工业4.0与知识型工作自动化的调研报告

工业4.0与知识型工作自动化的调研报告

摘要：工业4.0，是从嵌入式系统向信息物理融合系统(CPS)发展的技术进化。作为未来第四次工业革命的代表，工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网(物联网、数据网和服务互联网)的方向发展。文中首先介绍了知识型工作自动化的概念，其次介绍了工业4.0的进化过程，提出了CPS的概念及其功能，同时分析了工业4.0的缺陷及实施困境。

关键词:工业4.0;智能工业;CPS;知识型工作自动化；

（一）知识型工作自动化

桂卫华院士所做的关于流程工业自动化的报告引发了我对于知识型工作自动化方面的兴趣，以下主要对知识型工作自动化进行初步概括。世界著名的麦肯锡研究所发表了一项162页的研究报告“Disruptive technologies : Advances that will transform life , business , and the global economy”，2013年5月27日《参考消息》报道了这一研究成果，发表了一篇名为“12种颠覆性技术驱动未来经济”的文章，这12种技术都具有广泛的潜在影响并有可能造成重大经济影响。这12种技术是：移动互联网、知识型工作的自动化、物联网、云计算、高级机器人、全自动和几乎全自动的年辆、下―代基因组学、能源储存、3D打印、高级材料、高级油气勘探和采集技术、可再生能源。其中“知识型工作自动化”位列第二，到2025年其经济规模将达到5.2-6.7万亿美元。

知识型工作自动化的核心技术是人工智能，1997 年，IBM的“深蓝”首次击败了等级分排名世界第一的国际象棋棋手卡斯帕罗夫，成为了知识型工作自动化的一个重要里程碑；美国科学家经过长达18年的努力，构建了一个无法被击败的西洋跳棋人工智能程序——切努克（Chinook）；2011年IBM的超级电脑“沃森”在智力竞赛中，战胜了美国智力竞赛节目《危险边缘》的两位冠军选手肯·詹宁斯和布拉德·鲁特。这些都是在国际上具有很高影响力的知识型工作自动化的代表。在欧美也有若干实用的专家系统，实现了知识型工作的自动化。

未来由于知识型工作自动化的产生，更多的自动化方向的人才将转入技术服务方向。

（二）工业4.0

智能工业或者工业4.0，是从嵌人式系统向信息物理融合系统(CPS)发展的技术进化。作为未来第四次工业革命的代表，工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互

联网(物联网、数据网和服务互联网)的方向发展。同时，分散型智能利用代表了生产制造过程的虚拟世界与现实世界之间的交互关系，在构建智能物体网络中发挥重要

作用。

工业4.0体现了生产模式从集中型到分散型的范式转变，正是因为有了让传统生产过程理论发生颠覆的技术进步，这一切才成为可能。未来，工业生产机械不再只是“加工”产品，取而代之的是，产品通过通信向机械传达如何采取正确操作。

工业4.0通过将嵌人式系统生产技术与智能生产过程相结合，将给工业领域、生产价值链、业务模式带来根本性变革(如智能工厂)，从而开创一条通往新技术时代的道路。

1工业4.0进化过程

（1）工业革命1.0

18世纪末期始于英国的第一次工业革命，19世纪中叶结束。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业及机械制造带动经济发展的模式。

（2）工业革命2.0

第二次工业领域大变革发生在20世纪初期，批量工业生产开始的阶段。通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的新模式。20世纪70年代以后，随着电子工程和信息技术充实到工业过程之中，实现了生产的最优化和自动化。

（3）工业革命3.0

第三次工业革命始于第二次工业革命过程中发生的生产过程高度自动化。自此，机械能够逐步替代人类作业。

（4）工业革命4.0

未来10年，第四次工业革命将步人分散化生产的新时代。工业4.0通过决定生产制造过程等的网络技术，实现实时管理。

2 CPS

CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使智能物体通信以及相互作用，创造一个真正的网络世界。

CPS体现了当前嵌人式系统的进一步进化。与互联网或者网上可搜集的数据、服务一起，嵌人式系统也是构成CPS的要素之一。

CPS可提供构建物联网的基础部分，并且与服务互联网一体化，实现工业4.0。这些技术被称为实现技术，培育更加广泛的基于创新型应用或过程的新现实空间，淡化现实世界与虚拟空间的界限。实现技术就像互联网使得个人通信以及相互作用的关系发生变革一样，将给我们与物理现实世界之间的相互作用关系带来根本性变化。

基于高性能软件的嵌人式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间，发生的相互作用，将诞生全新的系统功能性世界。举一个简单的例子，智能手机囊括许多应用和服务，已经远远超出设备本身通话功能。

由于全新的划时代应用和服务的提供商将不断涌现，渐渐形成新价值链，所以，CPS 也将对现有业务与市场模式带来范式转变。汽车工业、能源经济，还有包括诸如工业4.0的生产技术的各个工业部门，将同步因这些新价值链发生巨变。

未来，CPS将以以往人类无法想象的形式，对人类安全、效率、生活舒适度、提升健康水平等做出贡献。同时，CPS也将对解决人口结构变化、自然资源不足、可持续发展以及能源结构变化等带来的问题，发挥关键性的作用。

3智能工厂:自动化制造业的未来

CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，技术过程与业务过程也因此得到融合，从而开创新工业时代。最能够准确表达新工业时代的就是工业4.0项目倡导的智能工厂概念，智能

工厂是通过在生产系统中配备CPS来实现的。相对于传统生产系统，智能工厂的产品、资源及处理过程因CPS的存在，将具有非常高水平的实时性，同时在资源、成本节约中也颇具优势。

智能工厂按照重视可持续性的服务中心的业务来设计，因此，服从性、灵活性、自适应以及学习等特征、容错能力，甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。

智能工厂的装备将实现高级自动化，主要是由基于自动观察生产过程的CPS的生产系统的灵活网络来实现的。通过可实时应对的灵活的生产系统，能够实现生产过程的彻底优化。同时，生产优势不仅仅是在特定生产条件下一次性体现，也可以实现多家工厂多个生产单元所形成的世界级网络的最优化。

这就意味着，创新技术、成本与时间的节约，拥有培育新市场机会的网络容量的“自下