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)明獎二等獎，1990年獲航空航天部有突出貢獻中青年專家，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。

1智能制造定義

“智能”的含義很廣，其本質(zhì)有待進一步探索，但一般可作這樣的表述：它至少應(yīng)具備人機交互與虛擬現(xiàn)實、識別與優(yōu)化控制、柔性與自組織、故障診斷與自維護、自學(xué)習(xí)與自律的能力。

智能制造的內(nèi)涵是針對產(chǎn)品、裝備與設(shè)施的設(shè)計制造過程，利用信息感知、決策判斷和安全執(zhí)行等先進智能技術(shù)，實現(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，達到由人類專家與智能機器共同組成的人機系統(tǒng)去擴大、延伸和部分取代人類在制造過程中體力與腦力勞動的目的。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，也是一種以知識為核心、面向客戶定制化、個性化需求、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、文化知識含量及技術(shù)附加值，增強市場響應(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)一個網(wǎng)絡(luò)：CPS; 研究兩大主題：智能工廠和智能生產(chǎn);實現(xiàn)三項集成：橫向集成、縱向集成與端對端的集成;實施八項計劃：標準化和參考架構(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、培訓(xùn)和持續(xù)性的職業(yè)發(fā)展、法規(guī)制度、資源效率; 八項優(yōu)先行動和支撐的組織機構(gòu) 。

2.1建設(shè)CPS網(wǎng)絡(luò)

虛擬世界和現(xiàn)實世界在工業(yè)領(lǐng)域中的高度融合，是工廠、機器、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，機械紡紗機的誕生；第二次工業(yè)革命是1870年，第1臺傳送帶的使用；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，并最終實現(xiàn)飛躍。德國認為，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，嚴格的講，工業(yè)4.0還是“將來時”，是德國“高技術(shù)戰(zhàn)略2020”戰(zhàn)略計劃之一，是由德國主流企業(yè)、IT廠商、科研機構(gòu)和行業(yè)協(xié)會等組織共同實施，政府僅資助2億歐元。從中我們應(yīng)得啟示如下。

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

2)電機電器、電力系統(tǒng)，汽輪機、內(nèi)燃機和燃氣輪機等發(fā)明與設(shè)計制造引發(fā)的第二次工業(yè)革命，將制造文明推進到電氣化、自動化階段。

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

4)全球?qū)拵?、云計算、云存儲、大?shù)據(jù)、增材制造、精密成形和納米技術(shù)等為制造文明進化提供了創(chuàng)新技術(shù)驅(qū)動和全新信息網(wǎng)絡(luò)—物理環(huán)境。

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

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)方法計算機化，從而打造出一個“智能化”工廠。 利用萬能的數(shù)字化將經(jīng)濟活動中所有生產(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)域絕對領(lǐng)先者，是標準的制定者。作為制造業(yè)的強國，德國希望通過引領(lǐng)全球工業(yè)發(fā)展趨勢，進而在全球競爭中獲得先機，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，目標是成為全球智能制造領(lǐng)域的標準制定者。德國在機械制造、工業(yè)自動化和工業(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)造價值，應(yīng)對勞動力市場的變化，實現(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方面。因為德國面臨人口老齡化、工會力量強大、高福利和經(jīng)濟增長乏力等巨大壓力，因而亟待通過信息化、自動化和智能化來減少對人工的依賴，進一步提升勞動的生產(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、機器和資源如同在一個社交網(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。其與智能移動性，智能物流和智能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對接，將使智能工廠成為未來智能基礎(chǔ)設(shè)施中的一個關(guān)鍵組成部分，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)價值鏈的轉(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)相實聯(lián)，工業(yè)4. 0是基于“信息物理系統(tǒng)”，實現(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行實時感知，通過寬帶網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)據(jù)對整個過程進行精確控制。

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)，實現(xiàn)物理設(shè)備的信息感知、網(wǎng)絡(luò)通信、精確控制和遠程協(xié)作。

通過各種計算機輔助設(shè)計(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)計算機輔助設(shè)計等軟件系統(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、生產(chǎn)管理和企業(yè)管理等4個維度，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?？梢哉f，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)運營、價值鏈及產(chǎn)品整個生命周期，應(yīng)是工業(yè)4.0基石。嚴格上講，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)自動化以及產(chǎn)品在使用過程當中的數(shù)據(jù)是真正大數(shù)據(jù)，而且對企業(yè)發(fā)展更有價值。

2.3實現(xiàn)橫向、縱向與端對端三項集成

橫向集成是企業(yè)間通過價值鏈以及信息網(wǎng)所實現(xiàn)的一種資源整合，是為了實現(xiàn)各企業(yè)的無縫合作，提供實時產(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

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

圖2-7　端對端的集成

2.4實施八項計劃

實施八項計劃包括標準化和參考架構(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、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　實施八項計劃

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

經(jīng)過德國機械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)、德國電氣電子制造商協(xié)會(ZVEI)和德國信息技術(shù)、電信與新媒體協(xié)會(BITKOM)共同組織搭建的工業(yè)4.0平臺成功的運行，使得工業(yè)4.0的話題具有更深遠的政治內(nèi)涵，其本身也經(jīng)歷了一個由主題到機構(gòu)的徹底變革。 該平臺一個由德國政府部門、企業(yè)、行業(yè)協(xié)會、工會、科學(xué)與聯(lián)邦州代表組成戰(zhàn)略組，將承擔起政治管理的任務(wù)，并多頭協(xié)作。還有一個由企業(yè)和各工作組負責(zé)人所組成的指導(dǎo)委員會，將與以上兩個政府部門合作，作為負責(zé)戰(zhàn)略發(fā)展、技術(shù)協(xié)調(diào)與技術(shù)實現(xiàn)實施的決策機構(gòu)。

工業(yè)4.0平臺把它的主要關(guān)注領(lǐng)域分為5個不同的工作小組：參考架構(gòu),標準化；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)會搭建的平臺迄今所取得的成就，以及其前景、目標和對未來的規(guī)劃，將在2015年4月漢諾威展覽會的工業(yè)4.0平臺啟動儀式上展示。工作組的有形成果將在今年年底的信息技術(shù)峰會上發(fā)布。

2.5八項優(yōu)先行動和支撐的組織機構(gòu)

八項優(yōu)先行動如圖2-9所示,支撐的組織機構(gòu)如圖2-10所示。

圖2-9　八項優(yōu)先行動

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，它有能力改造整個價值鏈。將在制造領(lǐng)域的所有因素和資源間形成全新的社會—技術(shù)互動。為中小企業(yè)服務(wù)，資源共享,導(dǎo)致傳統(tǒng)價值鏈的轉(zhuǎn)變和新商業(yè)模式的出現(xiàn)。

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

3)在未來，工業(yè)4.0將有可能使有特殊產(chǎn)品個性需求的客戶直接參與到產(chǎn)品的設(shè)計、構(gòu)造、預(yù)訂、計劃、生產(chǎn)、運作和回收各個階段。通過服務(wù)水平協(xié)議來進一步拓展相關(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的實施將使企業(yè)員工可以根據(jù)形勢和環(huán)境敏感的目標來控制、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的實施，目的是要擬定出一個最佳的一攬子計劃，保留現(xiàn)有制造業(yè)體系的核心價值將是一個關(guān)鍵，通過充分利用高技能、高效率并且掌握技術(shù)訣竅的勞動力優(yōu)勢來形成一個系統(tǒng)的創(chuàng)新體系，以此來促進現(xiàn)有的技術(shù)和經(jīng)濟潛力。

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作出調(diào)整，能夠在第1次就提供性能、價格和質(zhì)量都符合要求的產(chǎn)品，同時使制造過程達到最小污染，這也是制造業(yè)追求的最高境界。

(待續(xù))