工業(yè)4.0離我們還有多遠(yuǎn)？

亓臻

現(xiàn)如今，工業(yè)4.0這一概念在工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域、會議、論文中隨處可見，那么究竟什么是工業(yè)4.0？工業(yè)4.0這一概念最初于2011年在德國漢諾威市提出，并引發(fā)了激烈的討論，美國通用電氣也曾提出類似工業(yè)4.0的概念——工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。雖然工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)層面與工業(yè)4.0相類似，但它不僅應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，還應(yīng)用于智能電網(wǎng)等領(lǐng)域?，F(xiàn)如今各種各樣工業(yè)4.0的定義不僅沒有讓大眾理解透徹，反而引起了諸多混亂。沸沸揚(yáng)揚(yáng)的炒作更是加重了大眾的困惑，使大眾看不到工業(yè)4.0的應(yīng)用前景在哪兒。其實(shí)，工業(yè)4.0可以看做第四次產(chǎn)業(yè)革命，即物聯(lián)信息系統(tǒng)（Cyber—PhysicalSystem簡稱CPS）在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。本文以一種簡單清晰的方式讓大眾了解工業(yè)4.0的本質(zhì)，闡述工業(yè)要想成功所必需具備的基本條件。

一、工業(yè)1.0-3.0

在過去的200多年歷史中，我們完成了從工業(yè)1.0到工業(yè)3.0的跨越。在十八世紀(jì)八十年代，蒸汽機(jī)驅(qū)動的機(jī)械織布機(jī)引發(fā)了第一次產(chǎn)業(yè)革命，織布生產(chǎn)從家庭個人生產(chǎn)轉(zhuǎn)為中央大工廠，生產(chǎn)率得到了極大的提高。第二次產(chǎn)業(yè)革命發(fā)生于100多年前美國俄亥俄州的屠宰場，隨著傳送帶的出現(xiàn)和流水線的產(chǎn)生，生產(chǎn)效率在美國福特T型車的生產(chǎn)中達(dá)到巔峰，引發(fā)了又一場生產(chǎn)率大爆炸。1969年，莫迪康研發(fā)出第一款可編程控制器，可對自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字編程，實(shí)現(xiàn)了從第三次產(chǎn)業(yè)革命的跨越。時至今日，可編程控制器仍廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代自動化系統(tǒng)工程中，極大提高了自動化系統(tǒng)的靈活性與高效性。顯然工業(yè)4.0概念的提出者欲打造另一場產(chǎn)業(yè)革命，這究竟是一場炒作，還是未來的趨勢，現(xiàn)在還無法回答，但可以肯定，它是未來產(chǎn)業(yè)新格局，有突破前三次產(chǎn)業(yè)革命的潛力。

二、工業(yè)4.0——背景和技術(shù)支持

工業(yè)4.0的技術(shù)背景是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的結(jié)合。盡管工業(yè)4.0還未到來，但其所需要的技術(shù)已經(jīng)基本成熟，只是很多技術(shù)還未引入工業(yè)領(lǐng)域。所謂工業(yè)4.0是指利用物聯(lián)信息系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem簡稱CPS）將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達(dá)到快速、有效、個人化的產(chǎn)品供應(yīng)。下面的幾個前提會幫助讀者更好地理解CPS這一概念。前提1：通訊設(shè)施價格的降低使其在生產(chǎn)系統(tǒng)中大量引用成為可能，其在產(chǎn)品配置、服務(wù)、診斷、售后、現(xiàn)場設(shè)備、加工等場合的運(yùn)用構(gòu)成了未來的生產(chǎn)體系。這種趨勢是發(fā)展的必然，并且此時此刻正在發(fā)生。前提2：生產(chǎn)設(shè)備、車間、工廠（甚至是家庭工廠）會逐步接入網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)或私人生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)）。這些生產(chǎn)實(shí)體在網(wǎng)絡(luò)中作為數(shù)據(jù)對象，數(shù)據(jù)被實(shí)時存儲，供工作人員搜索、開發(fā)、分析。前提3：生產(chǎn)設(shè)備、車間、工廠（甚至是家庭工廠）都可以將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲于網(wǎng)絡(luò)中，每一臺設(shè)備有自己的標(biāo)識，它們可以存儲文件、3D模型、仿真模型、加工參數(shù)等。這些數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程中實(shí)時更新，以供工作人員獲取最新數(shù)據(jù)。除此之外，不同的程式還可驅(qū)動相應(yīng)實(shí)體對象完成協(xié)商功能、探索功能等，數(shù)據(jù)對象和實(shí)體設(shè)備之間進(jìn)行交互，形成一種數(shù)據(jù)體，為不同的應(yīng)用奠定了知識基礎(chǔ)。為了讓讀者更好地理解上述三個前提，這里舉一個例子：現(xiàn)如今交通指示燈要么相互之間獨(dú)立運(yùn)作，要么由中央交通控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。而作為物聯(lián)信息系統(tǒng)（CPS），每一個實(shí)體交通指示燈在網(wǎng)絡(luò)中都有自己的特定標(biāo)識，并提供當(dāng)前指示燈的顏色和變化規(guī)律?；谶@些數(shù)據(jù)，未來的汽車可以提前預(yù)判下個路口交通指示燈的顏色變化，從而調(diào)整車速，或者開啟、關(guān)閉引擎從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。未來的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前每一輛車的位置，目的地和交通擁堵等情況來優(yōu)化行車路線。同時車輛將自己當(dāng)前車速、位置、目的地反饋到網(wǎng)絡(luò)中，交通指示燈根據(jù)大量反饋數(shù)據(jù)對交通指示燈變化規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，從而優(yōu)化交通流量，通行效率。上述場景并沒有應(yīng)用全新科技，它只是將現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行整合，通過大數(shù)據(jù)的分析、優(yōu)化，延伸出新業(yè)務(wù)和模型。并且通過與第三方服務(wù)相結(jié)合，如天氣、日歷、支付服務(wù)、定位、歷史數(shù)據(jù)等，使未來變得具有無限可能?？偨Y(jié)一下，物聯(lián)信息系統(tǒng)（CPS）共有三層結(jié)構(gòu)（見圖1）：

物理實(shí)體（本例中的交通指示燈、汽車）；物理實(shí)體在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)模型；基于該數(shù)據(jù)的服務(wù)。

基于這個概念的工廠會是什么樣的呢？原料、零件、產(chǎn)品以及工業(yè)生產(chǎn)中的其他實(shí)體都在互聯(lián)網(wǎng)中有著自己的標(biāo)識，它們彼此之間可以相互協(xié)商、聯(lián)通或模仿，將系統(tǒng)重新整合、優(yōu)化。系統(tǒng)的自優(yōu)化算法將引起生產(chǎn)規(guī)劃的變革，如貨物可以自選擇進(jìn)入最優(yōu)化生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)效率。革新并不僅限于技術(shù)層面，而是新的運(yùn)維模式、服務(wù)最終得到個性化商品。

三、工業(yè)要求

自2008年之后，國內(nèi)成本優(yōu)勢加速殆盡，新的競爭優(yōu)勢尚未形成，但與此同時，中國也正加速產(chǎn)業(yè)調(diào)整。中國政府今年推出了中國版“工業(yè)4.0”規(guī)劃的《中國制造2025》，力爭用十年時間，從制造大國邁入制造強(qiáng)國行列。但現(xiàn)階段推行過程中，需要遵循如下基本原則：

保障投資：工業(yè)4.0必須循序漸進(jìn)地引入現(xiàn)有工廠。生產(chǎn)穩(wěn)定性：工業(yè)4.0既不能干擾生產(chǎn)，也不能打斷生產(chǎn)。生產(chǎn)系統(tǒng)對實(shí)時性、可靠性、有效性、魯棒性有著嚴(yán)苛的要求。數(shù)據(jù)保密性：為保護(hù)公司機(jī)密，與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)與服務(wù)必須嚴(yán)格控制訪問權(quán)限。網(wǎng)絡(luò)安全性：工業(yè)4.0必須禁止未授權(quán)用戶登錄生產(chǎn)系統(tǒng)，防止設(shè)備和經(jīng)濟(jì)受到損失，對工作人員安全構(gòu)成威脅。

任何工業(yè)4.0的項目都需要在以上三個原則下進(jìn)行。在工業(yè)4.0推行過程中，還需要相關(guān)企業(yè)、組織來完成前期的標(biāo)準(zhǔn)制定，建立統(tǒng)一的“接口”來使設(shè)備之間進(jìn)行通訊?；仡櫱叭喂I(yè)革命是在機(jī)械化、規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化和自動化等方面大幅提高生產(chǎn)力，而工業(yè)4.0不再以制造端的生產(chǎn)力需求為起點(diǎn)，而是將用戶端的價值需求作為產(chǎn)業(yè)鏈的出發(fā)點(diǎn)，其本質(zhì)是工業(yè)視角的轉(zhuǎn)變。

總結(jié)

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，中國制造業(yè)存在無限的想象空間。工業(yè)4.0是物理實(shí)體、虛擬ID和應(yīng)用服務(wù)三者的結(jié)合。我們相信工業(yè)4.0是一匹黑馬，期待致力于工業(yè)4.0的團(tuán)體和組織能夠克服遇到的挑戰(zhàn)。

（作者單位：萊蕪技師學(xué)院）