深入浅出丨张曙教授带你全面了解工业4.0和智能制造

第一篇：深入浅出丨张曙教授带你全面了解工业4.0和智能制造

深入浅出，带你全面了解工业4.0和智能制造——张曙教授

导读：本文首先简要介绍工业4.0产生的背景，并通过与前三次工业革命的比较，提出其核心理念是信息系统和物理系统的深度融合。接着通过对信息物理融合系统的介绍，指出各行各业和不同形式信息物理系统的汇合导致现代化智慧城市的形成。最后以智能工厂为例，阐述了智能制造与传统自动化的本质区别。最后指出，互联网和移动通信的广泛应用，必将导致工业结构、经济结构和社会结构从垂直向扁平转变，从集中向分散转变。工业4.0

工业革命是现代文明的起点，是人类生产方式的根本性变革。18世纪末的第一次工业革命创造了机器工厂的“蒸汽时代”，20世纪初的第二次工业革命将人类带入大量生产的“电气时代”，这二个时代的划分已经是大家公认的。20世纪中期计算机的发明、可编程控制器的应用使机器不仅延伸人的体力，而且延伸了人的脑力，开创了数字控制机器的新时代，使人-机在空间和时间上可以分离，人不再是机器的附属品，而真正成为机器的主人。从制造业的角度，这是凭借电子和信息技术实现自动化的第三次工业革命。

进入21世纪，互联网、新能源、新材料和生物技术正在以极快的速度形成巨大产业能力和市场，将使整个工业生产体系提升到一个新的水平，推动一场新的工业革命，德国技术科学院(ACDTECH)等机构联合提出“第四代工业—Industry 4.0”战略规划。旨在确保德国制造业的未来竞争力和引领世界工业发展潮流。按照ACDTECH划分的四次工业革命的特征如图1所示。从图中可见，工业4.0与前三次工业革命有本质区别，其核心是信息物理系统的深度融合。

图1 四次工业革命的不同特征 信息物理融合系统

处于人人可拥有多终端的互联网时代，任何由原子构成的实体产品都离不开比特，至少有条形码，或借助计算机来进行设计，或能够显示工作状态，或可进入物联网。市场竞争已经充分表明，没有软件或软件含量低的实体产品，就是低附加值的产品，缺乏竞争力。软件可以是“免费”的，但硬件身价翻番。例如，在美国加州设计、中国装配的iPhone和iPad的售价里，1/3是原子，2/3是比特，比特的增值力使苹果成为最富有的公司，而富士康以工人健康和环境为代价仅获得微利。

这一事实证明，任何产品的突破性创新和盈利能力都是原子和比特联姻的产物，是具有“人—机”、“机—机”相互通信能力的信息物理融合系统(Cyber Physics System，CPS)，智能产品必将越来越普及。

未来10年，由聪明机床、智能机器人和智能物流构成CPS模式的工厂，分散的智能发电装置(如风电)构成CPS模式的智能电网，以及各行各业和不同领域的CPS构成的未来数字化智能城市如图2所示。

图2 基于互联网和物联网的智慧城市

我国也已经开始在北京、上海、天津等地开展“智慧城市”的局部试点工作，将基础设施、资源环境、市政管理、医疗保障、经济和产业以及社会民生通过互联网和物联网连接在一起。可以预计，不久的将来，新一代信息和通信技术将充分运用到各行各业。即把传感器、感应器等智能装置嵌入到电网、交通、建筑、工厂、货物等各种物体和环境中，并且通过有线和无线网络加以连接，形成物联网。再通过超级计算机和云计算将物联网和互联网整合起来，实现人类社会活动与物理系统的整合，如图3所示。

图3 基于CPS模式的社会架构 明天的制造业：智能工厂

工业4.0是一个产业的技术转型，是产业的变革。工业4.0提出的智能制造是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造。智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术以及人工智能的基础上，通过感知、人机交互、决策、执行和反馈，实现产品设计过程、制造过程和企业管理及服务的智能化，是信息技术与制造技术的深度融合与集成。

智能化和自动化的最大区别在于知识的含量。智能制造是基于科学而非仅凭经验的制造，科学知识是智能化的基础。因此，智能制造包含物质的和非物质的处理过程，不仅具有完善和快捷响应的物料供应链，还需要有稳定且强有力的知识供应链和产学研联盟，源源不断地提供高素质人才和工业需要的创新成果，发展高附加值的新产品，促进产业不断转型升级。

智能制造是可持续发展的制造模式，它借助计算机建模仿真和信息通信技术的巨大潜力，优化产品的设计和制造过程，大幅度减少物质资源和能源的消耗和各种废弃物的产生，同时实现循环再用，减少排放，保护环境。

基于工业4.0构思的智能工厂将由物理系统和虚拟的信息系统组成，称之为信息物理生产系统(Cyber Physics Production System，CPPS)，是为明天制造业勾画的蓝图，其框架结构如图4所示。

图4 信息物理生产系统CPPS

从图中可见，对应于进行物质生产的系统有一个虚拟的信息系统，它是物理系统的“灵魂”，控制和管理物理系统的生产和运作。物理系统与信息系统通过移动互联网和物联网协同交互。因此，这样的工厂不一定是在一个围墙里的实体车间。它可以借助网络利用分散在各地的社会闲置设备，无需“关心”设备的确切所在地，只要关心设备可用与否，它是“全球本地化”的工厂。就好像在淘宝网上购物，并不需要知道实体商店在哪里，下了订单，宝贝就会快递到家。

这种新的生产模式，必将导致新的商业模式、管理模式、企业组织模式以及人才需求的巨大变化。

首先是产品设计与生产的分离。今天，大到飞机、小到手机大多已经是异地设计和生产的。关键是如何借助信息技术和网络将其进一步组织得更有效、更节约资源。工业4.0提出以通信和服务为基础构建网络化智能工厂的设想，如图5所示。

图5 网络化的智能工厂

从图中可见，智能工厂的生产环境由智能产品、智能设备、宜人的工作环境、高素质的劳动者和智能能源供应组成，他们相互之间进行企业内的通信，包括生产数据采集、工况分析、制造决策等。若干智能工厂通过中间件、云计算和服务连接成庞大的制造网络，借助基于物流网的智能物流构建完整的制造体系。因此，生产优势不仅是在特定生产条件下一次性体现，也以实现多家工厂、多个生产单元所形成的全球网络环境下的生产集合体的最优化为目标〖是这个意思吗?〗。

智能工厂和物流之间的所有活动需要实时通信、交互和确认，即共同遵守的规则环境〖是不是录入时漏字了?〗，共同完成由顶层下达的任务。建立这样分散的、网络化的智能工厂体系需要有一定的基础，应具有以下5个要素条件：(1)智能生产和产品，以先进的信息物理融合的设备生产高附加值的软硬结合的智能产品。(2)真实的企业环境，当前企业转型升级的途径和规划〖?〗。(3)宏观和微观经济环境，主要是产业政策和市场需求。(4)人的因素，体现为新一代的管理人员、市场营销人员、技术人员和工人。(5)技术因素，主要体现为网络和通信基础设施的安全性和可靠性，智能生产技术等。上述5方面的要素条件如图6所示。

图6 智能化工厂的构成要素和条件

不同信息物理融合系统之间能够协同运作的决定性因素如下：(1)不同应用程序的信息必须在语义上是兼容的，才有可能进行相互通信。(2)具有实时传感器和执行器嵌入式系统的物理环境。(3)通过网络嵌入不同的“系统中的系统”。(4)所有的系统具有自适应性和局部的自主权以及合作与分布式控制系统。(5)广泛的人机合作和协同。智能工厂示范项目

工业4.0项目建立了一个智能工厂的示范项目。它以液体产品(如洗涤液)生产为例，包括液体制备和液体灌装两部分，不同的液体产品由不同组分混合配制而成，灌装后需要用不同颜色的瓶盖和标签，表明是谁的订货、发送到哪里，如图7所示。

图7 工业4.0示范项目

从图中可见，整个生产系统有无线网络覆盖，广泛采用射频识别。智能装备的控制模式和人机界面将会有很大的变化，WiFi宽带、蓝牙近距通信等网络性能的提高，基于平板电脑、手机和穿戴设备等基于网络的移动控制方式会越来越普及。与时俱进的触摸屏和多点触控的图形化人机界面将逐步取代按钮、开关、鼠标和键盘。人们，特别是年轻人已经习惯智能电子消费产品的操作方式，能够快速做出反应，切换屏幕，上传或下载数据，从而大大丰富了人机交互的内容，同时明显降低误操作率。

在智能工厂运行中，以比特表征的信息比原子组成的物质更加重要。机器不仅是生产工具和设备，更是工厂信息网络的节点。机器不仅延伸人的体力，也延伸了人的脑力，能够识别工件、与人交互，按照人编制的控制程序工作。机器与机器(物与物)之间也能够相互进行通信，感知相关设备和环境的变化，协同完成加工任务，构成基于物联网的智能化车间。5 离我们有多远?

智能工厂远在天边，近在眼前。大家都争先恐后抢占制高点。一切并非天方夜谭，今天已经开始。

例如，宁夏小巨人机床公司是智能化信息管理的先行者，除从产品设计到制造过程、从订单到客户管理全面数据集成外，还有一个智能生产中心将生产排产系统与加工设备的控制系统、现场终端和刀具室联系在一起，保证生产过程的协调运行。图8所示是机床装配车间里的装配信息终端。从这一信息平台上可以查阅装配任务、零部件供应情况、产品装配精度等所有信息。

图8 宁夏小巨人的车间终端

智能工厂将改变制造业的工作环境，使操作者远离危险。图9所示是美国一家汽车公司的车身焊接生产线上，戴着工作手套的工人正在借助平板电脑对难以接近的机器人进行远距操控。

图9 借助平板电脑操控机器人

智能管理和智能服务是智能制造的重要组成部分。工厂不仅是在围墙和大楼里，而是“空中在线”，不管你身处何处，都好像在办公室和车间一样，与你的同事和客户保持密切联系，调阅各种文件和档案，处理各种生产问题。

智能服务不仅局限于远程故障诊断、互联网技术服务和支持，还引发了新的商业模式。例如，德国大众汽车公司在总部附近有山有水风景秀丽的地方建了一个汽车综合城(Autostadt)，这是包括新车展示和交付、汽车博物馆和生产线参观、五星级酒店、培训等集4S服务、休闲和旅游为一体的智能服务新模式。未来制造：云制造

制造业已经进入大数据时代，智能制造需要高性能的计算机和网络基础设施，传统的设备控制和信息处理方式已经不能满足需要，基于云计算的云制造已经指日可待。云计算提供计算资源的共享池(网络、服务器、应用程序和存储)，本地计算机安装SCADA数据采集和监控系统后，可将数据发送给云进行处理、存储和分配，并在需要时从云接收指令。一群机器人的云端控制概念如图10图所示。

图10 云制造的概念

最后应该指出，互联网和移动通信的广泛应用，必将导致工业结构、经济结构和社会结构从垂直向扁平转变，从集中向分散转变。对制造业而言，越来越多的微小企业通过互联网组成可与大企业对抗的社区或联盟，他们可能是智能化工厂的先锋队。D