智能工厂与装备制造业转型升级

0 引言

　　进入21 世纪以来,世界经济出现了新的局面,增长缓慢、波澜起伏。各国为了争夺市场,竞争激烈。为了摆脱危机和实现可持续发展,随着新一代信息技术的发展,各国都在加快研究新的技术,新工业革命正在到来。德国是高度工业化的、以制造业为导向的出口型经济技术强国。为了保持在重要关键技术上的国际顶尖地位,从实际国情出发,德国提出了继蒸汽机的发明、大规模生产和自动化之后的第四次工业革命———Industry 4. 0 战略计划。

　　作为Industry 4. 0 核心的智能工厂,其基本设想是制造的产品集成有动态数字存储器、感知和通信能力,承载着整个供应链和生命周期中所需的各种信息;整个生产价值链中所集成的生产设施能够实现自组织,以及能够根据当前的状况灵活地决定生产过程。智能工厂的目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中,传统的行业界限将消失,并会产生各种新的活动领域和合作形式。

1 信息与通信技术发展遵循“15 年周期定律”

　IBM 前首席执行官郭士纳曾提出计算技术每隔15 年发生一次变革的观点,这一判断像摩尔定律一样准确,人们把它称为“15 年周期定律”。1965 年前后发生的变革以大型机为标志。1980 年前后以PC 个人计算机的普及为标志,其间美国施乐公司首席科学家Mark Weiser 提出“ 无处不在的计算( ubiquitouscomputiug)”将成为我们日常生活的一部分。1995 年前后互联网开始普及,计算机与通信技术发生了巨大改变。在互联网与移动互联网发展的基础上,2010年前后出现了新一代信息技术。按照美国ARC 顾问集团的观点,推动产业转型的新兴技术主要是社交媒体技术、移动互联网和物联网技术、云计算技术以及大数据与先进分析技术。

　　① 社交媒体技术:在美国,社交网站的发展驱动了人们对于社交媒体技术在制造领域应用的探索。借助于社交技术,人们可实现快速查找工作所急需的专业知识,能快捷地找到正确的能提供帮助的人,在设计过程中实现全球协同等。同时社交媒体可以满足工厂企业市场营销的品牌建立与提升,获得潜在客户信息等需求。

　　② 移动互联网与物联网技术:互联网将计算机进行互联互通,移动互联网实现了人与人的联网,彻底改变了人与人的互动方式。随着技术的不断发展,人们进一步希望物理世界也联网,进而实现信息世界与物理世界的交融,于是产生了物联网。

　　物联网是指通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,将任意物品与互联网相连,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

　　③ 云计算技术:云计算是以虚拟化技术为基础,以按需付费为商业模式,具备弹性扩展、动态分配和资源共享等特点的新型网络化计算模式。在云计算模式下,软件、硬件、平台等IT资源将作为基础设施,以服务的方式提供给使用者。目前,云计算已成为提供各种互联网服务的重要平台。

　　④ 大数据与先进分析技术:大数据技术是从各种类型的数据中,采用新处理模式快速获得有价值信息的能力,从而实现深度理解、洞察发现与精准决策。它给制造业带来的益处包括优化流程、降低成本与提升营运效率。

　　如上所述,物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,把世界上万事万物连接起来的网络。在这个网络中,物品通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。但在很多应用中,接入网络的设备对其计算能力的要求远非RFID 能比。由于物联网中的物品不具备控制和自治能力,通信也大都发生在物品与服务器之间,因此物品之间无法实现协同控制。

2 信息物理融合系统将互联网技术推向一个新高度

　　为了将控制技术融入互联网,2006 年美国国家基金会(NSF)科学家Helen Gill 提出了信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)概念,将互联网技术的发展推向了一个新的高度。随后,美国发布《美国竞争力计划》,将CPS 列为重要研究项目;2007 年,美国总统指导科技顾问委员会将CPS 列为优先发展的八大关键信息技术之首;2008 年,美国CPS 指导小组将CPS 应用于能源、交通、国防、医疗、农业等方面。在欧洲,欧盟计划从2007 年到2013 年在嵌入智能与系统的研究与技术上投入54 亿欧元,以期在2016 年成为智能电子系统的世界领导者。

　　近年来,通过智能手机、电子阅读器、平板电脑等设备连接信息世界与物理世界已经对我们生态系统的发展产生了变革性的影响。利用这些设备和各种技术,物理世界的信息可以无缝地传递到信息世界,在信息世界它被精心加工成对应物理内容的能够适应各种信息的应用和服务,同时还能通过执行器修正,以适应物理世界自身。信息世界与物理世界的互动示意图如图1 所示。这就打开了构建创新服务的空间,使周围的物理世界以及其中的社交活动进行更好的理解与互动,通常更能促进物理和社交世界中“扩增感知和互动”的能力。虚拟世界覆盖在物理世界之上,其目标是连续监视物理世界,同时能够产生智能动作使虚拟世界(应用和服务)适应我们的需求。在一个融合的世界中,物理世界产生的动作和信息能够影响个人和社会的行为,它也能影响在虚拟世界中如何处理信息和服务。由此产生了信息物理融合系统,亦称“工业互联网”。

图1　信息世界与物理世界的互动示意图

　　从本质上讲,信息物理融合系统(CPS)在物理世界的实体中部署一定的感知和自治能力,使之成为“智能物体”,通过网络设施实现信息传输、协同和处理,实现物与物、人与物之间的互联,从而也实现了虚拟的信息世界与真实的物理世界的融合。从应用角度讲,CPS 将打破现有的传感网系统、通信网系统、控制系统,建立一个多系统互联网操作的动态可控复杂系统。通过物理过程、通信过程、计算过程和控制过程等紧密合作,可以满足多种应用需求。CPS 将使整个世界互联起来,如同互联网改变了人与人互动一样,CPS将会改变我们与物理世界的互动。