編譯/辛妍
工業(yè)4.0的德國經(jīng)驗上篇:技術(shù)和政策
編譯/辛妍
正如我們所知,今天的世界已經(jīng)經(jīng)歷了三次重大技術(shù)革命的塑造。18世紀(jì)末開始于英國并在19世紀(jì)中葉結(jié)束的第一次工業(yè)革命代表了一種根本性轉(zhuǎn)變,即從農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變到了由引入機(jī)械生產(chǎn)方法所界定的經(jīng)濟(jì)。在20世紀(jì)初,隨著工業(yè)生產(chǎn)的出現(xiàn)和工廠的誕生,第二次根本性轉(zhuǎn)變時期到來,它迎來了一個大眾消費(fèi)可以負(fù)擔(dān)得起消費(fèi)類產(chǎn)品的時代。而到了20世紀(jì)60年代末,電子和信息技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用打開了通向優(yōu)化和自動化生產(chǎn)的新時代的大門。今天我們站在第四次工業(yè)革命的風(fēng)口浪尖,它能通過物聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)世界相連,使工業(yè)4.0成為現(xiàn)實(shí)?!爸悄苌a(chǎn)”將成為一種標(biāo)準(zhǔn),基于智能信息通信技術(shù)(ICT)的機(jī)器、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)能夠獨(dú)立交換和響應(yīng)信息,管理工業(yè)生產(chǎn)過程。
作為高科技戰(zhàn)略2020行動計劃的一部分,德國政府確定了十個“未來項目”,工業(yè)4.0項目(INDUSTRIE 4.0 project)便是其中之一。工業(yè)4.0是德國要成為工業(yè)信息技術(shù)先鋒的戰(zhàn)略性舉措,該項目為德國創(chuàng)造了重要的機(jī)會,讓其有潛力將自身發(fā)展定位為工業(yè)4.0解決方案的領(lǐng)先市場,同時也成為工業(yè)4.0的領(lǐng)先供應(yīng)商,從而進(jìn)一步增加德國經(jīng)濟(jì),加強(qiáng)國際合作,并創(chuàng)造新的、基于互聯(lián)網(wǎng)的市場,讓德國保持為具有全球競爭力的高工資經(jīng)濟(jì)體。
可以說,實(shí)現(xiàn)第四次工業(yè)革命,或是工業(yè)4.0的條件是德國所獨(dú)有的,因為率先進(jìn)行分散、自主的實(shí)時生產(chǎn)的德國有兩種基礎(chǔ):一是德國作為世界上最具競爭力和創(chuàng)新性的制造產(chǎn)業(yè)的持續(xù)作用,二是德國在工業(yè)生產(chǎn)研究開發(fā)的技術(shù)領(lǐng)先地位。
圖1:描述了從封閉的嵌入式系統(tǒng)到最終愿景——物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的演變過程。
本文作為工業(yè)4.0的德國經(jīng)驗的上篇,主要從技術(shù)和政策兩方面進(jìn)行介紹。
今天,由于制造商面臨著成本增加和市場波動的壓力,產(chǎn)品的生命周期和測試周期越來越短。產(chǎn)品正變得越來越復(fù)雜,越來越定制。制造商發(fā)現(xiàn),將生產(chǎn)轉(zhuǎn)向勞動成本低廉的新興國家不再是一個成功的路徑,因為他們必須平衡大規(guī)模生產(chǎn)與定制生產(chǎn)。為滿足需求的快速變化,生產(chǎn)必須越來越本地化,例如使用3D打印機(jī)。其他因素的重要性也在增加,例如充分利用低能源成本,或者是研發(fā)與生產(chǎn)共處一地而加速市場進(jìn)入時間等。
隨著企業(yè)和技術(shù)趨勢以前所未有的方式匯集,制造業(yè)正在進(jìn)行著一場新且深刻的轉(zhuǎn)變?,F(xiàn)在,制造商可以在工具、機(jī)器、車輛、建筑物,甚至是原材料上添加傳感器和微芯片,從而使產(chǎn)品“更聰明”。這些智能物品將能提供豐富的數(shù)據(jù),用于更好地了解產(chǎn)品及潛在的問題。正在進(jìn)行的產(chǎn)品和服務(wù)數(shù)字化將制造商和客戶從固定地點(diǎn)解放出來。在未來,有可能在零件發(fā)生故障的地點(diǎn)就能生產(chǎn)出備件,從而大大節(jié)省運(yùn)輸和倉儲成本。而隨著技術(shù)促進(jìn)車間和全球商業(yè)戰(zhàn)略之間的垂直一體化,以及跨產(chǎn)品設(shè)計、計劃、生產(chǎn)以及服務(wù)提供的水平一體化,制造商比以前更反應(yīng)及時、更有效。同時,他們還得益于靈活、自組織的商業(yè)網(wǎng)絡(luò),從而能夠在本地執(zhí)行全球業(yè)務(wù)計劃。
工業(yè)4.0是從“集中”生產(chǎn)向“分散”生產(chǎn)的范式轉(zhuǎn)變,它將嵌入式系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)和智能生產(chǎn)工藝流程連接在一起,為從根本上改變工業(yè)與生產(chǎn)價值鏈和商業(yè)模式(如“智能工廠”)的一個新的技術(shù)時代鋪平了道路。從技術(shù)上講,“工業(yè)4.0”是指從嵌入式系統(tǒng)到信息物理系統(tǒng)的技術(shù)演變,它代表了正在走向物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)和服務(wù)的第四次工業(yè)革命。
嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)
信息通信技術(shù) (ICT) 構(gòu)成了明天的創(chuàng)新解決方案的基石。嵌入式系統(tǒng)和全球網(wǎng)絡(luò)是驅(qū)動技術(shù)進(jìn)步的兩個主要的信息和通信技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)在我們的生活中已經(jīng)扮演著核心角色,全世界生產(chǎn)的超過98%的處理器被部署在遍布日常生活各個方面的各種設(shè)備的穩(wěn)壓器、控制和監(jiān)控功能中。
嵌入式的系統(tǒng)是目前大多數(shù)最現(xiàn)代的技術(shù)產(chǎn)品和設(shè)備的智能中央控制單元。通常,它們作為信息處理系統(tǒng),為一定范圍內(nèi)設(shè)備特定的應(yīng)用程序而“嵌入”到“封閉”的產(chǎn)品中。這些與外部世界的“連接”使用傳感器和執(zhí)行器,使嵌入式系統(tǒng)之間以及它們與網(wǎng)絡(luò)世界的相互聯(lián)系日益緊密。
信息物理系統(tǒng)
信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System, CPS)是一種實(shí)現(xiàn)技術(shù),它將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界結(jié)合在一起,創(chuàng)造出了一個真正的網(wǎng)絡(luò)世界,而智能對象在其中彼此進(jìn)行交流和交互彼此。它提高資源生產(chǎn)率和效率,并能讓工作組織有更靈活的模式。信息物理系統(tǒng)代表了現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)的下一步進(jìn)化步驟。嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)和在線數(shù)據(jù)服務(wù)一起,共同形成信息物理系統(tǒng)。
信息物理系統(tǒng)是建立物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)的基礎(chǔ),它與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)(Internet of Services,IoS)一起,使工業(yè)4.0成為可能。未來,信息物理系統(tǒng)將用以前無法想象的方式,為人類的安全、高效、舒適和健康做出貢獻(xiàn)。在這樣做的過程中,信息物理系統(tǒng)將發(fā)揮核心作用,處理由于人口變化、自然資源稀缺、可持續(xù)的流動性和能源變化等所帶來的基本挑戰(zhàn)。
信息物理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)智能工廠——自動化制造的未來
虛擬世界和現(xiàn)實(shí)的物理世界通過信息物理系統(tǒng)融合在一起,其帶來的技術(shù)流程和業(yè)務(wù)流程引領(lǐng)我們走向一個新的工業(yè)時代,而工業(yè)4.0項目中的“智能工廠(smart factory)”的概念正是對此最好的定義。在生產(chǎn)系統(tǒng)中部署信息物理系統(tǒng)產(chǎn)生了“智能工廠”。與經(jīng)典的生產(chǎn)系統(tǒng)相比,智能工廠能夠提供重要的實(shí)時質(zhì)量、時間、資源和成本優(yōu)勢。智能工廠是為可持續(xù)發(fā)展和以服務(wù)為導(dǎo)向的企業(yè)實(shí)踐而設(shè)計的,強(qiáng)調(diào)適應(yīng)性、靈活性、容錯能力和風(fēng)險管理,并具有自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。
高水平的自動化是未來智能工廠的標(biāo)準(zhǔn)。柔性生產(chǎn)系統(tǒng)幾乎能夠在實(shí)時條件下做出反應(yīng),從而在根本上優(yōu)化內(nèi)部生產(chǎn)進(jìn)程。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造相比,智能工廠生產(chǎn)帶來了很多優(yōu)勢,包括:
信息物理系統(tǒng)優(yōu)化的生產(chǎn)流程:智能工廠“單位”能夠確定和識別它們的活動場所、配置選項和生產(chǎn)條件,并與其他單位獨(dú)立地、無線地進(jìn)行溝通
通過理想生產(chǎn)系統(tǒng)的智能編譯,考慮產(chǎn)品的性能、成本、物流、安全、可靠性、時間和可持續(xù)性等因素,獲得優(yōu)化的個人定制產(chǎn)品制造。
資源有效的生產(chǎn)
根據(jù)人類的勞動力進(jìn)行調(diào)整,從而讓機(jī)器適應(yīng)人類的工作周期。
德國是嵌入式系統(tǒng)的全球領(lǐng)先者
德國是嵌入式系統(tǒng)的國際領(lǐng)先者,同時在安全解決方案和企業(yè)軟件領(lǐng)域也處于領(lǐng)先地位。德國在問題系統(tǒng)解決方案相關(guān)領(lǐng)域擁有令人羨慕的工程聲譽(yù),可以調(diào)用相當(dāng)多的語義技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)專門知識。作為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的全球領(lǐng)先者,德國使巧妙地連接了數(shù)字虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的信息物理系統(tǒng)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。目前,德國的嵌入式系統(tǒng)市場僅次于美國和日本,位列世界第三,其市場每年的產(chǎn)值約為200億歐元,而預(yù)計到2020年,這一數(shù)字將超過400億歐元。
要成為創(chuàng)新、基于互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)技術(shù)和服務(wù)提供的全球領(lǐng)先者,德國具有理想的條件。在制造、自動化和基于軟件的嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先和遠(yuǎn)見,以及歷史上強(qiáng)大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò),都為德國工業(yè)4.0項目的長期成功奠定了基石。為了讓德國能夠在2020年之前成為信息物理系統(tǒng)的領(lǐng)先市場和供應(yīng)商,一套全面的補(bǔ)充性政策、資金方案以及活動已經(jīng)落實(shí)到位
高科技戰(zhàn)略
“高科技戰(zhàn)略”于2006年8月推出,其目標(biāo)是為推動新技術(shù)發(fā)展而將關(guān)鍵的創(chuàng)新與技術(shù)利益相關(guān)者匯集到一起,這是這方面的第一個國家概念。這項倡議將所有政府部門的資源結(jié)合起來,每年為發(fā)展尖端技術(shù)預(yù)留了數(shù)十億歐元的資金。
高科技戰(zhàn)略2020
高科技戰(zhàn)略中設(shè)定的目標(biāo)在2010年7月推出的“高科技戰(zhàn)略2020”框架中得到了延續(xù)與擴(kuò)展。建立于高科技戰(zhàn)略的初步成功之上,這一“繼任者”倡議擬創(chuàng)造領(lǐng)先市場,進(jìn)一步加強(qiáng)科學(xué)和工業(yè)之間的合作伙伴關(guān)系,并繼續(xù)改善創(chuàng)新的一般條件。高科技戰(zhàn)略2020的存在,是為了將德國建設(shè)成為氣候/能源、保健/營養(yǎng)、移動性、安全性和通信等領(lǐng)域的,基于科學(xué)與技術(shù)的解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商。
高技術(shù)戰(zhàn)略2020行動計劃
為進(jìn)一步實(shí)施高科技戰(zhàn)略,德國政府于2012年3月通過了高科技戰(zhàn)略2020行動計劃。該行動計劃確定了10個“未來項目”(其中包括工業(yè)4.0)。這些項目作為研究與創(chuàng)新活動的焦點(diǎn),被認(rèn)為是解決和實(shí)現(xiàn)當(dāng)前創(chuàng)新政策目標(biāo)的關(guān)鍵。這些燈塔項目將在未來10到15年的時間框架內(nèi),追求具體的創(chuàng)新目標(biāo)。在高科技戰(zhàn)略2020行動計劃中,已經(jīng)為工業(yè)4.0項目分撥了2億歐元的資金。
由CDU-CSU-SPD組成的聯(lián)合政府于2013年12月14日簽署了第18期立法期間的聯(lián)盟協(xié)議,該協(xié)議將工業(yè)4.0未來項目確定為鞏固德國在機(jī)械工程領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先地位的重要措施。聯(lián)合政府計劃推進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)的數(shù)字化,擴(kuò)大到“智慧服務(wù)”領(lǐng)域,并加強(qiáng)“綠色I(xiàn)T”部門中的項目和活動。
德國——信息物理系統(tǒng)2020領(lǐng)先市場
作為德國工業(yè)4.0項目的一部分,德國志在到2020年,成為信息物理系統(tǒng)的領(lǐng)先供應(yīng)商。與許多其他工業(yè)化國家形成鮮明對比的是,德國一直保持穩(wěn)定的制造業(yè)勞動力,同時在早期階段就將新技術(shù)發(fā)展融入到工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程當(dāng)中。
現(xiàn)實(shí)和虛擬世界之間的界限正在瓦解,從而打造了物聯(lián)網(wǎng)。德國先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)和信息物理系統(tǒng)實(shí)踐知識對德國工業(yè)而言是重大的機(jī)會,它能幫助德國塑造第四次工業(yè)革命(工業(yè)4.0)。信息物理系統(tǒng)議程
信息物理系統(tǒng)議程(Agenda CPS)由德國國家科學(xué)和工程院(German National Academy of Science and Engineering,acatech)代表聯(lián)邦教育和研究部(Federal Ministry of Education and Research,BMBF)領(lǐng)導(dǎo),其目標(biāo)是建立一體化的信息物理系統(tǒng)研究議程,讓德國作為領(lǐng)先的市場和供應(yīng)商而影響這一技術(shù)革命的發(fā)展,與工業(yè)和技術(shù)參與者競爭。
信息物理系統(tǒng)議程確定了到2025年的四大主要領(lǐng)域的應(yīng)用,它們是“能源”(智能電網(wǎng)的信息物理系統(tǒng))、“移動性”(網(wǎng)絡(luò)移動性的信息物理系統(tǒng))、“健康”(遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程診斷的信息物理系統(tǒng))和“工業(yè)”(工業(yè)和自動化生產(chǎn)的信息物理系統(tǒng))。
“ICT2020——為創(chuàng)新而研究:工業(yè)4.0的IT系統(tǒng)”項目
創(chuàng)新的信息通信技術(shù)(ICT)研究(包括工業(yè)4.0的IT系統(tǒng))由聯(lián)邦教育與研究部在其“ICT2020——為創(chuàng)新而研究”項目中提供,它處于高科技戰(zhàn)略2020和聯(lián)邦政府的“數(shù)字德國2015”ICT戰(zhàn)略框架內(nèi)。特別需要指出的是,信息通信技術(shù)的研究重點(diǎn)集中在復(fù)雜的系統(tǒng)(如嵌入式系統(tǒng)),新的業(yè)務(wù)流程和生產(chǎn)方法,以及物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)領(lǐng)域的ICT。在信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、以及工業(yè)4.0的IT系統(tǒng)領(lǐng)域開展的研究活動都有資格獲得資助。軟件系統(tǒng)和知識處理方面的科研經(jīng)費(fèi)被分為三個具體類別:
嵌入式系統(tǒng),特別是側(cè)重于軟件密集型的嵌入式系統(tǒng),鏈接到電子、通信技術(shù)和微系統(tǒng)技術(shù);
電網(wǎng)應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施的模擬現(xiàn)實(shí)、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和環(huán)境智能、模擬仿真,以及高性能計算的信息物流和軟件開發(fā);
有語言和媒體技術(shù)的人機(jī)交互、生物模擬信息處理,以及服務(wù)機(jī)器人和可用性。
這三類研究領(lǐng)域與軟件工程、可靠性和安全性等跨學(xué)科技術(shù)相輔相成,因為它們將軟件密集型嵌入式系統(tǒng)、電網(wǎng)應(yīng)用程序和基礎(chǔ)設(shè)施,以及虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為戰(zhàn)略優(yōu)先事項。申請項目應(yīng)當(dāng)以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向,并且包括與大學(xué)或非大學(xué)研究機(jī)構(gòu)的合作,同時會以個案為基礎(chǔ)來公布開始接受申請。
“工業(yè)4.0的自治”技術(shù)方案
“工業(yè)4.0的自治——未來多維度互聯(lián)網(wǎng)中的生產(chǎn)、產(chǎn)品和服務(wù)(AUTONOMICS for INDUSTRIE 4.0 - Production, Products, Services in the Multidimensional Internet of the Future)”技術(shù)方案有助于執(zhí)行高科技戰(zhàn)略2020中設(shè)定的各項目標(biāo)。優(yōu)先領(lǐng)域包括發(fā)展能夠自主地處理復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器、服務(wù)機(jī)器人和其他系統(tǒng)的下一個進(jìn)化步驟,因為從基于信息通信技術(shù)的控制機(jī)制過渡到自主行動組件開創(chuàng)了一個新時代,在新的、靈活的生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施中,效率、成本效益和質(zhì)量都得到提高。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)涵蓋在聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部(Federal Ministry for Economic Affairs and Energy,BMWi)的下一代媒體(新技術(shù)和普適計算)和 AUTONOMIK(中小企業(yè)的自主的、基于仿真的系統(tǒng),autonomous, simulationbased systems for small and medium-sized enterprises)先驅(qū)項目中,它們在不同的應(yīng)用場景中為新產(chǎn)品、服務(wù)和商業(yè)模式提供了重要的動力。
BMWi THESEUSR&D資金項目中還建立適用于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和服務(wù)領(lǐng)域中的語義技術(shù)的重要發(fā)展。后續(xù)的工業(yè)4.0自治項目(AUTONOMICS for INDUSTRIE 4.0)已經(jīng)為公司和研究機(jī)構(gòu)提供了4000萬歐元的可用資金,用以推進(jìn)信息通信技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的智能交互,而其中主要的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域包括面向未來的生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)邏輯,面向未來的高端產(chǎn)品(包括服務(wù)機(jī)器人),和面向未來的知識密集型電子服務(wù)。
CyPros(Cyber-Physical Production Systems,信息物理生產(chǎn)系統(tǒng))項目
CyPros(Cyber-Physical Production Systems,CPPS,信息物理生產(chǎn)系統(tǒng))研究項目發(fā)起于2012年,由威騰斯坦集團(tuán)(Wittenstein AG)領(lǐng)導(dǎo),包括來自科學(xué)和工業(yè)界的許多參與者,其目的是研究和開發(fā)用于工業(yè)生產(chǎn)和物流系統(tǒng)的一系列信息物理系統(tǒng)模塊。在這個為期三年的項目中,與基本參考架構(gòu)一起,這些系統(tǒng)模塊將讓制造業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力和靈活性的大幅增加,同時也將使德國成為這些系統(tǒng)的領(lǐng)先用戶和提供商。
信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(Cyber-physical production systems,CPPS)由智能機(jī)器、物流系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施組成,能夠為縱向一體化和網(wǎng)絡(luò)化制造實(shí)現(xiàn)基于信息通信技術(shù)的無與倫比的集成。通過引入信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(CPPS),不僅能使日益增加的競爭的復(fù)雜性得以控制,而且會導(dǎo)致制造企業(yè)的生產(chǎn)力和靈活性有可持續(xù)的、顯著的提高。由此產(chǎn)生的信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)將讓德國作為國際生產(chǎn)區(qū),由于提高了生產(chǎn)效率和靈活性而增加競爭力,同時,讓信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)作為適銷對路的產(chǎn)品推向市場,從而讓德國成為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的領(lǐng)先供應(yīng)商。
CyPros遵循三個獨(dú)立的目標(biāo)階段:
為生產(chǎn)和物流系統(tǒng)開發(fā)參考體系架構(gòu)和有代表性的一系列信息物理系統(tǒng)模塊。
為引入信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)提供普遍的做法、支持工具和平臺。
為信息物理生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)運(yùn)作,以及它們在展示工廠中的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的實(shí)施,提供技術(shù)和方法基礎(chǔ)。
RES-COM項目
RES-COM項目發(fā)起于2011年6月,由聯(lián)邦教育和研究部資助,處理在工業(yè)4.0情境下,通過高度互聯(lián)和集成的傳感器-執(zhí)行器系統(tǒng)而進(jìn)行的資源自動保護(hù)問題。環(huán)境激活的資源效率原型方案正在實(shí)施。
RES-COM采用一種全新的核心技術(shù),該技術(shù)基于具有嵌入式傳感器和執(zhí)行器的有源數(shù)字產(chǎn)品存儲和軟件服務(wù)代理。RES-COM項目由德國人工智能研究中心(German Research Center for Artificial Intelligence,DFKI)監(jiān)督,其合作伙伴包括SAP、西門子、IS Predict和7x4 Pharma。
德國發(fā)展工業(yè)4.0不僅具有其自身的工業(yè)傳統(tǒng)、創(chuàng)新優(yōu)勢以及技術(shù)優(yōu)勢,同時還有一系列的政策與方案支持。但是除此之外,機(jī)構(gòu)的參與、公司的配合也必不可少。在下一篇中,我們將著重進(jìn)行介紹。