第一篇：深入淺出丨張曙教授帶你全面了解工業(yè)4.0和智能制造

深入淺出，帶你全面了解工業(yè)4.0和智能制造——張曙教授

導讀：本文首先簡要介紹工業(yè)4.0產(chǎn)生的背景，并通過與前三次工業(yè)革命的比較，提出其核心理念是信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合。接著通過對信息物理融合系統(tǒng)的介紹，指出各行各業(yè)和不同形式信息物理系統(tǒng)的匯合導致現(xiàn)代化智慧城市的形成。最后以智能工廠為例，闡述了智能制造與傳統(tǒng)自動化的本質(zhì)區(qū)別。最后指出，互聯(lián)網(wǎng)和移動通信的廣泛應用，必將導致工業(yè)結構、經(jīng)濟結構和社會結構從垂直向扁平轉變，從集中向分散轉變。工業(yè)4.0

工業(yè)革命是現(xiàn)代文明的起點，是人類生產(chǎn)方式的根本性變革。18世紀末的第一次工業(yè)革命創(chuàng)造了機器工廠的“蒸汽時代”，20世紀初的第二次工業(yè)革命將人類帶入大量生產(chǎn)的“電氣時代”，這二個時代的劃分已經(jīng)是大家公認的。20世紀中期計算機的發(fā)明、可編程控制器的應用使機器不僅延伸人的體力，而且延伸了人的腦力，開創(chuàng)了數(shù)字控制機器的新時代，使人-機在空間和時間上可以分離，人不再是機器的附屬品，而真正成為機器的主人。從制造業(yè)的角度，這是憑借電子和信息技術實現(xiàn)自動化的第三次工業(yè)革命。

進入21世紀，互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料和生物技術正在以極快的速度形成巨大產(chǎn)業(yè)能力和市場，將使整個工業(yè)生產(chǎn)體系提升到一個新的水平，推動一場新的工業(yè)革命，德國技術科學院(ACDTECH)等機構聯(lián)合提出“第四代工業(yè)—Industry 4.0”戰(zhàn)略規(guī)劃。旨在確保德國制造業(yè)的未來競爭力和引領世界工業(yè)發(fā)展潮流。按照ACDTECH劃分的四次工業(yè)革命的特征如圖1所示。從圖中可見，工業(yè)4.0與前三次工業(yè)革命有本質(zhì)區(qū)別，其核心是信息物理系統(tǒng)的深度融合。

圖1 四次工業(yè)革命的不同特征 信息物理融合系統(tǒng)

處于人人可擁有多終端的互聯(lián)網(wǎng)時代，任何由原子構成的實體產(chǎn)品都離不開比特，至少有條形碼，或借助計算機來進行設計，或能夠顯示工作狀態(tài)，或可進入物聯(lián)網(wǎng)。市場競爭已經(jīng)充分表明，沒有軟件或軟件含量低的實體產(chǎn)品，就是低附加值的產(chǎn)品，缺乏競爭力。軟件可以是“免費”的，但硬件身價翻番。例如，在美國加州設計、中國裝配的iPhone和iPad的售價里，1/3是原子，2/3是比特，比特的增值力使蘋果成為最富有的公司，而富士康以工人健康和環(huán)境為代價僅獲得微利。

這一事實證明，任何產(chǎn)品的突破性創(chuàng)新和盈利能力都是原子和比特聯(lián)姻的產(chǎn)物，是具有“人—機”、“機—機”相互通信能力的信息物理融合系統(tǒng)(Cyber Physics System，CPS)，智能產(chǎn)品必將越來越普及。

未來10年，由聰明機床、智能機器人和智能物流構成CPS模式的工廠，分散的智能發(fā)電裝置(如風電)構成CPS模式的智能電網(wǎng)，以及各行各業(yè)和不同領域的CPS構成的未來數(shù)字化智能城市如圖2所示。

圖2 基于互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的智慧城市

我國也已經(jīng)開始在北京、上海、天津等地開展“智慧城市”的局部試點工作，將基礎設施、資源環(huán)境、市政管理、醫(yī)療保障、經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)以及社會民生通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)連接在一起?？梢灶A計，不久的將來，新一代信息和通信技術將充分運用到各行各業(yè)。即把傳感器、感應器等智能裝置嵌入到電網(wǎng)、交通、建筑、工廠、貨物等各種物體和環(huán)境中，并且通過有線和無線網(wǎng)絡加以連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。再通過超級計算機和云計算將物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會活動與物理系統(tǒng)的整合，如圖3所示。

圖3 基于CPS模式的社會架構 明天的制造業(yè)：智能工廠

工業(yè)4.0是一個產(chǎn)業(yè)的技術轉型，是產(chǎn)業(yè)的變革。工業(yè)4.0提出的智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，實現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。智能制造技術是在現(xiàn)代傳感技術、網(wǎng)絡技術、自動化技術以及人工智能的基礎上，通過感知、人機交互、決策、執(zhí)行和反饋，實現(xiàn)產(chǎn)品設計過程、制造過程和企業(yè)管理及服務的智能化，是信息技術與制造技術的深度融合與集成。

智能化和自動化的最大區(qū)別在于知識的含量。智能制造是基于科學而非僅憑經(jīng)驗的制造，科學知識是智能化的基礎。因此，智能制造包含物質(zhì)的和非物質(zhì)的處理過程，不僅具有完善和快捷響應的物料供應鏈，還需要有穩(wěn)定且強有力的知識供應鏈和產(chǎn)學研聯(lián)盟，源源不斷地提供高素質(zhì)人才和工業(yè)需要的創(chuàng)新成果，發(fā)展高附加值的新產(chǎn)品，促進產(chǎn)業(yè)不斷轉型升級。

智能制造是可持續(xù)發(fā)展的制造模式，它借助計算機建模仿真和信息通信技術的巨大潛力，優(yōu)化產(chǎn)品的設計和制造過程，大幅度減少物質(zhì)資源和能源的消耗和各種廢棄物的產(chǎn)生，同時實現(xiàn)循環(huán)再用，減少排放，保護環(huán)境。

基于工業(yè)4.0構思的智能工廠將由物理系統(tǒng)和虛擬的信息系統(tǒng)組成，稱之為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(Cyber Physics Production System，CPPS)，是為明天制造業(yè)勾畫的藍圖，其框架結構如圖4所示。

圖4 信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS

從圖中可見，對應于進行物質(zhì)生產(chǎn)的系統(tǒng)有一個虛擬的信息系統(tǒng)，它是物理系統(tǒng)的“靈魂”，控制和管理物理系統(tǒng)的生產(chǎn)和運作。物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)通過移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同交互。因此，這樣的工廠不一定是在一個圍墻里的實體車間。它可以借助網(wǎng)絡利用分散在各地的社會閑置設備，無需“關心”設備的確切所在地，只要關心設備可用與否，它是“全球本地化”的工廠。就好像在淘寶網(wǎng)上購物，并不需要知道實體商店在哪里，下了訂單，寶貝就會快遞到家。

這種新的生產(chǎn)模式，必將導致新的商業(yè)模式、管理模式、企業(yè)組織模式以及人才需求的巨大變化。

首先是產(chǎn)品設計與生產(chǎn)的分離。今天，大到飛機、小到手機大多已經(jīng)是異地設計和生產(chǎn)的。關鍵是如何借助信息技術和網(wǎng)絡將其進一步組織得更有效、更節(jié)約資源。工業(yè)4.0提出以通信和服務為基礎構建網(wǎng)絡化智能工廠的設想，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡化的智能工廠

從圖中可見，智能工廠的生產(chǎn)環(huán)境由智能產(chǎn)品、智能設備、宜人的工作環(huán)境、高素質(zhì)的勞動者和智能能源供應組成，他們相互之間進行企業(yè)內(nèi)的通信，包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、工況分析、制造決策等。若干智能工廠通過中間件、云計算和服務連接成龐大的制造網(wǎng)絡，借助基于物流網(wǎng)的智能物流構建完整的制造體系。因此，生產(chǎn)優(yōu)勢不僅是在特定生產(chǎn)條件下一次性體現(xiàn)，也以實現(xiàn)多家工廠、多個生產(chǎn)單元所形成的全球網(wǎng)絡環(huán)境下的生產(chǎn)集合體的最優(yōu)化為目標〖是這個意思嗎?〗。

智能工廠和物流之間的所有活動需要實時通信、交互和確認，即共同遵守的規(guī)則環(huán)境〖是不是錄入時漏字了?〗，共同完成由頂層下達的任務。建立這樣分散的、網(wǎng)絡化的智能工廠體系需要有一定的基礎，應具有以下5個要素條件：(1)智能生產(chǎn)和產(chǎn)品，以先進的信息物理融合的設備生產(chǎn)高附加值的軟硬結合的智能產(chǎn)品。(2)真實的企業(yè)環(huán)境，當前企業(yè)轉型升級的途徑和規(guī)劃〖?〗。(3)宏觀和微觀經(jīng)濟環(huán)境，主要是產(chǎn)業(yè)政策和市場需求。(4)人的因素，體現(xiàn)為新一代的管理人員、市場營銷人員、技術人員和工人。(5)技術因素，主要體現(xiàn)為網(wǎng)絡和通信基礎設施的安全性和可靠性，智能生產(chǎn)技術等。上述5方面的要素條件如圖6所示。

圖6 智能化工廠的構成要素和條件

不同信息物理融合系統(tǒng)之間能夠協(xié)同運作的決定性因素如下：(1)不同應用程序的信息必須在語義上是兼容的，才有可能進行相互通信。(2)具有實時傳感器和執(zhí)行器嵌入式系統(tǒng)的物理環(huán)境。(3)通過網(wǎng)絡嵌入不同的“系統(tǒng)中的系統(tǒng)”。(4)所有的系統(tǒng)具有自適應性和局部的自主權以及合作與分布式控制系統(tǒng)。(5)廣泛的人機合作和協(xié)同。智能工廠示范項目

工業(yè)4.0項目建立了一個智能工廠的示范項目。它以液體產(chǎn)品(如洗滌液)生產(chǎn)為例，包括液體制備和液體灌裝兩部分，不同的液體產(chǎn)品由不同組分混合配制而成，灌裝后需要用不同顏色的瓶蓋和標簽，表明是誰的訂貨、發(fā)送到哪里，如圖7所示。

圖7 工業(yè)4.0示范項目

從圖中可見，整個生產(chǎn)系統(tǒng)有無線網(wǎng)絡覆蓋，廣泛采用射頻識別。智能裝備的控制模式和人機界面將會有很大的變化，WiFi寬帶、藍牙近距通信等網(wǎng)絡性能的提高，基于平板電腦、手機和穿戴設備等基于網(wǎng)絡的移動控制方式會越來越普及。與時俱進的觸摸屏和多點觸控的圖形化人機界面將逐步取代按鈕、開關、鼠標和鍵盤。人們，特別是年輕人已經(jīng)習慣智能電子消費產(chǎn)品的操作方式，能夠快速做出反應，切換屏幕，上傳或下載數(shù)據(jù)，從而大大豐富了人機交互的內(nèi)容，同時明顯降低誤操作率。

在智能工廠運行中，以比特表征的信息比原子組成的物質(zhì)更加重要。機器不僅是生產(chǎn)工具和設備，更是工廠信息網(wǎng)絡的節(jié)點。機器不僅延伸人的體力，也延伸了人的腦力，能夠識別工件、與人交互，按照人編制的控制程序工作。機器與機器(物與物)之間也能夠相互進行通信，感知相關設備和環(huán)境的變化，協(xié)同完成加工任務，構成基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化車間。5 離我們有多遠?

智能工廠遠在天邊，近在眼前。大家都爭先恐后搶占制高點。一切并非天方夜譚，今天已經(jīng)開始。

例如，寧夏小巨人機床公司是智能化信息管理的先行者，除從產(chǎn)品設計到制造過程、從訂單到客戶管理全面數(shù)據(jù)集成外，還有一個智能生產(chǎn)中心將生產(chǎn)排產(chǎn)系統(tǒng)與加工設備的控制系統(tǒng)、現(xiàn)場終端和刀具室聯(lián)系在一起，保證生產(chǎn)過程的協(xié)調(diào)運行。圖8所示是機床裝配車間里的裝配信息終端。從這一信息平臺上可以查閱裝配任務、零部件供應情況、產(chǎn)品裝配精度等所有信息。

圖8 寧夏小巨人的車間終端

智能工廠將改變制造業(yè)的工作環(huán)境，使操作者遠離危險。圖9所示是美國一家汽車公司的車身焊接生產(chǎn)線上，戴著工作手套的工人正在借助平板電腦對難以接近的機器人進行遠距操控。

圖9 借助平板電腦操控機器人

智能管理和智能服務是智能制造的重要組成部分。工廠不僅是在圍墻和大樓里，而是“空中在線”，不管你身處何處，都好像在辦公室和車間一樣，與你的同事和客戶保持密切聯(lián)系，調(diào)閱各種文件和檔案，處理各種生產(chǎn)問題。

智能服務不僅局限于遠程故障診斷、互聯(lián)網(wǎng)技術服務和支持，還引發(fā)了新的商業(yè)模式。例如，德國大眾汽車公司在總部附近有山有水風景秀麗的地方建了一個汽車綜合城(Autostadt)，這是包括新車展示和交付、汽車博物館和生產(chǎn)線參觀、五星級酒店、培訓等集4S服務、休閑和旅游為一體的智能服務新模式。未來制造：云制造

制造業(yè)已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)時代，智能制造需要高性能的計算機和網(wǎng)絡基礎設施，傳統(tǒng)的設備控制和信息處理方式已經(jīng)不能滿足需要，基于云計算的云制造已經(jīng)指日可待。云計算提供計算資源的共享池(網(wǎng)絡、服務器、應用程序和存儲)，本地計算機安裝SCADA數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)后，可將數(shù)據(jù)發(fā)送給云進行處理、存儲和分配，并在需要時從云接收指令。一群機器人的云端控制概念如圖10圖所示。

圖10 云制造的概念

最后應該指出，互聯(lián)網(wǎng)和移動通信的廣泛應用，必將導致工業(yè)結構、經(jīng)濟結構和社會結構從垂直向扁平轉變，從集中向分散轉變。對制造業(yè)而言，越來越多的微小企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)組成可與大企業(yè)對抗的社區(qū)或聯(lián)盟，他們可能是智能化工廠的先鋒隊。D