中国“智”造的典范：德国智能工厂的建设路径

    进入21世纪以来，信息与通信技术取得了突破性进展。 特别互联网技术的迅猛发展给社会和工业带来了深远的影响，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，简称CPS）概念，将网络化的世界与智能化物理世界融合起来。信息物理融合系统是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，是计算进程和物理进程的统一体。CPS 包含了无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统智能化具有计算、通信、精确控制、远程协作和自适应功能。德国工业4.0将CPS运用到制造和物流的技术集成，通过与物联网及服务网的融合，进而产生了创新的工厂系统 -- 智能工厂( SmartFactory )。

　　在工业 4.0 时代，每个工厂企业都将建立 “数字企业平台”，通过开放接口将虚拟环境与基础架构融为一体，从而形成生产制造模式变革为核心的网络物理融合生产系统（CPPS）。智能工厂系统完全不同于传统的工厂自动化系统。智能工厂采用面向服务的体系架构，它是人、机器与产品互联互通的一个智能网络。这一智能网络成为设计和制造智能工厂的理论基础。

　　可以看出，CPS的通信网络系统采用了工业物联网技术；生产制造系统采用CPPS信息物理融合生产系统；传统的企业监控管理级成为了采用服务互联网提供的服务的安全可靠和可信的云网络。基于嵌入式Internet技术的P2M（产品对机器通信）以公共无线网络为接入手段，为客户提供产品到机器的通信解决方案，满足客户对生产过程监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的信息化需求。P2M不是简单的数据在产品和机器之间的传输，它是生产制造之间的一种智能化、交互式通信，即使人们没有实时发信号，机器也会根据产品的信息主动进行通信，并根据所得到的数据经过大数据分析智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。新型的工业控制以传统的自动控制金字塔为基础逐步实现智能化、远程化和实时化，通过IP网络支持以及泛在移动性的P2M通信提供了更佳的承载基础。按照Edward A. Lee教授的定义：“信息物理生产制造系统（CPPS）是计算过程和物理过程的集成系统，利用嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制，并通过反馈环实现计算过程和物理过程的相互影响。”基于CPS系统的智能工厂是一种网络型嵌入式系统，它将打破PC机时代建立的传统自动化系统的体系架构，从而全面实现分布式智能。

　　德国推进智能工厂动因

　　除了技术背景，德国政府实施智能工厂的主要原因，还是想将互联网技术、信息和通信技术集成到传统的制造业，以维持其全球市场领导地位，并为推广CPS技术和产品建立和培育新的市场，成为智能制造技术的主要供应大国。
   
    从根本上说，德国作为世界上最重要的生产制造国家，面临着互联网时代制造领域升级转型的巨大挑战。目前IT行业对于传统制造业的大举进攻，对于传统制造领域技术开发的大量投资，使得德国政府不断提醒德国的企业家们必须抱有保持德国在制造行业领先地位的深刻危机意识。如果德国制造业不能及时进行创新性革命，总有一天Google、微软、苹果等会成为生产制造的新巨头。可以说，互联网技术发展对于产品乃至企业生命周期的影响，猛烈地冲击着德国制造强国的地位。所以德国必须通过新的创新、变革才能从制造强国提升为超级制造强国，从而保持它在机械制造领域的领先地位。而推动智能工厂和智能生产是实现这一目标的重要手段。

　　德国大力推进智能工厂的原因，具体而言，第一个因素是互联网时代对于传统制造业的强烈冲击。最近十多年来技术特别是IT信息通信技术的迅猛发展，已成为所有行业和应用领域的重要创新驱动器。互联网技术已对人类社会的发展带来了深刻的影响。制造业若仍按照原来的设计制造生产和规划方法运行，已远远不能适应市场、客户和技术发展的需要。如何将互联网及IT技术应用于传统工业已成为当务之急。因此，如果德国想在全球装备制造领域继续保持领头羊的地位，不仅必须继续发扬一贯专注于创新和创造的精神，而且要通过工业4.0战略的实施，将互联网技术与传统行业有机结合在一起，对传统行业进行变革以符合新的营销理念、新的市场需求和新的技术发展的要求，再度提升其全球竞争力，成为互联网时代工业制造技术的供应者和领先者，并将这种系统工程推向全世界，保持其全球生产制造行业掌门领袖的地位。

　　第二个因素是世界经济全球化对于产品生命周期的影响。由于互联网时代带来了世界经济的扁平化，带来了工业产业如何保持持续发展的新挑战，带来了由信息的开放性和传播的快速性造成的产品生命周期的根本性变化。所以制造工厂的设计和建造需要满足生产制造布局全球性、制造方式灵活性、产品生命周期缩短和企业发展持续性的需求。这些需求就是工业4.0战略在所有工业领域要解决的问题。 而智能工厂的目的就是要产生一种新型的生产制造模式。从单纯生产产品的技术角度来讲，这种新型的生产制造模式要能适应产品生命周期的新变化。在过去十多年里，机械制造行业的专家们做了不少努力来提高生产效率，加大生产的灵活性，如机电一体化、管控一体化、CIMS、数字工厂、虚拟工厂等等，都没有很好地解决以上问题，在实践和发展中，人们慢慢认识到这些问题的解决并不是单单通过改造生产制造方式就可以实现的。这种变革需要融合产品研发、生产、市场、服务、运行及回收各阶段的动态管理。这恰恰是建设智能工厂的首要任务。

　　第三个因素是推动智能制造以巩固德国在制造领域的领先地位。德国在推动工业4.0这一国策时将重点放在智能工厂上，这关系到德国如何继续占领传统工业领域的制高点，打造国家制造业竞争新优势。老牌工业强国德国期望通过以智能制造为主导的第四次工业革命来实现德国的工业制造由自动化向智能化和网络化方向升级的目的，实施智能工厂和智能生产两大战略，通过不同层面的智能化变革实现全局的智能化。