工業(yè)4.0時代制造業(yè)智能化分析

呂 志，李 泰

(1.商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南 商丘 476000; 2.商丘職業(yè)技術學院 機電系，河南 商丘 476000)

工業(yè)4.0時代制造業(yè)智能化分析

呂 志1，李 泰2

(1.商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南 商丘 476000; 2.商丘職業(yè)技術學院 機電系，河南 商丘 476000)

本文通過研究以物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務化為特征的工業(yè)4.0，論述了工業(yè)4.0與智能制造的內(nèi)在關系，并得出工業(yè)4.0必然改變現(xiàn)有的工業(yè)結(jié)構(gòu)，智能制造業(yè)必將又一次煥發(fā)出新的生命力，制造業(yè)將向著高度信息化、自動化、智能化的方向發(fā)展.

信息物理系統(tǒng)； 工業(yè)4.0；智能制造

0 引言

制造業(yè)是一門歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，然而每次工業(yè)革命都給制造業(yè)注入了新的生命力.德國學術界和產(chǎn)業(yè)界認為：未來10年，基于信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)的智能化，將使人類步入以智能制造為主導的工業(yè)4.0革命時代，工業(yè)4.0定位于繼機械化(第一次工業(yè)革命)、電氣化(第二次工業(yè)革命)、自動化(第三次工業(yè)革命)之后的第四次工業(yè)革命. 德國技術科學院(ACDTECH)劃分的四次工業(yè)革命的特征如圖1所示，德國西門子工業(yè)集團總裁魯斯沃博士認為：“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法[1]23-33.

圖1 四次工業(yè)革命的不同特征

與起源于機械化、電力化和信息技術化的前三次革命不同，工業(yè)4.0則是虛擬網(wǎng)絡與實體物理系統(tǒng)相整合的革命，“工業(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式.在制造業(yè)中，它促使企業(yè)建立全球網(wǎng)絡，把產(chǎn)品設計、制造、倉儲、生產(chǎn)設備融入CPS中，通過這些制造要素信息間互獨立地自動交換，接收動作指令、進行智能工廠的無人控制，旨在通過充分利用信息通信技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)、信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型[2]47-53.本文通過研究以物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務化為特征的工業(yè)4.0，指出信息物理系統(tǒng)在引領智能制造的過程中發(fā)揮的重要作用.由此可以看出，工業(yè)4.0的核心是通過CPS系統(tǒng)將制造業(yè)智能化，通過智能制造生產(chǎn)智能產(chǎn)品.

1 信息物理系統(tǒng)(CPS)

信息物理融合系統(tǒng)由美國科學家Helen Gill 在2006年首次提出，CPS系統(tǒng)可看作基于嵌入式的網(wǎng)絡化智能信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)在網(wǎng)絡環(huán)境下通過計算單元和物理對象的集成與相互交換來提高系統(tǒng)的在線信息處理，CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實世界，使智能物體通信以及相互作用，創(chuàng)造一個真正的網(wǎng)絡世界，如在線通信、遠程控制與各部件間自主協(xié)調(diào)等.因此CPS系統(tǒng)有如下特征[3]25-31, [4]36-40：

a. 網(wǎng)絡與物理高度有機的集成，總的來說是局部具有物理性，全局具有虛擬性；

b. 系統(tǒng)的每個物理組件中都嵌有傳感器與執(zhí)行器，具有在線通信、遠程控制與各部件間自主協(xié)調(diào)等功能；

c. 閉環(huán)控制與事件驅(qū)動過程，組件嵌入的傳感器通過對對象姿態(tài)的感知與反饋，然后將控制決策作用于執(zhí)行對象，從而形成基于事件驅(qū)動控制的閉環(huán)過程；

d. 大規(guī)模、高效協(xié)調(diào)分配的網(wǎng)絡化復雜系統(tǒng)，CPS系統(tǒng)通過末端傳感器對對象的信息采集，而后不斷提升、抽象，最終形成自下而上的信息數(shù)據(jù)傳輸模式，該模式融合各類信息并把這些精確而又全面的信息提供給人類；

e. 在時間和空間等維度上具有多重復雜性；

f. 系統(tǒng)具有自學習、自適應、自主協(xié)同功能，高度自治，滿足實時魯棒控制；

g. 系統(tǒng)安全、可靠、抗老化、可驗證，CPS系統(tǒng)必須在保證自身的安全性，隱秘性的基礎上，抵御各類外部攻擊，實現(xiàn)功能、結(jié)構(gòu)各異的子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運行.

基本的CPS 系統(tǒng)由決策控制部分、檢測感知部分與驅(qū)動執(zhí)行部分構(gòu)成，如圖2所示. 決策控制部分根據(jù)控制要求下達控制指令，驅(qū)動執(zhí)行部分根據(jù)控制指令驅(qū)動物理對象，檢測感知部分與驅(qū)動執(zhí)行部分是物理和計算世界的接口，檢測感知部分根據(jù)感知信息，經(jīng)過計算得到控制指令并反饋給決策控制部分[5]76-89.

圖2 基本 CPS系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)通過網(wǎng)絡方式實現(xiàn)將傳統(tǒng)的集中式控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑹皆鰪娦涂刂颇Ｊ?CPS可提供構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎部分，并且與“服務互聯(lián)網(wǎng)”一體化，實現(xiàn)工業(yè)4.0.這些技術被稱為“實現(xiàn)技術”，培育更加廣泛的基于創(chuàng)新型應用或過程的新現(xiàn)實空間，淡化現(xiàn)實世界與虛擬空間的界限.實現(xiàn)技術就像互聯(lián)網(wǎng)使得個人通信以及相互作用的關系發(fā)生變革一樣，將給我們與物理現(xiàn)實世界之間的相互作用關系帶來根本性變化.這種模式的轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的行業(yè)界限也將因此而消失，制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組，各種新的活動領域也會因此而產(chǎn)生.制造業(yè)的自動化生產(chǎn)過程從此進入智能化生產(chǎn)、循環(huán)化生產(chǎn)與綠色化生產(chǎn)之中.

2 工業(yè)4.0與智能制造

“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法[6]1-5.由此工業(yè)4.0是在通過充分利用信息通信技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型.

在工業(yè)4.0時代的推動下，智能制造業(yè)必將又一次煥發(fā)出新的生命力，主要體現(xiàn)在智能工廠設備將實現(xiàn)高度的自動化，生產(chǎn)系統(tǒng)具備靈活而且能實時應對各種事件的功能，保證生產(chǎn)過程的徹底優(yōu)化.同時，這種生產(chǎn)優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在特定的生產(chǎn)條件下，而且可在世界級網(wǎng)絡下實現(xiàn)橫向的最優(yōu)化.在智能制造的過程中，借助CPS系統(tǒng)實現(xiàn)實際裝置與控制網(wǎng)絡的有機連接，將技術人員的工作思維在時間與空間方面都得到延伸.伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能機器、高級分析、工作人員的智能制造3種元素逐漸融合，由此誕生了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)裝備，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要素圖如圖3所示[7]24-25，借助CPS系統(tǒng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則將讓這些機器和先進的傳感器、控制和軟件應用相連接，以提高制造業(yè)的生產(chǎn)效率、減少資源消耗.

圖3 智能產(chǎn)品的互聯(lián)網(wǎng)循環(huán)

3 結(jié)語

本文通過研究以物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務化為特征的工業(yè)4.0，指出工業(yè)4.0借助CPS系統(tǒng)實現(xiàn)實際裝置與控制網(wǎng)絡的有機連接，將技術人員的工作思維在時間與空間方面都得到延伸.借助物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠智能生產(chǎn)出智能產(chǎn)品，實現(xiàn)人、機、物的有機結(jié)合.總之，在工業(yè)4.0時代，CPS系統(tǒng)在引領智能制造的過程中發(fā)揮著重要作用，工業(yè)4.0的到來必然改變現(xiàn)有的工業(yè)結(jié)構(gòu)，智能制造業(yè)必將又一次煥發(fā)出新的生命力，制造業(yè)將向著高度信息化、自動化、智能化的方向發(fā)展.

[1] 工業(yè)4.0工作組.德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃實施建議(上)[J]. 機械工程導報，2013 (7)．

[2] 侯志霞,鄒 方,呂瑞強,王湘念.信息物理融合系統(tǒng)及其在航空制造業(yè)應用展望[J]. 航空制造技術,2014(21).

[3] 黎作鵬,張?zhí)祚Y,張 菁.信息物理融合系統(tǒng) (CPS) 研究綜述[J]. 計算機科學, 2011,38(9).

[4] 張彩霞. 基于信息物理融合系統(tǒng)的智能制造架構(gòu)研究[J]. 計算機科學,2013,40(6)．

[5] 陳智呈,鄭 松.工業(yè)4.0與智能聯(lián)動戰(zhàn)略[J]. 信息技術與信息化,2014(6).

[6] 張 曙.工業(yè)4.0和智能制造[J]. 機械設計與制造工程,2014(8).

[7] 張 曙.智能制造與未來制造[J]. 現(xiàn)代制造,2014(1)．

[責任編輯 迎客松]

Manufacturing Intelligent Analysis of the Industry 4.0

LU Zhi1, LI Tai2

(1.SchoolofPhysicsandElectricalinformationEngineering,ShangqiuNormalUniversity,Shangqiu476000,China;2.ShangqiuPolytechnic,Shangqiu476000,China)

The manufacturing industry is a long history of traditional industries, but each time the industrial revolution to the manufacturing industry has injected new vitality. The research into the characteristics of the Internet and manufacturing services industry 4.0 points out the important role of information systems in the physical process leading Intelligent Manufacturing, draws that Industry 4.0 necessarily change the existing industrial structure and intelligent manufacturing bounds again once full of new vitality.

cyber-physical systems; Industry 4.0; Intelligent manufacturing

2014-12-30

呂 志(1984- )，男，河南商丘人，商丘師范學院助教，主要從事智能機器人技術及其工程應用研究。

1671-8127(2015)02-0032-03

F414

A