工业4.0的目标和基石

工业4.0的目标：智能制造

“工业4.0是具有自调适功能的智能化，能在设计制造过程中根据变化了的情况，利用大数据分析工具与智能技能软件及时做出调整，使制造过程达到最小污染，这也是制造业追求的最高境界。”——美国辛辛那提大学先进工业技术研究所首席教授李杰

工业4.0建立在去中心化和智能生产要素的基础上，涉及信息物理系统与制造、物流技术融合，以及物联网、大数据和服务网在工业生产过程中的应用，智能工厂是工业4.0的重点。

这些产品不仅“了解”制造的细节，还“知道”自己将被如何使用，甚至能够积极协助生产过程的推进，同时它们还能对诸如“我是什么时候被制造的”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪”等问题做出准确回答。要使智能制造成为可能，智能工厂是一个重要的载体，让参与智能制造的人、机器和资源能自然地相互沟通和协作。由此可见，智能工厂将成为未来智能基础设施中的关键组成部分，并带来传统价值链的转变和新商业模式的出现。

1、智能工厂——工业4.0的精髓

在工业4.0时代要打造这样的智能工厂，就意味着智能工厂的制造智能应用需要具备以下五个核心能力：

❶集成大量实时信息和历史操作信息；

❷建立和维护持久、稳固的不同数据源之间的关联关系；

❸通过业务规则和模型，对数据进行分析，进而实现实时的智能操作；

❹展现直观的图形化智能信息；

❺根据需要，自动将相关智能操作信息传输到各个业务系统，从而减少人员的介入，提升信息和知识在生产系统、业务系统之间的共享效率。

2智能制造——未来制造业的发展新趋势

在德国，智能制造是指利用信息物理系统，依托于传感器、工业软件、网络通信系统、新型人机交互方式，实现人、设备、产品等制造要素和资源的相互识别、实时连通、有效交流，从而促使制造业研发、生产、管理、服务与互联网紧密结合，推动生产方式向定制化、柔性化、绿色化、网络化发展，并不断充实、提升、再造制造业的全球竞争新优势。

对于智能制造这个大系统，可以从智能产品、智能装备、智能生产、智能管理和智能服务五个维度来认识和理解。

✿智能产品：智能产品是将传感器、处理器、存储器、通信模块、传输系统融入产品，使得产品具备动态存储、感知和通信的能力，进而实现产品的可追溯、可识别、可定位。

✿智能装备：通过先进制造、信息处理、人工智能等技术的集成与融合，可以形成具有感知、分析、推理、决策、执行、自主学习及维护等自组织、自适应功能的智能生产系统以及网络化、协同化的生产设施。

✿智能生产：能够智能地编辑产品特性、成本、物流管理、安全性、生产时间等要素，从而实现为不同客户进行最优化的产品制造。企业需要不断思考一系列的基本问题——我是谁，我在哪里，我的边界在哪里,我的竞争优势来自何方，我的价值是什么……

✿智能管理：随着企业内部所有生产、运营环节信息的纵向集成、企业之间通过价值链以及信息网络所实现的资源的纵向集成，以及围绕产品全生命周期的价值链的端到端集成的不断深入，企业数据的及时性、完整性、准确性将不断提高。工业4.0时代还给我们带来了管理领域的革命。

✿智能服务：企业可以通过捕捉客户的原始信息，在后台积累丰富的数据，然后构建需求结构模型，并进行数据挖掘和商业智能分析，除了可以分析客户的习惯、喜好等显性需求外，还可以进一步挖掘与时空、身份、工作生活状态关联的隐性需求，从而主动为客户提供精准、高效的服务。

3预见未来——智能制造带来的改变

减少能源消耗：未来，即便在很短的生产间歇内，机器人也可以自动关闭，并保持在一种被称为“网络唤醒模式”的待命状态，一旦需要机器人设备再次启动并开始工作。

实现真正意义上的远程服务：远程服务是一种通过远程访问和控制为客户提供快速有效设备维修的技术。

支持客户定制：在工业4.0时代，动态生产线使得客户能够参与到设计、配置、计划、生产与物流当中。

多品种、小批量生产：将个性化与规模化进行了高度融合——通过互联网，将制造链条上的各个环节更加紧密地连接起来并使之高效协作，从而以高效率的批量方式生产出个性化的产品。

工业4.0的硬件基础

精益生产——智能制造的基石

实施工业4.0的核心问题之一是构建智慧工厂的生产线，即将大量先进技术组织起来，并融合为有机整体，固化为生产线及管理模式，从而大幅提升生产效率。然而简单地将这些技术堆砌在一起，所得效果并非就是它们各自功效的综合。

生产线上经常有半数以上的潜能都没有得到发挥，其中有生产线设计不合理的原因，也有管理的原因。要彻底解决这些问题，最大化这些先进技术的效能综合，唯一的解决方案只有精益思想了。

工业机器人——工业4.0的最佳助手

“机器对话”（M2M)，机器与机器之间的通信，是对按部就班的自动化生产的巨大跨越，也是未来制造的标志之一。

沟通是未来智能制造的核心要素，这种沟通包括人与人、人与机器、机器与机器之间的信息交换，并且对于整个庞杂的制造过程来说，要做到高效精准，就必须提高沟通的速度与准确度——这就意味着机器间的每次沟通时耗或频次将达到百万分之一秒，甚至更低。

在工业4.0时代，机器人的智慧不仅仅体现在沟通上，它们还可以借助海量数据提供的“经验”，对生产中复杂的状况做出精准判断；它们甚至能发展出模仿、学习的能力，懂得自行组织生产，从而不断提升生产效率。机器人将改变世界。

工厂标准化（工业4.0的必要条件）：是指为了实现整个工作过程的协调运行,提高工作效率等目标，而对作业的质量、数量、时间、程序、方法等制定统一规定，做出统一标准。在工业4.0时代，标准化的作用变得尤为关键，似乎成了看不见硝烟的第四次工业革命成败的关键。

标准化是智能工厂有序运作的必要条件，如果某个零件的公差过大，是很难用自动化设备进行装配的。因此在实现智能工厂的全自动生产及物流之前，标准必须先行。

工业4.0的软件支撑

这些看似天马行空的想象，都将在工业4.0时代成为现实，在愿望成真的过程中，不容忽视的一点是工业4.0的首要助推力——软件。伴随着工业4.0在德国的不断深入，软件技术的重要性也日益提升，并且发展势头迅猛。

将在工业4.0舞台上登场的主角包括：连接虚拟空间与物理现实的信息物理系统，联网设备之间自动协调工作的M2M通信，对通过网络所获取的大数据进行充分运用，与生产系统以外的开发、销售、企业资源计划（ERP)、产品生命周期管理、供应链管理等业务系统联动的软件。

信息物理系统

——连接虚拟空间与物理现实

信息物理系统是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术，即计算（Computation)、通信(Communication)和控制（Control)的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。

信息物理系统的本质是以人、机、物的融合为目标的计算技术，从而实现人的控制在时间、空间等方面的延伸,因此人们又将信息物理系统称为“人-机-物”融合系统。

与物联网相比，信息物理系统在物与物互联的基础上,强调对物的实时、动态的信息控制与信息服务。总之，作为来来第四次工业革命的代表，工业4.0将不断向物体、数据以及服务等无缝连接的互联网的方向发展。

✿让地球互联

信息物理系统的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。

✿“通吃”物联网

物联网所使用的基于无线电射频技术实现的连接，对于信息物理系统来说太过简单——在很多应用中，信息物理系统对接入网络的设备计算能力的要求远非无线电射频技术能比。

✿机遇与挑战

对信息物理系统的广泛应用并不仅仅是简单地将诸如家电等产品连在一起，而是要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。毫无疑问，下一代工业将建立在信息物理系统之上。

✿数据与安全

在工业4.0时代，将出现许多共享的信息物理系统平台，以适应对具有协作性特点的商业化进程的推进，以及连接智能工厂和智能产品的全生命周期的整个商业网络。

大数据——掌握未来的密钥

德国工业4.0强调通过信息网络与物理生产系统的融合，即建设信息物理系统来改变当前的工业生产与服务模式。美国GE公司所倡导的工业互联网，则强调通过智能机器间的连接并最终实现人机连接，结合软件和大数据分析，重构全球工业。

事实上，无论工业4.0还是工业互联网，其主要特征都是智能和互联，主旨都在于通过充分利用信息通信技术，把产品、机器、资源和人有机结合在一起，推动制造业向基于大数据分析与应用基础上的智能化转型。智能制造时代的到来，即意味着工业大数据时代的到来。工业大数据的应用，将成为未来提升制造业生产力、竞争力和创新能力的关键要素。

✿智能制造催生工业大数据时代

在工业3.0时代，传统制造业模式的特征用6个M来概括：

❶Material：材料，包含其功能与特性

❷Machine：机器，指加工能力和精度

❸Methods：方法，指产能和生产效率

❹Measurement：测度，指如何探测与改进

❺Maintenance：维护

❻Modeling：建模，指对生产流程的预测、优化和防范

在智能制造时代，制造业的生产方式应该用6个C来定义：

❶Connection：连接，主要指传感器和网络

❷Cloud：云储存，即任意时间和需求的數据

❸Cyber：虚拟网络，包括模式与记忆

❹Content：内容，是指相关性及含义

❺Community：社群，包含分享和交际的功能

❻Customization：定制化，指个性化的价值与服务

现有的制造系统需要对制造设备本身以及制造过程中产生的数据进行深入的分析，而在智能制造时代，工业机器、设备、存储系统以及运营资源可以利用网络通信技术连接起来，进而随时随地进行信息分享，而且互相连接的系统还可以独立进行自我管理（自组织)。这些互通信息即是工业大数据。

对工业大数据进行分析的目的，是找出制造系统中隐藏的操作问题及未知变异，大数据分析包含了三个方面：一是数据库的获取和分析；二是数据的模拟优化及决策分析；三是数据的预测分析。

未来大数据发展的终极目标是没有数据，即通过对传感器、装备的了解与掌控，使收集数据成为不必要的工作，可以直接简化掉。要达到这一目标，现有的工业制造系统需要对制造设备本身以及产品制造过程中产生的数据进行深入分析，也就是说，企业必须掌握通过工业IT设施收集、传输和分析处理大数据的能力。随着智能传感器技术的发展，数据的收集已经变得简单和可行，而云计算的发展，也使分析与处理大数据变得更加高速与高效。

产品生命周期管理系统

——通往工业4.0的阳关大道

在德国工业4.0工作组发表的《德国工业4.0战略计划实施建议》中关于工业4.0的描述：在智能、网络化的世界里，物联网和服务网将渗透到所有的关键领域。智能电网将能源供应领域、可持续移动通信战略领域（智能移动、智能物流)，以及医疗智能健康领域融合。在整个制造领域，信息化、自动化、数字化将贯穿整个产品生命周期、端到端工程、横向集成（协调各部门间的关系）将成为工业化第四阶段的引领者，即工业4.0。

工业4.0是一个愿景，是一盏指路明灯，代表的是第四次工业革命，是产品生命周期中整个组织、管理的飞跃。“这样的生命周期以不断增加个体消费需求为导向。它横跨产品最初的设计、生产、发展、配送,再到最后的回收，并包括所有相关服务。”

为什么制造技术的大幅转型，在现在这个时间点得到了高度重视？答案只有一个——数字化。

现在，设备和机器中有越来越多的传感器和通信界面，机器之间的交互能力也越来越强。这一切都预示着，物联网不是未来，而是现实。

西门子公司提出了自己的观点，他们认为工业4.0有三大支柱：

❶第一大支柱是制造执行系统，在工业4.0中，它将起到更加重要的作用自动化和制造执行系统之间的对接会变得更加无缝化，而且能跨越企业实现柔性生产。

❷第二大支柱的组成是虚拟与现实的结合，就是产品设计以及工程当中的数字化世界和真实世界的融合。

❸第三大支柱是信息物理系统，它能够帮助企业在物理世界和数字世界中“游刃有余”，最终实现生产过程的完全可控、可调。

工业4.0不仅意味着技术的转变、生产过程的转变，同时也意味着整个管理和组织结构的调整。必须放弃孤岛式的想法，为变革做好准备，要在产品设计以及生产规划方面做好准备。任何一个公司或者国家通过单打独斗都不可能改变全球制造业，这需要大家进行协作。各个企业、各个学科、各个行业都要参与进来，进行合作。

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