叩开工业40的大门

1、叩开工业 4.0 的大门近来年，随着网络信息技术、大数据、云计算运用威力初显，一项更伟大的工具一一互联网技术正在参与、渗透 到工业生产过程中去，信息化和工业化的交织，正在催生着 人类工业 4.0 时代的到来。这种以智能制造为主导的新型工业形式，首先以德国人在 2011 年德国汉诺威工业展览上所提出的，以实现资源、 信息、物品和人相互关联的“虚拟网络一实体物理系统(CPS)”为标志。2013年，德国政府将其上升为国家战略。根据德国版“工业 4.0”描绘的美好前景，待现代智能机器人、传感器、数据存储和计算能力成熟后，现有工厂将 会通过工业互联网把供应链、生产过程和仓储物流智能连接 起来，真正使生产

2、过程全自动化，产品个性化，前端供应链 管理、生产计划、后端仓储物流管理智能化。人类从此进入 智能制造时代。如今，我们正站在工业 4.0 的门前。不久的将来，我们吃的药是根据每个人的基因来配方的；我们的早餐可以根据 个人的口味和营养需求来调配生产；工厂生产线可以按照工人希望的时间开工，无需担心下午没法去接孩子；生产车间里是机器告诉机器下一步做什么，而非中心控制台的技术员在操作。导的第四次工业革命，即工业4.0。这个听上去非常抽象的名词，关联到的却是一场改变人类生产方式的革命。那么，工业 4.0 到底是什么？工业 4.0 的进化过程 与国际社会关于第三次工业革命的说法不同，德国学术界和产业界认为，

3、 前三次工业革命的发生， 分别源于机械化、 电力和信息技术。工业革命 1.0 18 世纪末期始于英国的第一次工业革命，于 19 世纪中叶结束。这次工业革命的结果是机械生产代替 了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以 工业以及机械制造带动经济发展的模式。工业革命 2.0 第二次工业领域大变革发生在 20 世纪初期，进入了生产线生产的阶段，通过零部件生产与产品装配 代以后，电子工程和信息技术的加入实现了生产的最优化和 自动化。的成功分离，开创了产品批量生产的新模式。20 世纪 70 年工业革命 3.0 第三次工业革命始于第二次工业革命过程中发生的生产过程高度自动化。至此，机械能够逐步

4、替代人 类作业。工业革命 4.0 未来 10 年，第四次工业革命将步入“分散化”生产的新时代。工业 4.0 通过决定生产制造过程中的 网络技术，实现实时管理。可以说，物联网和制造业服务化迎来了以智能制造为主德国工业 4.0 战略 对德国工业 4.0 的核心内容进行概括的话， 可以总结为：建设一大网络、研究两大主题、实现三大集成、促进三个转 变。是建设一大网络，即 CPs。 CPS 的核心思想是强调虚拟网络世界与实体物理系统的融合。 CPS 可以将资源、 信息、 物体以及人员紧密联系在一起，从而创造物联网及相关服 务，并将生产工厂转变为一个智能环境。二是研究两大主题，即智能工厂与智能生产。作为目

5、标核心载体的智能工厂，即分散的、具备一定智能化的生产设 备，在实现了数据交互之后， 能够形成高度智能化的有机体， 实现网络化、分布式的生产设施；智能生产的侧重点在于将 人机互动、智能物流管理、 3D 打印等先进技术应用于整个 工业生产过程。未来智能工厂与智能生产的实现意味着：较之传统生产模式，新的生产方式将大幅提高资源利用率，产品生产过程 中的实时图像显示使得虚拟生产变为可能，从而减少材料浪 费；个性化定制将成为可能，生产速度大幅提高。三是实现三大集成，即价值链上企业之间的横向集成、网络化制造系统的纵向集成以及端对端工程数字化集成。在生产、 自动化工程以及 IT 领域，价值链上企业问的横向集成

6、是指将使用于不同生产阶段及商业规划过程的IT 系统集成在一起，这包括了发生在公司内部和不同公司之间的 材料、能源和信息的交换（比如入站物流、生产过程、出站 物流、市场营销） ，横向集成的目的是提供端对端的解决方 案。与此相对应，网络化制造系统的纵向集成是指将处于不同层级的 IT 系统进行集成（例如，执行器和传感器、控制、 生产管理、制造和企业规划执行等不同层面） ，其目的同样 是为了提供一种端对端的解决方案。端对端工程数字化集成是指贯穿整个价值链的工程化数字集成，是在所有终端实现数字化的前提下所实现的，基 于价值链与不同公司之间的一种整合，这将在最大程度上实 现个性化定制。在此模式下，客户从产

7、品设计阶段就参与到 整条生产链，并贯穿于加工制造、销售物流等环节，可实现 随时参与和决策，并自由配置各个功能组件。四是促进三个转变。一是实现生产由集中向分散的转变，规模效应不再是工业生产的关键因素，工业生产的基本 模式将由集中式控制向分散式增强型控制转变；二是实现产 品由大规模趋同性生产向规模化定制生产转变，未来产品都 将完全按照个人意愿进行生产， 极端情况下， 将成为自动化、 个性化的单件制造；三是实现由客户导向向客户全程参与的 转变，客户不仅出现在生产流程的两端，而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。归纳而言，德国工业 4.0 就是利用信息通信技术把产品、机器、资源和人有机结合在一起，

8、通过信息通信技术建立个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在此模式中，CPS系统将推动生产对象直接或借助互联网通过M2M机器对机器）通信自主实现信息交换、运转和互相操控； 智能工厂能够自行运转，产品与机器可以相互交流，机器可 以自行组织生产，供应链将自动化协同，产业链分工将被重 组，创造新价值的过程将发生改变。工业 4.0：互联 从根本上来讲，工业 4.0 是一种在信息技术发展到新阶段产生的新工业发展模式。从终极目标来看，工业 4.0 不能 为技术而技术，核心在于提高企业、行业乃至国家的整体竞 争力。西门子、博世和蒂森克虏伯的专家在交流时都提到，工业 4.0 的核心是连接，要把设备、生产线

9、，工厂、供应商、 产品、客户紧密地连接在一起。工业 4.0 适应了万物互联的 发展趋势，将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控 制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络， 使得产品与 生产设备之间、不同的生产设备之间以及数字世界和物理世界之间能够互联，使得机器、工作部件、系统以及人类会通过网络持续地保持数字信息的交流。如果工厂还有生产体系的话，它们可以高度智能化。智能化的工厂完全由物联网加以控制，制造流程完全可以由电脑来加以整合，实现对生产的实时监控，监控可以观 察到需要什么样的新材料，需要什么样的工序来保证整个生 产的进程。这不是简单的生产自动化问题，而是智能控制， 能够实现产品的智能

10、运输。如果突然出现故障，系统就会自 动下令停下，自动进行修理。生产需要的产品时，可以智能利用有关能源。通过 IT技术，可以保证对于能源的使用是以最为有效的方式进行 的。物联网是把各种各样的部件考虑进去，在做决策时，考 虑所有的组织体系，这是一种整体的思考方法，这将使产业 链分工变得高度有效，相互问可以非常精准地对接。IT未来可以看到一个智能化的经济体：包括智能化的生动等产业链要素。这个过程实际上由 IT 系统加以控制， 系统知道如何组织生产、如何收集数据，并用一种控制的方 式与有关环节进行互动。未来整个生产当中捕捉到的数据都可以进行实时分析， 帮助人作出决策， 进行一些设定和传输，而且在发生某

11、些故障时，自动发送旨口。如此，智能工厂的生产组织变得极其高效。同时，单体智能工厂也可以成为联合体，即把外部的一些工厂包括进来。比如单体智能工厂在进行生产时，旦某些原料用完了，厂外供应商会自动获取信息，然后就会自动交付定额的原 料。智能工厂和厂外的合作伙伴完全可以通过智能系统进行整合， 这是非常和谐的互动， 可以诞生智能化的商业模式， 即随时在生成数据，随时按照精确的数据让生产方了解情 况，进而改善生产当中的状况。工业 4.0 用了很多 IT 技术，毫无疑问会重新塑造整个生产流程，原来的工人难免会受到影响，产生担忧，在这种担 忧下，会不配合工作甚至加以破坏，因此，需要和他们进行 讨论，告诉他们未

12、来的整个工作场景是怎样的，希望他们参 与进来，让这样的技术最终改善他们的处境，而不是相反。德国也特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工 业生产技术的创造者和供应者。工业 4.0：智能通过通信网络，将工厂内所有设备互联的智能工厂就是最好的体现。作为未来第四次工业革命的代表，工业4.0 不断向实现物体、 数据以及服务等无缝连接的互联网 （物联网、 数据网和服务互联网）方向发展。未来 10 年，第四次工业革命将步入“分散化”生产的新时代。未来的智能制造业中， CPS 对涵盖自动化、生产技 术、汽车、机械工程、能源、运输以及远程医疗等众多工业部

13、门的应用领域， 具有非常重要的意义。因 CPS 而实现的许多应用，将产生新附加价值链和业务模式。CPS 不仅可以降低实际成本， 提高能源、 时间等的效率，还能降低 CO2 排放水平，在保护环境上发挥重大作用。因为 CPS 的存在，智能工厂的生产系统、产品、资源及处理过程都将具有非常高水平的实时性，同时在资源、成本 节约中更具优势。智能工厂将按照重视可持续性的中心原则 来设计，因此，服从性、灵活性、自适应性、学习能力、容错能力甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。智能工厂设备的高级自动化， 主要是由基于自动观察生产过程中CPS生产系统的灵活网络来实现的。通过可实时应对的灵活生产系 统，能够实现生产工程的彻底优化。同时，生产优势不仅仅 是在特定生产条件下的一次性体现，还可以实现多家工厂、 多个生产单元所形成的世界级网络的最优化。基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间发生的相互作用，将诞生全新的系统功能 性世界。举一个简单的例子， 智能手机囊括许多应用和服务， 已经远远超出设备本身的通话功能。由于全新的划时代应用 和服务提供商将不断涌现， 渐渐形成新的价值链，所以，CPS 也将为现有业务与市场模式带