學(xué)習(xí)德國工業(yè)4.0、中國智能制造講座(連載一)

王至堯

(中國空間技術(shù)研究院)

王至堯，研究員，主要專業(yè)為特種加工和航天器材料與工藝，現(xiàn)任中國空間技術(shù)研究院研究員、中國航天科技集團(tuán)產(chǎn)品工程特聘專家。曾任北京控制工程研究所副所長、中國空間技術(shù)研究院產(chǎn)品質(zhì)量總師、 中國空間技術(shù)研究院材料與工藝專家組組長。1987年超厚工件電火花切割新工藝獲國家發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，1990年獲航空航天部有突出貢獻(xiàn)中青年專家，1991年享受國務(wù)院政府特殊津貼。1987年通信衛(wèi)星發(fā)射成功，榮立二等功，2003年神舟飛船發(fā)射成功，榮立一等功。2005年獲全國優(yōu)秀科技工作者終身獎(jiǎng)。

1智能制造定義

“智能”的含義很廣，其本質(zhì)有待進(jìn)一步探索，但一般可作這樣的表述：它至少應(yīng)具備人機(jī)交互與虛擬現(xiàn)實(shí)、識(shí)別與優(yōu)化控制、柔性與自組織、故障診斷與自維護(hù)、自學(xué)習(xí)與自律的能力。

智能制造的內(nèi)涵是針對(duì)產(chǎn)品、裝備與設(shè)施的設(shè)計(jì)制造過程，利用信息感知、決策判斷和安全執(zhí)行等先進(jìn)智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造產(chǎn)品、制造工具與制造環(huán)境以及制造工人等資源的最佳組織與優(yōu)化配置，達(dá)到由人類專家與智能機(jī)器共同組成的人機(jī)系統(tǒng)去擴(kuò)大、延伸和部分取代人類在制造過程中體力與腦力勞動(dòng)的目的。智能制造裝備定義、特征及范圍如圖1-1所示。

制造智能化不僅是單元技術(shù)的集成，也是一種以知識(shí)為核心、面向客戶定制化、個(gè)性化需求、管理扁平化、生產(chǎn)組織更為柔性的制造模式創(chuàng)新。智能制造可以提高能源和材料的利用效率、降低污染排放、提升產(chǎn)品性能、文化知識(shí)含量及技術(shù)附加值，增強(qiáng)市場響應(yīng)能力，提高生產(chǎn)質(zhì)量、效率和安全性?？梢灶A(yù)見，今后將是智能制造獲得大發(fā)展和廣泛應(yīng)用的時(shí)代，智能制造將引發(fā)制造業(yè)的重大變革，甚至是革命性變化。

圖1-1　智能制造裝備定義、特征及范圍

2德國工業(yè)4.0 內(nèi)涵

德國工業(yè)4.0 內(nèi)涵包括建設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：CPS; 研究兩大主題：智能工廠和智能生產(chǎn);實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成：橫向集成、縱向集成與端對(duì)端的集成;實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃：標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)、復(fù)雜系統(tǒng)的管理、一套綜合的工業(yè)基礎(chǔ)寬帶設(shè)施、安全和安保、工作的組織和設(shè)計(jì)、培訓(xùn)和持續(xù)性的職業(yè)發(fā)展、法規(guī)制度、資源效率; 八項(xiàng)優(yōu)先行動(dòng)和支撐的組織機(jī)構(gòu) 。

2.1建設(shè)CPS網(wǎng)絡(luò)

虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界在工業(yè)領(lǐng)域中的高度融合，是工廠、機(jī)器、生產(chǎn)資料、信息系統(tǒng)和人通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度聯(lián)結(jié)。CPS網(wǎng)分為上、中、下三層：上層為互聯(lián)網(wǎng)、中間層為管理信息化、最下層為工業(yè)自動(dòng)化， 三者在端上融合， 形成CPS信息物理網(wǎng)。制造業(yè)CPS要素如圖2-1所示。

圖2-1　制造業(yè)CPS要素

德國“工業(yè)4.0” 概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，如圖2-2所示。

圖2-2　第四次工業(yè)革命

從圖2-2可知，第一次工業(yè)革命是1784年，機(jī)械紡紗機(jī)的誕生；第二次工業(yè)革命是1870年，第1臺(tái)傳送帶的使用；第三次工業(yè)革命是1969年，PLC的誕生；第四次工業(yè)革命預(yù)計(jì)到2030年，工業(yè)4.0。一次工業(yè)革命幾十年或近百年，工業(yè)的發(fā)展是長期的、漸進(jìn)性的創(chuàng)新過程、經(jīng)過長期的量變發(fā)展到質(zhì)變，并最終實(shí)現(xiàn)飛躍。德國認(rèn)為，第四次工業(yè)革命至少15年才能真正興起，所以第四次工業(yè)革命序幕剛剛拉開，嚴(yán)格的講，工業(yè)4.0還是“將來時(shí)”，是德國“高技術(shù)戰(zhàn)略2020”戰(zhàn)略計(jì)劃之一，是由德國主流企業(yè)、IT廠商、科研機(jī)構(gòu)和行業(yè)協(xié)會(huì)等組織共同實(shí)施，政府僅資助2億歐元。從中我們應(yīng)得啟示如下。

1)蒸汽機(jī)、火車、輪船和工作機(jī)械的設(shè)計(jì)制造引發(fā)的第一次工業(yè)革命，將農(nóng)耕時(shí)代的手工藝制造文明推進(jìn)到以工廠化、批量化和規(guī)模化為特征的機(jī)械制造文明。

2)電機(jī)電器、電力系統(tǒng)，汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等發(fā)明與設(shè)計(jì)制造引發(fā)的第二次工業(yè)革命，將制造文明推進(jìn)到電氣化、自動(dòng)化階段。

3)啟始于20世紀(jì)中葉的半導(dǎo)體、IC、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場總線等技術(shù)與應(yīng)用，將制造文明推進(jìn)到數(shù)控柔性制造階段。

4)全球?qū)拵?、云?jì)算、云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)、增材制造、精密成形和納米技術(shù)等為制造文明進(jìn)化提供了創(chuàng)新技術(shù)驅(qū)動(dòng)和全新信息網(wǎng)絡(luò)—物理環(huán)境。

5)全球市場多樣化、個(gè)性化需求，資源環(huán)境壓力，以及氣候變化等成為制造文明轉(zhuǎn)型新的需求動(dòng)力，全球金融危機(jī)加快了制造文明轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

德國工業(yè)4.0是一種新型生產(chǎn)模式，把傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法計(jì)算機(jī)化，從而打造出一個(gè)“智能化”工廠。 利用萬能的數(shù)字化將經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中所有生產(chǎn)單元連接起來，并將供貨商、用戶和業(yè)務(wù)伙伴的全過程集成起來。汲及到信息物理系統(tǒng)與制造，物流技術(shù)融合，以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和服務(wù)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用。能對(duì)客戶要求快速和靈活做出反應(yīng)，在小批量生產(chǎn)情況下生產(chǎn)既經(jīng)濟(jì)又高質(zhì)量產(chǎn)品。CPS網(wǎng)絡(luò)如圖2-3所示。

圖2-3　CPS網(wǎng)絡(luò)

美國是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域絕對(duì)領(lǐng)先者，是標(biāo)準(zhǔn)的制定者。作為制造業(yè)的強(qiáng)國，德國希望通過引領(lǐng)全球工業(yè)發(fā)展趨勢，進(jìn)而在全球競爭中獲得先機(jī)，所以工業(yè)4.0體現(xiàn)的是德國的國家競爭力和德國產(chǎn)業(yè)界的共同利益，目標(biāo)是成為全球智能制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)制定者。德國在機(jī)械制造、工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)軟件等方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢，希望通過建立廣泛的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，將龍頭企業(yè)的競爭優(yōu)勢提升到國家競爭層面。

我們應(yīng)讀懂工業(yè)4.0內(nèi)涵和工業(yè)4.0創(chuàng)新戰(zhàn)略，其愿景包括滿足用戶個(gè)性化需求，靈活性，決策優(yōu)化，提高生產(chǎn)率和資源利用率，通過新的服務(wù)創(chuàng)造價(jià)值，應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力市場的變化，實(shí)現(xiàn)工作與生活平衡，以及即便在保持高工資的前提下仍然具有全球競爭力等八個(gè)方面。因?yàn)榈聡媾R人口老齡化、工會(huì)力量強(qiáng)大、高福利和經(jīng)濟(jì)增長乏力等巨大壓力，因而亟待通過信息化、自動(dòng)化和智能化來減少對(duì)人工的依賴，進(jìn)一步提升勞動(dòng)的生產(chǎn)率和企業(yè)的盈利能力。

2.2智能生產(chǎn)和智能工廠

德國工業(yè)4.0的重點(diǎn)是創(chuàng)造智能產(chǎn)品、程序和過程。其中，智能工廠構(gòu)成了工業(yè)4.0的一個(gè)關(guān)鍵特征。智能工廠能夠管理復(fù)雜的事物，不容易受到干擾，能夠更有效地制造產(chǎn)品。在智能工廠里，人、機(jī)器和資源如同在一個(gè)社交網(wǎng)絡(luò)里一般自然地相互溝通協(xié)作。

智能產(chǎn)品理解它們被制造的細(xì)節(jié)以及將被如何使用。它們積極協(xié)助生產(chǎn)過程，回答諸如“我是什么時(shí)候被制造的”“哪組參數(shù)應(yīng)被用來處理我”“我應(yīng)該被傳送到哪”等問題。其與智能移動(dòng)性，智能物流和智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)接，將使智能工廠成為未來智能基礎(chǔ)設(shè)施中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)價(jià)值鏈的轉(zhuǎn)變和新商業(yè)模式的出現(xiàn)。智能生產(chǎn)和智能工廠如圖2-4所示。

圖2-4　智能生產(chǎn)和智能工廠

2.2.1智能制造

沒有工業(yè)軟件，就沒有工業(yè)4.0,工業(yè)4.0智能制造與軟件技術(shù)相實(shí)聯(lián)，工業(yè)4. 0是基于“信息物理系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)“智能工廠”。

在生產(chǎn)設(shè)備層面，通過嵌入不同的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，通過寬帶網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行精確控制。

在生產(chǎn)管理層面，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、 寬帶網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)軟件和管理軟件等一系列技術(shù)構(gòu)成服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的信息感知、網(wǎng)絡(luò)通信、精確控制和遠(yuǎn)程協(xié)作。

通過各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、輔助制造(CAM)、輔助分析(CAE)、輔助工藝(CAPP)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理過程的智能化以及網(wǎng)絡(luò)化管理和控制，對(duì)應(yīng)工業(yè)4.0生產(chǎn)管理中的應(yīng)用，包括了(PDM) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、(SCM)產(chǎn)業(yè)鏈管理，(PLM)產(chǎn)品生命周期管理和(CAD)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等軟件系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 從供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理和企業(yè)管理等4個(gè)維度，提升“物理世界”中的工廠/車間的生產(chǎn)效率，優(yōu)化生產(chǎn)工程。

能將分散的各種信息匯總分析，解決產(chǎn)品生命周期不斷縮短、物流產(chǎn)貨周期不斷加快及客戶訂制的多樣化問題，為制造工藝帶來決定性的影響。可以說，工業(yè)軟件支撐了絕大部分生產(chǎn)制造過程，將出現(xiàn)智能制造新浪潮，傳統(tǒng)行業(yè)界限將消失，產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)鏈、不再是制造業(yè)硬件制造概念，更多融入軟件技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)與新的服務(wù)模式。

2.2.2大數(shù)據(jù)

產(chǎn)品生命周期相關(guān)的元素全部集成起來， 自然產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)，CPS推廣、生產(chǎn)中各種傳感器使用、生產(chǎn)設(shè)備、感知設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)終端、包括生產(chǎn)者本身源源不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，滲透到企業(yè)運(yùn)營、價(jià)值鏈及產(chǎn)品整個(gè)生命周期，應(yīng)是工業(yè)4.0基石。嚴(yán)格上講，原有的ERP、PDM數(shù)據(jù)算不上大數(shù)據(jù)，生產(chǎn)車間工業(yè)自動(dòng)化以及產(chǎn)品在使用過程當(dāng)中的數(shù)據(jù)是真正大數(shù)據(jù)，而且對(duì)企業(yè)發(fā)展更有價(jià)值。

2.3實(shí)現(xiàn)橫向、縱向與端對(duì)端三項(xiàng)集成

橫向集成是企業(yè)間通過價(jià)值鏈以及信息網(wǎng)所實(shí)現(xiàn)的一種資源整合，是為了實(shí)現(xiàn)各企業(yè)的無縫合作，提供實(shí)時(shí)產(chǎn)品與服務(wù)。橫向集成如圖2-5所示。

圖2-5　橫向集成

縱向集成是解決企業(yè)內(nèi)部信息弧島的集成，是基礎(chǔ)縱向集成其實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部所有環(huán)節(jié)信息無縫連接。如圖2-6所示。

圖2-6　縱向集成

端對(duì)端的集成是圍繞產(chǎn)品全生命周期的價(jià)值鏈，創(chuàng)造通過價(jià)值鏈上不同企業(yè)的資源整合，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、物源配置以及使用維護(hù)的產(chǎn)品生命周期的管理和服務(wù)。端對(duì)端的集成如圖2-7所示。

圖2-7　端對(duì)端的集成

2.4實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃

實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃包括標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)、復(fù)雜系統(tǒng)的管理、一套綜合的工業(yè)基礎(chǔ)寬帶設(shè)施、安全和安保、工作的組織和設(shè)計(jì)、培訓(xùn)和持續(xù)性的職業(yè)發(fā)展、法規(guī)制度以及資源效率，具體如圖2-8所示。

圖2-8　實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃

目前，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部長Sigmar Gabriel和聯(lián)邦教育與研究部長Johanna Wanka共同啟動(dòng)了工業(yè)4.0平臺(tái)，這意味著今后兩部委將一起主導(dǎo)工業(yè)4.0的推動(dòng)和實(shí)施。

經(jīng)過德國機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)(VDMA)、德國電氣電子制造商協(xié)會(huì)(ZVEI)和德國信息技術(shù)、電信與新媒體協(xié)會(huì)(BITKOM)共同組織搭建的工業(yè)4.0平臺(tái)成功的運(yùn)行，使得工業(yè)4.0的話題具有更深遠(yuǎn)的政治內(nèi)涵，其本身也經(jīng)歷了一個(gè)由主題到機(jī)構(gòu)的徹底變革。 該平臺(tái)一個(gè)由德國政府部門、企業(yè)、行業(yè)協(xié)會(huì)、工會(huì)、科學(xué)與聯(lián)邦州代表組成戰(zhàn)略組，將承擔(dān)起政治管理的任務(wù)，并多頭協(xié)作。還有一個(gè)由企業(yè)和各工作組負(fù)責(zé)人所組成的指導(dǎo)委員會(huì)，將與以上兩個(gè)政府部門合作，作為負(fù)責(zé)戰(zhàn)略發(fā)展、技術(shù)協(xié)調(diào)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)施的決策機(jī)構(gòu)。

工業(yè)4.0平臺(tái)把它的主要關(guān)注領(lǐng)域分為5個(gè)不同的工作小組：參考架構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)化；研究與創(chuàng)新；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全；法律環(huán)境；工作，教育/培訓(xùn)。

由行業(yè)協(xié)會(huì)搭建的平臺(tái)迄今所取得的成就，以及其前景、目標(biāo)和對(duì)未來的規(guī)劃，將在2015年4月漢諾威展覽會(huì)的工業(yè)4.0平臺(tái)啟動(dòng)儀式上展示。工作組的有形成果將在今年年底的信息技術(shù)峰會(huì)上發(fā)布。

2.5八項(xiàng)優(yōu)先行動(dòng)和支撐的組織機(jī)構(gòu)

八項(xiàng)優(yōu)先行動(dòng)如圖2-9所示,支撐的組織機(jī)構(gòu)如圖2-10所示。

圖2-9　八項(xiàng)優(yōu)先行動(dòng)

2.6德國工業(yè)4.0的核心特征

德國工業(yè)4.0的核心特征如下。

1)德國工業(yè)4.0隱藏著復(fù)雜的技術(shù)革命，它有能力改造整個(gè)價(jià)值鏈。將在制造領(lǐng)域的所有因素和資源間形成全新的社會(huì)—技術(shù)互動(dòng)。為中小企業(yè)服務(wù)，資源共享,導(dǎo)致傳統(tǒng)價(jià)值鏈的轉(zhuǎn)變和新商業(yè)模式的出現(xiàn)。

2)工業(yè)4.0的重點(diǎn)是創(chuàng)造智能產(chǎn)品、程序和過程。產(chǎn)品具有獨(dú)特的可識(shí)別性，可以在任何時(shí)候被分辨出來。

3)在未來，工業(yè)4.0將有可能使有特殊產(chǎn)品個(gè)性需求的客戶直接參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、構(gòu)造、預(yù)訂、計(jì)劃、生產(chǎn)、運(yùn)作和回收各個(gè)階段。通過服務(wù)水平協(xié)議來進(jìn)一步拓展相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和特定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

4)工業(yè)4.0的實(shí)施將使企業(yè)員工可以根據(jù)形勢和環(huán)境敏感的目標(biāo)來控制、調(diào)節(jié)和配置智能制造資源網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)步驟。

5)工業(yè)4.0的實(shí)施，目的是要擬定出一個(gè)最佳的一攬子計(jì)劃，保留現(xiàn)有制造業(yè)體系的核心價(jià)值將是一個(gè)關(guān)鍵，通過充分利用高技能、高效率并且掌握技術(shù)訣竅的勞動(dòng)力優(yōu)勢來形成一個(gè)系統(tǒng)的創(chuàng)新體系，以此來促進(jìn)現(xiàn)有的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)潛力。

6)德國工業(yè)4.0具有自調(diào)適功能的智能化，能在設(shè)計(jì)制造過程中根據(jù)變化情況，利用大數(shù)據(jù)分析工具與智能軟件及時(shí)作出調(diào)整，能夠在第1次就提供性能、價(jià)格和質(zhì)量都符合要求的產(chǎn)品，同時(shí)使制造過程達(dá)到最小污染，這也是制造業(yè)追求的最高境界。

(待續(xù))