智能工厂与装备制造业转型升级

发布时间：2017-03-17

关键字：物联网服务网

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进入21世纪以来，信息与通信技术取得了突破性进展，智能的网络世界与物理世界合产生了物联网与信息物理融合系统为了确保制造业世界领先地位，德国首先将信息物理融合系技术用于制造工业，开启了Industry 4.0第四次工业革命。全面论述了Industry 4.0的愿景与目标、主要内容和采用的双战略，深入分析了智能工厂的体系架构，同时阐述了智能工厂创新联正在开展的研发项目。我们应该借鉴Industry 4.0智能工厂的理念、方案与路线图，勇于创新加快我国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巧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 Weise：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 Cill提出了信息物理融合系统(cyberphysical 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川。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

Fig.1 Schematic；diagram of the between c；yber world and mterantrnne physical world

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。

3信息物理融合系统开启了Industry 4. 0工业革命

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。为了确保制造业世界领先地位，从实际国情出发，德国于2012年首先将CPS技术创新性地应用于制造工业，提出了基于信息物理融合系统的Industry 4. 0第四次工业革命战略计划〔s}

在Industry 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，从而构成信息物理融合系统(CPS),生产自动化系统将升级为信息物理融合生产系统(cyher physical production system，CPPS)。Industry 4. 0将由集中式控制向分散式增强型控制基本模式转变。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。创造新价值的过程正在发生改变.产业链分工将被重组.将使人类从“自动化生产”进入“智能化生产、绿色生产、都市化生产”。

Industry 4.0将成为智能的网络世界的一部分。在一个智能的网络世界，所有主要工业领域都将感受到它的存在。物联网及其服务推动这些领域产生重大变革，从而产生了能源领域的智能电网，可持续的移动策略(智能汽车、智能仓储)以及健康领域的智能健康。在制造环境中，实现横跨整个价值网络的垂直网络化、端到端工程和水平集成，价值网络上的产品和系统日益智能化。

Industry 4.0集中于创建智能产品、规范和方法。智能工厂制定Industry 4. 0的主要细节内容。智能工厂能够管控各种复杂情况，很少发生停车，并能更有效地制造产品。在智能工厂中，人员、机器和资源相互之间进行通信，就像在社交网络一样。智能产品能够知道它们被制造和打算被使用的详细情况。它们主动支持制造过程，回答诸如“什么时候我被加工？”“处理产品的哪一个参数？”“产品被传递到何处？”等问题。智能产品与智能汽车、智能物流和智能电网相对接，将使得智能工厂成为将来智能基础设施的主要部分。这将使常规价值链发生变革，并出现新的业务模式。智能工厂—新的业务模式示意图如图2所示。

图2 智能工厂-新的业务模式图

Fib.2 Smart factory—the novel business model

在实现Industry 4.0过程中，目的是通过建立在德国劳动力技能、特长和知识专利基础上的系统创新进程，通过影响现有技术和经济潜能的手段，创建一个最佳的、全面的一揽子解决方案。Industry 4. 0将能够为工程、规划、制造、运行和物流整个过程，提供整套具有更强的灵活性、可靠性以及高质量的标准，从而能够有效创建动态的、实时最佳的、自组织的价值链。该价值链可以按照诸如成本、可用性和资源消耗等各种准则实现最佳化。

战略创新的Industry 4.0将创造一个CPS平台。该平台支持工业业务过程的协调，以及用于智能工厂和智能产品生命周期所有方面的相关业务。由这些平台提供的服务和应用，将人员、对象和系统相互连接起来。物联网与服务网示意图如图3所示。

图3 物联网与服务网示意图

Fib.3 The Internet of thins and Internet of services

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