信息物理融合 迎接第四次工業(yè)革命
文/陸 穎
解讀德國《未來項目“工業(yè)4.0”落實建議》
當前,全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加快興起。為進一步搶占未來發(fā)展先機,德國政府于2012年10月研究制訂了《未來項目“工業(yè)4.0”落實建議》,重點支持信息技術與工業(yè)技術的深度融合,提升制造業(yè)的全球競爭力。本文基于上海市軟科學研究基地—前沿技術發(fā)展研究中心的研究成果,對德國《未來項目“工業(yè)4.0”落實建議》進行了解讀,以期對上海的發(fā)展提供借鑒。
德國專家認為,世界經(jīng)濟正處于第四次工業(yè)革命的開端,在物聯(lián)網(wǎng)等技術的推動下,以產(chǎn)品達到高度個性化、客戶與業(yè)務伙伴間實現(xiàn)廣泛交互、產(chǎn)品與高品質(zhì)服務相耦合為特征的“工業(yè)4.0”時代即將到來。為進一步搶占未來發(fā)展先機,德國政府依據(jù)2010年7月頒布的《思想?創(chuàng)新?增長—德國2020高技術戰(zhàn)略》,將“工業(yè)4.0”確定為十大“未來項目”之一。
具有強烈危機意識的德國人在《工業(yè)4.0》中指出,德國的工業(yè)生產(chǎn)正迎來技術上的里程碑:由物聯(lián)網(wǎng)等新興技術推動的第四次工業(yè)革命;這一革命時代的重大技術基礎是信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystem,CPS)。CPS系統(tǒng)將推動生產(chǎn)對象直接或借助互聯(lián)網(wǎng)通過M2M(Machine -to-Machine,機器對機器)通信自主實現(xiàn)信息交換、運轉(zhuǎn)和互相操控。該模式將在生產(chǎn)制造、工業(yè)工程、原料利用、供應鏈管理以及生命周期管理上使工業(yè)流程得到極大的進步,同時也形成了新的工業(yè)化模式:工業(yè)4.0。
為在新工業(yè)革命中占據(jù)先機,《工業(yè)4.0》提出,德國要通過“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的實施,在信息物理融合系統(tǒng)的基礎上,打造由智能化的機械、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)手段構(gòu)成的并應用于智能工廠的“網(wǎng)絡物理融合式生產(chǎn)系統(tǒng)”(Cyber-Physical Production Systems,CPPS),使德國成為新一代工業(yè)生產(chǎn)技術的供應國和主導市場的核心力量,進一步提升全球競爭力。
上述目標主要著眼于兩個層面:一方面,運用CPPS系統(tǒng)有助于提高生產(chǎn)制造效率,鞏固德國制造業(yè)大國的地位。另一方面,CPPS技術的發(fā)展將有助于德國企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品,形成出口新模式。
其中,目標的核心載體是智能工廠(Smart Factory),即分散的、具備一定智能化的生產(chǎn)設備,在實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互之后,就形成了高度智能化的有機體,實現(xiàn)虛擬世界和物理世界的融合。與以往生產(chǎn)模式相比,智能工廠意味著:資源利用率的顯著提高,個性化產(chǎn)品的入庫和流通周期的大大縮短;產(chǎn)品實時圖像顯示的虛擬生產(chǎn)能夠有效減少浪費。需要指出的是,智能工廠并非無人化,人是工廠中實現(xiàn)交互的核心,是進行決策和流程優(yōu)化的實施者,在CPPS和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡部件的設計、安裝、更新和保養(yǎng)維修中扮演重要角色。
目標分為四個子目標。一是新方法,即開發(fā)智能化生產(chǎn)技術的方法,提高本國資源利用率和靈活度,為全球市場提供創(chuàng)新型產(chǎn)品;二是新技術,優(yōu)化既有的、發(fā)明新的自動化技術,維持德國在自動化領域中的全球競爭優(yōu)勢;三是新需求,鑒于人口結(jié)構(gòu)和各年齡段工作安排的變化,通過生產(chǎn)、工程和生產(chǎn)環(huán)境的智能化,保證經(jīng)營場地和用工滿足需求;四是新模式,在智能工廠中創(chuàng)造新的組織協(xié)作模式,提高工作質(zhì)量,優(yōu)化工作關系,為個體實現(xiàn)自我發(fā)展創(chuàng)造機會。
《工業(yè)4.0》提出的重大任務主要包含兩大主題,一是“智能工廠”,重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程,以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn);二是“智能生產(chǎn)”,主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。圍繞上述兩大主題,主要分為以下任務。
一是建成制造過程融合化和網(wǎng)絡化的生產(chǎn)系統(tǒng)。推進智能化傳感技術研發(fā)和完整連貫的數(shù)據(jù)構(gòu)建與應用,重點實現(xiàn):智能工廠的自主監(jiān)控,如生產(chǎn)的連續(xù)性虛擬圖像以及識別和預測突發(fā)情況;維修保養(yǎng)也能實現(xiàn)自主管理,如自動識別機器失靈、質(zhì)量偏差以及產(chǎn)品要求變化等突發(fā)情況;過程中材料的現(xiàn)狀和損耗能被持續(xù)性監(jiān)控并發(fā)出預警。具體著眼于:(1)模塊化和系統(tǒng)性再利用:CPPS靈活性和可重組性的展現(xiàn)。該任務實施中,注重跨學科領域的研究是重要指導原則。(2)實現(xiàn)智能化、靈活性和可變性:這要求生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化達到新的高度,加快推進和研發(fā)新材料技術、信息技術以及相關智能技術。(3)可聯(lián)網(wǎng)的實時傳感器和執(zhí)行器的生產(chǎn)性開發(fā):這項任務將重點應對該領域技術的開發(fā)過程中,面臨的來自成本、算法和信息技術等方面的挑戰(zhàn)。
二是強化生產(chǎn)制造中ICT技術的創(chuàng)新和應用。通過智能工廠相關的信息物理融合系統(tǒng),智能生產(chǎn)系統(tǒng)以及基于人工智能系統(tǒng)與智能傳感器的生產(chǎn)管理等項目的推進,深度應用ICT(信息、通信技術),總體掌控從消費需求到生產(chǎn)制造的所有過程,由此實現(xiàn)高效生產(chǎn)管理。與此同時,擴建網(wǎng)絡(包括電網(wǎng)、英特網(wǎng)),建立完備的網(wǎng)絡基礎設施,加快推進信息、通信等技術的融合,全面支撐CPPS系統(tǒng)的構(gòu)建。
三是構(gòu)建標準化和規(guī)范化的模式。推廣共同的技術接口和標準,加快實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)和物流企業(yè)之間的互聯(lián)。強化英特網(wǎng)傳輸標準(如TCP/IP協(xié)議,網(wǎng)絡服務等),通過實現(xiàn)世界性的互聯(lián)以及信息技術全球化,實現(xiàn)創(chuàng)新信息資源的共享和流動。積極參與國際標準化組織的相關工作,在全球推廣公開、透明、迅捷的標準化模式。重點以先進的智能生產(chǎn)系統(tǒng)和強大的信息處理系統(tǒng)為平臺加快升級,應對系統(tǒng)、產(chǎn)品和制造的網(wǎng)絡化技術挑戰(zhàn)。
四是構(gòu)建基于人機交互的新型企業(yè)組織模式。重點推進多媒體技術、社會媒體技術、云技術、辦公室終端設備(平板電腦、智能電話、以太網(wǎng)),以及新型自適應輔助系統(tǒng)在半導體制造、汽車制造等重點制造企業(yè)的應用,加快實現(xiàn)企業(yè)創(chuàng)新活動的互聯(lián)、廣泛的人機交互和系統(tǒng)交互。根據(jù)這一任務推進的時間節(jié)點,從中短期來看,可以實現(xiàn)制造企業(yè)工作流程在虛擬工作臺與現(xiàn)實工作臺之間的持續(xù)轉(zhuǎn)換;從長期來看,能夠完成企業(yè)產(chǎn)品在虛擬世界中的開發(fā)和制造?!豆I(yè)4.0》認為,該任務的實現(xiàn)對企業(yè)不同人員的素質(zhì)提出了不同的要求:對于生產(chǎn)制造的人員來說,需要加強調(diào)控工作,比如操縱控制、編程、故障調(diào)整、糾錯等。對于研發(fā)部門的工程師來說,更強調(diào)跨學科的交流,尤其是生產(chǎn)技術和信息技術的融合。
五是加強安全性和專有技術的研發(fā)和推廣?!豆I(yè)4.0》認為,IT安全應作為德國國家安全的一部分。為此,應重點推進:(1)加強有效、可靠且具有經(jīng)濟性的保護數(shù)字化的專有技術和工藝研發(fā),重視開發(fā)保護自有知識的新技術和新方法。(2)強調(diào)集成的安全理念、架構(gòu)和標準,在系統(tǒng)的全生命周期中實現(xiàn)應用,推進在自動化、機電工程領域中融入IT、汽車乃至航空航天業(yè)的安全性策略和流程。(3)研究用戶友好型安全解決方案,在開發(fā)安全解決方案時,尤其是設計-開發(fā)落實-運營維護,各個環(huán)節(jié)都需以用戶需求為指向,從而確保用戶使用。(4)開發(fā)獨特且安全的產(chǎn)品、流程和機械身份識別技術。在制造業(yè)領域,實現(xiàn)機械個體、完整的流程、產(chǎn)品、元件和材料都具備獨特的電子身份識別。(5)注重業(yè)務管理中的安全性評估,尤其是設計評估方法,更清楚地分析“工業(yè)4.0”的有關風險,計算與成本效益相關的安全解決方案帶來的效果。
據(jù)德國電子電氣工業(yè)協(xié)會預測:“工業(yè)4.0”的推出將使本國工業(yè)生產(chǎn)效率提高30%?!豆I(yè)4.0》提出了一批建議,旨在落實和推進相關重大任務。
一是設立專職推進工作組。重點分為以下幾個工作組:(1)專職處理標準化和參考體系結(jié)構(gòu)的工作組,其主要職責包括:形成對“工業(yè)4.0”項目的目標、利益、潛力、風險、實施策略與內(nèi)容的理解共識,形成聯(lián)合行動參與方之間的互相信任;梳理調(diào)整相關專業(yè)術語,形成“工業(yè)4.0術語匯編”;繪制自下而上、由細節(jié)到整體的標準化委員會地圖和既有成果地圖;制訂兼顧成本收益和時限、自上而下的工作路線圖;開發(fā)由不同公司共建的“工業(yè)4.0示范社區(qū)”。(2)復雜系統(tǒng)操控建模工作組,其主要職責包括:進行典型性調(diào)查、最佳實踐案例分享;為工具使用者、制造商以及培訓人員搭建公共平臺;制訂適宜的行動方針和行動建議;在建模和系統(tǒng)工程領域開展培訓和再教育活動。(3)專職處理資源生產(chǎn)力和效率問題的工作組,其主要職責包括:示范生產(chǎn)中通過提高資源利用率從而節(jié)約資源的做法;計算和預估通過CPS部署并投入智慧工廠的額外資源以及可以取得的資源節(jié)約潛力;重視各類資源效率相關的指標和KPI(關鍵績效指標)等。這些工作組均是依托德國三大工業(yè)協(xié)會——德國信息技術、通訊和新媒體協(xié)會(BITKOM),德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)以及德國電子電氣制造商協(xié)會(ZVEI)共同建立。
二是實施安全性支撐行動。為進一步強化德國IT安全,將重點采取以下舉措:(1)加快“工業(yè)3.0”向“工業(yè)4.0”過渡。逐步提高既有“工業(yè)3.0”設施的安全性,為“工業(yè)4.0”打下基礎,包括評估現(xiàn)有設施的當前狀態(tài),建立標準化的過程模型,迅速、廉價、務實地落實個性化安全解決方案等。(2)完善知識產(chǎn)權(quán)保護,重點打擊盜版產(chǎn)品,尤其是關注從技術層面、企業(yè)和競爭法層面尋找解決方案。(3)構(gòu)建數(shù)據(jù)保護“社區(qū)”,依托社區(qū)生活、交流的功能,探索相關數(shù)據(jù)保護的新途徑,并將其納入《德國2020高技術戰(zhàn)略》十大未來項目的重要方向。
三是加強人才的培訓和再教育。具體舉措包括:(1)推廣培訓與再教育示范項目。促進職業(yè)培訓、學術培訓以及不同課程之間的靈活互通,并讓學員學習專業(yè)領域之外的其他技能并獲得認證。(2)加強分類培訓和指導,對所有人員,尤其是機械操作員、安全軟件開發(fā)者、工程規(guī)劃師,加強信息安全知識教育,并有效引入高校機構(gòu),加強培訓隊伍建設。(3)建立并推廣“實踐范例網(wǎng)絡”。為保證知識轉(zhuǎn)移的安全性和可持續(xù)性,以競標的形式建立“實踐范例網(wǎng)絡”。該網(wǎng)絡的任務是開發(fā)并記錄案例,實現(xiàn)各類參與人員的互聯(lián),為知識轉(zhuǎn)移提供支持。(4)開發(fā)數(shù)字化學習技術。數(shù)字媒體和數(shù)字化學習將在知識和技能傳授中扮演重要角色,必須開發(fā)適應這一轉(zhuǎn)變的新的教學方式和學習輔助系統(tǒng)。
四是構(gòu)建工業(yè)4.0的法律框架。該框架主要包括責任問題、版權(quán)問題、產(chǎn)品剽竊、IP保護、與壟斷相關的法律問題和數(shù)據(jù)保護等。其目的在于確定首要的行動領域,概述可能的行動舉措,明確法律培訓方面的行動需求?!豆I(yè)4.0》指出,在構(gòu)建法律框架上,需要法律、技術和政策三方形成合力,對參與各方的責任和義務進行界定。同時,該法律框架將注重數(shù)據(jù)的安全性和書面證據(jù)的提供,對數(shù)據(jù)處理外包活動進行立法,對貿(mào)易限制問題特別是加密產(chǎn)品進行談判,技術人員和法律從業(yè)人員將形成合作伙伴關系等。
當前正處在創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中的上海乃至全國,可以借鑒《工業(yè)4.0》的先進理念與做法,及早制定戰(zhàn)略,采取行動,以確立后發(fā)優(yōu)勢。
一是突破關鍵技術和環(huán)節(jié)。加快布局和突破工業(yè)控制系統(tǒng)信息化、三網(wǎng)融合、物聯(lián)網(wǎng)、云計算在內(nèi)的多種新型信息技術的攻關和應用,將智能機器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設施融入到虛擬網(wǎng)絡-實體物理系統(tǒng),實現(xiàn)相互獨立地自動交換信息、觸發(fā)動作和控制。
二是關注創(chuàng)造價值的新方式?!肮I(yè)4.0”,尤其是智能工廠在多變的邊界條件下(如短期內(nèi)多變的需求、庫存以及突發(fā)狀況等),可以通過分布式生產(chǎn)制造出多樣化、個性化的產(chǎn)品,其新的協(xié)作和創(chuàng)造價值的模式將為初創(chuàng)企業(yè)和小企業(yè)提供發(fā)展良機。
三是加快完善信息安全技術和制度。要重視IT安全,加快安全規(guī)范和技術標準的制定,加強管理者、操作者在日常工作中的安全管理制度,并進一步完善相關法律。
四是完善相關人員培訓制度。圍繞產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新工業(yè)革命的重大需求,制定相關領域的培訓課程,組織開展人員培訓,優(yōu)化上海乃至我國制造業(yè)中各類人員的相關知識體系和結(jié)構(gòu)。
(本文基于上海市軟科學研究基地—前沿技術發(fā)展研究中心的研究成果;作者就職于上海市軟科學研究基地——上海市前沿技術發(fā)展研究中心)