從德國工業4.0看未來智能制造業

    2009到2012年歐洲深陷債務危機，德國經濟卻一枝獨秀，依然堅挺，它增長的動力來自其基礎產業——制造業所維持的國際競爭力。對于德國而言，制造業是傳統的經濟增長動力，制造業的發展是德國工業經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創新，其關鍵詞是“工業4.0”。

    德國2010年公布的《高科技戰略2020》中，提出了一系列促進制造業發展的創新政策。為使該戰略得到具體落實，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4.0”的未來項目，與能源供給結構改革、可持續發展等項目同步公布。“工業4.0”未來項目，主要是通過深度應用ICT（信息通信技術），總體掌控從消費需求到生產制造的所有過程，由此實現高效生產管理。

    工業 4.0進化過程

    工業革命1.0：18世紀末期始于英國的第一次工業革命，19世紀中葉結束。這次工業革命的結果是機械生產代替了手工勞動，經濟社會從以農業、手工業為基礎轉型到了以工業以及機械制造帶動經濟發展的模式。

    工業革命2.0：第二次工業領域大變革發生在20世紀初期，進入了生產線生產的階段，通過零部件生產與產品裝配的成功分離，開創了產品批量生產的新模式。20世紀70年代以后，電子工程和信息技術的加入實現了生產的最優化和自動化。

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

    工業革命4.0：未來10年，第四次工業革命將步入“分散化”生產的新時代。工業 4.0通過決定生產制造過程等的網絡技術，實現實時管理。

    信息物理融合系統（CPS）

    通過通信網絡，將工廠內所有設備互聯的“智能工廠”就是其中最好的一個體現。德國制造業中的所有行業正在實施該項目有關的研究，并計劃為此投入2億歐元。智能工廠或者“工業 4.0”，是從嵌入式系統向信息物理融合系統（CPS）發展的技術進化。作為未來第四次工業革命的代表，工業4.0不斷向實現物體、數據以及服務等無縫連接的互聯網 （物聯網、數據網和服務互聯網）的方向發展。

    工業 4.0體現了生產模式從“集中型”到“分散型”的范式轉變，正是因為有了讓傳統生產過程理論發生顛覆的技術進步，這一切才成為可能。同時，分散型智能利用，代表了生產制造過程的虛擬世界與現實世界之間的交互關系，在構建智能物體網絡中發揮重要作用。未來，工業生產機械不再只是“加工”產品，取而代之的是，產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實世界，使智能物體通信以及相互作用，創造一個真正的網絡世界，它體現了當前嵌入式系統的進一步進化。與互聯網或者網上可搜集的數據、服務一起，嵌入式系統也是構成CPS的要素之一。

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

    基于高性能軟件的嵌入式系統與融合在數字網絡中的專業用戶接口之間發生的相互作用，將誕生全新的系統功能性世界。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，漸漸形成新的價值鏈，所以，CPS也將對現有業務與市場模式帶來范式轉變。汽車工業、能源經濟，還有包括諸如工業 4.0的生產技術的各個工業部門，將同步因這些新價值鏈發生巨變。

    未來智能制造業

    在未來的智能制造業中，CPS對涵蓋自動化、生產技術、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫療等眾多工業部門、應用領域，具有非常重要的意義。因CPS而實現的許多應用，將產生新附加價值鏈和業務模式。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，在保護環境上發揮重大作用。

    因為CPS的存在，智能工廠的生產系統、產品、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、成本節約中更具優勢。智能工廠將按照重視可持續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過程中CPS生產系統的靈活網絡來實現的。通過可實時應對的靈活的生產系統，能夠實現生產工程的徹底優化。同時，生產優勢不僅僅是在特定生產條件下的一次性體現，還可以實現多家工廠、多個生產單元所形成的世界級網絡的最優化。

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