解讀裝備制造業工業4.0

陳端毓

哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

2013年在德國漢諾威工業博覽會上，“工業4.0”的概念被提出來[1]，我國也廣泛關注、討論。“工業”——點明是關于制造業的討論；“4.0”——點明是第四次工業革命。“4.0”不僅是技術傳承更是技術跨越，提醒要從技術革命的角度認識和理解。

1 工業4.0提出背景和意義

制造業是一個國家的戰略性的產業，國家安全的重要基石。制造業在德語區一直是最重要的經濟支柱。德國在汽車行業、醫療技術、飛機制造等產業，一直處于領先地位，這也是為什么“工業4.0”由德國率先提出。另外，眾多大型產品的研發和制造復雜性增加，傳統的方法和手段不足以高效完成任務。在這樣的背景下，只有加快工業化、信息化融合，才能應對挑戰。因為各方面對傳統制造業提出的挑戰，工業4.0應運而生。近年來，我國制造業持續快速發展，但相比于先進國家制造業，自主創新能力、信息化程度和質量效益方面，差距明顯。工業4.0概念雖然在德國提出，對工業4.0的深度的解讀和認識，能幫助我們認識國內制造業，清晰發展方向、明確發展規劃，意義重大。

2 工業4.0關鍵詞

2.1 信息物理融合系統——工業4.0的靈魂

信息物理融合系統（Cyber Physical System, CPS）的概念是2006由美國率先提出的，在工業4.0中被高度定位，成為了“工業4.0的靈魂”。信息物理融合系統構建一個計算、網絡和物理環境的多維系統，實現實時感知、動態控制和信息服務。工業4.0要實現高度自動化和智能化，首要實現設備的智能化，即設備或系統是高度信息物理融合系統[2]。

典型的CPS系統包含傳感器、執行器和分布式控制器。傳感器是智能設備“眼睛”和“耳朵”，負責各種信號的收集；控制器是智能設備的“大腦”，負責根據各種信息做出合理的判斷生成執行命令；執行器是設備的“手和腳”，負責執行命令。

制造執行系統（MES）就是CPS理論在制造工廠的具體應用。MES系統具有實時性、可靠性和安全性的特點，能夠對車間的人員、設備、物料、制度、環境等進行有效的匹配的數據管理，能追蹤加工過程，做到加工過程的可視化，這些都是系統高度復雜性體現。MES系統提供與企業資源管理（ERP）和物料資源管理（MRP）等接口是系統開放性和多維性的具體體現。MES系統對計劃變更，生產調整的快速響應是系統智能控制的體現[3]。

圖1 在產品生命周期中信息系統和物理系統的融合

圖1 從產品生產過程的軟件應用角度理解信息物理融合系統方式。產品生產過程是物理系統；數字技術和系統是相對應的信息系統。信息物理系統融合就是指在產品生產每個環節物理系統都有與之對應、高效融合信息系統。產品設計階段，數字技術CAD、CAE、MBD等輔助完成產品設計和仿真工作；在工藝階段，有CAM、CAPP、MPM等數字手段輔助完成工藝規程、刀具選用、工裝設計；在產品制造環節，有APS、ERP、MES、DNC等數字化技術輔助完成生產排產、資源管理、制造作業指導、質量管理；在生產支持環節，同樣是通過ERP、MES、DNC保證產品生產支持環節任務順利完成。信息系統各環節之間基于統一數字化平臺、統一的工作流數據庫，各環節之間數據無障礙交換。信息物理融合系統提供了信息化與工業化深度融合的理論基礎，是工業4.0靈魂。

2.2 產品生命周期管理——工業4.0的核心

產品生命周期管理（Product life-cycle management, PLM）是指管理產品從需求、規劃、設計、生產、經銷、運行、使用、維修保養全生命周期中的信息與過程。產品生命周期管是一門綜合性技術，將產品從創建、使用，直到最終報廢，全生命周期的產品數據信息進行管理。產品生命周期管理縱向上反映產品生產從設計到質保的流程，橫向上反映從銷售市場到產品的交付的流程（圖2）。產品生命周期管理的概念提出和發展，恰恰是制造業信息化、自動化、智能化發展的過程和必然結果。

傳統制造業和計算機技術的第一次融合重要標志是CAD系統的廣泛應用；在CAD系統不斷豐富和進步的基礎上，輔助設計的CAE軟件、輔助制造CAM軟件得到發展和應用。隨后和管理相適應的MES和ERP等概念被提出、研究，并且在不少企業也得到應用；再進一步，把涉及制造的整個過程數據信息都管理，并且實現數據在各個環節的流通。所以說產品生命周期管理就是系統級的制造企業深度的信息化、數字化，是工業4.0的核心。產品生命周期管理提供了信息化與工業化深度融合的努力方向，是工業4.0核心。

圖2 產品開發和客戶訂閱流程圖

2.3 工業軟件——工業4.0的手段

工業軟件是產品生命周期管理和信息物理系統融合的實現手段。《工業4.0即將來襲的第四次工業革命》一書中強調最多的就是工業軟件，軟件是工業的未來。從最初的產品設計理念到生產和物流，再到運行和維護，軟件是實現數字化制造的手段，是數據的載體和數據處理的工具。軟件在生產的各個環節都發揮著不可替代的作用，貫穿產品設計、生產規劃、生產實施、產品服務各個階段。產品設計階段，CAD軟件可以輔助建模，CAE軟件完成產品應力、應變分析，三維裝配仿真等，節約了產品設計成本；生產規劃階段，軟件能夠幫助生成生產計劃、快速編制工藝文件；在生產實施階段，軟件完成生產追蹤、指導現場任務……軟件和信息技術已成為工業中最重要的增長動力，目前軟件被越來越重視，投入也越來越大，并且制造業越發達的國家，對軟件的投入越大。信息物理融合系統的實施、產品生命周期管理都離不開軟件，沒有軟件的支持和發展無法實現信息化和工業化的深度融合，所以說軟件是實現工業4.0的手段。

3 工業4.0實現路徑：由MBD走向MBE

基于模型的產品定義（MBD）技術使用幾何模型、尺寸和形位公差標注，屬性注釋等產品制造信息的單一主模型來完整表達產品定義，并作為制造過程中唯一有效數據，實現各流程的高度集成。MBD技術價值體現在復雜產品的設計和制造上，復雜程度越高，使用MBD技術優勢越明顯。隨著MBD技術逐步深入應用，其技術價值和意義被廣泛認同。隨著MBD技術發展和應用，基于模型的企業（MBE）得以構建。這也是美國“下一代制造技術計劃”中重要內容：建設基于模型的企業。傳統企業采用MBD技術對設計和制造的全部流程進行徹底的改造；利用產品和過程模型來定義、執行、控制和管理企業的全部過程，從根本上減少產品創新、開發、制造和支持的時間和成本。行業內將MBE能力水平劃分為6個檔次，形成MBE能力矩陣（圖3）。MBE主要由基于模型的工程、基于模型的制造和基于模型的維護三大部分組成，并且在統一的系統工程的指導下形成有機的整體。從具體業務看，基于模型的企業又被細化為不同環節：基于模型的系統工程、基于模型的三維產品設計、基于模型的設計分析、基于模型的驗證管理，基于模型的全生命周期質量管理、基于模型的零件工藝、基于模型的裝配工藝、基于模型的質量檢驗、基于模型的作業指導書、基于模型的制造執行管理、基于模型的數字化服務管理等。將各個環節攻克，最終建成基于模型的企業，實現工業4.0。

圖3 MBE能力矩陣

4 結語

工業4.0描繪了制造業未來的愿景，在工業化和信息化深度融合道路上，信息物理融合系統提供了理論基礎，是工業4.0靈魂；生命周期管理提供了發展方向，是工業4.0的核心；軟件提供了實現生命周期管理的基礎，是工業4.0得以實現的手段，通過攻克基于模型的產品定義技術，建設基于模型的企業，最終實現工業4.0[4]。