德國工業4.0的理念思考

◎Dieter Wegener

德國工業4.0的理念思考

◎Dieter Wegener

工業4.0利用信息物理系統的融合實現制造業的智能化轉變。它的意義在于通過虛擬世界對現實世界做一個仿真，預測現實世界將發生什么，以實現全方位智能化服務。

工業4.0；物聯網；信息物理系統

在全球范圍內，以物聯網、大數據和云計算等為代表的新技術正在改造傳統制造業，數字化、智能化和服務化等成為各個產業的發展方向，昭示著新一輪工業革命的到來。2013年，德國政府正式提出“工業4.0”，致力于提升制造業的智能化水平，進一步提高德國工業的競爭力。

概念

通俗地講，工業4.0是數字化在智能工廠生產中的應用，醫療健康、交通、家居和能源等都是經濟數字化應用領域的一部分。數字化意味著要把應用領域的一些具體情景與物聯網結合，這樣我們就可以基于物聯網，通過連接到互聯網上的機器采集數據，然后以數據驅動服務。在經濟數字化的未來愿景中，所有的機器都可以通過互聯網連接起來。

工業4.0 的核心是信息物理系統（CPS），它包含了一個物理世界和一個虛擬世界或者說數字世界。信息物理系統適用于所有需求領域的橫向課題，如安全、標準及規范、工程、微電子和嵌入式軟件、培訓和繼續教育等。以汽車制造企業為例，如圖1所示，可以看到參與汽車車身制造的四個機器人為可觸摸的物理世界場景，而藍色立方體代表了與物理世界一一對應的虛擬數字世界。隨著產品及工廠生產生命周期中各個環節的推進，依次從產品設計、生產規劃、生產過程、生產執行到最后的服務，與之對應的虛擬數字模型藍色立方體也不斷擴大，這意味著每個環節采集到的數據量在不斷增加。

圖1 以汽車制造企業為例解讀信息物理系統

意義

工業4.0 最重要的一點就是它有一個虛擬的數字世界，通過模擬我們可以用虛擬世界對現實世界做一個仿真，并預測現實世界在未來會發生什么，這就是工業4.0 的意義。如實現了工業 4.0 的廠房和傳統廠房相比有很大的變化。目前普遍的情況是，在辦公樓層里坐著一些對著電腦使用軟件工具工作的人，在生產車間層里坐著一些對著機器設備工作的人，而在這兩個層面進行的工作并不能即時完全互相連接和溝通。而在工業4.0時代，意味著辦公樓層和車間層將被完美結合。

如何做到這樣的結合呢？工業行業如機械、制造、電子、能源、化工和食品工業等，由于行業特性不同可分為離散工業、過程工業或介于中間的混合工業。各個行業在車間層面所涉及的機器設備各不相同，很難將它們簡單地連接起來。我們可通過設計“工業4.0組件”的方式來解決這個問題。工業4.0組件由車間內機器設備等硬件，上疊嵌合一個“管理殼”軟件組成。其中機器的各種來源組件是核心，以此使得機器與機器之間、車間層與辦公樓層之間通過“管理殼”連接起來，實現物理世界與虛擬數字世界的融合。這就是我們提出的全新的工業4.0參考架構模型，稱之為RAMI4.0。它重新組織了傳統的管理體系架構（見圖2）。

圖2 工業4.0參考架構模型

工業4.0和我們每個人的生活息息相關。在未來，所有事物之間的連接將不會有任何阻礙（見圖3）。物聯網就像一個覆蓋全球的網絡，每個節點都有一個伺服器，所有這些伺服器都通過電纜、衛星相連，當信息數據在物聯網中產生并流動時，不再局限于本地，而是可實現全球范圍內跨地域跨行業的可用性。這就是工業化時代和數字化時代的區別。

圖3 物聯網示意圖

應用

1.智能工廠

如西門子公司為客戶提供工廠模擬仿真軟件，通過這個軟件就可以在工廠設計階段模擬出整個工廠所有生產進程，而不需要先把生產線實際搭建起來之后再找出和解決問題。在其他過程工業的工廠中，如一個大型的化工廠或煉油廠，如果有人并不了解工廠建設或者相關生產工藝的話，傳統的做法是到實地去考察，而現在可通過電腦模擬整個工廠的場景，或者可通過智能手機對技術人員進行廠內導航，通過數字化手段，幫助其在結構地形復雜的工廠內部找到需要的信息，如找到出現問題的氣閥或者是鍋爐，可以用智能手機做記錄、照相，并把相關信息發到其他工作人員的智能終端上去。

2.智能產品

物理意義上的機器運作和電腦軟件模擬的進程可以做到完全一致，我們稱之為“數字雙胞胎”。一個技術員想要操作機器，他不一定必須在工廠車間的現場，在家或辦公室只要有一臺電腦就可以進行遠程操控了。“數字雙胞胎”可以顯著提高工作效率，大幅度節省對機器進行準備的時間。

3.智能服務

在消費市場我們已感受到了數字化技術帶來的沖擊，如傳統書店購書變成了電子書下載，出租車行業出現了優步共享服務，但在工業領域我們剛剛起步。有一些數字化服務已被使用，如勞斯萊斯的飛機發動機業務，他們已經從向客戶出售飛機引擎這樣的具體產品方式轉向一種新型商業模式——按引擎運作飛行小時收費。過去他們把引擎銷售給波音或者空客以后，波音或空客又會把完工的飛機賣給航空公司。但是今天，引擎內安裝了大量傳感器用于采集數據，并在電腦里進行引擎運行的模擬，對數據進行分析診斷，所以勞斯萊斯以后可以出售跟引擎相關的一些智能化服務了。航空公司未來再購買引擎時可能就不是按照購買產品來付費，而是通過引擎輸出多少動力或者使用了多長時間來付費。正因為數字化技術的使用使得生產公司對引擎運作狀態實時監控，以及主動性維護變得可能，從而大大提高了引擎的效率和可用性。這就是未來的智能化服務方式。

（作者系西門子中央研究院副總裁）

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10.13561/j.cnki.zggqgl.2017.08.003 編輯：田佳奇