工業(yè)4.0技術(shù)與測評

彭晉輝

摘 要：隨著工業(yè)4.0的概念被引入中國并逐漸為工業(yè)界所接受，目前如何推動制造企業(yè)向工業(yè)4.0邁進，已經(jīng)成為了中國工業(yè)企業(yè)的熱門話題。本文旨在論述工業(yè)4.0的三種核心技術(shù)，及介紹一種判斷企業(yè)處在工業(yè)4.0下何種階段的測評工具。

關鍵詞：工業(yè)4.0；物理信息系統(tǒng)（CPS）；物聯(lián)網(wǎng)（IoT）；智能工廠；測評

中圖分類號：F424 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0012-03

1 背景介紹

工業(yè)4.0即第四次工業(yè)革命的概念，在2011年德國漢諾威工業(yè)展中被首先提出，隨即被列入德國高科技戰(zhàn)略2020計劃中。2015年4月德國政府接管了由德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合會（VDMA）、德國電氣和電子工業(yè)聯(lián)合會（ZVEI）以及德國信息技術(shù)、通訊、新媒體協(xié)會（BITKOM）共同建立的工業(yè)4.0平臺（http：//www.plattform-i40.de/），整體負責戰(zhàn)略研究、戰(zhàn)術(shù)發(fā)展和協(xié)調(diào)。工業(yè)4.0平臺的4大戰(zhàn)略目標是：戰(zhàn)略、標準、技術(shù)路線、最佳實踐。

2 工業(yè)4.0涉及的關鍵技術(shù)

工業(yè)4.0涉及了眾多新技術(shù)與新理念。比較重要的方向包括了CPS，智能工廠，健壯型網(wǎng)絡，云計算及信息安全。同時每個方向下又覆蓋了眾多技術(shù)，從社交機器，到接入式生產(chǎn)，再到設備端到設備端的聯(lián)通等等[1]。Mario Hermann，Tobias Pentek和Boris Otto通過Google學術(shù)上對工業(yè)4.0英文文獻和德文出版物進行了遍歷。其結(jié)果是，出現(xiàn)最多的關鍵詞依次為“Cyber-Physical Systems，Cyber-PhysikalischeSysteme， CPS”，“Internet of Things， Internet der Dinge”，“Smart Factory， intelligenteFabrik”[8]。值得注意的是，在“德國工業(yè)4.0工作小組”2013年出版的“Recommendations for implementing the strategic initiativeIndustrie 4.0”中，列出了工業(yè)4.0的三項關鍵要素，也同樣是物理信息系統(tǒng)（CPS），物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和智能工廠[2]。因此，在下一部分中本文將對這三個技術(shù)在工業(yè)4.0下的應用做進一步說明。

3 物理信息系統(tǒng)（CPS）

物理信息系統(tǒng)的英文全稱是Cyber Physical Systems。這個概念在2006年由Lee在美國提出[3]，目前仍然在發(fā)展之中。CPS可以根據(jù)其智能程度分為不同的階段[4]，如表1所示。在第一階段，被動式CPS。其本身并不智能，需要通過中心系統(tǒng)提供各項服務，例如射頻識別芯片（RFID）；第二階段，主動式CPS。具備主動傳感器和執(zhí)行器，具備相對清晰的功能；第三階段，互聯(lián)式CPS。CPS可以通過各類接口實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的互聯(lián)；第四階段，自主智能的CPS。CPS可以智能組合自身的單項功能，在生產(chǎn)上即插即用，自行提供服務。

對于CPS的架構(gòu)，斯圖加特大學的N.Jazdi提出了三種可能性，來說明如何將嵌入式設備拓展入網(wǎng)絡中[6]。如圖1所示。

（1）控制器擴展模式：在這種直連結(jié)構(gòu)中，CPS的控制器需要具備有網(wǎng)絡通訊接口，其控制軟件可以與互聯(lián)網(wǎng)進行交互。經(jīng)過控制器，CPS能夠直接將傳感器收集的信息上傳云端，并且可以執(zhí)行云端的指令。

（2）外接中間件擴展模式：在這種非直連結(jié)構(gòu)中，CPS需要連接外部控制單元。外部控制單元應當具有CAN， UART，WLAN，Ethernet等多種接口，以便下端能夠接入各種嵌入式系統(tǒng)，上端接入互聯(lián)網(wǎng)或云。

（3）傳感器，執(zhí)行器擴展模式：在這種直連結(jié)構(gòu)中，傳感器，執(zhí)行器的功能需要被大幅度加強。傳感器和執(zhí)行器在傳輸數(shù)據(jù)到控制器的同時還需要能與云端交互。這要求的傳感器不僅可以捕捉數(shù)據(jù)，還能夠處理數(shù)據(jù)。執(zhí)行器不僅能夠接收控制信號，還能夠檢查甚至修正自身狀態(tài)。當然，采用這種模式這意味著網(wǎng)絡需要能夠應對海量的數(shù)據(jù)傳遞，并且承擔高昂的傳感器和執(zhí)行器部署成本。

4 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）

實現(xiàn)工業(yè)4.0，離不開物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)的結(jié)合[2]。在工業(yè)4.0下，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，各式各樣的物品或者說對象（例如RFID，傳感器，移動設備等）可以通過特定的尋址方式連接起來。通過物聯(lián)網(wǎng)，連接起來的智能對象們可以互相合作，以便完成他們的共同目標[6]。

目前，CPS和IoT的關系目前還沒有定論。本文傾向于認為IoT的覆蓋范圍大于CPS如圖2所示。IoT是網(wǎng)絡，關注于物與對象的間如何相互連接，包含了物理對象與物理對象的連接，虛擬對象與虛擬對象的連接，及物理對象與虛擬對象的連接。而CPS嵌入式設備，它只作用于最后一種，也就是物理對象與虛擬對象的連接。但是深度上，CPS還關注于如何獲取與轉(zhuǎn)化現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)，進而將現(xiàn)實世界抽象為虛擬世界中的對象，達到現(xiàn)實和虛擬的相互影響。這是IoT的概念下所沒有的。

工業(yè)4.0中，IoT的應用將會擴展工業(yè)生產(chǎn)的價值鏈。產(chǎn)品的物理功能結(jié)合額外IT數(shù)字化服務將帶來的各式增值業(yè)務，而這些增值業(yè)務的影響范圍可以超過本地，甚至遍及全球[7]。例如，冰箱的物理功能是提供低溫空間保存物品。其接入物聯(lián)網(wǎng)后，冰箱可以獲取使用者的飲食習慣，購物記錄，體檢記錄等信息，并結(jié)合附近的商戶信息，隨時隨地的給用戶推薦合適的購物清單，甚至在食物用盡之前自動下單。再比如汽車，其物理功能是提供運輸能力。接入物聯(lián)網(wǎng)后，汽車可以依據(jù)其行駛記錄與零部件狀況，獲得預防性維修的服務。如圖3所示。

5 智能工廠

智能工廠是工業(yè)4.0的重要組成部分[2]。為了滿足客戶有關大規(guī)模定制的需求，智能工廠將軟件，硬件和機械設備聯(lián)系起來，以便減少人力投入和資源消耗，最終實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)。

智能工廠與傳統(tǒng)工廠的不同，可以體現(xiàn)在以下幾個方面[8-9]。首先，產(chǎn)品類型的數(shù)量。傳統(tǒng)工廠一般生產(chǎn)的產(chǎn)品種類有限，而智能工廠旨在提供多樣化的產(chǎn)品。其次，產(chǎn)品與生產(chǎn)線的靈活性。傳統(tǒng)工廠即便可以實現(xiàn)不同種類產(chǎn)品的混線生產(chǎn)，但是其流水線仍然是固定的，產(chǎn)品制造需要遵循固定的順序依次進行。智能工廠下，為了使生產(chǎn)線得以支持靈活的高度柔性生產(chǎn)，其生產(chǎn)線上需要使用模塊化的設備，方便設備間的動態(tài)組合，定制化產(chǎn)品可以依據(jù)其特征，選擇合適的加工過程如圖4所示。

再次，信息交互程度。傳統(tǒng)工廠中，設備可以記錄自身運行信息，通過數(shù)據(jù)總線，控制器也能控制其從屬的工位。但是設備之間的信息交互并不普遍。而車間與車間之間，工廠與工廠之間也彼此獨立，其聯(lián)系多建立在產(chǎn)品傳遞的基礎上。而在智能工廠內(nèi)，設備，產(chǎn)品，信息系統(tǒng)之間能夠依靠健全的網(wǎng)絡保持快速通訊，使得原本獨立的設備，生產(chǎn)線，車間，工廠間能夠信息共享，進而達到協(xié)同運作，通過靈活配置的資源實現(xiàn)定制化生產(chǎn)如表2所示。

6 工業(yè)4.0的測評工具

目前，世界上還沒有一個完全達到工業(yè)4.0階段的企業(yè)。西門子最先進的巴伐利亞州安貝格工廠（EWA），依靠約1000名員工，每年能為全球顧客提供超過1000個品種的30億個零件，產(chǎn)品可靠性達到99.99%。但即便是EWA這樣的全球頂級工廠也只處在工業(yè)3.0與工業(yè)4.0之間的階段[10]。

如何確定企業(yè)自身所處的工業(yè)化等級，如何衡量企業(yè)自身與工業(yè)4.0之間的距離，這往往是當一家企業(yè)想實施工業(yè)4.0時第一個需要澄清的問題。為此，IMPLUS基金會（該基金會隸屬于德國工業(yè)4.0工作組的成員，德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合會VDMA）制作了在線工業(yè)4.0測評工具，幫助企業(yè)找到答案（在線測評的地址是：https：//www.industrie40-readiness.de/？lang=en）。該在線測評使用的模型在圖5中展示，包括了戰(zhàn)略和組織，智能工廠，智能運營，智能產(chǎn)品，數(shù)據(jù)驅(qū)動的業(yè)務，人力水平六個方面。每個方面進行測評后，等級從低級到高級依次為：局外級，入門級，中間級，經(jīng)驗級，專家級，頂尖級。具體來說，在某方面測評結(jié)果是局外級意味著公司在該方面完全沒有關于實施工業(yè)4.0的計劃；頂尖級則是公司在該方面已經(jīng)完全實現(xiàn)了工業(yè)4.0的要求。如圖5所示

該在線測評，通過使用者回答的問題，將為企業(yè)在工業(yè)4.0的六個方面分別進行打分。之后將各方面的分數(shù)與在其的權(quán)重（戰(zhàn)略和組織：0.254，智能工廠：0.143，智能運營：0102，智能產(chǎn)品：0.185，數(shù)據(jù)驅(qū)動的業(yè)務：0.138，人力水平：0.179）相乘，最終加和得到該企業(yè)在工業(yè)4.0體系下的等級。同時，測評報告還會依照企業(yè)在六方面的得分，在每個方向上為企業(yè)提出進一步改善的建議。依據(jù)測評的統(tǒng)計，目前對于雇員規(guī)模在500人人數(shù)以上的大中企業(yè)，技術(shù)水平達到工業(yè)4.0 中間級（2級）以上的比例約為4.2%，達到中間級的約為19.8%，達到入門級的約為45.2%，處在局外級的約為30.8%。經(jīng)過測評，目前國際頂級汽車制造廠商可以接近甚至達到經(jīng)驗級水平，但距離工業(yè)4.0頂尖級水平仍然有差距。

7 結(jié)語

近年來，中國學界和工業(yè)界的對工業(yè)4.0的參與程度都有了進一步加強。中國國務院于2015年發(fā)布了中國制造強國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱要《中國制造2025》。 同年12月，中國工信部和國家標準化管理委員會共同發(fā)布《國家智能制造標準體系建設指南（2015版）》，標志著中國開始了傳統(tǒng)制造業(yè)的改造和提升。了解工業(yè)4.0核心技術(shù)，認清企業(yè)自身的智能制造水平，將有助于中國企業(yè)制定面向智能制造的路徑規(guī)劃，以最快的速度來趕上世界先進水平。

參考文獻

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