工业4.0：智慧工业的信息化改造

1、工业4.0时代，智慧工业的信息化改造动态资讯2014年12月22日，全国工业和信息化工作会议在京召开。会议指出，智能制造将成为两化融合 的主攻方向，实现两个IT(Industry Technology & Information Technology)融合和倍增发展，以工业互联网和自主可控的软硬件产品为重要支撑，力口 快生产型制造向服务型制造转变。预计 2015年地方将密集出台一批智慧工业、两化融 合等相关配套方案，全国将掀起智能制造应用推广的热潮。主题解析工业4.0时代到来十八世纪末期以来，前三次工业革命的发生彻底改变了人类的生产生活方式，它们 分别源于机械化技术、电力技术和信息技术

2、。如今，将物联网及服务引入制造业正迎来 第四次工业革命。”工业4.0”概念是在2011年德国汉诺威工博会被首次提出，2014 年11月10日，中德双方发表中德合作行动纲要：共塑创新，宣布两国开展“工业 4.0”合作。两国政府将为双方提供更为有利的框架条件和政策支持，中德合作无疑将 为“中国版工业4.0”注入外部动力。工业4.0的两大主题是智慧工厂与智能制造，工业4.0的核心内容是依靠CPS (信息物理系统)而构建的一张智慧工业网络系统，打通所有生产环节的数据壁垒，即是运 用大量物联网传感技术、基于大量数据、模型及算法结合而成的产物。以新一代信息技 术为核心的信息化技术应用，不断推动传统制造业生

3、产方式的变革，使柔性制造、网络 制造、绿色制造、智能制造成为新的发展方向。信息技术正在向制造业各个环节渗透， 创造了新的服务、生产体系和发展模式。主题观点工业4.0时代，智慧工业的信息化改造中国已成为世界制造大国，在全球制造业占比约20%,与美国相当。从全球制造业发展形势来看，欧美发达国家在技术上始终处于领先， 抢占制造业高端市场。而印度、印尼等发展中国家正以更低的劳动力成本承接全球的劳动密集型产业， 占据了制造业的中低端部分的市场份额。我国低成本竞争优势明显削弱，注重数量扩张的传统发展模式已不可持续，并且同时存在着工业产品结构性短缺问题，自主创新能力不强，在高端装备、 核心芯片等方面仍需要大

4、量进口， 传统制造业面临转型升级， 创新驱动的迫切需求。一、工业 4.0发展新趋势1、服务型制造转型态势明显传统制造业是以产品为企业核心，属于生产型制造业，而现在制造业正逐渐向服务型制造业转变，以生产 +服务或者以服务为企业核心。中国为世界输出了大量的工业产品，面对激烈的全球竞争格局，产品只能成为解决问题的一种手段，并且处于价值链低端。越来越多的传统设备制造商向行业服务集成商转变，基于原有的产品基础，提供更具价值的智能服务，从而增加产业链价值。IBM 作为百年 IT 企业， 可谓是转型为服务型制造商中最成功的案例， 早在 1993 时，IBM 就面临了业绩下滑、 连年亏损、 互联网泡沫等一系列

5、危机， IBM 通过实现二次重大战略转变， 提出电子商务战略理念， 将自己定位为综合服务提供商， 创造了 “随需应变”的新服务模式，从容应对企业危机，并在2008 年前瞻性的提出“智慧星球”概念，引领科技进步。2、工业互联网开始萌芽工业互联网是实现智能制造的必备基础，它的概念就是把机器联入网络，数据来自安装在机器上的传感器，传送到云端进行存储、分析与决策，从而为企业服务。过去互联网的数据是由人产生，而物联网的数据是由传感器产生，物联网的普及推广很重要的因素是降低人的成本，而工业互联网更是信息技术与运营管理技术的结合。我们现在面临的人力成本越来越高，而未来更低成本的传感器、数据存储设备以及更先进

6、的分析工具将推动工业互联网的普及。 未来许多东西将被重新定义， 数据在云端， 服务是可云的，工人也是可云的。二、智慧工业信息化改造领域分类智慧工业中对于现代信息技术的运用十分广泛。以物联网、云计算、高端软件为代表的新一代信息技术的应用，通过云端平台的打造，将人与人之间、物与物之间、应用系统之间、供应链之间进行互通联系，实现人、设备、环境、数据的互动。使得在生产制造过程中获取数据更便捷，数据处理更加快速，实现了生产系统、企业管理系统、对外服务系统的智能分析与决策优化。我们按照工业生产流程中的全智能化应用， 将智慧工业的信息化改造领域进行总结分类，共分为五大类。1、智能化物资管理智能化物资管理是通

7、过信息化管理技术，建立科学有效的信息化网络，在物资管理的采购、验收、入库、运输以及调度管理环节实现高效、智能管理，达到“全面感知、自动控制、 优化决策、 预测分析” 效果。 具体表现在过程管理流程化、 全程管理信息化、事件管理精准化、实物管理电子化、身份管理关系化。智能化物资管理主要服务于大宗物资领域， 包括原油、 有色金属、 农产品、 铁矿石、煤炭行业等。大致分为能源商品、基础原材料和农副产品三大类别。由于面向的领域相对较窄， 且这些大宗物资企业的内部管理专用系统已经包括物资管理， 市场需求非常小，目前也并没有相关的政策导向优势，未来在智慧工业的应用领域中属于较为冷门的领域。2、工业安全管理

8、智慧工业应用中的工业安全管理主要是针对高危行业作业生产工程所进行的气体检测、环境安全监控、安全运输等所提供的集成服务。智慧工业中的工业安全管理主要包括以下几个方面：开采过程监测系统： 主要包括矿山综合防尘、地质监控、防火、防治水、危险气体检测、安全环境预警系统、作业场景信息采集与集成、作业人员精确定位及事故应急处理系统等。生产过程监测系统： 重点包括车间、库房、 仓库等厂房在温度、湿度、 气体、压力、雷电、水、火等环境指标方面的监测控制设备。运输过程监测系统 ：主要包括用于易燃易爆品、气体管道运输安全监测、运输工具安全状况检测等一系列监控系统与设备。智能工业安全管理中涉及大量的专业检测技术、信

9、息采集技术、数据采集及监控技术、精准定位技术及现代通讯技术。2012 年中央政府在 企业安全生产费用提取和使用管理办法 中将高危行业定位煤炭生产、 非煤矿山开采、 建设工程施工、 危险品生产与储存、 交通运输、 烟花爆竹生产、冶金、机械制造、武器装备研制生产与实验，共九大类别。我国目前在工业安全管理发展上主要集中在矿山开采应用上，在非煤矿山安全生产“十二五”规划中要求1 万座矿山建立安全避险等六大系统，总体市场需求在100亿元左右。从市场化程度来看，环境空气自动监测系统合格企业有10 家，因为受众面较小，为工业企业提供安全生产成套解决方案的企业并不多，集中在几家龙头企业。整体来看，我国的智慧工

10、业应用在工业安全管理尚处于起步发展阶段，市场需求较小，但随着高新技术的不断提升与未来自动化作业的趋势，未来市场需求有望进一步扩大。3、智能化生产线智能化生产线是制造自动化的提升， 在柔性化、 智能化与高度集成化上有显著提高。智能化生产线是一种由人工智能技术、 机器人技术和数字化制造技术等相结合的智能制造技术，人机一体化智能系统的运用在制造过程中能够实现感知、分析、推理、决策和控制等智能活动。3D打印技术、工业机器人自动化生产线、先进工业嵌入式软件、虚拟实现等技术正在引领新一轮的制造业变革。智能化生产线牵涉技术复杂而广泛，主要核心技术包括以下：机械自动化技术、微机电系统(MEMS技术、高端新型传

11、感技术、镶入式系统集成技术、微内核操作系统技术、组态语言和人机界面技术等。在汽车、工程机械制造、建材、农业器械、冶金等行业使用最为广泛。随着中德工业4.0 合作纲要的签订，我国也正在着手编制中国制造业发展规划( 2015-2025) ， 智能化生产线未来成为智慧工业应用中的核心领域。 据统计， 2010 年我国智能化生产线市场需求量共计165.23 亿元，“十二五”期间，市场需求平均增长率将在20%以上。预计到2015 年，智能化生产线市场规模约为 410 亿元， 2020年达到1000亿元规模，其中汽车、工程机械行业对智能生产线的需求量约占总规模的40%。4、质量管理控制质量管理控制的智能化

12、包括在产品的采购、生产、销售、服务过程中实行全程信息追溯与质量检测。 智能化的质量安全管理系统又包含了六大子系统， 从而提高产品质量，解决生产经营中的质量管理问题。图 2：质量安全管理系统构成示意图智能化质量控制管理是基于云计算基础的信息化集成服务， 辅助RFID、 条码等数据采集技术、物联网传感技术、卫星导航定位技术以及专业领域的质量检测技术的综合应用。在医药、食品、农产品直接关系公众生命健康领域得到迅速推广，这些领域受到政府严格监管，应用最为广泛。以全国肉类蔬菜流通追溯体系建设为例，全国已进行了3批试点共35个城市的试点工作，目标覆盖所有百万人口以上城市。由此可见，我国的 产品追溯系统进入

13、全面建设期，政府购买将成为未来的主要市场力量。5、节能减排工业化进程中的资源约束与环境破坏问题日益凸显，如何在较低的资源消耗水平中做出最大的产值贡献，同时减少污染物的排放是每个企业关心的问题。在我国“十一五” 规划纲要中，首次对节能减排提出具体要与指标。 依据2010年国民经济和社会发展统 计报告，中央将化学原料及化学制品制造业、非金属矿物制品业、黑色金属冶炼及压 延加工业、有色金属冶炼及压延加工业、石油加工炼焦及核燃料加工业、电力热力的生 产和供应业确定为高能耗行业。节能减排具体是指在工业生产过程中，对工业生产能源进行检测、统计及计算，提 升能源使用效率，针对污水处理、工业固体废物、工业废气

14、排放等实现净化处理，实现 各种再生能源的高效智能分选及循环利用。 智能化的节能减排领域中涉及到大量的新型 传感技术、新一代通讯网络技术、识别技术基于大数据与云计算的控制系统设计技术与 先进控制与优化技术。整体来看，工业节能减排应用步入新发展阶段，以集成化系统服务为主要核心，智 能化程度越来越高。随着政府对环保领域重视度的提升，伴随系列政府的出台与扶持， 在政府、央企等多方力量的联合推动，在“十二五”期间工业节能领域投资总需求达到 5900亿元，将会成为智慧工业应用的一大热门领域。案例借鉴西门子智慧工业发展窥探西门子公司创立于1847年，集成了目前全球最先进的生产管理系统，以及生产过程软件和硬件

15、，产生的专利数量达到 60000项。西门子是全球电气化、自动化、数字化 领域的领先企业。1、智慧工厂一一制造网络互联化西门子位于德国的安贝格工厂有 24年历史，占地面积10万平方英尺是全欧洲乃至 全球最先进的数字化工厂，工厂致力于为巴斯夫、拜耳、戴姆勒、宝马等德国工业公司 以及它们的众多海外竞争对手生产自动化机器。在安贝格工厂，真实工厂与虚拟工厂同步运行，真实工厂生产时的数据参数、生产环境等都会通过虚拟工厂反映出来，而人则通过虚拟工厂对真实工厂进行把控。安贝格工厂拥有一套高度数字化的生产流程，生产的产品本身拥有16 亿个部件，且每年的衍生产品制造数量超过5万台。根据Gartner在2010年的

16、调查显示，安贝格工厂中每 100 万件产品中的残次品数量只有15 件，生产线的可靠性达到99%、可追溯性高达100%。厂内1000 个制造单元是如何通过网络进行联络的。通过网络控制，厂房里的大多数设备都可以在脱离人类劳动力的情况下对零部件进行挑选和组装。 为了准确收集数据， 安贝格工厂超过3 亿个元器件都有自己的 “身份证” 。 这些基础识别信息包括：所属生产线、 材质、 规格等等。 机器会对元器件做自动判别与操作， 适时调节生产参数。安贝格工厂是由德国政府、企业、大学以及研究机构合力研发全自动、基于互联网的智能工厂，通过利用庞大的公共研究机构来帮助企业进行研究和开发工作。德国政府在对于工业4

17、.0 的支持上，并没有通过提供补贴优秀企业进行扶持，而是提供 2 亿欧元资金支持研发，为企业形成统一的标准创造新的技术和网络化条件，目前西门子距离工业 4.0所所描绘的场景仍有差距，西门子董事指出：西门子拥有构建模块的核心优势，设计基于互联网网络的全自动智能制造系统可能还要10 年时间才能变为现实。2、生产线优化应用以宝马集团全球最先进工厂之一的华晨宝马铁西工厂为例， 应用了西门子LIS 超宽带实时定位识别系统的辅助，该厂的总装车间取消原来专门用于扫描车辆条形码的工位。车辆每到一个工位，车型、车辆识别码、根据车辆的不同配置，需要装配的各种零件等信息会自动显示在工位前方的操作屏上，甚至会自动提供图片及装配辅助指令，直接引导工人完成相应工作，这一流程被视作定制式生产的基础。现在，一款汽车需要上千人设计，设计人员设计3 年、生产模具1 年、建设工厂4 年，至少需要8 年的时间。而在未来工厂，制造高度灵活，一条生产线能同时生产多个车型；用户根据个人喜好选择的车型