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(dǎo)讀：本文首先簡(jiǎn)要介紹工業(yè)4.0產(chǎn)生的背景，并通過(guò)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(guò)對(duì)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(dǎo)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(dòng)化的本質(zhì)區(qū)別。最后指出，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的廣泛應(yīng)用，必將導(dǎo)致工業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)結(jié)構(gòu)從垂直向扁平轉(zhuǎn)變，從集中向分散轉(zhuǎn)變。工業(yè)4.0

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

進(jìn)入21世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料和生物技術(shù)正在以極快的速度形成巨大產(chǎn)業(yè)能力和市場(chǎng)，將使整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)體系提升到一個(gè)新的水平，推動(dòng)一場(chǎng)新的工業(yè)革命，德國(guó)技術(shù)科學(xué)院(ACDTECH)等機(jī)構(gòu)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(guó)制造業(yè)的未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力和引領(lǐng)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(jiàn)，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(shí)代，任何由原子構(gòu)成的實(shí)體產(chǎn)品都離不開(kāi)比特，至少有條形碼，或借助計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或能夠顯示工作狀態(tài)，或可進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)充分表明，沒(méi)有軟件或軟件含量低的實(shí)體產(chǎn)品，就是低附加值的產(chǎn)品，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。軟件可以是“免費(fèi)”的，但硬件身價(jià)翻番。例如，在美國(guó)加州設(shè)計(jì)、中國(guó)裝配的iPhone和iPad的售價(jià)里，1/3是原子，2/3是比特，比特的增值力使蘋(píng)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(jià)僅獲得微利。

這一事實(shí)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(jī)”、“機(jī)—機(jī)”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(lái)越普及。

未來(lái)10年，由聰明機(jī)床、智能機(jī)器人和智能物流構(gòu)成CPS模式的工廠，分散的智能發(fā)電裝置(如風(fēng)電)構(gòu)成CPS模式的智能電網(wǎng)，以及各行各業(yè)和不同領(lǐng)域的CPS構(gòu)成的未來(lái)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(guó)也已經(jīng)開(kāi)始在北京、上海、天津等地開(kāi)展“智慧城市”的局部試點(diǎn)工作，將基礎(chǔ)設(shè)施、資源環(huán)境、市政管理、醫(yī)療保障、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)以及社會(huì)民生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)連接在一起?？梢灶A(yù)計(jì)，不久的將來(lái)，新一代信息和通信技術(shù)將充分運(yùn)用到各行各業(yè)。即把傳感器、感應(yīng)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(guò)有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)加以連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。再通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)與物理系統(tǒng)的整合，如圖3所示。

圖3 基于CPS模式的社會(huì)架構(gòu) 明天的制造業(yè)：智能工廠

工業(yè)4.0是一個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及人工智能的基礎(chǔ)上，通過(guò)感知、人機(jī)交互、決策、執(zhí)行和反饋，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程和企業(yè)管理及服務(wù)的智能化，是信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合與集成。

智能化和自動(dòng)化的最大區(qū)別在于知識(shí)的含量。智能制造是基于科學(xué)而非僅憑經(jīng)驗(yàn)的制造，科學(xué)知識(shí)是智能化的基礎(chǔ)。因此，智能制造包含物質(zhì)的和非物質(zhì)的處理過(guò)程，不僅具有完善和快捷響應(yīng)的物料供應(yīng)鏈，還需要有穩(wěn)定且強(qiáng)有力的知識(shí)供應(yīng)鏈和產(chǎn)學(xué)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(jìn)產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)。

智能制造是可持續(xù)發(fā)展的制造模式，它借助計(jì)算機(jī)建模仿真和信息通信技術(shù)的巨大潛力，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過(guò)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(shí)實(shí)現(xiàn)循環(huán)再用，減少排放，保護(hù)環(huán)境。

基于工業(yè)4.0構(gòu)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(chēng)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(huà)的藍(lán)圖，其框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)CPPS

從圖中可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)于進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)的系統(tǒng)有一個(gè)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(yùn)作。物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)通過(guò)移動(dòng)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(gè)圍墻里的實(shí)體車(chē)間。它可以借助網(wǎng)絡(luò)利用分散在各地的社會(huì)閑置設(shè)備，無(wú)需“關(guān)心”設(shè)備的確切所在地，只要關(guān)心設(shè)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(gòu)物，并不需要知道實(shí)體商店在哪里，下了訂單，寶貝就會(huì)快遞到家。

這種新的生產(chǎn)模式，必將導(dǎo)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(shè)計(jì)與生產(chǎn)的分離。今天，大到飛機(jī)、小到手機(jī)大多已經(jīng)是異地設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。關(guān)鍵是如何借助信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)將其進(jìn)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(wù)為基礎(chǔ)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化智能工廠的設(shè)想，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)化的智能工廠

從圖中可見(jiàn)，智能工廠的生產(chǎn)環(huán)境由智能產(chǎn)品、智能設(shè)備、宜人的工作環(huán)境、高素質(zhì)的勞動(dòng)者和智能能源供應(yīng)組成，他們相互之間進(jìn)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(guò)中間件、云計(jì)算和服務(wù)連接成龐大的制造網(wǎng)絡(luò)，借助基于物流網(wǎng)的智能物流構(gòu)建完整的制造體系。因此，生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)不僅是在特定生產(chǎn)條件下一次性體現(xiàn)，也以實(shí)現(xiàn)多家工廠、多個(gè)生產(chǎn)單元所形成的全球網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的生產(chǎn)集合體的最優(yōu)化為目標(biāo)〖是這個(gè)意思嗎?〗。

智能工廠和物流之間的所有活動(dòng)需要實(shí)時(shí)通信、交互和確認(rèn)，即共同遵守的規(guī)則環(huán)境〖是不是錄入時(shí)漏字了?〗，共同完成由頂層下達(dá)的任務(wù)。建立這樣分散的、網(wǎng)絡(luò)化的智能工廠體系需要有一定的基礎(chǔ)，應(yīng)具有以下5個(gè)要素條件：(1)智能生產(chǎn)和產(chǎn)品，以先進(jìn)的信息物理融合的設(shè)備生產(chǎn)高附加值的軟硬結(jié)合的智能產(chǎn)品。(2)真實(shí)的企業(yè)環(huán)境，當(dāng)前企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的途徑和規(guī)劃〖?〗。(3)宏觀和微觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境，主要是產(chǎn)業(yè)政策和市場(chǎng)需求。(4)人的因素，體現(xiàn)為新一代的管理人員、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)人員、技術(shù)人員和工人。(5)技術(shù)因素，主要體現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)和通信基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和可靠性，智能生產(chǎn)技術(shù)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(gòu)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(yùn)作的決定性因素如下：(1)不同應(yīng)用程序的信息必須在語(yǔ)義上是兼容的，才有可能進(jìn)行相互通信。(2)具有實(shí)時(shí)傳感器和執(zhí)行器嵌入式系統(tǒng)的物理環(huán)境。(3)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)性和局部的自主權(quán)以及合作與分布式控制系統(tǒng)。(5)廣泛的人機(jī)合作和協(xié)同。智能工廠示范項(xiàng)目

工業(yè)4.0項(xiàng)目建立了一個(gè)智能工廠的示范項(xiàng)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(biāo)簽，表明是誰(shuí)的訂貨、發(fā)送到哪里，如圖7所示。

圖7 工業(yè)4.0示范項(xiàng)目

從圖中可見(jiàn)，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，廣泛采用射頻識(shí)別。智能裝備的控制模式和人機(jī)界面將會(huì)有很大的變化，WiFi寬帶、藍(lán)牙近距通信等網(wǎng)絡(luò)性能的提高，基于平板電腦、手機(jī)和穿戴設(shè)備等基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)控制方式會(huì)越來(lái)越普及。與時(shí)俱進(jìn)的觸摸屏和多點(diǎn)觸控的圖形化人機(jī)界面將逐步取代按鈕、開(kāi)關(guān)、鼠標(biāo)和鍵盤(pán)。人們，特別是年輕人已經(jīng)習(xí)慣智能電子消費(fèi)產(chǎn)品的操作方式，能夠快速做出反應(yīng)，切換屏幕，上傳或下載數(shù)據(jù)，從而大大豐富了人機(jī)交互的內(nèi)容，同時(shí)明顯降低誤操作率。

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

智能工廠遠(yuǎn)在天邊，近在眼前。大家都爭(zhēng)先恐后搶占制高點(diǎn)。一切并非天方夜譚，今天已經(jīng)開(kāi)始。

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

圖8 寧夏小巨人的車(chē)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(yuǎn)離危險(xiǎn)。圖9所示是美國(guó)一家汽車(chē)公司的車(chē)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(duì)難以接近的機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距操控。

圖9 借助平板電腦操控機(jī)器人

智能管理和智能服務(wù)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(chē)間一樣，與你的同事和客戶(hù)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(wèn)題。

智能服務(wù)不僅局限于遠(yuǎn)程故障診斷、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)和支持，還引發(fā)了新的商業(yè)模式。例如，德國(guó)大眾汽車(chē)公司在總部附近有山有水風(fēng)景秀麗的地方建了一個(gè)汽車(chē)綜合城(Autostadt)，這是包括新車(chē)展示和交付、汽車(chē)博物館和生產(chǎn)線參觀、五星級(jí)酒店、培訓(xùn)等集4S服務(wù)、休閑和旅游為一體的智能服務(wù)新模式。未來(lái)制造：云制造

制造業(yè)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，智能制造需要高性能的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，傳統(tǒng)的設(shè)備控制和信息處理方式已經(jīng)不能滿足需要，基于云計(jì)算的云制造已經(jīng)指日可待。云計(jì)算提供計(jì)算資源的共享池(網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、應(yīng)用程序和存儲(chǔ))，本地計(jì)算機(jī)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(jìn)行處理、存儲(chǔ)和分配，并在需要時(shí)從云接收指令。一群機(jī)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(yīng)該指出，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的廣泛應(yīng)用，必將導(dǎo)致工業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)結(jié)構(gòu)從垂直向扁平轉(zhuǎn)變，從集中向分散轉(zhuǎn)變。對(duì)制造業(yè)而言，越來(lái)越多的微小企業(yè)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)組成可與大企業(yè)對(duì)抗的社區(qū)或聯(lián)盟，他們可能是智能化工廠的先鋒隊(duì)。D