德國工業(yè)4.0實踐看未來智能制造:一場自下而上的生產(chǎn)模式革命

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德國的制造業(yè)是傳統(tǒng)的經(jīng)濟增長動力,制造業(yè)的發(fā)展是德國工業(yè)經(jīng)濟增長的不可或缺因素?;谶@一共識,德國政府傾力推動進一步的技術創(chuàng)新,其關鍵詞是“工業(yè)4.0”。

德國的制造業(yè)是傳統(tǒng)的經(jīng)濟增長動力,制造業(yè)的發(fā)展是德國工業(yè)經(jīng)濟增長的不可或缺因素。基于這一共識,德國政府傾力推動進一步的技術創(chuàng)新,其關鍵詞是“工業(yè)4.0”。

2010年,德國政府公布的《高科技戰(zhàn)略2020》中,提出了一系列促進制造業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新政策。為使該戰(zhàn)略得到具體落實,2012年公布題為《十大未來項目》跨政府部門的聯(lián)合行動計劃,并決定在2012~2015年間向10大項目資助84億歐元,被稱為“工業(yè)4.0”的未來項目,與能源供給結構改革、可持續(xù)發(fā)展等項目同步公布。“工業(yè)4.0”未來項目,主要是通過深度應用ICT(信息通信技術),總體掌控從消費需求到生產(chǎn)制造的所有過程,由此實現(xiàn)高效生產(chǎn)管理。

信息物理融合系統(tǒng)(CPS)

通過通信網(wǎng)絡,將工廠內(nèi)所有設備互聯(lián)的“智能工廠”就是其中最好的一個體現(xiàn)。德國制造業(yè)中的所有行業(yè)正在實施該項目有關的研究,并計劃為此投入2億歐元。智能工廠或者“工業(yè)4.0”,是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系統(tǒng)(CPS)發(fā)展的技術進化。作為未來第四次工業(yè)革命的代表,工業(yè)4.0不斷向實現(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和服務互聯(lián)網(wǎng))的方向發(fā)展。

工業(yè)4.0體現(xiàn)了生產(chǎn)模式從“集中型”到“分散型”的范式轉變,正是因為有了讓傳統(tǒng)生產(chǎn)過程理論發(fā)生顛覆的技術進步,這一切才成為可能。同時,分散型智能利用,代表了生產(chǎn)制造過程的虛擬世界與現(xiàn)實世界之間的交互關系,在構建智能物體網(wǎng)絡中發(fā)揮重要作用。未來,工業(yè)生產(chǎn)機械不再只是“加工”產(chǎn)品,取而代之的是,產(chǎn)品通過通信向機械傳達如何采取正確操作的信息與指令。

CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實世界,使智能物體通信以及相互作用,創(chuàng)造一個真正的網(wǎng)絡世界,它體現(xiàn)了當前嵌入式系統(tǒng)的進一步進化。與互聯(lián)網(wǎng)或者網(wǎng)上可搜集的數(shù)據(jù)、服務一起,嵌入式系統(tǒng)也是構成CPS的要素之一。

CPS可提供構建物聯(lián)網(wǎng)的基礎部分,并且與“服務互聯(lián)網(wǎng)”一體化,實現(xiàn)工業(yè)4.0。這些技術被稱為“實現(xiàn)技術”,培育更加廣泛的、基于創(chuàng)新型應用或過程的新現(xiàn)實空間,淡化現(xiàn)實世界與虛擬空間的界限。實現(xiàn)技術就像互聯(lián)網(wǎng)使得個人通信以及相互作用的關系發(fā)生變革一樣,將給我們與物理現(xiàn)實世界之間的相互作用關系帶來根本性變化。

基于高性能軟件的嵌入式系統(tǒng)與融合在數(shù)字網(wǎng)絡中的專業(yè)用戶接口之間發(fā)生的相互作用,將誕生全新的系統(tǒng)功能性世界。舉一個簡單的例子,智能手機囊括許多應用和服務,已經(jīng)遠遠超出設備本身通話功能。由于全新的劃時代應用和服務的提供商將不斷涌現(xiàn),漸漸形成新的價值鏈,所以,CPS也將對現(xiàn)有業(yè)務與市場模式帶來范式轉變。汽車工業(yè)、能源經(jīng)濟,還有包括諸如工業(yè)4.0的生產(chǎn)技術的各個工業(yè)部門,將同步因這些新價值鏈發(fā)生巨變。

未來智能制造業(yè)

在未來的智能制造業(yè)中,CPS對涵蓋自動化、生產(chǎn)技術、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫(yī)療等眾多工業(yè)部門、應用領域,具有非常重要的意義。因CPS而實現(xiàn)的許多應用,將產(chǎn)生新附加價值鏈和業(yè)務模式。CPS不僅可以降低實際成本,提高能源、時間等的效率,還能降低CO2排放水平,在保護環(huán)境上發(fā)揮重大作用。

因為CPS的存在,智能工廠的生產(chǎn)系統(tǒng)、產(chǎn)品、資源及處理過程都將具有非常高水平的實時性,同時在資源、成本節(jié)約中更具優(yōu)勢。智能工廠將按照重視可持續(xù)性的中心原則來設計,因此,服從性、靈活性、自適應性、學習能力、容錯能力甚至風險管理都是其中不可或缺的要素。智能工廠設備的高級自動化,主要是由基于自動觀察生產(chǎn)過程中CPS生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。通過可實時應對的靈活的生產(chǎn)系統(tǒng),能夠實現(xiàn)生產(chǎn)工程的徹底優(yōu)化。同時,生產(chǎn)優(yōu)勢不僅僅是在特定生產(chǎn)條件下的一次性體現(xiàn),還可以實現(xiàn)多家工廠、多個生產(chǎn)單元所形成的世界級網(wǎng)絡的最優(yōu)化。

相對于傳統(tǒng)制造工業(yè),以智能工廠為代表的未來智能制造業(yè)是一種理想的生產(chǎn)系統(tǒng),能夠智能編輯產(chǎn)品特性、成本、物流管理、安全、信賴性、時間以及可持續(xù)性等要素,從而為各個顧客進行最優(yōu)化的產(chǎn)品制造。這樣一種“自下而上”型的生產(chǎn)模式革命,不但能節(jié)約創(chuàng)新技術、成本與時間,還擁有培育新市場機會的網(wǎng)絡容量。

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