的主人。机器人成为我们学习的对象，这

好像是遥不可及的事，但是人工智能结合虚拟现实技术、多媒体技术等让它成为实现并非太难，只是如何要越来越符合教育的发展才是更重要的。

纵观机器人进入教育的五大方式，很多功能也是相互辅助、相互关联、相互融合的，我们不易完全的把它们割裂开来，而是相互结合发展，共同营造一种丰富多彩的机器人教育。机器人进入普教，呈现“四种方式”

机器人教育已经进入大学教育，列入了人工智能、自动化等相关专业的课程之中，从课程理论到课程实践已经都有一定的成熟。机器教育进入普通中小学的可能性和必然性已经初见端倪。

目前，智能机器人教育进入中小学的主要表现在于竞赛，通过竞赛体现机器人对学生的设计能力、创新能力进行拉动，以模范的力量推动它全面地进入课程设置。观察各地中小学机器人教育的方式大体区分以为下四种。

第一，通过学校、少年宫、少科站等单位吸入机器人爱好的部分学生，组成智能机器人学习小组，以学员制进行活动，并可代表地区参加各类竞赛活动。这种形式是机器人进入中小学生视野最初、最多，也是最有效的方法。

第二，把智能机器人技术学习放入综合实践活动课中普及，在大中型的城市中非常的普遍，开设情况相对与经济欠发达地区较成熟。

第三，把智能机器人作为信息技术课的内容之一进入中小学信息技术教育课程,这种形式正在形成期，教材的编写、课程的常规性开设正在起步。但是，这无疑会会为信息技术学科带来新的活力，对目前信息技术教育重软件应用轻编程开发的局面会有所改善。

第四，智能机器人教育作为研究性课程的形式进入中学，由于研究性学习课程越来越受到重视，由于机器人教育的长期性、个性化决定了如果通过研究性学习形式推广会更有利于对学生创新能力的培养。但是由于研究性课程的地位决定的课时不足，以及班额过大决定的组织难度，这都会影响机器人教育的整体推进。

机器人教育，困境与希望

机器人这个看似高深的类人智能电子产品正在走进课堂，走向大众教育。机器人教育是一个全新的事物，各地也正在陆续把它纳入义务教育信息技术教材中。当然目前还面临着许多问题。比如，机器人就像我们平时在电影上看到的机器人吗？机器人教育就是把机器人当玩具吗？机器人教育等同于学编程吗？这些有待解决与完善的问题表明，我们急需根据理论与实践为机器人教育寻找更健康的成长之路。

一、机器人教育走进基础教育的形式

机器人教育已经进入大学教育，列入了人工智能、自动化等相关专业的课程之中，从课程理论到课程实践渐已成熟。机器人教育进入普通中小学的可能性和必然性也初见端倪。但是，由于中小学生与大学生年龄、思维特点的差异，借鉴高校经验的可能性较小。

现在智能机器人教育进入中小学的形式主要表现在竞赛活动。通过竞赛，对学生的机器人设计能力、创新能力进行拉动，以一种模范的力量推动它全面地进入课程设置。纵察各地中小学机器人教育的方式，大体可以分为几种。

第一，通过学校、少年宫、少科站等单位吸收机器人爱好者，组成智能机器人学习小组，以学员制进行活动，并可代表地区参加各类竞赛活动。这种形式是机器人进入中小学生视野最初、最多，也是最有效的方法。

第二，把智能机器人技术学习放入综合实践活动课中普及，在大中型的城市中非常的普遍，开设情况在经济欠发达地区相对成熟。

第三，把智能机器人作为信息技术课的内容之一进入中小学信息技术教育课程,这种形式正在形成期，教材的编写、课程的常规性开设正在起步。当然，这无疑会为信息技术学科带来新的活力，对目前信息技术教育重软件应用轻编程开发的局面也会有所改善。

第四，智能机器人教育作为研究性课程的形式进入中学，由于研究性学习课程越来越受到重视，也由于机器人教育的长期性、个性化决定了如果通过研究性学习形式推广会更有利于对学生创新能力的培养。但是由于研究性课程的地位决定的课时不足，以及班额过大决定的组织难度过大，都会影响机器人教育的整体推进。

二、机器人基础教育面临的困境

机器人已经成为呼声很高的创新教育平台，并且正在大踏步地走向基础教育。随着各地中小学机器人实验室的迅速建设，它作为课程，各种活动不成熟的表现也越发明显。但是，目前主要还是处于综合实践活动的层面，并且遇到了诸多方面的制约。

第一，竞赛活动商业化严重，教育发展方向偏移

一方面，由于机器人竞赛的组织形式，目前大部分是由某些机器人制造商独立或联合举办，教育行政部门的监管力度不够，在竞赛规则、裁判确定、奖励办法等方面存在较大差异。甚至有些商家通过不当竞争，人为通过竞赛规则或功能实现等办法来限制其他商家的产品，造成选手参加比赛受机型的局限性很大。另一方面，由于竞赛的功利化思想和比赛的管理方法不成熟，造成了比赛的“表演”倾向，即学生比赛成绩要看课下的“准备”程度和机器本身的软件、硬件装备程度，这就造成了比赛的即时性和激烈度受到影响，同时存在一定的“投机取巧”式的比赛准备也影响了学生创新能力的培养。所以，过度商业化的运作造成了机器人教育发展的方向发生偏移，这对机器人广泛普及是极其不利的。

第二，资金严重缺乏，配套组件及设施不够

机器人的价格比较昂贵，单机一般在万元以上，各种主机模块、传感器及其他配件价格也不菲，少数人组队比赛都受到资金方面的压力都很大，课堂的普及难度就不要说了。究其原因，我想其中一个因素就是市场炒作模糊了机器人概念。尤其是对教学机器人而言，其结构相对简单，可开发性也有局限，甚至作为智能玩具的优势显著，其造价是可以下降的。如果合理地针对市场进行分析与运作，是完全可以既实现盈利又实现普及的。但是，由于竞争的无序和商家的短期行为共同造成了原本教育资金就很欠缺的基础教育对机器人的采购误区。以至于不少地区建成了大量的机器人实验室，但是相关配件及设施都很差，或干脆没有，实验室的作用大打折扣。

第三，教育研究欠缺，教学活动随意性强

目前机器人进入课程或者参与学科整合的经验还很少，教育研究成果非常缺乏。尤其对中小学教师而言它是一种全新的事物，课程内容、教学方法、学业检测等都很欠缺。虽然在高中信息技术新的课程标准中增加了人工智能部分，但是理论比重较大，机器人实践活动较少，非常不利于开展相关教学。在高中通用技术课程标准中，增加了简易机器人选修课，但是由于受到课程地位和课时的局限，目前效果尚不明显。虽然，有些教育较发达的地区作为地方课程或校本课程来开设，但教学内容与活动随意性都较强。

三、机器人基础教育发展的趋势

机器人教育具有趣味性、创新性和可操作性等特点，它的生命力是非常旺盛的。机器人教育在基础教育未来的发展大有希望，并具有以下几种发展趋势方向。

第一，向个性化教育发展

我们已经看到掌上英语学习机这种电子产品的普及速度，以及它对英语教育的价值作用，甚至它在内容上向着多学科多元化发展，在更新方式上向着网络化发展。教育机器人完全也可以这样，以其智能化、小型化的特色成为个性化教育的主力军团之一。随着教育机器人产量的扩大、价格的降低，它向个人应用的普及风潮一定也会出现，从而给个性化教育带来革命。第二，向社区化教育发展

机器人在教育方面可能会有一种与其他教育不相同的方式，那就是教育社区化。就象书画培训、音乐培训这类已经非常成熟的社区教育已经给我们的教育一样，机器人教育活动中的机型丰富、投资持续、适合团队等特点给社区教育的组织带来可能。在商家的联合、社会团体的组织下，机器人社区教育会在时间上更充分、组织活动更灵活、资金循环更顺利等，这会给机器人教育带来生机。

第三，向课堂化教育发展

课外活动小组毕竟是小部分人的活动，虽然这对于特长教育有着不可否认的作用。但是，课外活动的系统性、普及性和公平性都得不到保证。对于机器人教育这个新鲜事物，课外活动小组的引导作用是非常重要的，但是如果不向学科课程发展，其教育理论、教育方法的成熟是缓慢的。所以，随着下一步新课程的实施，机器人教育走进课堂成为一种必然的发展方向。向课堂教育发展，需要包括教材建设、教法研讨等几个步骤，是一个持续发展、革新的过程。

总之，机器人教育受科技发展的影响其创新性、实践性、发展性是非常强的，对学生的技能教育、科技的社会化都具有重要的意义，它带给我们的教育内容和教育形式都带来更多的惊喜与期待。

第三篇：服务机器人的现状及其发展趋势

服务机器人的现状及其发展趋势

嵇鹏程 沈惠平

（江苏工业学院机械与能源工程学院，江苏 常州2130161）

摘要：智能服务机器人技术代表一个国家高科技水平和自动化程度，它具有广阔的发展空间和市场前景。本文介绍了服务机器人的定义和发展前景，分析了国内外服务机器人的研究现状，并阐述了当前服务机器人研究领域的关键技术，最后展示服务机器人的未来发展方向和研究趋势。关键词：服务机器人；人工智能；多传感器信息融合；智能控制 中图法分类号：TP242.6

文献标识码：A

The Current Situation and Development Trend of Service Robot

JI Peng-cheng，SHEN Hui-ping（College of Mechanical and Energy Engineering，Jiangsu Polytechnic University，Changzhou, Jiangsu 213016, China）

Abstract:The technology of the intelligent service robot represents a national high-tech level and the degree of automation, it has a broad development space and market prospects.This article describes the definition and development prospects of service robots, analyses the current situation of service robot research at home and abroad, and introduces the key technologies in the fields of the current service robot research.Finally ,the direction of development and research trends of service robot in the future is showed.Keywords: service robot;artificial intelligence;multi-sensor information fusion;intelligent control 引言

机器人学的进步与应用是二十世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化，尤其在当今的工业制造中，机器人学已取得了最伟大的成功[1]。进入二十一世纪，人们已经愈来愈亲身地感受到机器人深入生产、生活和社会的坚实步伐。一方面随着各个国家老龄化越来越严重，更多的老人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫，老龄化的家庭结构必然使更多的年青家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人市场。另一方面服务机器人将更加广泛地代替人从事各种生产作业, 使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来[2]。本文对服务机器人技术的研究现状和应用及其未来发展进行了综述。国内外的研究现状

1.1 服务机器人的定义

服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，到目前为止尚没有一个严格的定义，不同国家对服务机器人的认识不同。国际机器人联合会经过几年的搜集整理，给了服务机器人一个初步的定义：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作[3]，即除了手术机器人、诊断机器人、护理机器人、康复机器人等医用机器人外，也包括各种家用机器人、娱乐机器人、体育机器人、玩具机器人、导游机器人、保安机器人、排险机器人、清洁机器人、秘书机器人、建筑机器人、邮---------作者简介：嵇鹏程（1975-），男，硕士，助教，主要研究方向：服务机器人。E-mail:jipengcheng.edu@163.com 拾和送信机器人以及加油机器人等。随着开发研究的进一步开展和价格的大幅度下降，服务机器人将广泛进入医院、家庭、工地、办公室和体育娱乐场馆，直接与人类共处，为人类排忧解难[4]。

1.2 服务机器人的市场现状和前景

服务型机器人可进一步区分为个人和家用机器人与专业服务型机器人。

1.2.1 市场调研与预测

根据国际机器人联盟（IFR）统计部门于2008年10月公佈的最新资料，全球服务型机器人市场概况分述如下：①个人和家用服务型机器人： 至2007年底，个人和家用服务型机器人累计装1.3.1置量已超过340万台，娱乐休闲用机器人已达到200万台。至 2011年底，全球家务用机器人将会达到460万台，娱乐休闲用机器人将会达到735万台，合计约1200多万台，未来四年服务机器人市场总值合计约57亿美元，到2015年，全球个人和家庭机器人市场的规模预计将达到150亿美元，同时，将出现多种类型的个人机器人。②专业服务型机器人：至2007年底，全球已有4.9万台的使用数量，预计到2011年底，将增加5.4万台专业服务型机器人，总价值约91.2亿美元，其中农林矿牧用机器人最多，共将有1.9万台，防御救灾与保全机器人预计将有1.56万台销售量，专业清洁机器人亦约有4000台销售量，医疗用机器人约达3420台，多用途机器人移动平台约2375台，水底作业系统预估将有超过925台销售量。

1.2.2 专家预测

①中国机器人专家、工程院院士徐扬生教授说：“只要10年时间，机器人将在世界范围内，普及到每个人的日常生活之中。这将是一个巨大的市场，预计将比现在的汽车市场还要大。”②韩国科学家预测：到2015年至2020年，每个韩国家庭将拥有一个机器人。③日本专家估计：到2020年日本将有25%的人口年龄超过65岁，护理型机器人将供不应求。④德国科学家预计：将在未来的几十年间，家庭生活中将出现的最大变化就是机器人的普及，家庭服务机器人将在日常家庭生活中扮演越来

越重要的角色，承担越来越多的工作[5]。

1.3 国内外的研究现状

从二十世纪八十年代中期开始，机器人已从工厂的结构化环境进入人的日常生活环境—医院、办公室、家庭和其它杂乱及不可控环境，成为不仅能自主完成工作，而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务的智能服务机器人，特别是最近几年，对会清洁地面、割草或充当导游、保姆和警卫等自主移动机器人技术上的进步，大家都有目共睹[6]。

1.3.1 中国

中国对服务机器人的研究起步很晚，但国家对此非常重视，1986年3月才开始把研究、开发智能机器人的内容已列入国家863高科技发展规划中，从1986年至2009年的20多年中，智能机器人主题在863的旗帜下，团结了近几千人的研究开发队伍，圆满完成各项任务，建成了一批高水平的研究开发基地，造就了一支跨世纪的研究开发队伍，为我国21世纪机器人技术的持续创新发展奠定了基础[7]。①如图1所示，这是我国首台具有国际一流语音交互水平和复杂动作及智能运动控制水平的“美女机器人”,这款“美女机器人”具有仿真的美女外形，服装和发型可以根据应用场合更换。她能够根据工作人员说出的指令，马上完成相应的动作,她能够讲英语、四川方言和唱歌、讲笑话，可以与游客进行语音聊天和知识问答,在移动行走时，她能自动识别途中碰到的障碍物，并做语音提示。②由北京理工大学牵头、中科院沈阳自动化所、兵器工业集团惠丰机械有限公司、中科院自动化所等单位参加，通过三年的奋斗，研制的“汇童”仿人机器人（如图2），取得了重大成果, “汇童”仿人机器人具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的自主知识产权的仿人机器人，功能达到了国际先进水平，研制的“汇童”仿人机器人在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作。

目前，我国服务机器人研究技术已跨入世界先进行列，但与日本、美国等国家的技术相比还是有差距的，我国科技工作者正在 努力向前，热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的服务型机器人与大家见面。

图1 美女机器人 图2 “汇童”机器人 Fig.1 Beauty robot

Fig.2 “Huitong”robot

1.3.2 日本 日本将机器人作为一个战略产业，给予了大力支持，而且日本根据目前机器人产业面临的问题，提出了加强机器人研究和推动机器人产业化的具体措施，日本机器人工业之所以领先世界，一方面和他们的机器人文化也有关，在日本，有一种“让机器人成为人”的氛围，在日本，由于人口不多，而且老龄化趋势严重，他们需要机器人来承担劳力的工作，因此培养起浓厚的机器人文化；另一方面，日本政府也希望机器人研发成为本国的支柱产业，所以投入大量资金，为了攻克更关键的服务机器人技术，日本在2006 年至2010 年间，每年投入1000 万美元用于研发服务机器人。日本服务机器人技术的成果例举如下：①日本发明出人形的个性机器人保姆“ar”(如图3)，不仅会洗衣，打扫卫生，还会收拾餐具等诸多家务杂活，它依靠车轮移动，共搭载有5台照相机以便确认家具的位置。在公开展示活动中，“ar”演示了打开洗衣机盖，将需要清洗的衣物放入洗衣机，用托盘端着餐具送到厨房和拖地等工作。②由日本产业技术综合研究所智能系统研究部门仿人研究小组研制的美女机器人HRP-4C(如图4)，以用户为中心的机器人开放架构（Centered Robot Open Architecture）开发而成，该架构采用产综研一直在研发的实时Linux、机器人使用的“RT（Robot Technology）中间件”、可进行机器人仿真的软件“OpenHRP3”、语音识别技术以及产综研开发的人形机器人“HRP系列”所采用的双足行走技术等。

图3 机器人保姆 图4 美女机器人HRP-4C Fig.3 Robot nanny

Fig.4 Beauty robot HRP-4C

1.3.3 韩国 韩国将服务机器人技术列为未来国家发展的10大“发动机”产业，他们已经把服务型机器人作为国家的一个新的经济增长点进行着重发展，对机器人技术给予了重点扶持，通过不断地努力，韩国近几年来也逐渐跻身研究机器人的世界潮流。韩国信息通信部官员表示，虽然韩国的机器人技术起步比美国、日本和欧洲的竞争者要晚，但是有望在未来5～10年内迎头赶上，①韩国科学家成功研制出世界上最聪明的类人机器人“Android”(如图5)，它集众多前沿科技在一身，包括实时数据传输、音像和力觉感应器、高速处理器等，通过它身上装备的音像及力觉感应器可以探测前方物体的运动，能够识别说话声，然后向服务器发送数据，服务器将数据处理后会下达指令给机器人，帮助它与人类以及周围环境进行互动。②“夏娃机器人2号”(如图6)是韩国科学家最新研制的一款娱乐型机器人，这位“女性”机器人不仅能和观众进行对话，还能和人进行眼神接触，并会表达各种情绪和唱歌，唱歌时能对上口形和随着歌曲扭动手臂、臀部和膝盖。

图5 机器人Android

图6 夏娃机器人2号 Fig.5 Robot Android

Fig.6 Eve Robot 2

1.3.4 美国 美国是机器人的发源地，尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强。例如：①专治中风的机器人医生(如图7)将在密歇根州圣约瑟夫默西奥克兰医院率先上岗，这种机器人头部是一个显示屏，能显示网络另一端医生的形象和声音，显示屏上方安装了一个摄像头，可以把医院现场的图像和声音传回给医生，有了这种机器人，医生在任何地方只要利用一台笔记本电脑和互联网，就可以远程遥控机器人为病人提供治疗服务。②美国军方为战争中下半身受伤而不能行走的士兵设计出了一款新型助残机器人(如图8)，它可以直接将用户的下半身紧紧围拢起来，以便更好的感知用户臀部或其他位置的运动，从而提供更加灵敏的操控。

图7 机器人医生 图8 助残机器人 Fig.7 Robot doctor

Fig.8 Assistive robot

1.3.5 欧洲 ①德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的,因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路,即对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动，这个计划推动了服务机器人技术的发展。德国经过近十年的努力，其服务机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位：新一代机器人保姆Care-O-Bot3(如图9)遍布全身的不计其数的传感器、立体彩色照相机、激光扫描仪和三维立体摄像头，让它既能识别生活用品也能避免误伤主人；它还具有声控或手势控制有自我学习能力，还能听懂语音命令和看懂手势命令。②法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平，这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，大力支持服务机器人研究计划，并且建立起一个完整的科学技术体系，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。这款名为NAO的两台双足智能机器人(如图10)，是法国阿德巴兰机器人公司研制的，它具有讨人喜欢的外形、温柔的语音和25个灵活的关节,能执行多种动作指令。

图9 机器人Care-O-Bot3

图10 机器人NAO Fig.9 Robot Care-O-Bot3

Fig.10 Robot NAO

③从70年代末开始，英国政府推行并实施

了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产和服务领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。譬如：英国机器人研究公司(RM)开发的霹雳舞机器人MechRC（如图11）既能在课堂上大显身手，会帮助孩子们学数学、几何、物理、设计和工程学，又能跳舞，因为这个机器人身上有着多个灵活的关节，通过计算机设定好的程序，就能做出各种人类的舞蹈动作。④俄罗斯由于没有国家发展服务机器人的统一规划，有限的国家订货和市场需求使得俄罗斯机器人技术的发展以科研和实验为主，以储备技术，便于随时根据市场需要制造出高质量的机器人，当前俄罗斯机器人的技术面临的问题是机器人技术的智能化程度较低，需要不断地增加功能、完善技术和提高质量。今后，俄罗斯将重点发展检查类机器人和室内外清扫和清洁机器人 [8]。近几年来，俄罗斯服务机器人技术上也取得可喜的成绩：俄罗斯首次研制的人形机器人 “阿涅亚”利用了“新纪元”公司许多独特的研究（如图12），这款机器人机械结构和程序保障系统十分先进，它们能用双脚行走，能与人对话。

在服务机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题[14]。把人工神经网络控制和多传感器融合技术相结合用于服务机器人的导航定位系统，如图13所示。

图11 霹雳舞机器人 图12 “阿涅亚”机器人 Fig.11 Break dance robot

Fig.12 “Anieya”robot 服务机器人的关键技术

服务机器人技术在本质上与所有其它类型的机器人是相似的,其主要技术包括:

2.1 环境感知传感器和信号处理方法

多传感器信息融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分地利用多个传感资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述，多传感器信息融合技术按照数据的抽象层次分类可分为数据层融合、特征层融合和决策层融合三种[9]。

2.2 智能控制

智能控制主要包括模糊控制、神经网络、进化计算等，且逐渐成为成熟的控制思想[10]。模糊控制源于模糊数学，或称弗晰数学，是研究如何表现和处理模糊性现象的一个数学分支[11-12]，模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。人工神经网络控制，从生物学的观点来看，神经网络的功能为信息处理和推理、联想和思维等高级的思想活动[13]，而人工神经网络控制是利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，它是一种大规模并行的非线性动力学系统。

2.3 导航与定位

图13 服务机器人导航定位系统

Fig.13 Navigation and positioning systems for service robot

2.4 路径规划

路径规划就是指在服务机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的路径。路径规划方法大致可以分为传统方法和智能方法：①传统路径规划方法主要有以下几种：自由空间法、图搜索法、栅格解耦法、人工势场法，在这几种方法中，人工势场法是传统算法中较成熟且高效的规划方法，它通过环境势场模型进行路径规划，但是没有考察路径是否最优[15]。②智能路径规划方法是将遗传算法、模糊逻辑以及神经网络等人工智能方法应用到路径规划中，来提高机器人路径规划的避障精度，加快规划速度，满足实际应用的需要。其中应用较多的算法主要有模糊方法、神经网络、遗传算法、Q学习及混合算法等，这些方法在障碍物环境已知或未知情况下均已取得一定的研究成果[16]。把模糊控制和人工神经网络控制相融合，形成的模糊神经网络控制用于服务机器人的避障，以BP网络作为机体，以基于模糊规则的模糊神经网络，采用CCD摄像机和多个超声波测距传感器，对服务机器人能够避障进行控制，如图14所示。

图14 服务机器人模糊神经网络图

Fig.14 Chart of fuzzy neural network for service robot 服务机器人的未来展望

服务机器人的开发研究取得了举世瞩目的成果，未来智能机器人技术将沿着自主性、智能通信和适应性三个方向发展。

3.1 人与机器人的融合

美国科学家正在研制的独特机械控制假手臂（如图15），可以通过“思维力”进行控制。当患者需要借助于机械手完成某种动作时，他只要简单地想要做什么即可，大脑发出的信号会刺激肌肉，相应的电脉冲会被电极记录，随后信号会转变成控制机械手臂的指令可以完成各种复杂动作，其中包括拿住物体，它不仅能恢复患者的动作效能，而且能感受到触觉。据日本媒体报道，新开发的装置由头盔状的传感器及测量记录器构成（如图16），如果人设想使用左手的动作，脑波及脑血流的变化便会参照事先存储的数据，使机器人举起左手，该技术今后有可能运用于家务机器人，帮助人们从事端菜、给植物浇水等家务和肢体残疾或瘫痪人士。

图15 思维力控制假手臂 图16 意念控制机器人 Fig.15 Fake arm controlled with the power of the thought Fig.16 Robot controlled with the idea

3.2 人工智能技术的全面应用

各种机器学习算法的出现推动了人工智能的发展，强化学习、蚁群算法、免疫算法等可以用到服务机器人系统中，使其具有类似人的学习能力，以适应日益复杂的、不确定和非结构化的环境。例如：①英国科学家研发出首名“机器人科学家”（如图17），这款机器人能独立推理、把理论公式化乃至探索科学知识，堪称人工智能领域一大突破。“机器人科学家”将来可以投身于解开生物学谜题、研发新药、了解宇宙等研究领域。②英国的一种具有语言学习能力的类人型机器人（如图18）即将问世，研究者的目标是：机器人将来能够对语言进行自我学习，以及在社会化环境中向他人学习，并且把这种语言能力转化为自主化学习和处理问题的能力，并且与周围环境互动，将来有可能使机器人掌握更多的自主性能力。

3.4 服务机器人的人性化

技术进步将允许在未来几年克服当前这些技术（开放空间的导航、学习能力和智力行为、多传感器融合和允许对所有不同类型任务进行高效处理的处理器等）的限制，设计和使用功能日益强大的机器人，集成技

术将允许超越由于材料、技术等形成的目前图17 机器人科学家 图18机器人iCub 限制边缘，日本专家预测，在2013年到2027Fig.17 Robot scientist

Fig.18 Robot iCub 年之间，智能机器人系统的发展将允许机器 人会保留和重复使用以前已获得的技能和3.3 传感器技术的发展 技术，如表1所示，人和机器人的交流将变未来机器人传感器技术的研究，除不断得更加的简单化了[18]。改善传感器的精度和可靠性外，对传感信息 的高速处理、自适应多传感器融合和完善的 结论 静、动态标定测试技术也将成为机器人传感器研究和发展的关键技术。未来机器人传感随着服务机器人技术不断发展和开发器研究包括多智能传感器技术、网络传感器成本的不断下降，服务机器人将会走进千家技术、虚拟传感器技术和临场感技术[17]。万户，将成为人们生活、工作和学习上的好 帮手，相信这一天将很快到来的。表日本专家对服务机器人技术的预测

Tab.1

Japanese experts predicted the technology of service robot 时间 事件

2013年 智能系统的发展能够将在与流程、技能、知识和经验相关的人类决策方面帮助人类作出决定。2014年

在人机界面的实际使用中，设置在人机界面中带有对话与理解功能的虚拟用户可通过与人类的对话借助信息处理设备执行任务或程序。

2023年

随着与生物体隔膜相似功能的人工膜的发展，人脑可以通过计算机控制电机的技术使得对假肢进行直接和自主控制而不依赖于脊柱或周围神经系统。

2027年

随着具有视觉功能、听觉功能、能执行其它感官功能智能机器人的发展，机器人将类

似于人类，能够思考，作出决定和采取行动。

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第四篇：浅谈光纤通信技术的现状与发展趋势

浅谈光纤通信技术的现状与发展趋势

【摘要】 光纤通信是以光波作为信息载体, 以光纤作为传输媒介的一种通信方式，已成为现代通信的主要支柱之一。本文介绍了我国光纤通信的几种关键技术及其现状并进一步提出发展的道路。

【关键词】 光纤通信现状出路

【引言】光纤通信技术从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术,近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

---光纤的概述

光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。

光纤通信之所以发展迅猛,主要缘于它具有以下优点:1)通信容量大、传输距离远;2)信号串扰小、保密性能好;3)抗电磁干扰、传输质量佳;4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输;5)材料来源丰富,环境保护好;6)无辐射,难于窃听;7)光缆适应性强,寿命长。

一、光纤通信技术发展的现状

光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。目前,光纤通信技术已有了长足的发展,新技术也不断涌现,进而大幅度提高了通信能力,并不断扩大了光纤通信的应用范围。

1.1波分复用技术

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源。根据每一信道光波的频率(或波长)不同,将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道,把光波作为信号的载波,在发送端采用波分复用器(合波器),将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端,再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时),从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。自从上个世纪末,波分复用技术出现以来,由于它能极大地提高光纤传输系统的传输容量,迅速得到了广泛的应用。

1995年以来,为了解决超大容量、超高速率和超长中继距离传输问题,密集波分复用DWDM(Dens Wavelength Division Multi-plexing)技术成为国际上的主要研究对象。DWDM光纤通信系统极大地增加了每对光纤的传输容量,经济有效地解决了通信网的瓶颈问题。据

统计,截止到2002年,商用的DWDM系统传输容量已达400Gbit/s。以10Gbit/s为基础的DWDM系统已逐渐成为核心网的主流。DWDM系统除了波长数和传输容量不断增加外,光传输距离也从600km左右大幅度扩展到2000km以上。

与此同时,随着波分复用技术从长途网向城域网扩展,粗波分复用CWDM(Coarse

Wavelength Division Multiplexing)技术应运而生。CWDM的信道间隔一般为20nm,通过降低对波长的窗口要求而实现全波长范围内(1260nm～1620nm)的波分复用,并大大降低光器件的成本,可实现在0km～80km内较高的性能价格比,因而受到运营商的欢迎。

1.2光纤接入技术

光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传输的高速化,满足大众的需求,不仅要有宽带的主干传输网络,用户接入部分更是关键,光纤接入网是高速信息流进千家万户的关键技术。在光纤宽带接入中,由于光纤到达位置的不同,有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的应用,统称FTTx。

FTTH(光纤到户)是光纤宽带接入的最终方式,它提供全光的接入,因此,可以充分利用光纤的宽带特性,为用户提供所需要的不受限制的带宽,充分满足宽带接入的需求。我国从2003年起,在“863”项目的推动下,开始了FTTH的应用和推广工作。迄今已经在30多个城市建立了试验网和试商用网,包括居民用户、企业用户、网吧等多种应用类型,也包括运营商主导、驻地网运营商主导、企业主导、房地产开发商主导和政府主导等多种模式,发展势头良好。不少城市制订了FTTH的技术标准和建设标准,有的城市还制订了相应的优惠政策,这些都为FTTH在我国的发展创造了良好的条件。

在FTTH应用中,主要采用两种技术,即点到点的P2P技术和点到多点的xPON技术,亦可称为光纤有源接入技术和光纤无源接入技术。P2P技术主要采用通常所说的MC(媒介转换器)实现用户和局端的直接连接,它可以为用户提供高带宽的接入。目前,国内的技术可以为用户提供FE或GE的带宽,对大中型企业用户来说,是比较理想的接入方式。

二、光纤通信技术的发展趋势

近几年来,随着技术的进步,电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放,光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面,以下在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述与展望。

2.1向超高速系统的发展

从过去20多年的电信发展史看,网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾。传统光纤通信的发展始终按照电的时分复用(TDM)方式进行,每当传输速率提高4倍,传输每比特的成本大约下降30%～40%;因而高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长,这就是为什么光纤通信系统的传输速率在过去20多年来一直在持续增加的根本原因。目前商用系统已从45Mbps增加到10Gbps,其速率在20年时间里增加了20O0倍,比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量,而且也为各种各样的新业务,特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。目前10Gbps系统已开始大批量装备网络,全世界安装的终端和中继器已超过5000个,主要在北美,在欧洲、日本和澳大利亚也已开始大量应用。

2.2向超大容量WDM系统的演进

采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽,然而光纤的200nm可用带宽资源仅仅利用了不到1%,99%的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一极光纤上传送,则可大大增加光纤的信息传输容量,这就是波分复用(WDM)的基本思路。采用波分复用系统的主要好处是:1)可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使容量可以迅速扩大几倍至上百倍;2)在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器,从而大大降低了传输成本;3)与信号速率及电调制方式无关,是引入宽带新业务的方便手段;4)利用WDM网络实现网络交换和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。

鉴于上述应用的巨大好处及近几年来技术上的重大突破和市场的驱动,波分复用系统发展十分迅速。预计不久实用化系统的容量即可达到1Tbps的水平。

2.3实现光联网

上述实用化的波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量,但基本上是以点到点通信为基础的系统,其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话,无疑将增加新一层的威力。根据这一基本思路,光的分插复用器(OADM)和光的交叉连接设备(OXC)均已在实验室研制成功,前者已投入商用。

实现光联网的基本目的是:1)实现超大容量光网络;2)实现网络扩展性,允许网络的节点数和业务量的不断增长;3)实现网络可重构性,达到灵活重组网络的目的;4)实现网络的透明性,允许互连任何系统和不同制式的信号;5)实现快速网络恢复,恢复时间可达100ms。鉴于光联网具有上述潜在的巨大优势,发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研。光联网已经成为继SDH电联网以后的又一新的光通信发展高潮。

2.4新一代的光纤

近几年来随着IP业务量的爆炸式增长,电信网正开始向下一代可持续发展的方向发展,而构筑具有巨大传输容量的光纤基础设施是下一代网络的物理基础。传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势,开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。目前,为了适应干线网和城域网的不同发展需要,已出现了两种不同的新型光纤,即非零色散光纤(G.655光纤)和无水吸收峰光纤(全波光纤)。

2.5光接入网

过去几年间,网络的核心部分发生了翻天覆地的变化,无论是交换,还是传输都已更新了好几代。不久,网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络。而另一方面,现存的接入网仍然是被双绞线铜线主宰的原始落后的模拟系统。两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全网进一步发展的瓶颈。唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网。接入网中采用光接入网的主要目的是:减少维护管理费用和故障率;开发新设备,增加新收入;配合本地网络结构的调整,减少节点,扩大覆盖;充分利用光纤化所带来的一系列好处;建设透明光网络,迎接多媒体时代。

三、结束语

21世纪以来,光通信技术取得了长足的进步,在上文中我们主要讨论了光通信技术及其应用的现状和发展趋势,但这些进步的取得,是包括光传输媒质、光电器件、光通信系统,以

及网络应用等多方面技术共同进步的结果。随着光通信技术进一步发展,必将对21世纪通信行业的进步,乃至整个社会经济的发展产生巨大影响。

第五篇：IP Camera的技术现状与发展趋势

IP Camera(网络摄像机)的核心是视频压缩编码芯片，视频压缩编码芯片的设计、生产工艺和内嵌的数字视频编码技术是代表网络摄像机发展的技术导向。从1996年AXIS推出世界上第一台IP Camera至今，IP Camera的编码芯片经历了从DSP可编程芯片到基于ASIC架构的SOC系统集成芯片的发展过程，而数字视频编码技术也由最初的MPEG-1编码算法，历经MPEG-

2、MJEPG、MPEG-

4、MPEG-7，逐步演变为今天的H.264编码算法。在国外视频监控市场，基于SOC系统集成芯片和 H.264数字视频编码技术研发、制造的IP Camera成为用户关注的热点和购买首选，并且发达国家和地区拥有先进的产品生产线和品质管理体制，完全可以保证高技术含量的IP Camera稳定、高效的运行。在国内市场，由于整个网络视频监控产业的发展还落后于世界先进水平甚多，IP Surveillance应用环境的也不够完备，因此国内绝大多数的IP Camera厂商，都是基于DSP芯片和MPEG-4数字视频编码技术进行设计和生产，并且只是作坊式的生产模式，没有专业的生产线，更不用谈品质管理体制。在众多国内厂商中，华为海思、希图视鼎投入大量成本，先后推出了采用H.264编码算法的SOC芯片。

随着网络摄像机应用领域的迅速扩张，用户对视频画面的品质，以及网络摄像机的功能，提出了更高的要求，网络摄像机的功能已经不是单纯的安防监控，用户希望通过网络摄像机完成更多的功能，同时要求更方便、更系统的管理。目前还是主流的FULL D1画面品质也已经满足不了感观要求，用户希望看到更高清晰度、更大画面的视频效果。由此，推动各大厂商纷纷加快了技术研发的进程，网络摄像机技术的发展也更加趋于功能应用型。结合对国际市场的需求调研，笔者认为百万像素网络摄像机、硬件视频智能分析将是网络视频监控技术发展的趋势，百万像素的网络摄像机将会呈现给广大用户分辨率可达1280×1024的高清晰画面，并且即使在拼接大屏上显示，也不会有明显的马赛克现象，在国际国内厂商行列中，已经有百万像素网络摄像机在国内上市；此外硬件视频智能分析将使网络摄像机能够直接对视频图片进行一个数学上的分析处理，为视频的使用者提供决策和行动的建议，满足用户的一些特殊需求，如事件预测、生物识别、行为识别、数量统计、自动跟踪、动态侦测、环境检测、视频优化等功能。