工業(yè)4.0大背景下的大智慧

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工業(yè)4.0大背景下的大智慧

本欄目由本刊與杭州市委組織部“知行講堂”合辦

主講人：范玉順

清華大學(xué)自動化系教授

工業(yè)4.0是德國政府提出的一個(gè)高科技戰(zhàn)略計(jì)劃，他們提出這個(gè)計(jì)劃主要有兩個(gè)原因：第一個(gè)，為了經(jīng)濟(jì)。從2006年到2011年五年間，德國工業(yè)裝備的出口一直沒有增長，而同期，中國的出口在迅速增長。后來德國人找到兩個(gè)主要原因，第一個(gè)，德國過去的出口主要是到中國，但是中國現(xiàn)在不需要了。另一個(gè)，美國出口的裝備數(shù)量沒德國多，但在后面的服務(wù)階段收入很多，總體就掙得比德國多。因此德國工業(yè)4.0就提出，要從單做制造轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃旒臃?wù)，要從出口硬件轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹跇?biāo)準(zhǔn)。第二個(gè)，技術(shù)原因。過去，一個(gè)計(jì)算機(jī)背后連著一堆用戶，而現(xiàn)在是一個(gè)用戶背后有數(shù)不清的計(jì)算機(jī)，再往后是大量的計(jì)算機(jī)會隱形嵌入到我們的裝備、用品當(dāng)中去。從鞋到汽車到家電，未來的環(huán)境將是嵌入式的環(huán)境、智能的環(huán)境。未來整個(gè)社會，隨著侵入式裝備的使用，感知、計(jì)算、通訊能力都會加強(qiáng)，社會將變成智能化的環(huán)境。整個(gè)社會變智能了，那工廠也自然要智能化，所以工廠的生產(chǎn)、經(jīng)營、運(yùn)作以及工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品一定也要是智能的，這就是德國提出工業(yè)4.0的兩個(gè)主要動力。

工業(yè)4.0要達(dá)成的“1438模型”

工業(yè)1.0是機(jī)械制造時(shí)代，工業(yè)2.0是電氣化與自動化時(shí)代，具有物理性。工業(yè)3.0是計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，具有信息性。工業(yè)4.0是要把過去分離的物理性和信息性融合，產(chǎn)生一個(gè)信息物理融合系統(tǒng)。李克強(qiáng)總理訪德專門討論了工業(yè)4.0的事，原因有兩個(gè)：第一，因?yàn)楝F(xiàn)在智能制造是拉動經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要抓手。第二，工業(yè)4.0要達(dá)成的目標(biāo)是十分可觀的，可以用“1438模型”做簡單介紹：

“1”是指信息、物理、人融合的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以這個(gè)網(wǎng)絡(luò)來連接人、計(jì)算機(jī)、設(shè)備，形成一個(gè)智能服務(wù)世界?！?”是指四個(gè)主題：第一個(gè)主題，產(chǎn)品的生產(chǎn)智能化。第二個(gè)主題，企業(yè)的運(yùn)營智能化，不但要有智能的車間，還要有智能的管理和智能的研發(fā)。第三個(gè)主題，跨企業(yè)的合作。未來的企業(yè)生產(chǎn)是分布在不同的企業(yè)當(dāng)中的，必然要有高效的供應(yīng)鏈和物流的管理。第四個(gè)主題，產(chǎn)品出廠以后進(jìn)入智能服務(wù)世界的最大的一張網(wǎng)，叫做服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)?！?”是指三個(gè)集層技術(shù)。第一個(gè)，縱向集層，從工廠到車間到設(shè)備到機(jī)器的管理層次的集層。第二個(gè)，橫向集層，從原材料到零部件到包裝到服務(wù)到銷售的一個(gè)價(jià)值鏈的集層。第三個(gè)，端到端的集層，是工業(yè)4.0的特點(diǎn)，讓用戶從提出需求到最后產(chǎn)品報(bào)廢，全程都參與企業(yè)的運(yùn)作。從設(shè)計(jì)開始，客戶就提出改進(jìn)意見，制造過程當(dāng)中客戶也不斷反饋，把客戶當(dāng)做企業(yè)的生產(chǎn)者納入進(jìn)來，這就叫做端到端的集層?！?”是指德國的八個(gè)行動計(jì)劃。第一個(gè)，制定標(biāo)準(zhǔn)，這是德國人非常樂意中國的企業(yè)幫助來做工業(yè)4.0規(guī)劃的主要目的。推廣標(biāo)準(zhǔn)以后，中國的工廠全都用了德國的標(biāo)準(zhǔn)。第二個(gè)，互聯(lián)網(wǎng)自治。未來會有幾十萬種傳感器，這樣的系統(tǒng)必須使用互聯(lián)網(wǎng)自治，自我管理、自適應(yīng)、自組織，就像今天的互聯(lián)網(wǎng)一樣。第三個(gè)，建立工業(yè)寬帶技術(shù)設(shè)施。第四個(gè)，安全。在未來的生產(chǎn)線上，速度會更高，機(jī)器會更多，那么工人的安全、設(shè)備的安全、信息的安全都是要研究的問題。第五個(gè)，工作的組織。到2023年，德國百分之七十五的工作都不會在辦公室完成，未來的德國人上班可以不到現(xiàn)場。那么怎么考核工作的績效，怎么發(fā)工資，怎么發(fā)獎金？所以需要重新設(shè)置工作的組織結(jié)構(gòu)。第六個(gè)，培訓(xùn)再教育。過去大學(xué)畢業(yè)上班就干一輩子，現(xiàn)在由于技術(shù)發(fā)展太快，要推廣終身教育。所以德國開始制定CPD，叫持續(xù)教育發(fā)展，一個(gè)人要一輩子學(xué)習(xí)。第七個(gè)，監(jiān)管。德國工業(yè)4.0里面，有一項(xiàng)研究的內(nèi)容是機(jī)器與機(jī)器之間自主協(xié)作，機(jī)器與機(jī)器對話，機(jī)器和機(jī)器談判，機(jī)器與機(jī)器協(xié)商交貨期，這就帶來了法律的問題。如果機(jī)器違約了怎么辦？需要有個(gè)法律的約束。最后一個(gè)，德國資源稀少，做新工業(yè)的一個(gè)目的就是要不斷提高資源的利用率，減少資源的消耗。以上就是德國要追求的八個(gè)行動計(jì)劃。

工業(yè)4.0的重點(diǎn)方向

到2023年，德國百分之七十五的工作都不會在辦公室完成，未來的德國人上班可以不到現(xiàn)場。那么怎么考核工作的績效，怎么發(fā)工資，怎么發(fā)獎金？所以需要重新設(shè)置工作的組織結(jié)構(gòu)。

在支撐德國工業(yè)4.0里面有九項(xiàng)技術(shù)，可能是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。頭兩個(gè)，是未來十年最搶眼的技術(shù)，一個(gè)是虛擬現(xiàn)實(shí)，一個(gè)是人工智能。虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)在非?；馃?，F(xiàn)acebook花了二十億美元買了一個(gè)8個(gè)人的小公司做虛擬現(xiàn)實(shí)的頭盔。虛擬現(xiàn)實(shí)在Facebook未來十年的發(fā)展規(guī)劃路線圖里分成前后兩部分，前五年做虛擬現(xiàn)實(shí)，人工智能，后五年做全球通訊。同樣，3D打印現(xiàn)在我們國內(nèi)也非常重視。另外還有非常重要的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全。2011年，美國和以色列情報(bào)部門研究了一個(gè)攻擊工業(yè)設(shè)備的病毒，這個(gè)病毒就專門攻擊工業(yè)設(shè)備的控制器，讓核電站不能發(fā)電，讓離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，然后報(bào)廢，這是工業(yè)病毒，有人把它定義為戰(zhàn)爭病毒。這個(gè)病毒還可以攻擊汽車、火車。

眾包還可以讓企業(yè)的部門消失。比方說一個(gè)服裝企業(yè)，沒錢，就采用眾包，讓所有的人都可以向他們的網(wǎng)站提供T恤衫設(shè)計(jì)方案，每周都可以收到T恤衫設(shè)計(jì)方案一千多種，這樣研發(fā)部就不必設(shè)了。

工業(yè)4.0主要是要做什么？簡單地講就是要用智能的材料，通過智能工廠的生產(chǎn)加工，輸出能上網(wǎng)、能接發(fā)數(shù)據(jù)的智能產(chǎn)品。另外，德國工業(yè)4.0主要要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)東西，就是眾包模式，就是大眾包大眾，做的人不花錢不收錢，用的人不付錢。眾包就是把我們傳統(tǒng)意義上企業(yè)內(nèi)部員工做的事或者外部承包商做的事交給一幫不認(rèn)識的人去做。也不是一分錢的報(bào)酬都不付，會支付一點(diǎn)點(diǎn)報(bào)酬，眾包比外包成本節(jié)約百分之四十。眾包還可以讓企業(yè)的部門消失。比方說一個(gè)服裝企業(yè)，沒錢，就采用眾包，讓所有的人都可以向他們的網(wǎng)站提供T恤衫設(shè)計(jì)方案，每周都可以收到T恤衫設(shè)計(jì)方案一千多種，這樣研發(fā)部就不必設(shè)了。同樣通過勞動力眾包，評委會、業(yè)務(wù)員都免了，公司的利潤依然可以非常高。計(jì)算機(jī)是部分地解放了人的腦力，而互聯(lián)網(wǎng)釋放的是社會群體智慧。今天是開放的時(shí)代，所以眾包真的非常重要。

智能制造的內(nèi)涵與企業(yè)的落實(shí)

什么是智能制造？做智能制造要有兩個(gè)東西：第一要有知識，第二要有運(yùn)用知識解決問題的能力?，F(xiàn)在市面上，對智能的叫法有點(diǎn)通俗化，把什么東西自動化的都叫智能化，有點(diǎn)泛了。我以谷歌自動駕駛的智能車為例，講衡量一個(gè)系統(tǒng)是不是智能的五個(gè)方面。第一個(gè)，環(huán)境感知。如果一個(gè)系統(tǒng)，不能感知環(huán)境就不能叫智能，像谷歌的智能車可以知道路障，看見紅綠燈，看見行人，能了解外部的變化。第二個(gè)，要會推理。比如看見前面有一個(gè)路障了，就要會推理，按照目前的行動方向和速度會出交通意外。第三個(gè)，要有制定未來行動計(jì)劃的能力。要知道現(xiàn)在不行了，得趕緊剎車或趕緊繞開路障。第四個(gè)，執(zhí)行。第五個(gè)，最重要的，不斷進(jìn)步。如果一個(gè)系統(tǒng)今天跟昨天使用水平一樣，就不是智能系統(tǒng)。不斷學(xué)習(xí)不斷進(jìn)步才能叫智能系統(tǒng)。所以，評價(jià)一個(gè)系統(tǒng)是不是智能，可以用這五個(gè)方面來檢查一下。

落實(shí)到企業(yè)要做智能制造有什么主要特征？第一，數(shù)字化和知識化，智能制造是以數(shù)字化和知識化為基礎(chǔ)的。第二，不同內(nèi)涵。不同的企業(yè)，對智能制造的理解是根據(jù)行業(yè)的不同而不同的。第三，也是最重要的，人機(jī)物共同制造。有人說工業(yè)4.0是無人工廠。但是，至少到2050年之前，無人化不是智能工廠的主要方向。智能制造不是無人制造，而是人機(jī)物的共融。第四，通過大數(shù)據(jù)，讓生產(chǎn)線智能化，也就是說通過數(shù)據(jù)分析來治未病。生產(chǎn)線還沒有崩潰，就可以預(yù)測到可能會發(fā)生的問題。第五，操作單元和決策。谷歌眼鏡，就是提高操作單元的智能化，讓每個(gè)人的技能水平都大大提高。一個(gè)維修工可能沒有學(xué)過新車的維修，但是他戴的谷歌眼鏡，可以連到寶馬的全生命周期服務(wù)中心，他就知道這個(gè)車應(yīng)該怎么拆，故障源可能在哪兒，這就是操作單元智能化。決策。什么東西應(yīng)該賣到什么地方，要靠數(shù)據(jù)，要做基于數(shù)據(jù)的決策。另外一個(gè)就是協(xié)作，不同部門之間最慢的事就是交接，制約績效提高的最大障礙是流程孤島。如果把每個(gè)企業(yè)的部門都通過互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)上進(jìn)行協(xié)作，我們未來的整個(gè)制造業(yè)就會形成一個(gè)智能服務(wù)世界。

現(xiàn)在裝備的智能化程度越來越高，但是光把計(jì)算機(jī)用到裝備里做數(shù)控設(shè)備仍然不夠，要把設(shè)備做成網(wǎng)絡(luò)化的裝備，把車間里的每一個(gè)單元都做成可以在網(wǎng)上操控的單元。這是未來的信息化網(wǎng)絡(luò)化裝備，不是數(shù)控裝備。通過收集生產(chǎn)線的各種數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)線做診斷，橫向縱向進(jìn)行比對，橫向比對就是不同的設(shè)備與不同的設(shè)備之間進(jìn)行比對，縱向就是同一臺數(shù)據(jù)跟過去進(jìn)行比對，這就是智能生產(chǎn)線。

人機(jī)物一體化的未來世界

工業(yè)4.0最重要的部分，就是智能工廠的組成?；ヂ?lián)網(wǎng)今天還在初級階段，但是即使初級階段的東西，用到生活當(dāng)中去還是能帶來很多方便。在不久的將來，去超市都不用帶錢包，超市不會有收款員，只需帶著客戶卡推著車到門旁邊一過，就行了。這一技術(shù)在倉儲物流中有很大的作用，以后找東西就很方便。只要物品上有電子標(biāo)簽，就可以跟開車用GPS定位汽車一樣定位商品，透明化管理。此外，還有農(nóng)業(yè)上的食品溯源，工業(yè)上的維護(hù)信息查詢，安全上的打擊偷盜和假冒。美國的警察現(xiàn)在就已經(jīng)用電子標(biāo)簽打擊了95%的犯罪團(tuán)伙，美國一個(gè)軍事研究所甚至每一張紙上都帶有電子標(biāo)簽?，F(xiàn)在，我們就可以把標(biāo)簽做到只有0.4毫米這么大。未來，萬物都有獨(dú)一無二的身份。

前年，又完成了一個(gè)劃時(shí)代意義的實(shí)驗(yàn)——異體操控，就是電影阿凡達(dá)的真實(shí)再現(xiàn)。兩只猴子，猴子A看著計(jì)算機(jī)屏幕，手上沒東西，從它的腦子上接出思維信號到另一只猴子B的腦子里，另一只猴子B看不見計(jì)算機(jī)屏幕但是手上有個(gè)推桿，猴子B一推桿，光點(diǎn)就會動，系統(tǒng)就會做出橙汁獎勵(lì)。結(jié)果，看著計(jì)算機(jī)屏幕的猴子A一動不動卻可以得到橙汁獎勵(lì)，因?yàn)樗鼊幽X了，推桿的猴子B卻什么獎勵(lì)也沒有，因?yàn)樗恢罏槭裁催@么推，它是受了猴子A的操縱，這就叫異體操控。

通過工業(yè)數(shù)據(jù)治未病，這是工業(yè)3.0和4.0的不同。現(xiàn)在通過工業(yè)大數(shù)據(jù)，我們可以做到零故障、零隱患、零污染。未來一切都是以產(chǎn)品作為服務(wù)的載體，用數(shù)據(jù)作為服務(wù)的鋪墊，不斷地挖掘用戶的各種需求。從數(shù)據(jù)到分析到優(yōu)化運(yùn)行到知識分享跨域合作，未來的工業(yè)是給用戶提供的有價(jià)值的能力。

（本文系范玉順在杭州市委組織部主辦的2016年度第三期“知行講堂”上的演講，文中觀點(diǎn)不代表本刊立場）