迪雅克·海邂爾特

(德累斯頓經(jīng)濟技術(shù)大學(xué),德國 德累斯頓 01067)

工業(yè)4.0及德國高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的探索

迪雅克·海邂爾特

(德累斯頓經(jīng)濟技術(shù)大學(xué),德國 德累斯頓 01067)

介紹了作為工業(yè)4.0重要技術(shù)支撐的物聯(lián)信息系統(tǒng)(CPS)的數(shù)字轉(zhuǎn)換，及其對日常生活和企業(yè)生產(chǎn)理念及經(jīng)濟發(fā)展的影響.通過信息技術(shù),可以在各個領(lǐng)域的設(shè)計上有所改變,從小的如手機、手表、眼鏡、戒指等,大的乃至工業(yè)車間的生產(chǎn)線,它們都是具有數(shù)字化轉(zhuǎn)換潛力的,由此可以創(chuàng)立更多的信息制造業(yè).創(chuàng)業(yè)有多個階段,各個階段都需要不同的指導(dǎo).先是形成一個想法,然后進行篩選與優(yōu)化，最后才可以達到商業(yè)上的成功.把握好數(shù)字轉(zhuǎn)換將會更好地應(yīng)對未來制造業(yè)的變化.

工業(yè)4.0;物聯(lián)信息系統(tǒng)(CPS);數(shù)字轉(zhuǎn)換;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

首先從一些案例來看未來制造業(yè)的前景.圖1有兩張不同時間的照片,圖中上半部分是2005年在新教皇本尼迪克十六世上任時拍攝的,那時還沒有iPhone,也沒有Android,人們僅僅是去參加典禮.圖中下半部分是2013年新教皇弗朗西斯一世上任時拍攝的,人們拿起隨身攜帶的平板電腦和手機記錄了這莊嚴(yán)的一刻.8年當(dāng)中發(fā)生了什么？相信我們可以看到很多信息，那就是人們開始使用很多新的設(shè)備,互聯(lián)網(wǎng)變得普及.2005年,手機可能僅僅是用來通話和發(fā)短信,但是現(xiàn)在可以說是已經(jīng)控制了我們的生活.什么時候去赴約,智能手機會安排日程.如果是去10 km以外的地方,手機會告訴什么時候應(yīng)該出發(fā)了.如果路過某電影院,手機會告訴正在上映什么電影……,可見現(xiàn)在科技是如何影響我們的生活.它們都是依靠數(shù)據(jù)的收集,等等.這些理念與創(chuàng)新已經(jīng)變成了日常生活中的商品,甚至影響了我們的生活方式.把握得好的話,可以實現(xiàn)一些前沿的產(chǎn)業(yè).

圖1 日常生活中的數(shù)字轉(zhuǎn)換Figure 1 Digital transformation in our life

再舉一例,美國通用機械公司就如何利用1%的能源進行了調(diào)查.一個房間的鑰匙,如要進電梯必須插入一張卡,它能做的是解鎖電梯,同時告訴去哪個樓層,當(dāng)然這個要手工完成.如果考慮到該過程僅為1%的話,約用了10 s,把卡插入讀卡器,然后按按鈕.每天有成千上萬的人要坐電梯,如果用5 s按按鈕,把這些人的數(shù)字乘以5 s,乘以每周7 d,乘以每年365 d,這是一個巨大的數(shù)字.我們要做的是減少這個系統(tǒng)的低效率,如果提高1%的話,預(yù)計15年可節(jié)約360億美元.

2015年4月1日亞馬遜發(fā)布了“Dash按鈕”(圖2),它與一般的U盤差不多大,這是一個非常簡單的裝置,僅僅是利用了無線網(wǎng)絡(luò),可將它放在家里的任何地方,需要時按下按鈕,就會向亞馬遜下單訂購他們的產(chǎn)品.這已經(jīng)是你生活的一部分,它可以幫助人們思考最好地利用時間,對生活帶來很多益處.由此與大家共享的信息是:理想要遠(yuǎn)大,但是做事情要從小處做起.

圖2 亞馬遜發(fā)布的Dash按紐Figure 2 Dash Button from Amazon Digital

上述兩個例子實際上就是在其制造業(yè)中采用了智能化元素,使得日常生活中一些小的物件成為發(fā)明與創(chuàng)新的產(chǎn)品,可帶來非常大的經(jīng)濟效益,也將大大地影響著人類生活.

1 工業(yè)4.0與物聯(lián)信息系統(tǒng)(CPS)

德國的工業(yè)4.0計劃是指借助于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的第四次工業(yè)革命,它涉及智能對象、智能機器以及智能生產(chǎn).阿里巴巴是一個很好的可以創(chuàng)業(yè)、獲得服務(wù)的平臺.中國的說法是“互聯(lián)網(wǎng)+”,其實就是德國的工業(yè)4.0.我們也會說是物聯(lián)信息系統(tǒng)(CPS),它所嵌入的系統(tǒng)有:傳感器與執(zhí)行器、采集和分析數(shù)據(jù)、部件間的互連、可能還有人機接口.通過信息技術(shù),可以在各個領(lǐng)域的設(shè)計上有所改變,從小的如手機、手表、眼鏡、戒指等,大的乃至工業(yè)車間的生產(chǎn)線,它們都是具有數(shù)字化轉(zhuǎn)換潛力的,由此可以創(chuàng)立更多的信息制造業(yè).如最簡單的就是用手機上面的傳感器就可以測量人們的體溫、脈搏、走路的速度.用內(nèi)置的GPS,可知道自己的位置,進行相互交流.通過這些數(shù)據(jù)來做出決定,顯然可以理解為CPS系統(tǒng)是我們能夠制造出新產(chǎn)品的關(guān)鍵.

以下介紹我們正在研究的一個案例:普通工廠的生產(chǎn)線,是從供應(yīng)鏈、制造過程,到達客戶(圖3).我們?nèi)〉梦锪?通過人工加工來增值,把它銷售給客戶,是一個B2C的過程.我們在中間做的是什么呢？如果說,供應(yīng)鏈的第一部分,涉及到產(chǎn)品的質(zhì)量,比如說食品必須要控制運輸?shù)臏囟?什么樣的運輸工具和路徑,借助CPS系統(tǒng)可得到準(zhǔn)確的信息,可進行質(zhì)量控制.CPS系統(tǒng)可以采用各種方式.比如說制造業(yè),制造這個過程,工具加工怎么辦,如果把CPS系統(tǒng)整合到其中,可以做更多的事情.我們可以測量能耗,可以測量消耗品.說到物料,說到機器,給它們加入一些智能的因素.機器制造要用怎么樣的配方,根據(jù)這個配方,進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置,要用什么樣的顏色,還有一些附加值的活動.對物料的處理,可以有很多,可用光或聲音來驅(qū)動.用光驅(qū)動的話,可用光來識別,應(yīng)該從哪個盒子中抓取物件,如果出現(xiàn)差錯,產(chǎn)品質(zhì)量就會下降.我們也可以用別的方式,來給產(chǎn)品加標(biāo)簽,比如追蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)過程,以及后面講到的質(zhì)量控制.在產(chǎn)品輸出端希望了解的產(chǎn)品質(zhì)量,也可跟蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)或使用過程中的質(zhì)量情況.跟蹤客戶使用過程中的信息,幫助我們理解客戶對于產(chǎn)品的使用情況,知道它的生命周期,我們可以獲得海量的數(shù)據(jù),可促使再創(chuàng)新.這方面的追蹤已經(jīng)用于飛機上的各種設(shè)備,這些信息有助于在未來做更多的決策.

圖3 沿著供應(yīng)鏈的物聯(lián)信息系統(tǒng)(CPS)Figure 3 Cyper Physical Systems (CPS) along a supply chain

在制造環(huán)節(jié)中可采用近場通訊技術(shù)(NFC).如有很多的物料的進出,可以通過這些信息進行傳遞,隨時可以知道物料所在的環(huán)節(jié).它有很多無線傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、顯示屏以及電源等.所面臨的挑戰(zhàn)之一是電源從何而來？因為它必須始終有電力的保證.物料存儲的時間可能超過一周,這段時間需要持續(xù)供電,只有這樣才可以做到不生產(chǎn)出劣質(zhì)的產(chǎn)品,還可以使用本地的更好的原料來生產(chǎn).它就是自動內(nèi)嵌式的信息儲備,不需要外部信息記錄.這是將來的制造業(yè)今后的發(fā)展趨勢.以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)(300 mm集成電路的前端模塊生產(chǎn))為例,說明前沿技術(shù)的工廠自動化的主要內(nèi)容:全自動的物料搬運;標(biāo)記的晶圓傳送盒(FOUP)的射頻識別;單晶片跟蹤;機器間的通信;先進的過程控制;先進的調(diào)度和調(diào)度方法;展望—是無人工廠.要確保其實現(xiàn),就要求:機械和材料層面的傳感器和執(zhí)行器;先進的信息集成;自動化狀態(tài).

以往的信息流是比較直接的,從供應(yīng)、加工到客戶.如今的信息流是有反饋的,是雙向的,可以把信息反饋給供應(yīng)商.以中小企業(yè)的物料追蹤系統(tǒng)為例,德國的中小企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)員工在250人左右,每年產(chǎn)值在500億左右.物料追蹤的意義如圖4.

圖4 中小企業(yè)的物料追蹤Figure 4 Tracking & Tracing at SME

起初我們是通過手工追蹤的,對工廠、車間、物料進行編號.每一個生產(chǎn)步驟,也會增加相應(yīng)的信息.在中小企業(yè)實現(xiàn)跟蹤和追蹤的全自動化的生產(chǎn)線之前是:手動跟蹤,基于紙質(zhì),人工填寫.其缺點顯而易見:不能在保存的記錄中添加記錄;不是實時信息;一旦印刷了就難以改變;不能基于排班作規(guī)劃和調(diào)度分配;車間績效信息缺失.日常生活中也一樣,如果先生去采購,太太會給出一張采購清單.一旦采購?fù)戤?這個單子在回家后就不需要了.寫在紙上的信息,一旦出現(xiàn)錯誤和遺漏,就難以更改信息,這是巨大的缺陷.而用智能手機后,可在采購單里面增加很多的信息,這樣去超市就會方便很多.這個原則當(dāng)然也可以用在制造業(yè)上,不過也會有不利方面.這些信息寫在紙質(zhì)或手機媒介上的信息,并不增加附加值,而且非常單調(diào),又沒有實時生產(chǎn)的信息,也沒有人去收集這方面的信息.要改變信息也很麻煩,要找到產(chǎn)品,一件件地進行修改.一旦擁有這些信息,是可以進行規(guī)劃,因為它也是大數(shù)據(jù)的一部分,如果數(shù)據(jù)不全,很難做出好的決定,這是一個極大的挑戰(zhàn).

如何克服這樣的問題呢？這里有一案例可以說明在車間里面是怎么做的.首先找到地點,對各個物料進行識別與編號,這些信息也可以同時反饋給客戶.每一次移動一下物料,就會有新的消息.也可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量,可以暫停一下整個流程,它會自動做的.一旦做好,還可以更新信息,反

饋給客戶.我們有自己的IT系統(tǒng),有自己的MES系統(tǒng),來控制制造的環(huán)節(jié).今后將會對這個系統(tǒng)進行大規(guī)模的推廣,屆時也會對這樣的系統(tǒng)進行個性化的配置(圖5).

WIFI AP—無線網(wǎng)絡(luò)接入點;CPS—物聯(lián)信息系統(tǒng);MES—制造執(zhí)行系統(tǒng);ERP—企業(yè)資源計劃;SCM—供應(yīng)鏈管理圖5 基于無線網(wǎng)絡(luò)的跟蹤和可跟蹤性Figure 5 Wireless based tracking & traceability

基于無線的跟蹤和追溯性可體現(xiàn)在:可取得流水線(WIP)各機床間以及流水線的實時信息;內(nèi)生性的材料流程記錄;材料當(dāng)前位置易于確定;柔性生產(chǎn)控制;減少廢料;將現(xiàn)有車間樓層間的環(huán)境平滑整合為一體(圖6).它是無線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)項目;沒有額外的硬件安裝;“建立在”基于位置的服務(wù);靈活的內(nèi)容服務(wù);順利整合到現(xiàn)有的工作流程.

圖6 基于(人工)服務(wù)的定位Figure 6 Location based (worker) services

2 德國高校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

怎么進行創(chuàng)業(yè)呢？現(xiàn)行工作人員可能精通于電腦、工程等等技術(shù),可以考慮從專長的領(lǐng)域入手進行改進.大學(xué)如何應(yīng)對這一環(huán)節(jié)呢？德累斯頓兩所大學(xué)之間共同合作的情況,很像是中國所說的孵化器概念,主要是對學(xué)生創(chuàng)業(yè)進行幫助與扶持.學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心有位教授和一些同事組成6人團隊.大學(xué)里有一個副校長專門負(fù)責(zé)學(xué)生創(chuàng)業(yè)孵化器的工作.他們來自不同的領(lǐng)域,有生物科學(xué)、工程、應(yīng)用化學(xué)等.有了網(wǎng)絡(luò),在各個機構(gòu)之間就建立起了聯(lián)系.有些是咨詢公司,有些是投資商,如銀行,可以申請貸款.同時,有德累斯頓大學(xué)和其他的研究機構(gòu),把資源都組合融合在一起,就更有成功的把握.該機構(gòu)于1999年成立,現(xiàn)在是德累斯頓大學(xué)和德累斯頓技術(shù)經(jīng)濟大學(xué)之間的合作項目.每年會關(guān)注50至70個創(chuàng)業(yè)項目,并且有超過20個創(chuàng)業(yè)公司由此受到關(guān)注.財政主要源于當(dāng)?shù)卣峁┑馁Y助.這樣學(xué)生就有機會開創(chuàng)自己的事業(yè).大學(xué)創(chuàng)業(yè)園與大學(xué)的研究人員保持著密切的聯(lián)系,處在很好的外部環(huán)境，可以和大學(xué)更多地進行互動,從而使得創(chuàng)業(yè)更加有成功的把握.

創(chuàng)業(yè)有多個階段,各個階段都需要不同的指導(dǎo).先是形成一個想法,然后進行篩選與優(yōu)化.首先要考慮到這些,最后才可以達到商業(yè)上的成功.他們利用一個論壇,讓大家可以聚在一起互相交流.這樣的論壇每年召開一到兩次相應(yīng)的研討會.讓有良好的商業(yè)創(chuàng)業(yè)理念的人,都可以參與這樣的論壇,分享各自的想法.研究人員會進行專場的討論,技術(shù)人員、項目人員都會參與.通過這些,來激勵學(xué)生進行創(chuàng)業(yè)的雄心壯志.

擬定的創(chuàng)業(yè)計劃書需提交給委員會,獲得反饋意見.委員會會告訴哪里需要改進.有了很好的主意,再跟市場結(jié)合,將增大成功的幾率.這個階段有各種的學(xué)術(shù)研討會,指導(dǎo)創(chuàng)業(yè)者怎么經(jīng)營運作一個企業(yè),如何起草一個很好的商業(yè)計劃.要牢記有關(guān)市場營銷、會計財務(wù)等很重要的軟技能.下一步便是指導(dǎo)期和輔導(dǎo)期.有關(guān)稅務(wù)、法律方面的輔導(dǎo).從研究到醞釀成熟,到最后推出創(chuàng)業(yè)計劃.

德累斯頓大學(xué)有一個稱為Heliatek的公司,是從物理系中衍生出來的,主要是關(guān)于太陽能等的研發(fā).市場上也明顯對這些方面有興趣和需求.他們是如何走過這些創(chuàng)業(yè)環(huán)節(jié)的呢？在2006年,開始有這樣一個研究項目,他們認(rèn)為成立一家公司,會更有助于這項事業(yè)的發(fā)展,同時也開始考慮,怎樣進行市場營銷的推廣和市場方面的分析.借助于分別代表了強項、弱項、機會和威脅四個方面的SWOT分析.然后考慮知識產(chǎn)權(quán)的問題,再形成一個商業(yè)計劃.這個計劃在2006年9月到12月之間初步成型.同時也考慮到了關(guān)于資金支持,即融資的問題.在2007年6月,公司正式成立,并且進入了HDGF.HDGF有一些基金,可以提供資助.在2007年,他們得到了一百多萬歐元的資金注入.

作為大學(xué)來說,主要是關(guān)注日常生活,并對其做出一些改進和發(fā)明，就是為學(xué)生提供孵化器方面的服務(wù).如果真的有很新的創(chuàng)意,就可以從這里得到支持和幫助.德累斯頓經(jīng)濟技術(shù)大學(xué)從2000年開始做這方面的工作,到現(xiàn)在已經(jīng)有15年的歷史了.學(xué)校為創(chuàng)業(yè)學(xué)生提供各種資源,有關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)施方面,提供免費的辦公條件,可以免費使用電話、網(wǎng)絡(luò)等資源.也可以獲得辦公需要的設(shè)備,可以免費使用實驗室.這個期限最長可達到兩年.也會有專門的助理人員幫助進行商業(yè)計劃書的起草,引薦相關(guān)的創(chuàng)投基金.此外一個很好的人際關(guān)系網(wǎng)絡(luò)是非常重要的,需要和很多的人建立聯(lián)系,讓有關(guān)各界了解商業(yè)需求,知道創(chuàng)業(yè)學(xué)生的產(chǎn)品.

有一個APU系統(tǒng),可用于建筑領(lǐng)域,是專做傳感器方面,從設(shè)計系衍生出來的.從2004年到2009年,孕育了這樣的創(chuàng)新理念,他們也參與了大學(xué)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的課程.而且也獲得了資金的資助.2010年他們提出了首個商業(yè)計劃,8月從銀行獲得了資助,開始了創(chuàng)業(yè)歷程.2011年3月,這家公司正式成立，然后進入了投融資、進一步融資的階段，并得到了德累斯頓相關(guān)大學(xué)機構(gòu)多方位的支持.從2005年以來,有超過200個項目受到了關(guān)注.該創(chuàng)業(yè)中心現(xiàn)在所有的公司覆蓋和涉及的有關(guān)物料追蹤、人工智能、商業(yè)經(jīng)營、電腦科技的領(lǐng)域等.這里有很多涉足不同領(lǐng)域的公司,他們經(jīng)常共享發(fā)展的理念與信息,使得創(chuàng)業(yè)可以獲得成功.3 結(jié) 語

數(shù)字轉(zhuǎn)換影響了日常生活和企業(yè)生產(chǎn)理念及經(jīng)濟的發(fā)展.理想要遠(yuǎn)大,但要從小事情做起.如果可以把小的事情做好,那么逐漸也能做好大的.通過信息技術(shù),可以在各個領(lǐng)域的設(shè)計上有所改變,從小的如手機、手表、眼鏡、戒指等,大的乃至工業(yè)上的生產(chǎn)線,它們都是具有數(shù)字化轉(zhuǎn)換潛力的,由此可以創(chuàng)立更多的信息制造業(yè).創(chuàng)業(yè)有多個

階段,各個階段都需要不同的指導(dǎo).先是形成一個想法,然后進行篩選與優(yōu)化,最后才可以達到商業(yè)上的成功.把握好數(shù)字轉(zhuǎn)換將會更好地應(yīng)對未來制造業(yè)的變化.

(王蘭州、陳偉航、劉曉杰、何央央根據(jù)迪雅克·海邂爾特在中國計量學(xué)院的報告翻譯整理;審讀校對:呂進)

Exploration of Industry 4.0 for innovation and entrepreneurship in German universities

Dirk Reichelt

(University of Applied Sciences Dresden, Dresden 01067, Germany)

Digital conversion of the cyber physical systems (CPS), the backbone of Industry 4.0, has influenced the daily life, the production concept and the economic development of the enterprise. By means of information technology, many products or production can be improved through designing, such as cell phones, watches, glasses, rings, etc.; and they all have the potential of digital conversion, which can create more information manufacturing. There are many stages of entrepreneurship; and all stages need different guidance. It comes from an idea; and then through screening and optimizing commercial success is finally achieved. Grasping the digital conversion will better respond to future changes in the manufacturing industry.

Industry 4.0; cyber physical systems (CPS); digital conversion; innovation and entrepreneurship

1004-1540(2015)04-0394-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.04.002

2015-07-07 《中國計量學(xué)院學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

TP29;G649.21

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