智能制造与工业4.0

智能制造与工业4.0

摘要：“工业4.0”概念最早出现于德国政府2011年11月公布的《高技术战略2020》，2013年德国汉诺威工业博览会上，工业4.0再度亮相，并迅速上升为德国国家战略。“工业4.0”是利用信息化技术促进产业变革的时代，即智能化时代，其要求企业信息化从车间延伸到整个工厂乃至整条供应链，将物联网及服务全面引入制造业，实现智能制造、智能经营。

关键词：工业4.0；智能制造；工业革命

一、工业4.0

“工业4.0”是德国率先实施的全球市场运动，对全球未来工业走向有着深远影响。“工业4.0”这一概念为全球产业界展现了一幅全新的工业蓝图：在一个智能、网络化的世界里，信息物理系统（Cyber-Physical System，简称CPS）将渗透到所有的关键领域，涵盖自动化、生产技术、汽车、机械工程、能源、运输以及远程医疗等众多工业部门和应用领域，在CPS的不断推动下，工业创造新价值的过程将逐步发生改变，产业链分工重组，传统行业界限消失，并衍生出新活动领域和合作形式，最终实现全面灵活的智能制造。

工业生产过程更加灵活坚强。“工业4.0”使动态的、适时优化的和自我组织的价值链成为现实，并带来诸如成本、可利用性和资源消耗等不同标准的最优化选择。包括在制造领域的所有因素和资源间形成全新的循环网络、智能产品独特的可识别性、个性化产品定制以及高度灵活的工作环境。

全新商业模式和合作模式。这些模式将力争确保潜在的商业利润在整个价值链、所有利益相关人之间公平地共享，包括那些新进入的利益相关人。同时，“工业4.0”、“网络化制造”、“自我组织适应性强的物流”和“集成客户的制造工程”等特征，使它追求新的商业模式，从而率先满足动态的商业网络，这将引发一系列融资、发展、可靠性、风险、责任和知识产权、技术安全问题。

工作方式和环境全新变化。全新的协作工作方式使工作可以脱离工厂，通过虚拟的、移动的方式开展。员工将拥有高度的管理自主权，可以更加积极地投入和调节自己的工作。同时，随着工作环境和工作方式的巨大改变，可以大幅度提升老年人和妇女的就业比例，确保人口结构的变化不影响当前的生活水平。促进形成全新的信息物理系统平台。全新的信息物理系统平台能够联系到所有参与人员、物体和系统，将提供全面、快捷、安全可靠的服务和应用业务流程，支持移动终端设备和业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程等。

二、智能制造工厂

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以及各种废弃物的产生，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，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。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。

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，即共同遵守规则环境，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。

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。

三、智能制造的应用

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，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，Wi Fi 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。

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