应用之新趋势：智能制造开创未来

工业革命是现代文明的起点，是人类生产方式的根本性变革。18世纪末的第一次工业革命创造了机器工厂的“蒸汽时代”，20世纪初的第二次工业革命将人类带入大量生产的“电气时代”，这两个时代的划分已经是大家公认的。20世纪中期计算机的发明、可编程控制器的应用使机器不仅延伸了人的体力，而且延伸了人的脑力，开创了数字控制机器的新时代，使人机在空间和时间上可以分离，人不再是机器的附属品，而真正成为机器的主人。从制造业的角度，这是凭借电子和信息技术实现自动化的第三次工业革命。

进入21世纪，互联网、新能源、新材料和生物技术正在以极快的速度形成巨大产业能力和市场，将使整个工业生产体系提升到一个新的水平，推动一场新的工业革命，德国技术科学院（ACDTHCH）等机构联合提出“Industry 4.0”（工业4.0）战略规划，旨在确保德国制造业的未来竞争力和引领世界工业发展潮流。按照ACDTHCH划分的四次工业革命的特征如图3-1所示。从图3-1中可见，工业4.0与前三次工业革命有本质区别，其核心是信息物理系统（cyber physical system，CPS）的深度融合。信息物理系统是指通过传感网紧密连接现实世界，将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中，从而在生产制造过程中，与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析，形成可自律操作的智能生产系统。

图3-1　四次工业革命的不同特征

1）“工业4.0”背景

随着经济、社会的发展进步，20世纪80年代初起，世界发达国家开始了一股学术界称为“再工业化”的浪潮。在全球制造业竞争加剧的背景下，尽管德国因其强大的制造业传统而表现较好，但依然能感受到产业空心化和传统制造业向外转移的威胁。德国“工业4.0”这一概念问世于2011年4月在德国举办的汉诺威工业博览会，成型于2013年4月德国“工业4.0”工作组发表的名为《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》的报告，进而于2013年12月19日由德国电气电子和信息技术协会细化为“工业4.0”标准化路线图。目前，“工业4.0”已经上升为德国的国家战略，成为德国面向2020年高科技战略的十大目标之一。

工业4.0最终用意是标准化，力图通过充分利用信息通信技术和网络物理系统等手段，推出革命性的生产方法，实现制造业向智能化转型，形成以智能制造为主导的第四次工业革命。目标是引领第四次工业革命，确保德国制造业的未来始终处于领先地位。德国是欧洲乃至全球制造业发达的经济体，也是全球第三、欧洲第一大商品出口国，其生产的汽车、化工、电子以及机械产品享有盛誉。即便是席卷欧盟的欧债危机对德国造成重大影响，以制成品出口拉动的德国经济依然能做到在欧洲“鹤立鸡群”。不过，在后危机时代德国也日益感受到一些隐忧，这些隐忧部分缘自外部挑战，部分归结于德国自身。其中，外部挑战可区分为短、中、长期，自身动因涉及德国制造业劳动力成本上升和竞争力下降的双重压力，以及制造业规模相对萎缩的现实，从而提出“工业4.0”方案来加以应对。(www.xing528.com)

2）“工业4.0”内容

工业4.0究竟是什么？工业1.0主要是机器制造、机械化生产；工业2.0是流水线、批量生产、标准化；工业3.0是高度自动化、无人化（少人化）生产；而工业4.0是网络化生产、虚实融合。关于工业4.0：在一个“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。在整个制造领域中，信息化、自动化、数字化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），成为工业化第四阶段的引领者，也即“工业4.0”。工业4.0想要打造的是整个产品生产链的实时监控，产品配套服务设施之间的合作。

工业4.0计划的核心内容可以用“一个网络、两大主题、三大集成”来概括。其中一个网络指的便是信息物理融合系统：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。具体是指将信息物理系统技术一体化应用于制造业和物流行业，以及在工业生产过程中使用物联网和服务技术，实现虚拟网络世界与实体物理系统的融合，完成制造业在数据分析基础上的转型。通过“6C”技术：Connection（连接）、Cloud（云储存）、Cyber（虚拟网络）、Content（内容）、Community（社群）、Customization（定制化）将资源、信息、物体以及人员紧密联系在一起，从而创造物联网及相关服务，并将生产工厂转变为一个智能环境。

而两大主题则指的是智能工厂和智能生产：智能工厂由分散的、智能化生产设备组成，在实现了数据交互之后，这些设备能够形成高度智能化的有机体，实现网络化、分布式生产。智能生产将人机互动、智能物流管理、3D打印与增材制造等先进技术应用于整个工业生产过程。智能工厂与智能生产过程使人、机器和资源如同在一个社交网络里一般自然地相互沟通协作；智能产品能理解它们被制造的细节以及将被如何使用，协助生产过程。最终通过智能工厂与智能移动，智能物流和智能系统网络相对接，构成工业4.0中的未来智能基础设施。

工业4.0计划的三大集成分别是横向集成、端到端集成、纵向集成。①横向集成。工业4.0通过价值网络实现横向集成，将各种使用不同制造阶段和商业计划的信息技术系统集成在一起，既包括一个公司内部的材料、能源和信息，也包括不同公司间的配置。最终通过横向集成开发出公司间交互的价值链网络。②端到端集成。贯穿整个价值链的端到端工程数字化集成，在所有终端实现数字化的前提下实现的基于价值链与不同公司之间的一种整合，将在最大限度上实现个性化定制。最终针对覆盖产品及其相联系的制造系统完整价值链，实现数字化端到端工程。③纵向集成。垂直集成和网络化制造系统，将处于不同层级（例如，执行器和传感器、控制、生产管理、制造和企业规划执行等不同层面）的IT系统进行集成。最终，在企业内部开发、实施和纵向集成灵活而又可重构的制造系统。

工业4.0计划优先在八个重点领域执行：建立标准化和开放标准的参考架构、实现复杂系统管理、为工业提供全面带宽的基础设施、建立安保措施、实现数字化工业时代工作的组织和设计、实现培训和持续的职业发展、建立规章制度、提高资源效率。其中的首要目标就是“标准化”。PLC编程语言的国际标准IEC 61131-3（PLCopen）主要是来自德国企业；通信领域普及的CAN、Profibus以及EtherCAT也全都诞生于德国。工业4.0工作组认为，推行工业4.0需要在8个关键领域采取行动。其中第一个领域就是“标准化和参考架构”。标准化工作主要围绕智能工厂生态链上各个环节制定合作机制，确定哪些信息可被用来交换。为此，工业4.0将制定一揽子共同标准，使合作机制成为可能，并通过一系列标准（如成本、可用性和资源消耗）对生产流程进行优化。以往，我们听到的大多是“产品的标准化”，而德国工业4.0将推广“工厂的标准化”，借助智能工厂的标准化将制造业生产模式推广到国际市场，以标准化提高技术创新和模式创新的市场化效率，继续保持德国工业的世界领先地位。

德国工业4.0的本质是基于“信息物理系统”实现“智能工厂”。工业4.0核心是动态配置的生产方式。工业4.0报告中描述的动态配置的生产方式主要是指从事作业的机器人（工作站）能够通过网络实时访问所有相关信息，并根据信息内容，自主切换生产方式以及更换生产材料，从而调整为最匹配模式的生产作业。