Industry 4．0 新工業革命與工業自動化轉型升級

繆學勤

(上海工業自動化儀表研究院，上海 200233)

進入21世紀以來，世界經濟出現了新的局面，增速緩慢、波瀾起伏、競爭加劇。為了擺脫危機和取得可持續發展，世界各國都在加快新的技術和工業革命的變革。德國是高度工業化的，以制造業為導向的出口型經濟技術強國，為了保持在重要關鍵技術上的國際領先地位，提出了繼蒸汽機的發明、大規模生產和自動化之后的第四次工業革命——Industry 4．0高科技戰略計劃。其基本設想是制造的產品集成有動態數字存儲、感知和通信能力，承載著在其整個供應鏈和生命周期中所需的各種必需的信息；整個生產價值鏈中所集成的生產設施能夠實現自組織，能夠根據當前的狀況靈活地決定生產過程。目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。

1 Industry 4．0 產生的背景

1．1 信息與通信技術的突破

最近十年，信息技術不斷取得新的突破，產生了新一代的信息技術。按照美國ARC顧問集團的觀點，推動產業轉型的新一代信息技術主要包括社交媒體技術、移動互聯網和物聯網技術、云計算技術以及大數據與先進分析技術。

1) 社交媒體技術。在國內微博和微信得到廣泛使用，已深刻改變了社會領域的各個方面。而在美國，社交網站的發展驅動了人們對于社交媒體技術在制造領域應用的探索。今天的制造業正面臨著巨大的挑戰，各個工廠工程師需要擁有非常廣泛的工程技術知識，而設計、建設、運營并且優化生產流程是難度很高的任務。為此，如何快速查找工作所急需的專業知識，如何快捷地找到正確的能幫助你的人，如何在設計過程中實現全球協同等，都可以借助于社交媒體技術來實現。同時社交媒體可以有利于工廠企業市場營銷的品牌建立與提升，獲得潛在客戶信息等需求。社交媒體技術的應用還可以拓展到員工、客戶或者商業伙伴之間的協同工作領域，并能提高企業的運營效率[1]。

2) 移動互聯網與物聯網技術。移動互聯網是移動和互聯網融合的產物，繼承了移動隨時、隨地、隨身和互聯網分享、開放、互動的優勢，即運營商提供無線接入，互聯網企業提供各種成熟的應用，移動互聯網被稱為下一代的互聯網Web3．0。

a) 互聯網將計算機進行互聯互通，實現了人與人的聯網，徹底改變了人與人的互動方式。隨著技術的不斷發展，進一步希望物理世界也聯網，進而實現信息世界與物理世界的交融，于是產生了物聯網。物聯網是指通過射頻識別(RFID) 裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任意物品與互聯網相連，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

b) 在物聯網中，物品通過計算機互聯網實現物品的自動識別和信息的互聯與共享。在很多應用中，接入網絡的設備對其計算能力的要求遠非RFID能比。因為物聯網中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發生在物品與服務器之間，所以物品之間無法協同控制。為了將控制技術融入互聯網，2006年美國國家基金會(NSF)科學家Helen Gill提出了信息物理融合系統CPS(Cyber Physical System)的概念，將互聯網技術的發展推向了一個新的高度。CPS把計算與通信深深地嵌入實物過程，使之與實物過程密切互動。由此可見，CPS是將物理設備聯網，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能。由于分布式應用系統中物理設備之間的協調是通過通信完成的，因而CPS把通信與計算和控制放在同等的地位[2]。CPS本質上是一個具有控制屬性的網絡，但又有別于處于封閉狀態的工業控制系統。

3) 云計算技術。云計算發源于搜索引擎平臺，是互聯網企業出于追求低成本高效能的考慮開發出的一種計算技術，目前已成為提供各種互聯網服務的重要平臺。云計算是以虛擬化技術為基礎，以按需付費為商業模式，具備彈性擴展、動態分配和資源共享等特點的新型網絡化計算模式。在云計算模式下，軟件、硬件、平臺等IT資源將作為基礎設施，以服務的方式提供給使用者[3]。

4) 大數據與先進分析技術。在制造業領域，很多機器上都安裝了一個或多個微處理器來采集生產數據，無處不在的傳感器和微處理器，形成了龐大的數據來源，其大小已經超出了傳統意義上的規模，常規的數據庫技術已難以完成捕捉、存儲、管理和分析這種大規模的數據集合。大數據技術是從各種類型的數據中，采用新處理模式快速獲得有價值信息，從而實現深度理解、洞察發現與精準決策。其給制造業帶來的益處包括優化流程、降低成本與提升營運效率。

1．2 新技術產業革命是解決經濟危機的最佳手段

2008年以來，世界各國開始認識到，用新一代信息技術轉型升級傳統工業是解決經濟危機的最佳手段。在這種背景下，各國從不同角度，提出了新工業革命的不同版本。最具代表性的是美國著名未來學家杰里米·里夫金在其暢銷書《第三次工業革命》中提出的第三次工業革命的概念。作者認為在蒸汽機和信息技術兩次工業革命之后,第三次工業革命時代已經開始到來,它的重要標志是分布式發電與互聯網技術的緊密結合。數億計的人們在自己的工廠里、辦公場所、甚至家中就可以生產出綠色能源，不僅如此，還可在“能源互聯網”(The Internet of Energy)上與大家進行能源共享，就像今天大家在網絡上分享信息一樣地簡單便利。綠色能源、互聯網、個體創新和生產全球化代表著未來技術的發展方向，被稱作“第三次工業革命”[4]。

2 Industry 4．0戰略

由于文化、政治和經濟的不同，德國認為不需要跟隨模式。于是，從實際國情出發，德國于2012年首先提出將CPS的技術創新應用于制造工業，提出了基于CPS的Industry 4．0第四次工業革命戰略[5]。工業革命的具體劃分如圖1所示。

圖1 工業革命的劃分

1) Industry 1．0。第一次工業革命大約產生于1780年，18世紀中期英國發明了“蒸汽機”，隨之創造出制造蒸汽機的生產工具“手動機床、刀具”。1784年第一臺機械紡織機誕生，使人類由“手工勞動”向“機械化”變化，由“家庭手工業”向“大機器工業生產方式”轉變，生存率和勞動生產率大幅提高，推動了世界由“農業國”向“工業國”轉變。

2) Industry 2．0。第二次工業革命產生于20世紀初，當時美國的福特發明了汽車與大批量生產流水線，同時電力技術開始推廣應用，隨之而來創造出“自動化機床”、“自動線”。人類由“機械化零星生產”向“大批量自動化生產”轉變，提高了勞動生產率，加速了現代化工業的發展。

3) Industry 3．0。20世紀70年代初，第一臺可編程邏輯控制器(PLC)Modicon 084問世，在微電子、微型計算機與IT技術的推動下，產生了第三次工業革命。特別是進入20世紀80年代，發達國家經過幾十年大工業生產的積累，為了適應人們日益多樣化的需求，綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術以及計算機軟硬件，形成了計算機集成制造(CIM)技術，實現了企業全部生產系統和企業內部業務的綜合自動化和高效化，使企業經濟效益持續穩步地增長。

4) Industry 4．0。從現在開始，由于數字化、智能化、信息化與網絡化等新技術不斷取得突破，催生了第四次工業革命的到來。在Industry 4．0 時代，每個工廠企業都將建立 “數字企業平臺“，通過開放接口將虛擬環境與基礎架構融為一體，從而構成CPS,生產自動化系統將升級為信息物理融合生產系統(CPPS)。Industry 4．0將由集中式控制向分散式、增強型控制基本模式轉變，創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組，將使人類從“自動化生產”進入“智能化生產、綠色生產、都市化(Urban)生產”。

3 Industry 4．0戰略計劃愿景與目標

Industry 4．0戰略愿景是成為智能網絡化世界的一部分[5]。物聯網及其服務推動這些領域產生重大變革，從而產生了能源領域的智能電網，可持續的移動策略(智能汽車、智能倉儲)以及健康領域的智能健康。在制造環境中，實現價值網絡上的產品和系統日益智能化、橫跨整個價值網絡的垂直網絡化、端到端工程和水平集成。

Industry 4．0集中于創建智能產品、規范和方法，其中智能工廠(Smart Factory)制訂Industry 4．0的主要細節內容。智能工廠能夠管控各種復雜情況，很少發生停車，并能更有效地制造產品。智能工廠與智能汽車、智能物流和智能電網的接口，將使得智能工廠成為未來智能基礎設施的主要部分，如圖2所示。這將導致產生常規價值鏈的變革，并出現新的業務模式。

圖2 智能基礎設施組成示意

Industry 4．0戰略愿景與目標具體描述為以下幾個方面：

1) 在制造企業中，所有執行者與資源之間將采用新的、高水平的社交媒體技術交互方式。一切都圍繞制造資源網絡進行考慮，該網絡包括制造機器、機器人、運輸和倉儲系統以及各類生產設施。制造資源網絡基于知識是自治的、能夠響應各種情況完成自身控制、具有自組織能力、并配備有分布廣泛的傳感器，同時與相關的規劃和管理系統緊密結合。作為愿景的關鍵部分，智能工廠將被嵌入到企業內部的價值網絡中，并具有包括制造過程和制造產品的端到端的工程特征，從而實現數字和物理世界的無縫融合。

2) Industry 4．0 智能產品都將能唯一地被識別，任何時間都能確定其位置，甚至在智能產品加工期間，也能知道其制造過程的詳細情況。這就意味著在某些領域，智能產品將能控制半自治生產的個別階段。此外，還將能確保了解制成品的各種參數，從而做到功能最滿意，同時還能分辨在其生命周期期間磨損與損傷情況。共享上述信息可以從物流、調度和維護方面優化智能工廠，同時實現與業務管理應用的整合。

3) 在Industry 4．0的未來，工廠還能將單個用戶指定的產品性能結合進設計、配置、定制、規劃、生產、運行和再周轉中；工廠在制造之前或制造期間，甚至也有可能在運行期間直接響應最后一分鐘提出的變更需求。這將使得智能工廠能夠制造單個，甚至極少數量的產品。

4) Industry 4．0愿景的實現將使得企業員工能夠控制、調整和配置智能制造資源網絡以及建立在所處環境和與上下文有關的目標基礎上的制造步驟。企業員工將能從執行任務的路徑中解放出來，集中精力從事創新和增加附加值活動。但是，他們仍將處于關鍵角色地位，特別是在保證質量方面。

4 Industry 4．0的主要特征

為了確保德國在制造業市場和裝備制造業供應商兩個方面的領導地位，Industry 4．0采用在制造業布局CPS以及加速CPS技術和產品市場化雙戰略。Industry 4．0在戰略層面能夠創建水平價值網絡，在業務流程層面(包括工程)提供跨越整個價值鏈的端到端集成，同時能夠實現垂直集成和網絡化制造系統。具體表現為以下三方面特征：

1) 水平集成。在生產、自動化工程和工廠領域，水平集成是指用于制造和業務規劃流程不同階段的各種工廠系統的集成，其中包括在公司內部(例如入庫、生產、出庫、市場)和幾個不同公司之間(價值網絡)的集成。該集成的目標是提供端到端的解決方案，通過水平集成開發公司內部的價值鏈和網絡。

2) 端到端系統工程。跨越整個價值鏈的端到端系統工程包括產品設計和開發、生產規劃、生產工程、生產實施以及服務五個階段。這就需要采用跨越不同技術學科的整體性系統工程方法。貫穿工程流程的端到端數字集成，橫跨不同的公司和整個產品價值鏈，同時考慮用戶需求，將數字世界和真實世界進行集成。端到端數字系統工程和由此產生的價值鏈最優化，將意味著用戶不再選擇由制造商指定的預先定義了性能范圍的產品，取而代之的是將單個功能和部件配合，以滿足指定的要求。通過CPS實現的基于模型的開發，允許采用一種端到端、模型化的數字方法，它包括從用戶需求到產品結構，直至最終產品生產。這就使得在一個端到端系統工程工具鏈中就能識別和描述所有的依賴關系。基于同一模型能夠平行地開發制造系統，意味著它與產品的開發始終保持并駕齊驅，使制造單個產品成為可能。目前，國內已著手開展這方面的工作[6]。

3) 垂直集成。垂直集成是指為了能夠實現端到端解決方案在不同層級(例如執行器和傳感器、控制、生產、管理、制造和執行以及公司規劃級)的各種工廠系統的集成。

5 “智能工廠”是Industry 4．0 的核心

目前，Industry 4．0 已處在德國高科技戰略計劃的首要位置。該計劃主要分為兩大主題：

1) “智能工廠”重點研究智能化生產系統及過程、網絡化分布式生產設施的實現。

2) “智能生產”主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動、3D打印以及增材制造等技術在工業生產過程中的應用等。

在智能工廠中，人員、機器和資源相互之間進行通信，就像在社交網絡一樣。智能產品能夠知道其被制造和打算被使用的詳細情況，主動支持制造過程，回答諸如“什么時候我被加工？”，“處理產品的哪一個參數？”，“產品被傳遞到何處？”等問題，從而能夠根據當前的狀況靈活地決定生產過程。

為了實現Industry 4．0計劃，德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部聯手，投入高達5億歐元支持該計劃，由德國人工智能研究中心(DFKI)牽頭，西門子公司、菲尼克斯電氣公司以及SAP公司等23家工業自動化企業參加，組成了“智能工廠創新聯盟”。該聯盟的目標是研發、演示、應用和分享創新的智能工廠技術，提出融合規劃、工程和生產工藝以及相關機電系統的全面解決方案，為該技術廣泛用于工業生產創造條件[7]。

6 智能工廠的體系架構

由于CPS進入制造和物流的技術集成以及在工業流程中使用物聯網及其服務，從而產生了創新的工廠系統——智能工廠。完全不同于傳統的工廠自動化系統，智能工廠采用面向服務的體系架構，具體體系架構如圖3所示。從中可以看出，對應于傳統自動化系統的現場級使用物聯網技術；對應于控制級采用CPPS；對應的監控管理級連接到安全可靠和可信的云網絡主干網，采用服務互聯網提供的服務。

圖3 智能工廠的體系架構

1) 基于嵌入式Internet技術、無線自組織的機器對機器通信M2M(Machine-to-Machine)通信網絡。M2M是基于特定終端行業，以公共無線網絡為接入手段，為客戶提供機器到機器的通信解決方案，滿足客戶對生產過程監控、指揮調度、遠程數據采集和測量、遠程診斷等方面的信息化需求。M2M不是簡單的數據在機器和機器之間的傳輸，它是機器之間的一種智能化、交互式通信，即使人們沒有實時發信號，機器也會根據既定程序主動進行通信，并根據所得到的數據智能化地作出選擇，對相關設備發出正確的指令。工業控制需要實現智能化、遠程化和實時化，隨著無線寬帶的突破，具有高數據傳輸速率、低占空比、IP網絡支持以及泛在移動性的M2M將提供更佳的承載基礎[8]。

2) CPPS。由于工業控制的可靠性要求非常高，因而生產流程控制采用靠近工廠機器設備的CPPS。按照文獻[9]： CPS是計算過程和物理過程的集成系統，利用嵌入式計算機和網絡對物理過程進行監測和控制，并通過反饋環實現計算過程和物理過程的相互影響。CPPS是一種網絡型嵌入式系統，它將打破在PC機時代建立的傳統自動化系統的體系架構，從而全面實現分布式智能。

3) 安全可靠和可信的云網絡。智能工廠的IT設施建立在云計算網絡基礎上，云計算的本質是一種基于互聯網的服務模式，它類似于遠程數據中心。控制室可以理解為私有云，考慮到控制的可靠性要求非常高，為CPPS提供服務的App平臺建立在工廠企業的私有云上。但是一些營運和生產管理,例如PLM，SCM，CRM，QMS，ERP以及MES的一些功能可以通過云計算網絡提供服務，從而可以降低創建和優化基礎架構的成本、提升生產管理的智能化水平、高效地跨地域協同以及提高快速響應市場需求的能力等。

4) 基于CPS的高級工廠輔助系統。“智能工廠創新聯盟”十分重視將各種無線技術、平板電腦、智能手機以及室內精確定位等多種IT領域成熟的最新技術，創新地引入新一代工廠系統，制成高級工廠輔助系統。2012年4月，谷歌公司發布了 “谷歌眼鏡“ 新產品，這是一款可穿戴移動終端產品。“谷歌眼鏡“采用了“擴增實境”(Augmented Reality)又稱增強現實技術，在“實境”現實基礎上，將圖像、聲音和其他感官增強功能實時添加到真實世界的環境中，以虛擬現實把它擴增，把真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間，可以使用戶充分感知和操控虛擬的立體圖像。為此，“智能工廠創新聯盟”專門成立了項目組，經過研究試驗，打算將該技術用于工業維護系統： 通過頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用戶，包括虛擬儀表的面板、被維修設備的內部結構以及被維修設備零件圖等，從而大幅提高維護效率。利用這些高級工廠輔助系統還可以支持、幫助和培訓新一代工作人員。

7 結束語

當前，中國的制造業面臨十分嚴峻的考驗。長期以來，高投入、高消耗、高污染的生產模式已無法延續。為了提升競爭力，保持可持續發展，必須采用CPS、物聯網與服務網技術，向智能、綠色和高效的智能工廠轉型升級。新一代智能工廠系統要求傳統的工業自動化技術必須向新一代信息與通信技術開放。自動化技術應該轉換其研究聚焦點，從在各個獨立的學科(如分散系統或通信)開展漸近的局部改善性研究，走向整體系統功能的再工程化研究。國內同行應該借鑒德國提出的新工業革命理念、目標和制訂的路線圖，打破傳統理念，堅持進行持續地技術轉型，重視將IT領域成熟的最新技術引入工業自動化領域，勇于創新，打造中國工業自動化升級版。

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