支持智能制造的智能物流系統(tǒng)建設(shè)

時(shí)間：2018-05-16 來源：山西中科華諾機(jī)械裝備有限公司

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在智能制造的框架內(nèi)，智能物流將建立在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、信息物理系統(tǒng)（CPS）、大數(shù)據(jù)等技術(shù)基礎(chǔ)之上，以物流系統(tǒng)實(shí)時(shí)透明和離散智能控制為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)4.0的技術(shù)對(duì)接。它旨在智能連接與集成企業(yè)內(nèi)外部全部的物流流程，***終實(shí)現(xiàn)物流網(wǎng)絡(luò)全透明與離散式的實(shí)時(shí)控制。本文簡(jiǎn)要闡述了智能制造下的智能物流系統(tǒng)組成、相關(guān)技術(shù)發(fā)展，***后探討了智能物流落地面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略。

在工業(yè)4.0時(shí)代，生產(chǎn)制造活動(dòng)的發(fā)起點(diǎn)不再是制造企業(yè)，而是***終用戶。整個(gè)價(jià)值鏈由過去企業(yè)推動(dòng)的模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩衾瓌?dòng)的模式，即一切生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的出發(fā)點(diǎn)變成了***終用戶。用戶的需求變得更加個(gè)性化、高端化，講究參與感與快速響應(yīng)。制造企業(yè)需要有能力使用戶參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，根據(jù)用戶需求進(jìn)行生產(chǎn)。這就是所謂的大規(guī)模定制模式，即，由用戶來決定企業(yè)生產(chǎn)什么、生產(chǎn)多少，此外還必須控制在較低的成本下。

在這種新的生產(chǎn)模式下，首先受到?jīng)_擊的其實(shí)正是制造企業(yè)的物流部分。為了滿足用戶定制化、快速響應(yīng)等要求，需要物料配送模式更具有高柔性的自動(dòng)化，具有根據(jù)訂單做出快速響應(yīng)的能力。這也就是為什么在研究智能制造的時(shí)候，必須重點(diǎn)研究智能物流的原因。

一、智能制造對(duì)智能物流提出的要求

在智能制造時(shí)代，大規(guī)模定制的需求對(duì)智能物流系統(tǒng)提出了很多全新的要求。例如，在汽車行業(yè)，過去消費(fèi)者可選購的車型很少，而現(xiàn)在不僅各大品牌車型多樣化，更實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步是消費(fèi)者可對(duì)零部件種類做出更多選擇；尤其是當(dāng)零部件數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng)后，各種配置總和可達(dá)到10的32次方，這意味著在一個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，一條生產(chǎn)線不會(huì)下線兩輛相同的車型。為了支持這種生產(chǎn)模式，要求智能制造體系中的智能物流系統(tǒng)必須滿足全流程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高柔性的自動(dòng)化和智能化的要求。

1.全流程數(shù)字化

在未來智能制造的框架內(nèi)，智能物流系統(tǒng)能夠智能地連接與集成企業(yè)內(nèi)外部的全部物流流程，實(shí)現(xiàn)物流網(wǎng)絡(luò)的全透明與離散式的實(shí)時(shí)控制，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心在于數(shù)字化。只有做到全流程數(shù)字化，才能使物流系統(tǒng)具有智能化的功能。

2. 網(wǎng)絡(luò)化

智能物流系統(tǒng)中的各種設(shè)備不再是單獨(dú)孤立地運(yùn)行，它們通過物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能地連接在一起，構(gòu)成一個(gè)*********的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以快速地進(jìn)行信息交換和自主決策。這樣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不僅保證了整個(gè)系統(tǒng)的******率和透明性，同時(shí)也******限度地發(fā)揮每臺(tái)設(shè)備的作用。

3.高柔性的自動(dòng)化

在大規(guī)模定制時(shí)代，生產(chǎn)本身是一種柔性化的生產(chǎn)。在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，要求對(duì)應(yīng)的物流系統(tǒng)具備更高的柔性。柔性化的物流系統(tǒng)，既包括了流程方面的要求，也包括了硬件上、布局上的柔性化要求。例如，在物流流程的設(shè)計(jì)中，盡量用多對(duì)多的方式來代替一對(duì)一的設(shè)計(jì)；硬件和布局上，盡量考慮到未來根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行布局調(diào)整以及系統(tǒng)調(diào)整的可能性。

4.智能化

智能化是智能物流系統(tǒng)提出的***核心的要求，是智能物流不同于以往的******特點(diǎn)。面對(duì)大規(guī)模的定制需求，以及成本降低、效率優(yōu)化，需要將生產(chǎn)中每個(gè)環(huán)節(jié)的智能化程度提高，將它們智慧相聯(lián)，使它們具有自主決策的能力，同時(shí)去中心化，不僅是任務(wù)的執(zhí)行者，也是任務(wù)的發(fā)起者。

二、智能物流系統(tǒng)組成及其功能特點(diǎn)

智能單元化物流技術(shù)、智能物流裝備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智能物流信息系統(tǒng)是打造智能物流的核心元素。在這個(gè)智能物流系統(tǒng)中的一切設(shè)備，不管是單元化物流設(shè)備還是自動(dòng)化物流裝備，都將是自主決策、去中心化、離散控制的，它們擁有高度的自動(dòng)化和柔性。

1.智能單元化物流技術(shù)

單元化物流根據(jù)集裝器具可分為：集裝箱單元化物流、托盤單元化物流和周轉(zhuǎn)箱單元化物流。在現(xiàn)代單元化物流技術(shù)中，單元器具不僅是物料的載體，也成為信息流的載體。單元化物流的功能，是將原來分立的物流各環(huán)節(jié)有效地聯(lián)合為一個(gè)整體，使整個(gè)物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)合理化。在工業(yè)4.0智能工廠框架內(nèi)，智能物流單元化技術(shù)是連接供應(yīng)商、制造商和客戶的重要環(huán)節(jié)，因此是構(gòu)建未來智能工廠的基石。智能托盤/周轉(zhuǎn)箱將成為工業(yè)4.0時(shí)代的基本智能單元，向物流系統(tǒng)發(fā)出行動(dòng)指令，利用智能物流單元化技術(shù)拉動(dòng)整個(gè)供應(yīng)鏈。

德國(guó)物流研究院（Fraunhofer IML）自主研發(fā)了一種叫做inBin的智能周轉(zhuǎn)箱技術(shù)，通過在周轉(zhuǎn)箱上加裝感知與智能控制單元，實(shí)現(xiàn)了物流單元的智能化。

InBin智能箱既能自主管理箱內(nèi)的貨物，又能向上級(jí)系統(tǒng)及時(shí)報(bào)告智能箱的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)要貨和補(bǔ)貨的功能。基于智能箱的輸送系統(tǒng)可采用分散控制技術(shù)，智能箱不再是被動(dòng)單元，而是給輸送系統(tǒng)發(fā)號(hào)施令的“主人”。在智能箱的指揮下，輸送系統(tǒng)可以自動(dòng)地將箱子送達(dá)目的地。

2.智能物流裝備

合射頻識(shí)別（RFID）、光電感應(yīng)、紅外感應(yīng)器、超聲波感應(yīng)、激光掃描器、機(jī)械視覺識(shí)別等技術(shù)和裝備，按約定的協(xié)議，將它們加載到物流裝備上（如搬運(yùn)裝卸、輸送、分揀、貨架等設(shè)備），并且通過數(shù)據(jù)共享讓它們可以自主決策。近年來，自動(dòng)化物流設(shè)備技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、輕型化、節(jié)能化和綠色環(huán)保等趨勢(shì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面強(qiáng)調(diào)模塊化、系列化和通用化，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，縮短生產(chǎn)時(shí)間。

德國(guó)物流研究院研發(fā)的高柔性CTS（Cellular Transport Systems，小型自主運(yùn)輸單元）技術(shù)，有別于傳統(tǒng)的穿梭車。在這個(gè)系統(tǒng)中，每輛小車都是一個(gè)獨(dú)立單元，它們將會(huì)取代柔性差的輸送設(shè)備，可以根據(jù)所在位置與狀態(tài)自主承接合適的訂單，并與生產(chǎn)設(shè)備及其它小車智能交互，自主解決行走中遇到的問題。

這種小車基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主控制，能利用群智能技術(shù)完成復(fù)雜運(yùn)輸任務(wù)，具有隨需隨到的運(yùn)輸能力，并且能實(shí)現(xiàn)在貨架和地面兩棲移動(dòng)，具有較好的柔性。

除了CTS技術(shù)，德國(guó)物流研究院還研發(fā)出一種會(huì)滾動(dòng)、會(huì)飛行的智能搬運(yùn)技術(shù)Bin：Go。

借助巧妙的設(shè)計(jì)，Bin:Go能在地面和螺旋架上滾動(dòng)行進(jìn)，并且自主規(guī)劃路徑，當(dāng)滾動(dòng)變得困難或低效時(shí)，它可以通過飛行來到達(dá)目的地并完成任務(wù)。這樣的小車都不再局限在平面或固定的路徑上，它們能夠在二維或三維空間自主完成搬運(yùn)作業(yè)和系統(tǒng)賦予的任務(wù)。

3. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

正如智能單元化物流和智能物流裝備中介紹的例子所描繪的，設(shè)備和設(shè)備之間直接的信息交換需要以物聯(lián)網(wǎng)作為載體。物聯(lián)網(wǎng)滿足了智能物流網(wǎng)絡(luò)化的需求，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)字化的關(guān)鍵。目前已經(jīng)可以初步實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要是WiFi和藍(lán)牙技術(shù)，但是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率很低、耗電量也大。廣域物聯(lián)網(wǎng)可以用光纖，但只適用于連接攝像頭等寬帶終端。要想達(dá)到******的智能互聯(lián)，需求對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷提升。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作廣域網(wǎng)（LPWA）。它連接的設(shè)備更簡(jiǎn)單，具有高耦合、終端成本低、即插即用、可靠性高、統(tǒng)一的業(yè)務(wù)平臺(tái)管理等特點(diǎn)，主要面向低速率、深度覆蓋、低功耗、大數(shù)據(jù)連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。這樣的技術(shù)很好地契合了智能物流要求，實(shí)現(xiàn)各智能物流單元和智能物流裝備之間低層面的相互交流和決策，真正實(shí)現(xiàn)了一個(gè)密集網(wǎng)狀連接，提高信息交換效率及準(zhǔn)確性。

4.智能物流信息系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能物流中各種設(shè)備的網(wǎng)狀連接與通訊，而在整個(gè)智能物流的頂端離不開一個(gè)智能的云端系統(tǒng)，也就是智能物流信息系統(tǒng)。它將所有的數(shù)據(jù)信息存在云端，通過制定的協(xié)議和規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和處理，以及在使用過程中保證數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性，使整個(gè)智能物流系統(tǒng)能正常運(yùn)作。依托于互聯(lián)網(wǎng)、CPS（信息物理系統(tǒng)）、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，智能物流信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全透明與離散式實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0和智能制造的技術(shù)對(duì)接。

三、物流智能化的演進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)上述的智能物流系統(tǒng)，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都做了大量的工作，下面以搬運(yùn)系統(tǒng)的演變來展現(xiàn)物流設(shè)備走向智能化的發(fā)展路徑

1.機(jī)械化時(shí)期

叉車是搬運(yùn)系統(tǒng)機(jī)械化時(shí)期的典型代表，它實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的機(jī)械化，大大提高了搬運(yùn)和裝卸效率，減輕了工人的工作強(qiáng)度。但是它的行駛依靠人的實(shí)時(shí)操作，工人在長(zhǎng)期工作中很容易出錯(cuò)，而且存在一定的安全隱患。尤其是隨著人工成本不斷升高，叉車已經(jīng)難以滿足企業(yè)大量生產(chǎn)的需要。

2. 自動(dòng)化時(shí)期

AGV（Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引車）的出現(xiàn)使搬運(yùn)系統(tǒng)開始向著自動(dòng)化方向發(fā)展，極大地提高了物流系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。AGV早期的導(dǎo)引技術(shù)是靠感應(yīng)埋在地下的導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁頻率，通過一個(gè)叫做“地面控制器”的設(shè)備打開或關(guān)閉導(dǎo)線中的頻率，從而指引AGV沿著預(yù)定路徑行駛。這種導(dǎo)引方式雖然可以實(shí)現(xiàn)AGV的自動(dòng)行走，但是路徑是固定的，AGV小車之間不具有自動(dòng)避障能力，其控制系統(tǒng)也很單一，重新設(shè)定路徑的成本很高，并不能滿足高柔性生產(chǎn)。

3. 高柔性自動(dòng)化時(shí)期

隨著電信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了像激光導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航這樣新的導(dǎo)航技術(shù)，AGV的路徑變得多樣化，其路徑的重新規(guī)劃可以通過在系統(tǒng)中設(shè)定參數(shù)或編程來解決，并且不再局限在某條特定的行進(jìn)帶上。AGV的控制系統(tǒng)也能做出簡(jiǎn)單的路徑優(yōu)化和避障，大大提高了物流系統(tǒng)的效率和柔性。以AGV為主的搬運(yùn)系統(tǒng)開始向著高柔性自動(dòng)化的方向發(fā)展。

為了進(jìn)一步提高其柔性，AGV開始從二維平面運(yùn)動(dòng)拓展到三維空間。也就是說，AGV將可以直接把貨物從生產(chǎn)線送到貨架上，并在貨架中穿行；應(yīng)用于多層貨架時(shí)，高層貨架可以橫跨巷道布置，這樣就使得倉庫的空間利用率比現(xiàn)有的倉庫系統(tǒng)進(jìn)一步提升。這種兩棲多功能的搬運(yùn)系統(tǒng)顯然在柔性和自動(dòng)化方面更上一層樓。

4. 智能化時(shí)期

在大規(guī)模的運(yùn)輸任務(wù)中，現(xiàn)有的方法通常是對(duì)搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制與集中管理，但是這不適用于智能物流中的單元化運(yùn)輸系統(tǒng)。在智能化時(shí)期，搬運(yùn)系統(tǒng)不再對(duì)多車之間的相互配合“車群”進(jìn)行集中控制，而是采用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分散控制的方式，使用專門的AGV管理軟件來優(yōu)化運(yùn)輸系統(tǒng)的整體運(yùn)行能力。AGV可以不依賴導(dǎo)引線完全自由行駛，對(duì)周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)障礙做出反應(yīng)，比如避讓車輛前方的障礙物或另一輛AGV，而且AGV可以實(shí)時(shí)尋找到達(dá)目標(biāo)的***短路逕，車與車之間通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互、協(xié)調(diào)任務(wù)分配和路徑尋找。

四、面向智能物流的前沿應(yīng)用

盡管目前物流裝備行業(yè)的發(fā)展離上述的智能物流還有較遠(yuǎn)的路程要走，但是隨著相關(guān)研發(fā)的投入，市場(chǎng)上已經(jīng)逐漸開始出現(xiàn)支撐智能物流的產(chǎn)品。

箱（盒）式超高速自動(dòng)倉庫

該立庫的單巷道中同時(shí)設(shè)置多臺(tái)堆垛機(jī)，運(yùn)用先進(jìn)的同步協(xié)調(diào)控制技術(shù)使其在各自獨(dú)立的作業(yè)中互不干涉。巷道內(nèi)的堆垛機(jī)為上下兩層結(jié)構(gòu)，同時(shí)作業(yè)，其入出庫處理能力可達(dá)2200箱（盒）/小時(shí)。同時(shí)它也是集存儲(chǔ)、輸送、分揀于一體的新型配送系統(tǒng)，完全實(shí)現(xiàn)了分揀、集貨等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。其中，分揀系統(tǒng)采用了立體化的三維布局，與以往的平面布局相比，既節(jié)省空間又節(jié)約了人力。

第三代物流機(jī)器人

第三代物流機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了從自動(dòng)化到智能化的轉(zhuǎn)變，它們由移動(dòng)車體、機(jī)械臂和機(jī)械手組成，具有高度自主性，能夠完成多種功能如物體識(shí)別、抓取分揀及運(yùn)輸，在效率和功能上遠(yuǎn)超第二代，可滿足智能物流對(duì)于設(shè)備高柔性自動(dòng)化的需求。

*********傳送帶分揀系統(tǒng)

以往的傳送帶只能按固定的路線傳送物品，并且對(duì)物品的形狀規(guī)格也有要求，這顯然無法滿足柔性、智能化的生產(chǎn)物流要求。市場(chǎng)上推出的*********傳送帶，以互鎖方式相互交錯(cuò)，由全長(zhǎng)銷桿組裝在一起，可以實(shí)現(xiàn)物品在傳送面上*********的移動(dòng)，彼此之間可以互不干擾，同時(shí)通過箱子上的RFID可以替代人工揀選，大大提高了物流作業(yè)效率。

AR智慧物流系統(tǒng)

在這個(gè)系統(tǒng)中，分揀工作人員戴上AR眼鏡，可以直觀看到商品的質(zhì)量、體積等各種信息，進(jìn)行快速分揀。系統(tǒng)會(huì)指導(dǎo)工作人員按照***優(yōu)路線行走，迅速找到貨架上的商品，并進(jìn)行掃描。之后，AR眼鏡還能幫助工作人員迅速地完成質(zhì)量檢測(cè)、包裝等工作。這樣的系統(tǒng)對(duì)于多零件、個(gè)性化的產(chǎn)品定制化生產(chǎn)有很大幫助，可以實(shí)現(xiàn)智能化。

手持式智能讀碼器

各種條碼已經(jīng)廣泛地用于工廠，快速并且準(zhǔn)確地識(shí)別條碼信息有助于加快物流智能化。行業(yè)中推出的基于圖像的ID讀碼器，可對(duì)具有不同大小、質(zhì)量、打標(biāo)或印刷方法的直接部件標(biāo)識(shí)、二維碼以及一維碼進(jìn)行解碼。通過配備高級(jí)液態(tài)鏡頭成像系統(tǒng)和柔性照明技術(shù)，它能夠解碼各種各樣表面上***難以辨別的直接部件標(biāo)識(shí)。配備以太網(wǎng)通信和工業(yè)協(xié)議，可輕松集成工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，能夠快速、******地執(zhí)行安裝和維護(hù)。同時(shí)，配備現(xiàn)場(chǎng)可交換通信模塊，通過一個(gè)讀碼器可以滿足客戶特定的以及不斷變化的通信需求。

五、智能物流落地的幾點(diǎn)建議

智能物流有著很好的發(fā)展前景，將配合智能制造徹底改變生產(chǎn)方式。但是在落地的過程中，特別是在中國(guó)，除了技術(shù)層面的壁壘，仍然有諸多挑戰(zhàn)和難點(diǎn)需要克服。對(duì)此提幾點(diǎn)落地的建議以供參考。

1.重流程

在智能物流的落地過程中，流程再造和優(yōu)化是重中之重。國(guó)內(nèi)企業(yè)常常不重視流程方面的分析，而更愿意投資昂貴的設(shè)備，但是投資硬件并不能讓企業(yè)直接找到流程上的不足，只有持續(xù)不斷進(jìn)行流程優(yōu)化，才能把企業(yè)內(nèi)部不合理的東西深挖出來，通過兩化融合實(shí)現(xiàn)智能制造。

2.重規(guī)劃

在智能物流落地方法上，企業(yè)需要制定相應(yīng)的智能物流戰(zhàn)略，根據(jù)愿景制定相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃，由此確定整體發(fā)展路徑。以寶馬萊比錫工廠為例，其外觀猶如一把梳子，這樣的造型是為了物流便利性。通過運(yùn)送不同零組件的貨車直接開至離裝配線***近區(qū)域，這樣部件進(jìn)廠后可直接送至相應(yīng)工位，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和供應(yīng)JIT。反觀國(guó)內(nèi)的工廠往往方方正正，卻并不有利于物流。

3.重標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國(guó)政府對(duì)于兩化融合、《中國(guó)制造2025》非常支持，許多企業(yè)大力度地投入研發(fā)，希望立起行業(yè)標(biāo)桿，在下一個(gè)工業(yè)時(shí)代中成為弄潮兒。但在把項(xiàng)目做大做強(qiáng)前，企業(yè)需要關(guān)注相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制定，強(qiáng)調(diào)*********標(biāo)準(zhǔn)的重要性。當(dāng)前的工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)尚未完全清晰，行業(yè)不僅要重視國(guó)際方面的進(jìn)展，也要加強(qiáng)國(guó)內(nèi)物流標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，比如集裝單元標(biāo)準(zhǔn)化、通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。這些看似小的問題如果得不到解決，不僅降低了物流效率，也極大阻礙智能物流發(fā)展。

4.  重?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)與安全

未來的經(jīng)濟(jì)是數(shù)字經(jīng)濟(jì)，未來的社會(huì)是數(shù)字社會(huì)。在推動(dòng)智能物流落地的過程中，企業(yè)應(yīng)當(dāng)數(shù)字化所有流程，只有這樣才能更好地去控制和優(yōu)化流程。而這將使數(shù)據(jù)變得至關(guān)重要，數(shù)據(jù)成為新一代的“石油”，誰擁有數(shù)據(jù)，誰就占據(jù)了主動(dòng)權(quán)和話語權(quán)。當(dāng)如此多的數(shù)據(jù)被產(chǎn)生，并且成為一種稀缺資源時(shí)，大數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)和數(shù)據(jù)安全是不可避免的問題，這需要有完善的法律和技術(shù)手段去保護(hù)。