學習德國工業4.0、中國智能制造講座(連載一)

學習德國工業4.0、中國智能制造講座(連載一)

王至堯

(中國空間技術研究院)

王至堯，研究員，主要專業為特種加工和航天器材料與工藝，現任中國空間技術研究院研究員、中國航天科技集團產品工程特聘專家。曾任北京控制工程研究所副所長、中國空間技術研究院產品質量總師、 中國空間技術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年享受國務院政府特殊津貼。1987年通信衛星發射成功，榮立二等功，2003年神舟飛船發射成功，榮立一等功。2005年獲全國優秀科技工作者終身獎。

1智能制造定義

“智能”的含義很廣，其本質有待進一步探索，但一般可作這樣的表述：它至少應具備人機交互與虛擬現實、識別與優化控制、柔性與自組織、故障診斷與自維護、自學習與自律的能力。

智能制造的內涵是針對產品、裝備與設施的設計制造過程，利用信息感知、決策判斷和安全執行等先進智能技術，實現制造產品、制造工具與制造環境以及制造工人等資源的最佳組織與優化配置，達到由人類專家與智能機器共同組成的人機系統去擴大、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、生產組織更為柔性的制造模式創新。智能制造可以提高能源和材料的利用效率、降低污染排放、提升產品性能、文化知識含量及技術附加值，增強市場響應能力，提高生產質量、效率和安全性。可以預見，今后將是智能制造獲得大發展和廣泛應用的時代，智能制造將引發制造業的重大變革，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4.0 內涵

德國工業4.0 內涵包括建設一個網絡：CPS; 研究兩大主題：智能工廠和智能生產;實現三項集成：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、復雜系統的管理、一套綜合的工業基礎寬帶設施、安全和安保、工作的組織和設計、培訓和持續性的職業發展、法規制度、資源效率; 八項優先行動和支撐的組織機構 。

2.1建設CPS網絡

虛擬世界和現實世界在工業領域中的高度融合，是工廠、機器、生產資料、信息系統和人通過網絡技術的高度聯結。CPS網分為上、中、下三層：上層為互聯網、中間層為管理信息化、最下層為工業自動化， 三者在端上融合， 形成CPS信息物理網。制造業CPS要素如圖2-1所示。

圖2-1　制造業CPS要素

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

圖2-2　第四次工業革命

從圖2-2可知，第一次工業革命是1784年，機械紡紗機的誕生；第二次工業革命是1870年，第1臺傳送帶的使用；第三次工業革命是1969年，PLC的誕生；第四次工業革命預計到2030年，工業4.0。一次工業革命幾十年或近百年，工業的發展是長期的、漸進性的創新過程、經過長期的量變發展到質變，并最終實現飛躍。德國認為，第四次工業革命至少15年才能真正興起，所以第四次工業革命序幕剛剛拉開，嚴格的講，工業4.0還是“將來時”，是德國“高技術戰略2020”戰略計劃之一，是由德國主流企業、IT廠商、科研機構和行業協會等組織共同實施，政府僅資助2億歐元。從中我們應得啟示如下。

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

2)電機電器、電力系統，汽輪機、內燃機和燃氣輪機等發明與設計制造引發的第二次工業革命，將制造文明推進到電氣化、自動化階段。

3)啟始于20世紀中葉的半導體、IC、計算機和現場總線等技術與應用，將制造文明推進到數控柔性制造階段。

4)全球寬帶、云計算、云存儲、大數據、增材制造、精密成形和納米技術等為制造文明進化提供了創新技術驅動和全新信息網絡—物理環境。

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

德國工業4.0是一種新型生產模式，把傳統的生產方法計算機化，從而打造出一個“智能化”工廠。 利用萬能的數字化將經濟活動中所有生產單元連接起來，并將供貨商、用戶和業務伙伴的全過程集成起來。汲及到信息物理系統與制造，物流技術融合，以及物聯網、大數據和服務網在工業生產過程中應用。能對客戶要求快速和靈活做出反應，在小批量生產情況下生產既經濟又高質量產品。CPS網絡如圖2-3所示。

圖2-3　CPS網絡

美國是互聯網領域絕對領先者，是標準的制定者。作為制造業的強國，德國希望通過引領全球工業發展趨勢，進而在全球競爭中獲得先機，所以工業4.0體現的是德國的國家競爭力和德國產業界的共同利益，目標是成為全球智能制造領域的標準制定者。德國在機械制造、工業自動化和工業軟件等方面具有領先優勢，希望通過建立廣泛的產業聯盟，將龍頭企業的競爭優勢提升到國家競爭層面。

我們應讀懂工業4.0內涵和工業4.0創新戰略，其愿景包括滿足用戶個性化需求，靈活性，決策優化，提高生產率和資源利用率，通過新的服務創造價值，應對勞動力市場的變化，實現工作與生活平衡，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率和企業的盈利能力。

2.2智能生產和智能工廠

德國工業4.0的重點是創造智能產品、程序和過程。其中，智能工廠構成了工業4.0的一個關鍵特征。智能工廠能夠管理復雜的事物，不容易受到干擾，能夠更有效地制造產品。在智能工廠里，人、機器和資源如同在一個社交網絡里一般自然地相互溝通協作。

智能產品理解它們被制造的細節以及將被如何使用。它們積極協助生產過程，回答諸如“我是什么時候被制造的”“哪組參數應被用來處理我”“我應該被傳送到哪”等問題。其與智能移動性，智能物流和智能系統網絡相對接，將使智能工廠成為未來智能基礎設施中的一個關鍵組成部分，這將導致傳統價值鏈的轉變和新商業模式的出現。智能生產和智能工廠如圖2-4所示。

圖2-4　智能生產和智能工廠

2.2.1智能制造

沒有工業軟件，就沒有工業4.0,工業4.0智能制造與軟件技術相實聯，工業4. 0是基于“信息物理系統”，實現“智能工廠”。

在生產設備層面，通過嵌入不同的傳感器進行實時感知，通過寬帶網絡，通過數據對整個過程進行精確控制。

在生產管理層面，通過互聯網技術、云計算、大數據、 寬帶網絡、工業軟件和管理軟件等一系列技術構成服務互聯網，實現物理設備的信息感知、網絡通信、精確控制和遠程協作。

通過各種計算機輔助設計(CAD)、輔助制造(CAM)、輔助分析(CAE)、輔助工藝(CAPP)和產品數據管理(PDM)等實現生產和管理過程的智能化以及網絡化管理和控制，對應工業4.0生產管理中的應用，包括了(PDM) 生產數據管理、(SCM)產業鏈管理，(PLM)產品生命周期管理和(CAD)計算機輔助設計等軟件系統以及數據處理系統。 從供應鏈管理、產品設計、生產管理和企業管理等4個維度，提升“物理世界”中的工廠/車間的生產效率，優化生產工程。

能將分散的各種信息匯總分析，解決產品生命周期不斷縮短、物流產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，工業軟件支撐了絕大部分生產制造過程，將出現智能制造新浪潮，傳統行業界限將消失，產生新的產業鏈、不再是制造業硬件制造概念，更多融入軟件技術、自動化技術和現代管理技術與新的服務模式。

2.2.2大數據

產品生命周期相關的元素全部集成起來， 自然產生了大數據，CPS推廣、生產中各種傳感器使用、生產設備、感知設備、聯網終端、包括生產者本身源源不斷產生數據，滲透到企業運營、價值鏈及產品整個生命周期，應是工業4.0基石。嚴格上講，原有的ERP、PDM數據算不上大數據，生產車間工業自動化以及產品在使用過程當中的數據是真正大數據，而且對企業發展更有價值。

2.3實現橫向、縱向與端對端三項集成

橫向集成是企業間通過價值鏈以及信息網所實現的一種資源整合，是為了實現各企業的無縫合作，提供實時產品與服務。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內部信息弧島的集成，是基礎縱向集成其實現企業內部所有環節信息無縫連接。如圖2-6所示。

圖2-6　縱向集成

端對端的集成是圍繞產品全生命周期的價值鏈，創造通過價值鏈上不同企業的資源整合，實現從產品設計、生產制造、物源配置以及使用維護的產品生命周期的管理和服務。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、復雜系統的管理、一套綜合的工業基礎寬帶設施、安全和安保、工作的組織和設計、培訓和持續性的職業發展、法規制度以及資源效率，具體如圖2-8所示。

圖2-8　實施八項計劃

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

經過德國機械設備制造業聯合會(VDMA)、德國電氣電子制造商協會(ZVEI)和德國信息技術、電信與新媒體協會(BITKOM)共同組織搭建的工業4.0平臺成功的運行，使得工業4.0的話題具有更深遠的政治內涵，其本身也經歷了一個由主題到機構的徹底變革。 該平臺一個由德國政府部門、企業、行業協會、工會、科學與聯邦州代表組成戰略組，將承擔起政治管理的任務，并多頭協作。還有一個由企業和各工作組負責人所組成的指導委員會，將與以上兩個政府部門合作，作為負責戰略發展、技術協調與技術實現實施的決策機構。

工業4.0平臺把它的主要關注領域分為5個不同的工作小組：參考架構,標準化；研究與創新；網絡系統安全；法律環境；工作，教育/培訓。

由行業協會搭建的平臺迄今所取得的成就，以及其前景、目標和對未來的規劃，將在2015年4月漢諾威展覽會的工業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峰會上發布。

2.5八項優先行動和支撐的組織機構

八項優先行動如圖2-9所示,支撐的組織機構如圖2-10所示。

圖2-9　八項優先行動

2.6德國工業4.0的核心特征

德國工業4.0的核心特征如下。

1)德國工業4.0隱藏著復雜的技術革命，它有能力改造整個價值鏈。將在制造領域的所有因素和資源間形成全新的社會—技術互動。為中小企業服務，資源共享,導致傳統價值鏈的轉變和新商業模式的出現。

2)工業4.0的重點是創造智能產品、程序和過程。產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4.0將有可能使有特殊產品個性需求的客戶直接參與到產品的設計、構造、預訂、計劃、生產、運作和回收各個階段。通過服務水平協議來進一步拓展相關的網絡基礎設施和特定的網絡服務質量。

4)工業4.0的實施將使企業員工可以根據形勢和環境敏感的目標來控制、調節和配置智能制造資源網絡和生產步驟。

5)工業4.0的實施，目的是要擬定出一個最佳的一攬子計劃，保留現有制造業體系的核心價值將是一個關鍵，通過充分利用高技能、高效率并且掌握技術訣竅的勞動力優勢來形成一個系統的創新體系，以此來促進現有的技術和經濟潛力。

6)德國工業4.0具有自調適功能的智能化，能在設計制造過程中根據變化情況，利用大數據分析工具與智能軟件及時作出調整，能夠在第1次就提供性能、價格和質量都符合要求的產品，同時使制造過程達到最小污染，這也是制造業追求的最高境界。

(待續)