工业4.0：智能化工厂与生产

各界积极响应“工业4.0”项目

    德国电子电气工业协会（ZVEI）预测，工业4.0将使工业生产效率提高30%，德国人工智能研究中心执行长Wahlster也表示，工业4.0将会在一些高劳动成本的地区非常具有竞争力。有鉴于此，德国机械设备制造业联合会（VDMA）及德国信息技术、通讯、新媒体协会（BITKOM）也已加入，德国三大工业协会决定共同建立一个名为“第四次工业革命平台”办事处，并于2013年4月在法兰克福正式启动。三大协会共同建立办事处的主要目标在于，推动工业的发展、提高工业生产标准、开发新的商业模式和运营模式并付诸实践。

    德国企业界做出了积极地响应。比如，西门子展示自身推进工业4.0的具体行动，其凭借全集成自动化（TIA）和“数字化企业平台”，长久以来占据着信息技术集成领域的领导地位。在2013汉诺威工业博览会上，西门子展示了融合规划、工程和生产工艺以及相关机电系统的全面解决方案。西门子展台将突出展示西门子的最新技术成就，这包括以全集成自动化TIA v12版本、新一代控制器Sifmatic S7-1500、针对电气传动应用的“全集成驱动系统”（IDS）概念，以及以信息技术为基础的服务，例如，状态监控。另外，西门子公司还将与德国弗劳思霍夫研究院以及大众汽车公司联合展示，通过利用产品生命周期管理软件（PLM）进行虚拟生产规划，可降低生产线上机器人的能耗高达50%。另外，西门子指出当前约7500名软件工程师是其在ICT驱动制造业自动化创新上的最大资本。

    智能制造业工程领域的全球化竞争变得愈加激烈，德国并不是唯一一个在制造业部署物联网和行业服务的国家。远在大洋彼岸的美国在2011年6月正式启动包括工业机器人在内的“先进制造伙伴计划”，2012年2月又出台“先进制造业国家战略计划”，提出通过加强研究和试验（R&E）税收减免、扩大和优化政府投资、建设“智能”制造技术平台以加快智能制造的技术创新。日本亦提出通过加快发展协同式机器人、无人化工厂提升制造业的国际竞争力。

“工业4.0”两大主题

    智能工厂：智能工业发展新方向

    “智能工厂”的概念最早是奇思2009年在美国提出，其核心是工业化-和信息化的高度融合。智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务；未来，将通过大数据与分析平台，将云计算中由大型工业机器产生的数据转化为实时信息（云端智能工厂），并加上绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。目前智能工厂概念仍众说纷纭，其基本特征主要有制程管控可视化、系统监管全方位及制造绿色化三个层面。

    一是制程管控可视化。由于智能工厂高度的整合性，在产品制程上，包括原料管控及流程，均可直接实时展示于控制者眼前，此外，系统机具的现况亦可实时掌握，减少因系统故障造成偏差。而制程中的相关数据均可保留在数据库中，让管理者得以有完整信息进行后续规划，也可以依生产线系统的现况规划机具的维护；可根据信息的整合建立产品制造的智能组合。

    二是系统监管全方位。通过物联网概念、以传感器做链接使制造设备具有感知能力，系统可进行识别、分析、推理、决策、以及控制功能；这类制造装备，可以说是先进制造技术、信息技术和智能技术的深度结合。当然此类系统，绝对不仅只是在KS内安装一个软件系统而已，主要是透过系统平台累积知识的能力，来建立设备信息及反馈的数据库。从订单开始，到产品制造完成、入库的生产制程信息，都可以在数据厍中一目了然，在遇到制程异常的状况，控制者亦可更为迅速反应，以促进更有效的工厂运转与生产。

    三是在制造绿色化方面，除了在制造上利用环保材料、留意污染等问题，并与上下游厂商间，从资源、材料、设计、制造、废弃物回收到再利用处理，以形成绿色产品生命周期管理的循环，更可透过绿色ICT的附加值应用，延伸至绿色供应链的协同管理、绿色制程管理与智慧环境监控等，协助上下游厂商与客户之间共同创造符合环保的绿色产品。

    智能工厂的建设主要基于以下三大基础技术。

    一是无线感测器。无线感测器将是实现智能工厂的重要利器。智慧感测是基本构成要素。仪器仪表的智慧化，主要是以微处理器和人工智能技术的发展与应用为主，包括运用神经网路、遗传演算法、进化计算、混沌控制等智慧技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能，如专家控制系统（expert control system；ECS）、模块逻辑控制器（FLC—Fuzzy Logic controller）等都成为智能工厂相关技术的关注焦点。

    二是控制系统网路化（云端智能工厂）。随着智能工厂制造流程连接的嵌入式设备越来越多，通过云端架构部署控制系统，无疑已是当今最重要的趋势之一。在工业自动化领域，随着应用和服务向云端运算转移，资料和运算位置的主要模式都已经被改变了，由此也给嵌入式设备领域带来颠覆性变革。如随着嵌入式产品和许多工业自动化领域的典型IT元件，如制造执行系统；（MEs）以及生产计划系统（PPS）的智慧化，以及连线程度日渐提高，云端运算将可提供更完整的系统和服务。一旦完成连线，体系结构、控制方法以及人机协作方法等制造规则，都会因为控制系统网路化而产生变化。此外.由于影像、语音信号等大数据高速率传输对网路频宽的要求，对控制系统网路化，更构成严厉的挑战，而且网路上传递的资讯非常多样化，哪些资料应该先传（如设备故障讯息），哪些资料可以晚点传（如电子邮件），都要靠控制系统的智慧能力，进行适当的判断才能得以实现。

    三是工业通信无线化。工业无线网络技术是物联网技术领域最活跃的主流发展方向，是影响未来制造业发展的革命性技术，其通过支持设备间的交互与物联，提供低成本、高可靠、高灵活的新一代泛在制造信息系统和环境。随着无线技术日益普及，各家供应商正在提供一系列软硬体技术，协助在产品中增加通信功能。这些技术支援的通信标准包括蓝牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax。然而，由于工厂需求不像消费市场一样的标准化，必须因应生产需求，有更多弹性的选择，最热门的技术未必是最好的通信标准和客户需要的技术。