一、工业4.0及智能制造

二、工业4.0时代的智能制造
（一）本质是基于“信息物理系统”实现“智能工厂”
二、工业4.0时代的智能制造
信息物理系统
信息计算 信息
CPS
物理 物理控制
系统通信
2006年2月 美国发布（美国竞争力计划） CPS 为重要的研究项目 二、工业4.0时代的智能制造
信息物理系统
二、工业4.0时代的智能制造
智能产品案例-智能化汽车
动力管理APP
驾驶员辅助 APP
智能用户界面 APP
绿色驾驶 APP
工业4.0智能工厂的布局
面向服务的工厂的布局
硬件无关 抽象服务
现场层
服务库
硬件相关 设备控制
横向、纵向、端到端的集成
二、工业4.0时代的智能制造
工业云
云计算推动工业4.0的创新能力发展，通过资源的平台集中管理，实现智能化实时控 制调配。同时大数据分析实现制造、库存、采购、物流等的最优化管理。
TMS
产品 Production
Equipment & Automation
三、未来制造业
（二）大数据驱动制造业向服务业转型
三、未来制造业
数据量的增速
1980以来，每40个月翻一番 数据量增速，是GDP增速的4倍 数据处理能力，是GDP增速的9倍 2000年人类信息75%是模拟数据，2007年是6%，现在1%？
行业支持
标准化
一、工业4.0是什么
科学生产观 科学的生产观
生产观 效率、质量、成本、安全
科学的生产观遵循的四项基本原则： 第一、如何提高效率？ 第二、如何降低成本？ 第三、如何提升质量？
第四、如何保障安全？
四项基本原则应该从生产力和生产关系两个方面来运作： 以先进的科学技术为技术抓手；以先进的管理科学为管理抓手。
核心
战略
成本领先战略：通过降低成本、提 差异化战略：通过快速反应、提供个 高生产效率获取竞争优势 性化的产品获取竞争优势
目标
以低价格开发、生产、销售、交付 以多样化和定制化开发、生产、销售、 产品和服务 交付顾客买得起的产品和服务
一、工业4.0是什么
大规模定制的优势
成本低 效率高 交货快 品种多 个性化
供应商
信息交换 （数据）
CRM
客户 物流交易
C3P
产品开发 二、工业4.0时代的智能制造
MES
生产
（四）愿景是解决能源消费等社会问题
2010年德国能耗分布 二、工业4.0时代的智能制造
制造业节能途径
工业节能减排 与综合利用
收集和分析 能源信息
识别问题
管理运营
改变耗能不 良习惯
二、工业4.0时代的智能制造
三
未来制造业
（一）工业软件定义制造业
Business
企业侧
HR
ERP FIN
支持 供应侧
Suppliers
SCM CRM
客户侧
Customers
CAD CAM MPM WMS
Enterprise Infrastructure
企业设施
运行设施 Operations Infrastructure
MI MES HMI Quality Sched EAM T&A etc. Lean/CI
二、工业4.0时代的智能制造
服务
算法
CPS：系统中的物理对象和相应的虚拟对 象通过泛在信息网络进行通信 Cyber：算法和服务，服务的动态集成 和服务提供商，并跨越边界进行信息交流 Cyber：包括3D模型，仿真模型，文档， 关系，工作条件等数据能够通过可变信息 网络在任何地方和任何时间进行搜集 Physcial：在生产系统中的人和自动化模 块具有智能化、自我解释、自我意识、自 我诊断、交互评估能力
联网、务联网，整合物流资源，充 分发挥现有物流资源供应方的效率
，而需求方，则能够快速获得服务
匹配，得到物流支持。
工业4.0的三个重点、八大关键
工业4.0的愿景
工业4.0为何引起广泛关注？
改变了制造业模式
改变制造业思维
改变
改变了创新模式
一、工业4.0是什么
创新的模式
Text 研发 in here
信息物理系统（CPS） 信息物理系统（CCPS）强调物理过程与信息间的反馈，信息物理系统是计 算和物理过程的整合集成。嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制 。 从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计 算和通信的内核，以及物理环境中的结构所监测和控制。
基于肢体动作的物理辅助 基于上下文的自适应 故障诊断辅助工具
工业4.0 的开放制造
2025: 开放的价值链 • 学习型组织和精益生产
商业模式开发 质量管理 项目管理 工艺过程开发
1. 研发
2. 设计
3.原型制造
4.零部件生产
5. 系统集成
6. 销售服务
供应链管理
第一层 第二层 第三层
产品生命周期管理
系统 子装配体 零部件
一、工业4.0是什么
工业4.0能产生多少价值？
一
工业4.0
目录
二
工业4.0时代的智能制造
三
未来制造业
张彦国、王喜文
2015年5月
一
工业4.0 是什么
工业 4.0 的提出
工业 4.0 平台发布 白皮书（实施计划） 德国科学 -产业经济研究联盟与德 国国家科学与工程院（ Acatech ） 共同制定工业4.0发展战略 在德国科学 - 产业经济研究联 盟 （Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft） 的倡导下，开始研究工业 4.0
《德国 2020 高技术战略》发布， 并重点推出 11 个“未来项目”
一、工业4.0是什么
工业 4.0 的社会背景
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4
老龄化社会带来的劳动力减少 资源匮乏，能效仍需提升 产业转移带来的国内制造业空心化 发展中国家技术实力不断增强 经济全球化中，需要对市场做出快速响应 需要根据消费者需求，实现差异化、个性化的生产 保持制造业国际领先地位所需的标准化
社会效益：解决劳动力不足。 生产力：倍速增长。 一、工业4.0是什么
德国电子电气制造商协会研究报告
美国GE预测：2015年，智能工业影响一半的全球经济 一、工业4.0是什么
二
工业4.0时代的智能制造
工业4.0的智能制造： 本质 是基于“信息物理系统”实现“智能工厂” 核心 是动态配置的生产方式实现“柔性生产” 关键 是信息技术应用实现生产力飞速发展 愿景 是解决能源消费等社会问题
2012年 3月
2012年 4~10月
2013年 4月
2014年 4月
2011年 1月
2010年
《德国2020高技术战略》行 动计划发布，11个“未来项 目”缩减为10个（投资84亿 欧元）；“工业 4.0 ”一词 首次出现（投资 2 亿欧元）
工业 4.0 发展战略 发布；由VDM A、 BITKOM 、 ZVEI 组成秘书处，组 建工业4.0平台
工业4.0最好的满足了科学生产观的四项基本原则
传统的生产链
长期且固定的一种关系
一、工业4.0是什么
工业4.0的生产网
相对动态的一种关系
一、工业4.0是什么
传统的分工合作
1980: OEM价值链
• 仅将零部件的生产分包给不同的供应商
1. 研发
2. 设计
3.原型制造
4.零部件生产
5. 系统集成
6. 销售服务
…
备份
IAAS
基服 础务
基设 础施
管 理 和 业 务 这 次 恒
安 全
其他硬件
（二）核心是动态配置的生产方式
二、工业4.0时代的智能制造
汽车生产线的变迁
二、工业4.0时代的智能制造
（三）关键是信息技术应用
工业软件决定工业4.0
管理
企业坐标
产品-服务坐标
ERP
服务
Hale Waihona Puke Baidu
PLM
买方交易 卖方交易
SCM
价值链坐标
核心技术—物联网
服务互联网 物联网
经济
文化
科技…
与所有领域相关的通用技术 （语义技术、云计算服务平台） 工业 CPS应用 智能工厂 CPPS 能源 CPS应用 智能电网 移动通信 CPS应用 智能手机 健康 CPS应用 智能健康
…
安全、工程、教育、参考框架、模型
3C
二、工业4.0时代的智能制造
核心平台—信息物理系统
智能工厂：智能化生产系统及过程，以及网络化
分布式生产设施的实现。 智能生产：整个企业的生产物流管理、人机互动 以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划
将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业
成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者， 同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者 。
智能物流：主要通过互联网、物
移动式个性化自适应 的辅助导航系统
基于位置的维护和规 划辅助工具
基于虚拟现实/增强现实的复 杂工作流程辅助管理工具
多模式的人机交互
6C
计算（Computing， 云计算等）
通信（Communication， 无线通信等） 控制（Control，传感 器、执行器等）
CPS
内容（Content， 语义分析） 社群 （Community， 协同合作） 定制化 （Customization， 个性化定制）
集成了信息存储、传感、无线通信功能
产品是信息载体
产品在整个完整的供应链和生命周期中都一 直带有自身信息
请握中间
产品是一个agent
产品会影响其所在环境
已经打开2分 钟了，请盖上
产品具有自监测功能
产品会对其自身状态和环境进行监测
智能APP平台
面向智能制造的APP商店
下载量身定制的用户界面
工业4.0中的智能汽车
行业云
切削云 OA
焊接云 CRM 邮件
加工云 门户 内容管理
数据分析云 工 业 应 用
abqqus
…
fluent
ansys
blast
SAAS
即时通信
身份认证 ACL
PAAS
Cloud API
DevelopmentFramework
Data Mining Framework 数据存储 计算服务 虚拟化 主机 存储 网络 负载管理
大规模定制生产
大规模生产
品种单一 标准化
定制生产
成本高 效率低 交货慢
一、工业4.0是什么
工业4.0具体能实现什么？
智能
一、工业4.0是什么
传统生产方式
信息
材料
物质 生产
产品
能源
一、工业4.0是什么
生产智能化
一、工业4.0是什么
设备智能化
能源管理智能化
供应链管理智能化
工业4.0 的两大主题
全球数据量预测（单位ZB）
三、未来制造业
制造业大数据
A
产品数据
B
运营数据
制造业大数据
C
价值链数据
D
外部数据
三、未来制造业
市场预测
精准匹配
推送营销
大数据驱动制造 业向服务业转型
生产管理
社交应用
三、未来制造业
智能制造
智能工厂
智能数据
智能制造
智能产品
智能设备
云
文档 三维模型 工艺数据 …
物理 对象
CPS系统触发了工业自动化模式转变
CPS平台
二、工业4.0时代的智能制造
智能工厂
二、工业4.0时代的智能制造
智能工厂的三层架构
二、工业4.0时代的智能制造
智能设备
基于无线、RFID、传感器和服务的架构
智能产品
智能产品特性
我生产于2010 年4月30日，5 月3日出厂
在生产能力上，工业4.0将确保仅一次性生产，且产量很低时的获利能力 ，确保工艺流程的灵活性和资源利用率。另一方面，工业4.0将使人的工作 生涯更长，工作与生活更加平衡，高工资时产业仍有强大竞争力。
实现方式 主要是通过CPS（信息物理系统），总体掌控从消费需求到生产制造的所 有过程，由此实现高效生产管理。 一、工业4.0是什么
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制造业占据全国GDP的25%、出口总额的60%，影响极大
一、工业4.0是什么
四次工业革命
一、工业4.0是什么
工业1.0
一、工业4.0是什么
工业2.0
一、工业4.0是什么
工业3.0
一、工业4.0是什么
工业4.0概念
什么是工业4.0
通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来，创造前 所未有的价值、构建新的商业模式的产官学一体的项目。“工业4.0”概念 包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个 高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统 的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的 过程正在发生改变，产业链分工将被重组。 发展优势
一、工业4.0是什么
当前的外包开发
2000: 部分外包的价值链 • 外包包括工艺过程开发等核心环节
• 用供应链管理、产品生命周期管理等软件系统管理外包工作
工艺过程开发
1. 研发
2. 设计
3.原型制造
4.零部件生产
供应链管理
5. 系统集成
6. 销售服务
产品生命周期管理
子装配体 零部件
一、工业4.0是什么
工业3.0与工业4.0有哪些不同？
一、工业4.0是什么
大规模定制生产与大规模生产的比较
大规模生产 大规模定制
管理理念 以产品为中心，以低成本赢得市场 以顾客为中心，以快速响应赢得市场 驱动方式 根据市场预测安排生产，属推动式 根据客户定点安排生产，属拉动式生 的生产方式 产方式 通过稳定性和控制力取得高效率 通过灵活性和快速响应来实现多样化 和定制化