工业4.0智能制造方案及流程图

工业4工业4全文共7页，当前为第1页。工业4.0时代的智能制造方案工业4全文共7页，当前为第1页。

这是笔者一同参加“工业4.0高峰论坛”并发言的陈志成博士做的演讲，转载到本人博客，以便需要了解工业4.0的朋友参考。

陈志成：中国人工智能学会基础专业委员会常务委员、中国通信学会云计算专家委员会委员、北京格分维科技有限公司总经理

我原来在高校工作了一段时间，是教师，担任计算机学科方面的负责人，现在创办一个公司，做人工智能方面的工作。我从学校出来，有一些背景因素，很多教授、院士，他们做了很多很好的理论研究，但是我们的产学研做的并不是想象中的那么好，企业很难把人工智能中比较超前的理论运用起来。很多老师聊天说，人工智能是不是要死亡了，是不是真的不行了，没有什么用途了，离我们生活太遥远了。我创办企业的想法，是希望将课本上的一些理论，变成日常生活当中可以用的一些产品，不管是小的产品也好，大的产品也好。也许这也是一种情怀，大家都想做一些事情，而我想做人工智能。

我的演讲分为四部分内容：第一，介绍工业4.0的本质，我认为工业4.0的本质是智能制造，目前对于工业4.0的理解各种各样，但是大体而言，还是依据德国的提法来理解。2011年至2013年，德国针对工业4.0给出了一些资料，总体思路还是智能制造的概念。前面说人工智能要死亡了，可是现在机会来了，人工智能可能会有大发展了。第二点介绍我们现在正在做的事情，就是制造企业的机联网，主要是指机器设备的联网，及其管理控制。第三点讲基于机联网之上的云计算服务，以及相关的研究课题。最后跟大家分享一个能源大数据系统的案例。工业4全文共7页，当前为第2页。工业4全文共7页，当前为第2页。

工业4.0的本质是智能制造

智能时代已经来临，五年之前，老师们在讨论人工智能怎么发展，原中国人工智能学会理事长钟义信老师、何华灿老师等也都在讨论。人类社会的发展经历了三个阶段，第一个阶段是农业社会，人类劳动工具以简单的镰刀、锄头为主。第二个阶段是工业社会，也就是动力机车时代，以蒸汽机、机床为代表的时代。第三个阶段是信息社会，网络时代到来了，电话、电灯、电视，现在的互联网、通信网，这就是目前的信息社会。

我们来看看前面三个时代，从研究者角度来分析，看看它的工具水平、研究的科学问题、及核心基础理论。材料时代主要是简单的材料加工，用树枝就可以获取到一些食物类的东西；能源时代就是动力驱动，主要是蒸汽机为主的；信息时代是信息处理，这个地方加了一个管理，原来认为信息时代是智能工具，现在我们把智能单独拿出来了。到现在为止，我们开发了好多MIS、ERP之类的，但全都是企业信息化的管理系统，其中智能化的程度有没有？有，但确实不高。在这三个时代，从研究的科学问题来看，材料时代更多的是研究物质成分、化学变化及其结构的，认为其基础学科是化学。能源时代更多的是依赖物理，研究蒸汽机、能量的转化、运动状态等，是牛顿的那个时代。信息时代的基础学科是数学与计算科学。

第四个时代，我们认为智能时代一定会来的，智能时代干什么，我们有大量的数据，需要进行决策、判断；我们现在有很多的个性化的东西，进行针对性的个性化服务；进行大数据挖掘，从而进行自动决策，这就是智能化的工具，很多工具是软件，但是也有很多是硬件。这个时代研究的科学问题实际上是网络问题，不管是局域网、还是广域网，或者通信网、还是互联网，目前来看已经进入到所谓的物联网时代。在复杂的网络系统中进行分析挖掘和逻辑推理，从而形成智能化的决策和判断，这个时代的核心基础理论是逻辑与网络。

实际上，我们是做软件出身的，软件编程的发展也有几个阶段：面向机器、面向过程、面向结构程序化设计、面向对象、面向网络，我也在想是不是也有智能化的编程工具，安卓是智能手机的操作系统，为开发者提供了很好的编程环境，相信今后还有更加智能化的开发工具出现。

在2009年7月7号，有一个理事长访谈，邀请中国人工智能学会的主要创始人：钟义信老工业4全文共7页，当前为第3页。师，涂序彦老师，何华灿老师。针对人工智能如何发展、人工智能如何产业化等话题进行探讨，钟老师坚定地认为“五年后将迎来人工智能大发展，进入智能时代”，现在来看刚好五年，智能时代确实已经来了。

在高校学科划分中，人工智能属于计算机系的还是电子化系的还是自动化系的，各高校并不一致。2003年提出成立“智能科学与技术”专业，北京大学等几十所高校现在都在招生，近年来发展很快。无论是在人工智能理论、技术、教学、应用等方面，每年都有很多研讨会举行，从前几年的照片来看，老师们确实很早就在思考研究这方面的问题。工业4全文共7页，当前为第3页。

在人工智能产业化方面，我们也想联合一些大学老师做一些事情，我们也提出了一个方案，当时是想做中国国产的“人工智能计算平台AICP(ArtificialIntelligenceComputingPlatform)”。提供一个智能运行环境的平台，其中把若干人工智能算法都实现为功能服务模块，对外提供调用接口。比如神经网络、遗传算法、语音识别、人脸识别等，包括人对着手机一讲话就可以翻页了，通过远程服务提供一些应用，机器人、智能安防，智能家居，智能办公等。

我们当时想做的智能计算平台，包括：核心软件、专业软件、以及应用型软件，主要瞄准机器人、协同计算、自动控制、生产执行系统、智慧医疗、决策支持系统、自然语言翻译等，当时列了这些事情，现在不少公司也都在开发。

智造企业机联网工程

现在回过头来看，德国提出工业4.0，中国怎么办？工业4.0本身是智能制造，能自动焊接的机器人80年代就有了，哈工大的焊接是非常先进的。德国工业4.0的核心词主要是CPS(Cyber-PhysicalSystems)，信息物理系统、或网络物理系统，认为CPS是实现工业4.0的基础。

最近我们也还在想，把德国的东西是不是照搬引进来，如何消化吸收？目前主要体现在“机器换人”和“设备机器联网”方面，这是浙江省和广东省重点实施工程，在2013年的时候，浙江省明确下达文件，经信委、科技厅下达的文件，这里介绍其中与机联网相关的一些内容，供大家参考。

机联网就是机器联网，指应用物联网、云计算、现代通信技术，对企业制造设备、工艺流程，空调、照明、仓储等辅助设备进行统一的改造升级管理，形成集中管理、资源共享的现代化智能制造模式，以提高生产效率，改善产品质量，促进节能减排，提高企业综合能力。机联网重要的实现途径是机器换人，江浙一带，长三角、珠三角，人力成本提高了，很多工厂倒闭了，这是现实情况，很多企业需要自动化升级改造。浙江省拿出五千个亿，五年之内每年支持五千个机器换人项目，实施企业的升级改造。

机联网到底做哪些事情呢？第一点，还是要加强顶层设计，听起来有点虚，实际上因为中国，包括江浙一带和广东一带，尽管政府拿了很多钱做这件事情，但在很多方面还是不清楚的，需要专家们帮助他们做整体设计，到底国内国外有哪些自动化的设备，国外有哪些自动化设备可以引进，不少企业领导并不是很了解，必须要有专家帮他们进行具体分析，这样的设备，这样一个工艺流程，哪些是可以用机器代替人工的，帮他设计方案。从省里面的角度，国家战略层面的角度，也需要一些设计，这部分工作还是少不了。

第二点，是推动机器联网，这是核心内容，企业(工厂)车间内外的机器设备都需要连接起来，实现远程统一的自动化管理控制。第三点，是系统集成，这里面包含了各种企业计划系统、信息管理系统、生产执行系统、产品生命周期管理系统等的集成。第四点，是加强技术创新，技术创新主要是电子设备和自动化传感器、以及平台软件等关键技术方面的创新，有些需要引进国外的，同时也需要国内的企业参与研发我们自己需要的设备。第五点，是标准化，标准化不可忽略，很重要，机联网也会涉及到若干标准。第六点，加强安全保障，这是重点提了，尤其是涉及国计民生的重点领域。我们想想，车间里面都是机器人，数据都是工业4全文共7页，当前为第4页。可以传到后台服务器上的，斯诺登对美国的监控事件曝光之后，中国很担忧。我们从日本引进来机器人以后，是不是通信协议是私有的，如果不公开，我们想修改就不行；从欧洲买来一个机器设备之后，数据传到哪些地方都不知道，甚至我们生产过程当中的数据、参数、故障，保存在机器里面，等维修的时候给我们取走了，我们也不知道。这需要我们现在制定这方面的安全许可，网络检测手段，包括现在的底层系统安全，进网入口安全，很可能以后买机器人不是像今天这样想买就能买了，以后可能像手机一样，需要入网许可，否则，你的设备就不能联网。工业4全文共7页，当前为第4页。

机联网设备主要分四种类型：第一类是数控机床联网，这是众多工厂的设备；第二类是行业专用设备联网。义乌做服装和织布的厂，都有自动化生产线，跟他们进行交流，织布参数怎么检测，线断了之后能否自动接上，现在线断了就报警和停机，需要人工接上后再继续运行，是不是可以做一些自动化的设备来实现自动接线、取线轴等。第三类是工厂大型生产机器设备联网，这里面包括了户外的工程机械，挖掘机，也做一些GPS定位，故障检测。第四类是工厂辅助设备，空调和灯怎么节能。这四大类型设备都需要联网。

机联网云服务解决方案

如何把机联网具体实施起来？我们设计了一套云计算、云服务平台的解决方案，这个方案当中，跟通用物联网的方案基本差不多，但是细节不完全一样，内容也不完全一样，因为把物联网大概念具体化到工业4.0了。工业企业中的机器机床都要进行联网，这其中有些标准需要统一，有些新的传感器需要研发，有些新的网络协议需要制定；还有户外的挖掘机，其他的一些工程机械设备也需要联网，可能自己也有一些专用的传感器或者网关控制器；后台是云服务系统；最上面是应用终端设备，这是整体网络结构。

在整个方案中，分成三层，物联网的底层是数据采集，这里具体化就是机联网层，是机器设备的联网，设备的联网细化到工业流程当中，也可能细化到机床设备当中的一个点上，包括了摄像头和各种传感器；也可能还有一些协议不是通用的，也可能利用WIFI，也可能是Zigbee，目前各种协议都有，这是机器联网中最复杂的一块。不同企业的协议不同，标准不同，基本处于混沌状态。我们需要做网关控制器，各个分厂区域中的数据采集出来之后，通过网关往上传，网关不是一般的家里上网那样简单的网关，后面可以看到有好几个功能。机联网层上面是云计算平台层，有些数据在机联网层直接处理了，还有一些数据到后台服务器上，进行数据分析、挖掘之后再处理。最后是应用，应用这一层大家比较容易理解，不多解释。工业4全文共7页，当前为第5页。工业4全文共7页，当前为第5页。

云服务平台层，有很多工作需要做，这里面分了几大部分。一个是云基础设施服务，在相关的服装行业或者钢铁厂，可以统一建立一个大的云平台，这个服装厂那个服装厂的数据都会传到这里来，政府和企业拿钱建一个平台，也可能这个服装厂不想要服务器，就是远程服务，数据传过来就可以。广东省今年7月18号进行了一个能源管理系统的项目招标，就是全省的管控系统，各个能耗企业需要实时或定期上传相关数据。

解决方案中，除了物联网的三层，还有两个循环控制：第一个是小循环，就是有些信息需要本地实时处理，比如说，车间设备出了故障，会立马进行反馈，反馈当场处理掉，不需要人工干预，比如说空调温度到26度以上，超出了节能控制阈值，控制器就可以自动降温，大型的生产设备当中，也是要进行设定它的一些阈值条件，基本上不需要人工。第二个是大的循环，实际上是大数据分析，当数据传到后台服务器，经过远程分析之后发现某一个流程有异常，比如特别耗能、或太耽误时间(耗时)，这时就需要优化，要进行重新设计这个流程，提一些优化改进方案。如果数据显示，这个流程花一个小时，那个流程花三个小时，下一个工序等着上面的工序很久，这就需要优化。把数据统一传上来，采用大数据分析来实现的，这是流程的优化管控，这是大的循环。所以，该方案中分两级控制，很好地解决了实时监控和远程优化监控。

在具体实施中，涉及到哪些研发内容呢？主要包含两个方案，一个是机联网方案，要有效连接机器设备；一个是云服务方案，可以与通用的IAAS、PAAS的云服务相结合，生产企业需要哪些内容，平台放哪些内容进去就可以提供服务。这里的关键技术，我们想来想去，机器设备联网协议，这可能是一个难题，我们经常讨论这个问题，很难有一个很好的解决方案。还有就是云计算技术、大数据技术、还有空间信息技术、多维呈现技术，移动终端技术等。比如车载设备都在移动，车上的人也在移动，怎么做一个移动终端，可能是手机，也可能配单独的终端设备，比如给医院医生配单独的Pad，上面有相应的软件，有一个传感器可以检测，不同岗位配不同的终端设备，如果能及时传到手机上更好，由于安全原因，手机平时是私人的，不能完全依赖，多数工厂可能需要给相关人员单独配备终端设备。

在总体内容中，包含两个解决方案、七项关键技术、三项行业标准，这里有三方面的硬件开发，软件系统有六个。正如安司长讲的，这是一个大系统，是系统的系统，大系统包工业4全文共7页，当前为第6页。含若干子系统。

硬件的开发包含三大部分。第一类硬件是新型传感器，根据某些行业的需求研发新型传感器，并不是一个摄像头就能解决，有些传感器，比如温度、湿度、压力传感等可能还有特殊的需求，现在已经碰到了这样的需求。

第二类硬件是新型融合通信网关，这里的网关，与一般家庭里上网的路由器不太一样，我们列出了三大功能：第一是支持多重协议的网关，WIFI也好，RFID也好，红外也好，工业总线也好，有线无线等等都要支持，我们也在想是不是分开研发，这个盒子就是支持WIFI的，另外一个盒子就是支持Zigbee的，单独做不同的小盒子，但是我们分析之后发现成本并不低，因为设备里面可能放好几个盒子，所以最终很可能是融合通信的网关，需要同时支持多种连接方式，有好几份协议。第二是具备反馈控制的智能控制终端，不仅仅是路由器，还要反馈控制，需要有一套控制策略算法和操作系统的。第三是支持必要的本地化软件服务，实际上是指的前面讲的小循环的本地反馈控制，在大的循环没有的时候，在一定条件下，小循环可以提供监控服务。

第三类硬件是云服务安全认证设备，云服务在提供服务的时候，需要根据工业4.0并结合企业、政府的要求，采用一些指纹等生物特征的识别技术，把可穿戴的技术加进去，提供一些远程服务或者远程的控制，比如说企业的领导，你在外面出差要查看一下公司的运行状况，车间运转是否正常，可能简单的一个密码就可以了；而针对有特殊安全要求场景，查看时则需要进行生物特征识别，这是才可以查看企业的信息。

软件研发内容分为六大子系统：机联网管理控制子系统、云基础设施服务子系统、设备万滚落管理子系统、应用集成子系统、大数据分析子系统、终端服务子系统，主要有这六个方面的子系统。工业4全文共7页，当前为第6页。

在标准方面，首先是机联网的协议，要求不同设备能进行统一的协作，需要有方案来实现设备的自识别、自适应。还要做一些数据传输的标准，这个数据怎么组织，怎么去访问，这块要进行考虑。省里面要求上报哪些数据，上报之后有哪些可以进行识别，数据怎么设计的，这方面有哪些标准也需要研究。还有云服务，为政府提供数据服务，政府怎么访问平台的接口，这块也需要制定标准。

把这些问题都讨论清楚，我们可以给出技术路线和一些步骤来具体实施：先进行总体规划，然后研发关键技术和平台，最后集成应用。智造企业的机联网云服务方案，基本内容就这些，这是目前正在做的。通过这些工作，最终把机器设备连