淺談工業(yè)4.0下的汽車(chē)低碳“智造”之路

孫群

【摘 要】工業(yè)4.0是是由德國(guó)政府《德國(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略》中所提出的十大未來(lái)項(xiàng)目之一，核心是將網(wǎng)絡(luò)化和智能化引入到生產(chǎn)過(guò)程中，較大程度降低對(duì)勞動(dòng)力的依賴(lài)，提高制造業(yè)生產(chǎn)力與競(jìng)爭(zhēng)力。本文針對(duì)汽車(chē)行業(yè)的高效低碳排放要求，結(jié)合工業(yè)4.0戰(zhàn)略的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)汽車(chē)制造企業(yè)的智能化技術(shù)和信息化手段展開(kāi)論述。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)4.0；汽車(chē)低碳技術(shù)；智能制造

“工業(yè)4.0”是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，是由德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部在2013年漢諾威提出的戰(zhàn)略概念，旨在通過(guò)充分利用信息通訊技術(shù)和信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）和信息通訊技術(shù)相結(jié)合的方式，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。“中國(guó)制造2025”是中國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)10年行動(dòng)綱領(lǐng)，意在全面提升中國(guó)制造業(yè)發(fā)展的質(zhì)量和水平，并降低總體生產(chǎn)活動(dòng)的碳排放。隨著兩國(guó)經(jīng)濟(jì)往來(lái)日益密切，“中國(guó)制造2025”與德國(guó)“工業(yè)4.0”逐漸深入對(duì)接，尤其是在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)方向，成為中德兩國(guó)創(chuàng)新合作促增長(zhǎng)的示范。

一、汽車(chē)行業(yè)的智能工廠與智能制造

近年來(lái)，全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革在工業(yè)4.0的驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)出一些新趨勢(shì)，概括而言就是產(chǎn)品特征有變化、生產(chǎn)方式有變化、使用模式有變化。

1.汽車(chē)產(chǎn)品的智能網(wǎng)聯(lián)特征將更加明顯。

工業(yè)4.0下的汽車(chē)制造行業(yè)，就是利用互聯(lián)網(wǎng)，將智能化貫穿在生產(chǎn)、物流和服務(wù)各個(gè)消費(fèi)者相關(guān)的領(lǐng)域，主打智能化工業(yè)技術(shù)，使汽車(chē)車(chē)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、互聯(lián)網(wǎng)化的汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程，包括無(wú)線射頻技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)、在線條碼、二維碼比對(duì)、影像識(shí)別、機(jī)器人等技術(shù)應(yīng)用。依托信息物理系統(tǒng)（CPS）和信息通信技術(shù)的結(jié)合，工廠將引入大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化管理，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，最終將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、互聯(lián)化的生產(chǎn)制造。實(shí)現(xiàn)這種能實(shí)現(xiàn)這種制造方式的工廠被稱(chēng)為智能工廠。工業(yè)4.0戰(zhàn)略的展開(kāi)方向之一就是智能工廠。在這場(chǎng)新的變革中，汽車(chē)制造商、零部件供應(yīng)商、軟件提供商等站在各自需求角度對(duì)智能工廠都有著各自的解讀，也因而帶來(lái)了不同層面的實(shí)踐，以及不同形態(tài)的智能制造解決方案。

2.生產(chǎn)方式向智能制造轉(zhuǎn)變。

工業(yè)4.0沒(méi)有目標(biāo)，而是機(jī)械化、數(shù)字化和無(wú)線互聯(lián)相組合的新體系，這個(gè)體系的建設(shè)永無(wú)止境。各企業(yè)都在向著4.0進(jìn)發(fā)，差別在于無(wú)線互聯(lián)的控制程度和智能化程度。近年來(lái)，在各大汽車(chē)制造廠商車(chē)間，越來(lái)越多的智能化機(jī)器手廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化車(chē)間，已經(jīng)成為汽車(chē)智能制造的重要載體。近年來(lái)更是出現(xiàn)了“無(wú)人化”車(chē)間，弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)、 噴漆、檢測(cè)、碼垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)全部交由工業(yè)機(jī)器人來(lái)做一條傳送帶，代替了人工操作，在一定幅度上提高了生產(chǎn)效率與安全性。 為了適應(yīng)現(xiàn)代汽車(chē)制造技術(shù)柔性化、靈捷化、智能化、信息化的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造業(yè)在汽車(chē)生產(chǎn)中引入了自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV），使汽車(chē)裝配的生產(chǎn)組織、信息管理和物流技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

同時(shí)，以大數(shù)據(jù)支持的數(shù)字化和自動(dòng)化總體策略和路徑逐漸實(shí)現(xiàn)。汽車(chē)在配置選項(xiàng)變得越來(lái)越多、生產(chǎn)越來(lái)越復(fù)雜的同時(shí)，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)又希望產(chǎn)品更快速的上市、更及時(shí)響應(yīng)市場(chǎng)需求，這本身就是相互矛盾的。因此，汽車(chē)制造商若要維持長(zhǎng)期的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，還離不開(kāi)維護(hù)服務(wù)這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。維護(hù)服務(wù)的重要任務(wù)是將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的“大數(shù)據(jù)”變身成為“智慧數(shù)據(jù)”，從而幫助企業(yè)做出明智的決策。

3. 低碳排放的智能交通體系構(gòu)建具備更好基礎(chǔ)。

工業(yè)4.0、低碳制造、中國(guó)制造2025等相關(guān)戰(zhàn)略構(gòu)想的競(jìng)爭(zhēng)，將在很大程度上體現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)。隨著低碳制造的推廣及技術(shù)普及，低碳概念在越來(lái)越多行業(yè)中得以實(shí)現(xiàn)，低碳時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。在交通行業(yè)，尾氣、噪音都是對(duì)環(huán)境的重要未然，就節(jié)能減排來(lái)說(shuō)，智能交通體系必須要考慮低碳排放要求。智能交通系統(tǒng)作為未來(lái)交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。從這個(gè)角度看，率先制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如汽車(chē)行業(yè)碳排放標(biāo)準(zhǔn)，并盡可能推向國(guó)際化是有利的，但考慮到中國(guó)汽車(chē)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)，這項(xiàng)工作的難度是非常大的。與此同時(shí)，工業(yè)4.0等新的理念方法在中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，仍然是一個(gè)開(kāi)放性的新課題，先定標(biāo)準(zhǔn)很可能會(huì)抑制企業(yè)自主進(jìn)行的多樣化探索及創(chuàng)新。

二、與低碳制造要求相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)

隨著溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，節(jié)能環(huán)保成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的新主題。京都議定書(shū)限制排放的6種溫室氣體是二氧化碳、甲烷、氮氧化物以及其他3種用于取代含氯氟烴的鹵烴。而這6種氣體大都與汽車(chē)有關(guān)，其中二氧化碳、氮氧化物來(lái)自內(nèi)燃機(jī)的燃燒，氯氟烴用于汽車(chē)空調(diào)。由此可見(jiàn)，汽車(chē)工業(yè)正在面臨資源緊張、環(huán)境污染等挑戰(zhàn)，同時(shí)也具有巨大的節(jié)能減排潛力。

低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求汽車(chē)工業(yè)實(shí)現(xiàn)低能耗、低排放，要求開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)、更環(huán)保的技術(shù)。汽車(chē)行業(yè)主要的發(fā)展方向集中在以下幾點(diǎn)：

1.低耗高能效的技術(shù)改進(jìn)：以目前汽車(chē)生產(chǎn)的主要技術(shù)為基礎(chǔ)，以降低能耗提高能效為目標(biāo)，對(duì)汽車(chē)組件或整車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。以大眾汽車(chē)集團(tuán)為例，使用環(huán)保的藍(lán)驅(qū)技術(shù)（BlueMotion）以實(shí)現(xiàn)未來(lái)在汽車(chē)制造業(yè)的愿景。這些技術(shù)包括新的啟停系統(tǒng)和再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，電力驅(qū)動(dòng)裝置和混合動(dòng)力系統(tǒng)，以及新型TSI EcoFuel汽車(chē)所采用的智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2.新能源汽車(chē)及技術(shù)：新能源汽車(chē)是指除汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之外所有其它能源汽車(chē).包括燃料電池汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、氫能源動(dòng)力汽車(chē)和太陽(yáng)能汽車(chē)等。上海通用汽車(chē)實(shí)施面向未來(lái)的“Green Drive綠色科技戰(zhàn)略”，致力于高效節(jié)能技術(shù)的研發(fā)和普及，包括混合動(dòng)力技術(shù)、高效動(dòng)力總成技術(shù)、整車(chē)輕量化及其他綠色科技應(yīng)用。

3.新材料替代：因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料可以大幅減輕車(chē)身質(zhì)量，目前已經(jīng)應(yīng)用在一些高端車(chē)型上，但大規(guī)模使用一直受限于高成本。因此開(kāi)發(fā)低成本碳纖維復(fù)合材料，擴(kuò)大市場(chǎng)應(yīng)用將是未來(lái)的重點(diǎn)。2012年4月中旬，美國(guó)福特汽車(chē)公司與陶氏化學(xué)簽署協(xié)議，雙方計(jì)劃合作開(kāi)發(fā)將先進(jìn)碳纖復(fù)合材料大批量應(yīng)用于汽車(chē)和卡車(chē)上的經(jīng)濟(jì)可行性。

4.汽車(chē)能效標(biāo)準(zhǔn)制定：隨著世界各國(guó)對(duì)能效的重視，歐盟、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和組織都積極建立了各種針對(duì)能效的法律法規(guī)體系。美國(guó)政府發(fā)布新的汽車(chē)能效標(biāo)準(zhǔn)，要求在2025年以前，將汽車(chē)與輕型卡車(chē)的能效標(biāo)準(zhǔn)提高近一倍。而我國(guó)仍未提出汽車(chē)行業(yè)降低CO2排放的指標(biāo)。針對(duì)我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀，僅僅考慮行駛中尾氣排放的評(píng)估方式，已經(jīng)不能滿足社會(huì)對(duì)于整個(gè)汽車(chē)加工行業(yè)的低碳需求，控制汽車(chē)排放的法規(guī)應(yīng)涵蓋汽車(chē)生產(chǎn)的全生命周期，包括從原料生產(chǎn)到報(bào)廢后回收再利用的整個(gè)過(guò)程，這樣評(píng)估更加準(zhǔn)確有效。通過(guò)對(duì)汽車(chē)全生命周期中能源消耗全面分析，旨在了解和把握汽車(chē)工業(yè)的能效要求，從而對(duì)汽車(chē)基準(zhǔn)能源消耗效率的政策制定研究，為建立我國(guó)汽車(chē)能效的技術(shù)性能效標(biāo)準(zhǔn)提供參考，同時(shí)為汽車(chē)制造的技術(shù)改進(jìn)提供完善空間。

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