工業4.0及其核心技術

彭晉輝

摘 要：工業4.0的概念在2011年的德國漢諾威工業展中被首先提出，其后的5年間，與工業4.0相關的話題迅速升溫，成為在學界與工業界最熱門的話題之一[1]。本文將介紹工業4.0的演進歷史，相關概念，以及核心技術。

關鍵詞：工業4.0；物理信息系統（CPS）；物聯網（IoT）；智能工廠

中圖分類號：G124 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0036-04

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，在越來越多的在學術期刊，文獻，論壇中進行討論研究[2]。在政策層面，截止至2014年，在德國政府的支持下，德國聯邦政府教育研究基金和德國聯邦政府公共事務與能源基金已投入超過2億歐元，支持工業界對工業4.0進行研究[1]。

在討論工業4.0之前，本文以汽車制造業為例，首先來回顧前三次工業革命。第一工業革命誕生于18世紀末的英國，以水利和蒸汽機作為代表，標志著工業開始進入機械化時代。第二次工業革命誕生于19世紀末20世紀初，以電力的大規模應用作為代表，標志著工業進入了大規模流水化作業時代。1886年，卡爾本茨制造了世界第一臺乘用汽車，汽車工業正式在第二次工業革命的初期誕生。而隨著1913年福特開發的第一條流水裝配線的推廣，第二次工業革命中實現了在低生產成本，高生產效率前提下的大批量生產。第三次工業革命誕生于20世紀中期，以計算機和IT技術作為代表，標志著工業進入自動化時代。1969年，通用汽車公司開始在生產線上引入可編程邏輯控制器，自此微處理器開始作用于汽車工業生產[3-4]。如圖1所示。

進入21世紀后，當今工業社會中，企業面對著前所未有的激烈市場競爭和客戶對個性化定制產品的消費需求。如何從生產大規模單一產品的進化到快速適應市場，具備生產的靈活性，成為企業生存和發展的關鍵。而德國推出工業4.0這一概念，就是旨在幫助企業應對產品生命周期的縮短和產品種類的多樣化[5-6]。如圖2所示。反映了在汽車工業中，汽車產品種類及單一車型產量的歷史變遷。

2 工業4.0的定義

隨著工業4.0的關注度日益提高，越來越多的探究機構，工業企業參與了工業4.0的討論。但是目前，參與其中的各個學術界或是工業界的組織對工業4.0還沒有一個統一的認識[7]。無論是工業4.0的學術定義和還是其實施標準，依然存在多種解釋。即便是工業4.0的發起者，“工業4.0工作組”和“工業4.0平臺”也主要是在論述工業4.0的使用場景和技術基礎，而并沒有對工業4.0提出一個準確的定義[8]。

例如，Technical University Darmstadt大學Reiner Anderl教授提出的“工業4.0是一種將控制系統與IT技術集成起來，用于連接人，產品和復雜系統的戰略方法。工業4.0的基礎是使用物理信息系統（CPS）來連接各類人工系統，幫助其智能化，使其達到智能系統的層次[3]。”

德國聯邦政府教育研究部定義4.0是“CPS的應用為產業價值鏈增添了更多的靈活性。這使得設備和工廠可以通過自我優化和更新配置來調整其自身行為，例如改變訂單或是改變加工環境…最主要的是特點在于獲得數據，并從中抽取信息，依此來相應的調整自身行為，同時依據這些經驗來擴展知識。在未來的智能工廠里，實現分布式互聯設備的關鍵是智能生產系統及其對應的流程，工程方法和工具[9]。”

Bharathidasan大學的S.Vijaykumar，S.G. Saravanaku-mar和M.Balamurugan提出“工業4.0是與實現CPS架構密切相關。其部件，如傳感器，需要能夠通過收集到的特征信息，達到可以自我感知的，自我預測的水平，以便監控預測產品在生命周期中可能出現的各種問題，從而提高生產效率。控制器需要能夠通過感知和比較來預測設備的連續可用時間，進行預防性的健康監控。同時，互聯的生產系統要達到自我配置，自我維護，自我組織來使生產過程變的更靈活簡單。最終，工業4.0將會把生產制造轉變為一種提供服務的商業模式[10]。”

本文傾向于使用TU Dortmund University大學的Mario Hermann，和奧迪公司的Tobias Pentek，Boris Otto從工業企業的角度對工業4.0所做的解釋。該解釋指出“工業4.0是面向整個產業價值鏈的，各種新技術與新理念的集合。通過工業4.0下的模塊化的智能工廠，CPS可以監控整個實體流程，并以此創造出其對應的虛擬世界，同時實現分布式控制。依靠物聯網IoT，CPS之間、CPS和操作者之間可實時交流信息，協同工作。通過服務聯網IoS，產業價值鏈中的成員可分享和使用內部的和跨組織外部的服務[8]。”該解釋詳細指明了工業4.0的幾個主要特征，即工業4.0需要面向整個產業鏈，涉及多種新技術（CPS，IoT，智能工廠）及面向服務。

3 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如圖3所示，例如智能工廠下的社交機器，接入式生產，低成本自動化，虛擬化，人機接口交互；CPS下則具體有智能產品，設備端到設備端聯通（Machine to Machine），傳感器和執行器等[11]。

為了統計學術界和工業界的研究熱點，判斷究竟哪些技術被普遍認為是工業4.0的基礎，Mario Hermann，Tobias Pentek和Boris Otto通過google學術上對工業4.0英文文獻和德文文獻進行了遍歷。其結果是，出現最多的關鍵詞依次為“Cyber-Physical Systems， Cyber-Physikalische Systeme， CPS”，“Internet of Things， Internet der Dinge”，“Smart Factory， intelligenteFabrik”[9]。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[12]。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。endprint

3.1 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[14]，2008年Lee將其定義為：CPS是物理流程與計算能力的整合。其運用網絡與嵌入式的計算器來監控物理生產流程，使得實際的物理流程與虛擬監控之間形成雙向反饋。不同于傳統的基于單點機器的嵌入式系統，CPS更關注于包含眾多設備的設備網絡[14]。換句話說，CPS本質是擁有計算和通信能力的嵌入式系統。它通過網絡收發數據，用來連接物理世界與虛擬世界，并使之能相互作用，相互影響。Malte Brettel，Niklas Friederichsen，提出了一個典型的CPS結構[15]，如圖4所示。該CPS能夠與使用者交互，獲取并處理外界數據，并可以在設備的自我控制下完成特定任務。（注：在Malte Brettel與Niklas Friederichsen提出的嵌入式系統中，只注明了包含有傳感器與執行器。但是考慮到實際生產設備下，脫離控制器的傳感器與執行器無法獨立執行復雜任務，所以在圖4中的嵌入式系統下補充了控制器。）

信息物理系統目前還在發展之中，可以根據其智能程度分為不同的階段[6]，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。

目前，工業界對CPS的應用，還大多處在第一階段。要想普及CPS的使用范圍，需要滿足以下三個前提[1]：（1）低成本的通信設施。CPS的高昂價格將是推廣其使用的最大障礙。例如，在大型汽車制造工廠中，全面普及第一階段的CPS產品射頻識別芯片（RFID）用來進行零部件追溯，單車成本將增加超過一萬人民幣。尤其對很多中小制造企業而言，盡管普及RFID將會有效提高自動化率，但因其只能承擔有限的購置和運維費用，使得現階段的CPS很難在他們的生產中全面普及。（2）覆蓋設備，工廠及整個公司的網絡。CPS的設計理念之一就是互聯。其捕獲到的各式數據需要經由網絡進行傳輸，才能進一步方便分享數據，挖掘數據，分析數據。沒有公司級的全覆蓋網絡，眾多CPS，IT系統，使用人就會因存在信息孤島，增加獲取信息的成本，影響信息收益的最大化。（3）健全設備，車間，工廠及產品在網絡中的信息，例如文檔說明，3D數據，模擬模型等。通過這些信息，并結合從傳感器捕捉到的數據，CPS可以將生產中的物理流程進行虛擬化。一旦設備狀態出現異常，員工就可以從已經虛擬化了的設備對象上立刻得到通知，同時還可以得到其他所需信息，例如設備的歷史數據，運轉流程，安全事項等等。

3.2 物聯網（IoT）

物聯網與工業的結合被認為是實現工業4.0的關鍵因素[12]。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[16]。其覆蓋范圍包括了設備，產品，加工人，虛擬的生產模型及全球化的供應鏈。如圖5所示。

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6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。

3.3 智能工廠

智能工廠是工業4.0的重要組成部分[13]。隨著外部需求的變化愈發頻繁多樣，生產設備面臨的復雜性局面顯著上升，而智能工廠正是為了應對這一困境所提出的解決方案，用以創造靈活的，高適應性的生產流程。智能工廠這一方案一方面是指自動化，將軟件，硬件和機械設備聯系起來，以便減少人力投入，資源消耗，最終實現優化生產。另一方面旨在加強工業界和非工業界的交流，形成一個相互合作的動態組織。而這個動態組織的目標是提供新的智能服務[18]。具體來說，根據之前給出的CPS和IoT的定義，一個智能工廠需要包括CPS，IoT，設備和使用者。其中CPS和IoT聯系起了各式設備和眾多用戶，并幫助其協同工作，共同完成任務[8]。見圖6所示。

4 結語

工業4.0自列入德國高科技戰略2020計劃以來熱度不斷攀升。隨著德國政府接管工業4.0平臺，學界和工業界的參與程度都進一步加強。目前，德國已成立15個與工業4.0相關的尖端技術集群，每個集群覆蓋工業4.0相關的某幾個領域，由200-300家企業，學校與研究機構組成。盡管現階段工業4.0的各項關鍵技術（物理信息系統（CPS），物聯網（IoT），智能工廠）仍然在發展之中，但是隨著滿足客戶的定制化要求成為企業在市場上獲得的成功的關鍵，可以預見未來參與到工業4.0進程中的中國企業也會越來越多。

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