信息物理融合 迎接第四次工業(yè)革命

信息物理融合 迎接第四次工業(yè)革命

文/陸 穎

解讀德國《未來項目“工業(yè)4.0”落實建議》

當(dāng)前，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加快興起。為進(jìn)一步搶占未來發(fā)展先機，德國政府于2012年10月研究制訂了《未來項目“工業(yè)4.0”落實建議》，重點支持信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的深度融合，提升制造業(yè)的全球競爭力。本文基于上海市軟科學(xué)研究基地—前沿技術(shù)發(fā)展研究中心的研究成果，對德國《未來項目“工業(yè)4.0”落實建議》進(jìn)行了解讀，以期對上海的發(fā)展提供借鑒。

德國專家認(rèn)為，世界經(jīng)濟正處于第四次工業(yè)革命的開端，在物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推動下，以產(chǎn)品達(dá)到高度個性化、客戶與業(yè)務(wù)伙伴間實現(xiàn)廣泛交互、產(chǎn)品與高品質(zhì)服務(wù)相耦合為特征的“工業(yè)4.0”時代即將到來。為進(jìn)一步搶占未來發(fā)展先機，德國政府依據(jù)2010年7月頒布的《思想?創(chuàng)新?增長—德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》，將“工業(yè)4.0”確定為十大“未來項目”之一。

定位和目標(biāo)：提升德國制造業(yè)的全球競爭力

具有強烈危機意識的德國人在《工業(yè)4.0》中指出，德國的工業(yè)生產(chǎn)正迎來技術(shù)上的里程碑：由物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)推動的第四次工業(yè)革命；這一革命時代的重大技術(shù)基礎(chǔ)是信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem，CPS）。CPS系統(tǒng)將推動生產(chǎn)對象直接或借助互聯(lián)網(wǎng)通過M2M（Machine -to-Machine，機器對機器）通信自主實現(xiàn)信息交換、運轉(zhuǎn)和互相操控。該模式將在生產(chǎn)制造、工業(yè)工程、原料利用、供應(yīng)鏈管理以及生命周期管理上使工業(yè)流程得到極大的進(jìn)步，同時也形成了新的工業(yè)化模式：工業(yè)4.0。

為在新工業(yè)革命中占據(jù)先機，《工業(yè)4.0》提出，德國要通過“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的實施，在信息物理融合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，打造由智能化的機械、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)手段構(gòu)成的并應(yīng)用于智能工廠的“網(wǎng)絡(luò)物理融合式生產(chǎn)系統(tǒng)”（Cyber-Physical Production Systems，CPPS），使德國成為新一代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的供應(yīng)國和主導(dǎo)市場的核心力量，進(jìn)一步提升全球競爭力。

上述目標(biāo)主要著眼于兩個層面：一方面，運用CPPS系統(tǒng)有助于提高生產(chǎn)制造效率，鞏固德國制造業(yè)大國的地位。另一方面，CPPS技術(shù)的發(fā)展將有助于德國企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品，形成出口新模式。

其中，目標(biāo)的核心載體是智能工廠（Smart Factory），即分散的、具備一定智能化的生產(chǎn)設(shè)備，在實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互之后，就形成了高度智能化的有機體，實現(xiàn)虛擬世界和物理世界的融合。與以往生產(chǎn)模式相比，智能工廠意味著：資源利用率的顯著提高，個性化產(chǎn)品的入庫和流通周期的大大縮短；產(chǎn)品實時圖像顯示的虛擬生產(chǎn)能夠有效減少浪費。需要指出的是，智能工廠并非無人化，人是工廠中實現(xiàn)交互的核心，是進(jìn)行決策和流程優(yōu)化的實施者，在CPPS和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部件的設(shè)計、安裝、更新和保養(yǎng)維修中扮演重要角色。

目標(biāo)分為四個子目標(biāo)。一是新方法，即開發(fā)智能化生產(chǎn)技術(shù)的方法，提高本國資源利用率和靈活度，為全球市場提供創(chuàng)新型產(chǎn)品；二是新技術(shù)，優(yōu)化既有的、發(fā)明新的自動化技術(shù)，維持德國在自動化領(lǐng)域中的全球競爭優(yōu)勢；三是新需求，鑒于人口結(jié)構(gòu)和各年齡段工作安排的變化，通過生產(chǎn)、工程和生產(chǎn)環(huán)境的智能化，保證經(jīng)營場地和用工滿足需求；四是新模式，在智能工廠中創(chuàng)造新的組織協(xié)作模式，提高工作質(zhì)量，優(yōu)化工作關(guān)系，為個體實現(xiàn)自我發(fā)展創(chuàng)造機會。

重點任務(wù)：聚焦“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”

《工業(yè)4.0》提出的重大任務(wù)主要包含兩大主題，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。圍繞上述兩大主題，主要分為以下任務(wù)。

一是建成制造過程融合化和網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)系統(tǒng)。推進(jìn)智能化傳感技術(shù)研發(fā)和完整連貫的數(shù)據(jù)構(gòu)建與應(yīng)用，重點實現(xiàn)：智能工廠的自主監(jiān)控，如生產(chǎn)的連續(xù)性虛擬圖像以及識別和預(yù)測突發(fā)情況；維修保養(yǎng)也能實現(xiàn)自主管理，如自動識別機器失靈、質(zhì)量偏差以及產(chǎn)品要求變化等突發(fā)情況；過程中材料的現(xiàn)狀和損耗能被持續(xù)性監(jiān)控并發(fā)出預(yù)警。具體著眼于：（1）模塊化和系統(tǒng)性再利用：CPPS靈活性和可重組性的展現(xiàn)。該任務(wù)實施中，注重跨學(xué)科領(lǐng)域的研究是重要指導(dǎo)原則。（2）實現(xiàn)智能化、靈活性和可變性：這要求生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化達(dá)到新的高度，加快推進(jìn)和研發(fā)新材料技術(shù)、信息技術(shù)以及相關(guān)智能技術(shù)。（3）可聯(lián)網(wǎng)的實時傳感器和執(zhí)行器的生產(chǎn)性開發(fā)：這項任務(wù)將重點應(yīng)對該領(lǐng)域技術(shù)的開發(fā)過程中，面臨的來自成本、算法和信息技術(shù)等方面的挑戰(zhàn)。

二是強化生產(chǎn)制造中ICT技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。通過智能工廠相關(guān)的信息物理融合系統(tǒng)，智能生產(chǎn)系統(tǒng)以及基于人工智能系統(tǒng)與智能傳感器的生產(chǎn)管理等項目的推進(jìn)，深度應(yīng)用ICT（信息、通信技術(shù)），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。與此同時，擴建網(wǎng)絡(luò)（包括電網(wǎng)、英特網(wǎng)），建立完備的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，加快推進(jìn)信息、通信等技術(shù)的融合，全面支撐CPPS系統(tǒng)的構(gòu)建。

三是構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的模式。推廣共同的技術(shù)接口和標(biāo)準(zhǔn)，加快實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)和物流企業(yè)之間的互聯(lián)。強化英特網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)（如TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等），通過實現(xiàn)世界性的互聯(lián)以及信息技術(shù)全球化，實現(xiàn)創(chuàng)新信息資源的共享和流動。積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的相關(guān)工作，在全球推廣公開、透明、迅捷的標(biāo)準(zhǔn)化模式。重點以先進(jìn)的智能生產(chǎn)系統(tǒng)和強大的信息處理系統(tǒng)為平臺加快升級，應(yīng)對系統(tǒng)、產(chǎn)品和制造的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)挑戰(zhàn)。

四是構(gòu)建基于人機交互的新型企業(yè)組織模式。重點推進(jìn)多媒體技術(shù)、社會媒體技術(shù)、云技術(shù)、辦公室終端設(shè)備（平板電腦、智能電話、以太網(wǎng)），以及新型自適應(yīng)輔助系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造、汽車制造等重點制造企業(yè)的應(yīng)用，加快實現(xiàn)企業(yè)創(chuàng)新活動的互聯(lián)、廣泛的人機交互和系統(tǒng)交互。根據(jù)這一任務(wù)推進(jìn)的時間節(jié)點，從中短期來看，可以實現(xiàn)制造企業(yè)工作流程在虛擬工作臺與現(xiàn)實工作臺之間的持續(xù)轉(zhuǎn)換；從長期來看，能夠完成企業(yè)產(chǎn)品在虛擬世界中的開發(fā)和制造。《工業(yè)4.0》認(rèn)為，該任務(wù)的實現(xiàn)對企業(yè)不同人員的素質(zhì)提出了不同的要求：對于生產(chǎn)制造的人員來說，需要加強調(diào)控工作，比如操縱控制、編程、故障調(diào)整、糾錯等。對于研發(fā)部門的工程師來說，更強調(diào)跨學(xué)科的交流，尤其是生產(chǎn)技術(shù)和信息技術(shù)的融合。

五是加強安全性和專有技術(shù)的研發(fā)和推廣?！豆I(yè)4.0》認(rèn)為，IT安全應(yīng)作為德國國家安全的一部分。為此，應(yīng)重點推進(jìn)：（1）加強有效、可靠且具有經(jīng)濟性的保護(hù)數(shù)字化的專有技術(shù)和工藝研發(fā)，重視開發(fā)保護(hù)自有知識的新技術(shù)和新方法。（2）強調(diào)集成的安全理念、架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，在系統(tǒng)的全生命周期中實現(xiàn)應(yīng)用，推進(jìn)在自動化、機電工程領(lǐng)域中融入IT、汽車乃至航空航天業(yè)的安全性策略和流程。（3）研究用戶友好型安全解決方案，在開發(fā)安全解決方案時，尤其是設(shè)計-開發(fā)落實-運營維護(hù)，各個環(huán)節(jié)都需以用戶需求為指向，從而確保用戶使用。（4）開發(fā)獨特且安全的產(chǎn)品、流程和機械身份識別技術(shù)。在制造業(yè)領(lǐng)域，實現(xiàn)機械個體、完整的流程、產(chǎn)品、元件和材料都具備獨特的電子身份識別。（5）注重業(yè)務(wù)管理中的安全性評估，尤其是設(shè)計評估方法，更清楚地分析“工業(yè)4.0”的有關(guān)風(fēng)險，計算與成本效益相關(guān)的安全解決方案帶來的效果。

落實建議：重視頂層設(shè)計和制度保障

據(jù)德國電子電氣工業(yè)協(xié)會預(yù)測：“工業(yè)4.0”的推出將使本國工業(yè)生產(chǎn)效率提高30%?！豆I(yè)4.0》提出了一批建議，旨在落實和推進(jìn)相關(guān)重大任務(wù)。

一是設(shè)立專職推進(jìn)工作組。重點分為以下幾個工作組：（1）專職處理標(biāo)準(zhǔn)化和參考體系結(jié)構(gòu)的工作組，其主要職責(zé)包括：形成對“工業(yè)4.0”項目的目標(biāo)、利益、潛力、風(fēng)險、實施策略與內(nèi)容的理解共識，形成聯(lián)合行動參與方之間的互相信任；梳理調(diào)整相關(guān)專業(yè)術(shù)語，形成“工業(yè)4.0術(shù)語匯編”；繪制自下而上、由細(xì)節(jié)到整體的標(biāo)準(zhǔn)化委員會地圖和既有成果地圖；制訂兼顧成本收益和時限、自上而下的工作路線圖；開發(fā)由不同公司共建的“工業(yè)4.0示范社區(qū)”。（2）復(fù)雜系統(tǒng)操控建模工作組，其主要職責(zé)包括：進(jìn)行典型性調(diào)查、最佳實踐案例分享；為工具使用者、制造商以及培訓(xùn)人員搭建公共平臺；制訂適宜的行動方針和行動建議；在建模和系統(tǒng)工程領(lǐng)域開展培訓(xùn)和再教育活動。（3）專職處理資源生產(chǎn)力和效率問題的工作組，其主要職責(zé)包括：示范生產(chǎn)中通過提高資源利用率從而節(jié)約資源的做法；計算和預(yù)估通過CPS部署并投入智慧工廠的額外資源以及可以取得的資源節(jié)約潛力；重視各類資源效率相關(guān)的指標(biāo)和KPI（關(guān)鍵績效指標(biāo)）等。這些工作組均是依托德國三大工業(yè)協(xié)會——德國信息技術(shù)、通訊和新媒體協(xié)會（BITKOM），德國機械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會（VDMA）以及德國電子電氣制造商協(xié)會（ZVEI）共同建立。

二是實施安全性支撐行動。為進(jìn)一步強化德國IT安全，將重點采取以下舉措：（1）加快“工業(yè)3.0”向“工業(yè)4.0”過渡。逐步提高既有“工業(yè)3.0”設(shè)施的安全性，為“工業(yè)4.0”打下基礎(chǔ)，包括評估現(xiàn)有設(shè)施的當(dāng)前狀態(tài)，建立標(biāo)準(zhǔn)化的過程模型，迅速、廉價、務(wù)實地落實個性化安全解決方案等。（2）完善知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，重點打擊盜版產(chǎn)品，尤其是關(guān)注從技術(shù)層面、企業(yè)和競爭法層面尋找解決方案。（3）構(gòu)建數(shù)據(jù)保護(hù)“社區(qū)”，依托社區(qū)生活、交流的功能，探索相關(guān)數(shù)據(jù)保護(hù)的新途徑，并將其納入《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》十大未來項目的重要方向。

三是加強人才的培訓(xùn)和再教育。具體舉措包括：（1）推廣培訓(xùn)與再教育示范項目。促進(jìn)職業(yè)培訓(xùn)、學(xué)術(shù)培訓(xùn)以及不同課程之間的靈活互通，并讓學(xué)員學(xué)習(xí)專業(yè)領(lǐng)域之外的其他技能并獲得認(rèn)證。（2）加強分類培訓(xùn)和指導(dǎo)，對所有人員，尤其是機械操作員、安全軟件開發(fā)者、工程規(guī)劃師，加強信息安全知識教育，并有效引入高校機構(gòu)，加強培訓(xùn)隊伍建設(shè)。（3）建立并推廣“實踐范例網(wǎng)絡(luò)”。為保證知識轉(zhuǎn)移的安全性和可持續(xù)性，以競標(biāo)的形式建立“實踐范例網(wǎng)絡(luò)”。該網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是開發(fā)并記錄案例，實現(xiàn)各類參與人員的互聯(lián)，為知識轉(zhuǎn)移提供支持。（4）開發(fā)數(shù)字化學(xué)習(xí)技術(shù)。數(shù)字媒體和數(shù)字化學(xué)習(xí)將在知識和技能傳授中扮演重要角色，必須開發(fā)適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變的新的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)輔助系統(tǒng)。

四是構(gòu)建工業(yè)4.0的法律框架。該框架主要包括責(zé)任問題、版權(quán)問題、產(chǎn)品剽竊、IP保護(hù)、與壟斷相關(guān)的法律問題和數(shù)據(jù)保護(hù)等。其目的在于確定首要的行動領(lǐng)域，概述可能的行動舉措，明確法律培訓(xùn)方面的行動需求?！豆I(yè)4.0》指出，在構(gòu)建法律框架上，需要法律、技術(shù)和政策三方形成合力，對參與各方的責(zé)任和義務(wù)進(jìn)行界定。同時，該法律框架將注重數(shù)據(jù)的安全性和書面證據(jù)的提供，對數(shù)據(jù)處理外包活動進(jìn)行立法，對貿(mào)易限制問題特別是加密產(chǎn)品進(jìn)行談判，技術(shù)人員和法律從業(yè)人員將形成合作伙伴關(guān)系等。

有關(guān)啟示

當(dāng)前正處在創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中的上海乃至全國，可以借鑒《工業(yè)4.0》的先進(jìn)理念與做法，及早制定戰(zhàn)略，采取行動，以確立后發(fā)優(yōu)勢。

一是突破關(guān)鍵技術(shù)和環(huán)節(jié)。加快布局和突破工業(yè)控制系統(tǒng)信息化、三網(wǎng)融合、物聯(lián)網(wǎng)、云計算在內(nèi)的多種新型信息技術(shù)的攻關(guān)和應(yīng)用，將智能機器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施融入到虛擬網(wǎng)絡(luò)－實體物理系統(tǒng)，實現(xiàn)相互獨立地自動交換信息、觸發(fā)動作和控制。

二是關(guān)注創(chuàng)造價值的新方式?！肮I(yè)4.0”，尤其是智能工廠在多變的邊界條件下（如短期內(nèi)多變的需求、庫存以及突發(fā)狀況等），可以通過分布式生產(chǎn)制造出多樣化、個性化的產(chǎn)品，其新的協(xié)作和創(chuàng)造價值的模式將為初創(chuàng)企業(yè)和小企業(yè)提供發(fā)展良機。

三是加快完善信息安全技術(shù)和制度。要重視IT安全，加快安全規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，加強管理者、操作者在日常工作中的安全管理制度，并進(jìn)一步完善相關(guān)法律。

四是完善相關(guān)人員培訓(xùn)制度。圍繞產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新工業(yè)革命的重大需求，制定相關(guān)領(lǐng)域的培訓(xùn)課程，組織開展人員培訓(xùn)，優(yōu)化上海乃至我國制造業(yè)中各類人員的相關(guān)知識體系和結(jié)構(gòu)。

（本文基于上海市軟科學(xué)研究基地—前沿技術(shù)發(fā)展研究中心的研究成果；作者就職于上海市軟科學(xué)研究基地——上海市前沿技術(shù)發(fā)展研究中心）