從德國工業(yè)4.0看未來智能制造業(yè)

    2009到2012年歐洲深陷債務危機，德國經(jīng)濟卻一枝獨秀，依然堅挺，它增長的動力來自其基礎產(chǎn)業(yè)——制造業(yè)所維持的國際競爭力。對于德國而言，制造業(yè)是傳統(tǒng)的經(jīng)濟增長動力，制造業(yè)的發(fā)展是德國工業(yè)經(jīng)濟增長的不可或缺因素。基于這一共識，德國政府傾力推動進一步的技術(shù)創(chuàng)新，其關(guān)鍵詞是“工業(yè)4.0”。

    德國2010年公布的《高科技戰(zhàn)略2020》中，提出了一系列促進制造業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新政策。為使該戰(zhàn)略得到具體落實，2012年德國政府公布題為《十大未來項目》的跨政府部門的聯(lián)合行動計劃，并決定在2012～2015年間向十大項目資助84 億歐元。被稱為“工業(yè)4.0”的未來項目，與能源供給結(jié)構(gòu)改革、可持續(xù)發(fā)展等項目同步公布。“工業(yè)4.0”未來項目，主要是通過深度應用ICT（信息通信技術(shù)），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。

    工業(yè) 4.0進化過程

    工業(yè)革命1.0：18世紀末期始于英國的第一次工業(yè)革命，19世紀中葉結(jié)束。這次工業(yè)革命的結(jié)果是機械生產(chǎn)代替了手工勞動，經(jīng)濟社會從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎轉(zhuǎn)型到了以工業(yè)以及機械制造帶動經(jīng)濟發(fā)展的模式。

    工業(yè)革命2.0：第二次工業(yè)領(lǐng)域大變革發(fā)生在20世紀初期，進入了生產(chǎn)線生產(chǎn)的階段，通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式。20世紀70年代以后，電子工程和信息技術(shù)的加入實現(xiàn)了生產(chǎn)的最優(yōu)化和自動化。

    工業(yè)革命3.0： 第三次工業(yè)革命始于第二次工業(yè)革命過程中發(fā)生的生產(chǎn)過程高度自動化。自此，機械能夠逐步替代人類作業(yè)。

    工業(yè)革命4.0：未來10年，第四次工業(yè)革命將步入“分散化”生產(chǎn)的新時代。工業(yè) 4.0通過決定生產(chǎn)制造過程等的網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)實時管理。

    信息物理融合系統(tǒng)（CPS）

    通過通信網(wǎng)絡，將工廠內(nèi)所有設備互聯(lián)的“智能工廠”就是其中最好的一個體現(xiàn)。德國制造業(yè)中的所有行業(yè)正在實施該項目有關(guān)的研究，并計劃為此投入2億歐元。智能工廠或者“工業(yè) 4.0”，是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系統(tǒng)（CPS）發(fā)展的技術(shù)進化。作為未來第四次工業(yè)革命的代表，工業(yè)4.0不斷向?qū)崿F(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng) （物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和服務互聯(lián)網(wǎng)）的方向發(fā)展。

    工業(yè) 4.0體現(xiàn)了生產(chǎn)模式從“集中型”到“分散型”的范式轉(zhuǎn)變，正是因為有了讓傳統(tǒng)生產(chǎn)過程理論發(fā)生顛覆的技術(shù)進步，這一切才成為可能。同時，分散型智能利用，代表了生產(chǎn)制造過程的虛擬世界與現(xiàn)實世界之間的交互關(guān)系，在構(gòu)建智能物體網(wǎng)絡中發(fā)揮重要作用。未來，工業(yè)生產(chǎn)機械不再只是“加工”產(chǎn)品，取而代之的是，產(chǎn)品通過通信向機械傳達如何采取正確操作的信息與指令。

    CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實世界，使智能物體通信以及相互作用，創(chuàng)造一個真正的網(wǎng)絡世界，它體現(xiàn)了當前嵌入式系統(tǒng)的進一步進化。與互聯(lián)網(wǎng)或者網(wǎng)上可搜集的數(shù)據(jù)、服務一起，嵌入式系統(tǒng)也是構(gòu)成CPS的要素之一。

    CPS可提供構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎部分，并且與“服務互聯(lián)網(wǎng)”一體化，實現(xiàn)工業(yè) 4.0。這些技術(shù)被稱為“實現(xiàn)技術(shù)”，培育更加廣泛的、基于創(chuàng)新型應用或過程的新現(xiàn)實空間，淡化現(xiàn)實世界與虛擬空間的界限。實現(xiàn)技術(shù)就像互聯(lián)網(wǎng)使得個人通信以及相互作用的關(guān)系發(fā)生變革一樣，將給我們與物理現(xiàn)實世界之間的相互作用關(guān)系帶來根本性變化。

    基于高性能軟件的嵌入式系統(tǒng)與融合在數(shù)字網(wǎng)絡中的專業(yè)用戶接口之間發(fā)生的相互作用，將誕生全新的系統(tǒng)功能性世界。舉一個簡單的例子，智能手機囊括許多應用和服務，已經(jīng)遠遠超出設備本身通話功能。由于全新的劃時代應用和服務的提供商將不斷涌現(xiàn)，漸漸形成新的價值鏈，所以，CPS也將對現(xiàn)有業(yè)務與市場模式帶來范式轉(zhuǎn)變。汽車工業(yè)、能源經(jīng)濟，還有包括諸如工業(yè) 4.0的生產(chǎn)技術(shù)的各個工業(yè)部門，將同步因這些新價值鏈發(fā)生巨變。

    未來智能制造業(yè)

    在未來的智能制造業(yè)中，CPS對涵蓋自動化、生產(chǎn)技術(shù)、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫(yī)療等眾多工業(yè)部門、應用領(lǐng)域，具有非常重要的意義。因CPS而實現(xiàn)的許多應用，將產(chǎn)生新附加價值鏈和業(yè)務模式。CPS不僅可以降低實際成本，提高能源、時間等的效率，還能降低CO2排放水平，在保護環(huán)境上發(fā)揮重大作用。

    因為CPS的存在，智能工廠的生產(chǎn)系統(tǒng)、產(chǎn)品、資源及處理過程都將具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節(jié)約中更具優(yōu)勢。智能工廠將按照重視可持續(xù)性的中心原則來設計，因此，服從性、靈活性、自適應性、學習能力、容錯能力甚至風險管理都是其中不可或缺的要素。智能工廠設備的高級自動化，主要是由基于自動觀察生產(chǎn)過程中CPS生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。通過可實時應對的靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)工程的徹底優(yōu)化。同時，生產(chǎn)優(yōu)勢不僅僅是在特定生產(chǎn)條件下的一次性體現(xiàn)，還可以實現(xiàn)多家工廠、多個生產(chǎn)單元所形成的世界級網(wǎng)絡的最優(yōu)化。

    相對于傳統(tǒng)制造工業(yè)，以智能工廠為代表的未來智能制造業(yè)是一種理想的生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠智能編輯產(chǎn)品特性、成本、物流管理、安全、信賴性、時間以及可持續(xù)性等要素，從而為各個顧客進行最優(yōu)化的產(chǎn)品制造。這樣一種“自下而上”型的生產(chǎn)模式革命，不但能節(jié)約創(chuàng)新技術(shù)、成本與時間，還擁有培育新市場機會的網(wǎng)絡容量。<