工業4.0技術與測評

彭晉輝

摘 要：隨著工業4.0的概念被引入中國并逐漸為工業界所接受，目前如何推動制造企業向工業4.0邁進，已經成為了中國工業企業的熱門話題。本文旨在論述工業4.0的三種核心技術，及介紹一種判斷企業處在工業4.0下何種階段的測評工具。

關鍵詞：工業4.0；物理信息系統（CPS）；物聯網（IoT）；智能工廠；測評

中圖分類號：F424 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0012-03

1 背景介紹

工業4.0即第四次工業革命的概念，在2011年德國漢諾威工業展中被首先提出，隨即被列入德國高科技戰略2020計劃中。2015年4月德國政府接管了由德國機械設備制造業聯合會（VDMA）、德國電氣和電子工業聯合會（ZVEI）以及德國信息技術、通訊、新媒體協會（BITKOM）共同建立的工業4.0平臺（http：//www.plattform-i40.de/），整體負責戰略研究、戰術發展和協調。工業4.0平臺的4大戰略目標是：戰略、標準、技術路線、最佳實踐。

2 工業4.0涉及的關鍵技術

工業4.0涉及了眾多新技術與新理念。比較重要的方向包括了CPS，智能工廠，健壯型網絡，云計算及信息安全。同時每個方向下又覆蓋了眾多技術，從社交機器，到接入式生產，再到設備端到設備端的聯通等等[1]。Mario Hermann，Tobias Pentek和Boris Otto通過Google學術上對工業4.0英文文獻和德文出版物進行了遍歷。其結果是，出現最多的關鍵詞依次為“Cyber-Physical Systems，Cyber-PhysikalischeSysteme， CPS”，“Internet of Things， Internet der Dinge”，“Smart Factory， intelligenteFabrik”[8]。值得注意的是，在“德國工業4.0工作小組”2013年出版的“Recommendations for implementing the strategic initiativeIndustrie 4.0”中，列出了工業4.0的三項關鍵要素，也同樣是物理信息系統（CPS），物聯網（IoT）和智能工廠[2]。因此，在下一部分中本文將對這三個技術在工業4.0下的應用做進一步說明。

3 物理信息系統（CPS）

物理信息系統的英文全稱是Cyber Physical Systems。這個概念在2006年由Lee在美國提出[3]，目前仍然在發展之中。CPS可以根據其智能程度分為不同的階段[4]，如表1所示。在第一階段，被動式CPS。其本身并不智能，需要通過中心系統提供各項服務，例如射頻識別芯片（RFID）；第二階段，主動式CPS。具備主動傳感器和執行器，具備相對清晰的功能；第三階段，互聯式CPS。CPS可以通過各類接口實現與其他系統的互聯；第四階段，自主智能的CPS。CPS可以智能組合自身的單項功能，在生產上即插即用，自行提供服務。

對于CPS的架構，斯圖加特大學的N.Jazdi提出了三種可能性，來說明如何將嵌入式設備拓展入網絡中[6]。如圖1所示。

（1）控制器擴展模式：在這種直連結構中，CPS的控制器需要具備有網絡通訊接口，其控制軟件可以與互聯網進行交互。經過控制器，CPS能夠直接將傳感器收集的信息上傳云端，并且可以執行云端的指令。

（2）外接中間件擴展模式：在這種非直連結構中，CPS需要連接外部控制單元。外部控制單元應當具有CAN， UART，WLAN，Ethernet等多種接口，以便下端能夠接入各種嵌入式系統，上端接入互聯網或云。

（3）傳感器，執行器擴展模式：在這種直連結構中，傳感器，執行器的功能需要被大幅度加強。傳感器和執行器在傳輸數據到控制器的同時還需要能與云端交互。這要求的傳感器不僅可以捕捉數據，還能夠處理數據。執行器不僅能夠接收控制信號，還能夠檢查甚至修正自身狀態。當然，采用這種模式這意味著網絡需要能夠應對海量的數據傳遞，并且承擔高昂的傳感器和執行器部署成本。

4 物聯網（IoT）

實現工業4.0，離不開物聯網與工業的結合[2]。在工業4.0下，運用物聯網技術，各式各樣的物品或者說對象（例如RFID，傳感器，移動設備等）可以通過特定的尋址方式連接起來。通過物聯網，連接起來的智能對象們可以互相合作，以便完成他們的共同目標[6]。

目前，CPS和IoT的關系目前還沒有定論。本文傾向于認為IoT的覆蓋范圍大于CPS如圖2所示。IoT是網絡，關注于物與對象的間如何相互連接，包含了物理對象與物理對象的連接，虛擬對象與虛擬對象的連接，及物理對象與虛擬對象的連接。而CPS嵌入式設備，它只作用于最后一種，也就是物理對象與虛擬對象的連接。但是深度上，CPS還關注于如何獲取與轉化現實世界的數據，進而將現實世界抽象為虛擬世界中的對象，達到現實和虛擬的相互影響。這是IoT的概念下所沒有的。

工業4.0中，IoT的應用將會擴展工業生產的價值鏈。產品的物理功能結合額外IT數字化服務將帶來的各式增值業務，而這些增值業務的影響范圍可以超過本地，甚至遍及全球[7]。例如，冰箱的物理功能是提供低溫空間保存物品。其接入物聯網后，冰箱可以獲取使用者的飲食習慣，購物記錄，體檢記錄等信息，并結合附近的商戶信息，隨時隨地的給用戶推薦合適的購物清單，甚至在食物用盡之前自動下單。再比如汽車，其物理功能是提供運輸能力。接入物聯網后，汽車可以依據其行駛記錄與零部件狀況，獲得預防性維修的服務。如圖3所示。

5 智能工廠

智能工廠是工業4.0的重要組成部分[2]。為了滿足客戶有關大規模定制的需求，智能工廠將軟件，硬件和機械設備聯系起來，以便減少人力投入和資源消耗，最終實現優化生產。

智能工廠與傳統工廠的不同，可以體現在以下幾個方面[8-9]。首先，產品類型的數量。傳統工廠一般生產的產品種類有限，而智能工廠旨在提供多樣化的產品。其次，產品與生產線的靈活性。傳統工廠即便可以實現不同種類產品的混線生產，但是其流水線仍然是固定的，產品制造需要遵循固定的順序依次進行。智能工廠下，為了使生產線得以支持靈活的高度柔性生產，其生產線上需要使用模塊化的設備，方便設備間的動態組合，定制化產品可以依據其特征，選擇合適的加工過程如圖4所示。

再次，信息交互程度。傳統工廠中，設備可以記錄自身運行信息，通過數據總線，控制器也能控制其從屬的工位。但是設備之間的信息交互并不普遍。而車間與車間之間，工廠與工廠之間也彼此獨立，其聯系多建立在產品傳遞的基礎上。而在智能工廠內，設備，產品，信息系統之間能夠依靠健全的網絡保持快速通訊，使得原本獨立的設備，生產線，車間，工廠間能夠信息共享，進而達到協同運作，通過靈活配置的資源實現定制化生產如表2所示。

6 工業4.0的測評工具

目前，世界上還沒有一個完全達到工業4.0階段的企業。西門子最先進的巴伐利亞州安貝格工廠（EWA），依靠約1000名員工，每年能為全球顧客提供超過1000個品種的30億個零件，產品可靠性達到99.99%。但即便是EWA這樣的全球頂級工廠也只處在工業3.0與工業4.0之間的階段[10]。

如何確定企業自身所處的工業化等級，如何衡量企業自身與工業4.0之間的距離，這往往是當一家企業想實施工業4.0時第一個需要澄清的問題。為此，IMPLUS基金會（該基金會隸屬于德國工業4.0工作組的成員，德國機械設備制造業聯合會VDMA）制作了在線工業4.0測評工具，幫助企業找到答案（在線測評的地址是：https：//www.industrie40-readiness.de/？lang=en）。該在線測評使用的模型在圖5中展示，包括了戰略和組織，智能工廠，智能運營，智能產品，數據驅動的業務，人力水平六個方面。每個方面進行測評后，等級從低級到高級依次為：局外級，入門級，中間級，經驗級，專家級，頂尖級。具體來說，在某方面測評結果是局外級意味著公司在該方面完全沒有關于實施工業4.0的計劃；頂尖級則是公司在該方面已經完全實現了工業4.0的要求。如圖5所示

該在線測評，通過使用者回答的問題，將為企業在工業4.0的六個方面分別進行打分。之后將各方面的分數與在其的權重（戰略和組織：0.254，智能工廠：0.143，智能運營：0102，智能產品：0.185，數據驅動的業務：0.138，人力水平：0.179）相乘，最終加和得到該企業在工業4.0體系下的等級。同時，測評報告還會依照企業在六方面的得分，在每個方向上為企業提出進一步改善的建議。依據測評的統計，目前對于雇員規模在500人人數以上的大中企業，技術水平達到工業4.0 中間級（2級）以上的比例約為4.2%，達到中間級的約為19.8%，達到入門級的約為45.2%，處在局外級的約為30.8%。經過測評，目前國際頂級汽車制造廠商可以接近甚至達到經驗級水平，但距離工業4.0頂尖級水平仍然有差距。

7 結語

近年來，中國學界和工業界的對工業4.0的參與程度都有了進一步加強。中國國務院于2015年發布了中國制造強國戰略的第一個十年行動綱要《中國制造2025》。 同年12月，中國工信部和國家標準化管理委員會共同發布《國家智能制造標準體系建設指南（2015版）》，標志著中國開始了傳統制造業的改造和提升。了解工業4.0核心技術，認清企業自身的智能制造水平，將有助于中國企業制定面向智能制造的路徑規劃，以最快的速度來趕上世界先進水平。

參考文獻

[1]Schlund， Sebastian.Industrie 4.0 – Volkswirtschaftliches Potenzial für Deutschland[J].Zeitschrift Für Erfolgsorientierte Unternehmenssteuerung，（2015）27：8-9.

[2]Kagermann， H.， W. Wahlster， and J. Helbig， eds.Recommendations for implementing the strategic initiativeIndustrie 4.0， Final report of the Industrie 4.0 Working Group[J].Frankfurt，2013.

[3]Wang， Lihui， M. Trngren， and M. Onori.Current status and advancement of cyber physical systems in manufacturing[J].Journal of Manufacturing Systems，（2015）：517-527.

[4]托馬斯.保爾漢森，米夏埃爾.騰.洪佩爾，布里吉特.福格爾，實施工業4.0[M].電子工業出版社，2015.

[5]Jazdi， N.Cyber physical systems in the context of Industry 4.0[J].IEEE International Conference on Automation， Quality and Testing， Robotics，2014：1-4.

[6]Giusto， Daniel， et al. The Internet of Things. The Internet of things[J]. Springer，2008：4-5.

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[8]Wang， Shiyong， et al.Implementing Smart Factory of Industrie 4.0： An Outlook[J].International Journal of Distributed Sensor Networks （2016）：1-10.

[9]Shrouf， F.， J. Ordieres， and G. Miragliotta.Smart factories in Industry 4.0： A review of the concept and of energy management approached in production based on the Internet of Things paradigm[J].Industrial Engineering and Engineering Management 2014：697-701.

[10]夏妍娜，趙勝.工業4.0-正在發生的未來[M].機械工業出版社，2015.