工業(yè)4.0及其核心技術(shù)

彭晉輝

摘 要：工業(yè)4.0的概念在2011年的德國漢諾威工業(yè)展中被首先提出，其后的5年間，與工業(yè)4.0相關(guān)的話題迅速升溫，成為在學界與工業(yè)界最熱門的話題之一[1]。本文將介紹工業(yè)4.0的演進歷史，相關(guān)概念，以及核心技術(shù)。

關(guān)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

中圖分類號：G124 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0036-04

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，在越來越多的在學術(shù)期刊，文獻，論壇中進行討論研究[2]。在政策層面，截止至2014年，在德國政府的支持下，德國聯(lián)邦政府教育研究基金和德國聯(lián)邦政府公共事務與能源基金已投入超過2億歐元，支持工業(yè)界對工業(yè)4.0進行研究[1]。

在討論工業(yè)4.0之前，本文以汽車制造業(yè)為例，首先來回顧前三次工業(yè)革命。第一工業(yè)革命誕生于18世紀末的英國，以水利和蒸汽機作為代表，標志著工業(yè)開始進入機械化時代。第二次工業(yè)革命誕生于19世紀末20世紀初，以電力的大規(guī)模應用作為代表，標志著工業(yè)進入了大規(guī)模流水化作業(yè)時代。1886年，卡爾本茨制造了世界第一臺乘用汽車，汽車工業(yè)正式在第二次工業(yè)革命的初期誕生。而隨著1913年福特開發(fā)的第一條流水裝配線的推廣，第二次工業(yè)革命中實現(xiàn)了在低生產(chǎn)成本，高生產(chǎn)效率前提下的大批量生產(chǎn)。第三次工業(yè)革命誕生于20世紀中期，以計算機和IT技術(shù)作為代表，標志著工業(yè)進入自動化時代。1969年，通用汽車公司開始在生產(chǎn)線上引入可編程邏輯控制器，自此微處理器開始作用于汽車工業(yè)生產(chǎn)[3-4]。如圖1所示。

進入21世紀后，當今工業(yè)社會中，企業(yè)面對著前所未有的激烈市場競爭和客戶對個性化定制產(chǎn)品的消費需求。如何從生產(chǎn)大規(guī)模單一產(chǎn)品的進化到快速適應市場，具備生產(chǎn)的靈活性，成為企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。而德國推出工業(yè)4.0這一概念，就是旨在幫助企業(yè)應對產(chǎn)品生命周期的縮短和產(chǎn)品種類的多樣化[5-6]。如圖2所示。反映了在汽車工業(yè)中，汽車產(chǎn)品種類及單一車型產(chǎn)量的歷史變遷。

2 工業(yè)4.0的定義

隨著工業(yè)4.0的關(guān)注度日益提高，越來越多的探究機構(gòu)，工業(yè)企業(yè)參與了工業(yè)4.0的討論。但是目前，參與其中的各個學術(shù)界或是工業(yè)界的組織對工業(yè)4.0還沒有一個統(tǒng)一的認識[7]。無論是工業(yè)4.0的學術(shù)定義和還是其實施標準，依然存在多種解釋。即便是工業(yè)4.0的發(fā)起者，“工業(yè)4.0工作組”和“工業(yè)4.0平臺”也主要是在論述工業(yè)4.0的使用場景和技術(shù)基礎(chǔ)，而并沒有對工業(yè)4.0提出一個準確的定義[8]。

例如，Technical University Darmstadt大學Reiner Anderl教授提出的“工業(yè)4.0是一種將控制系統(tǒng)與IT技術(shù)集成起來，用于連接人，產(chǎn)品和復雜系統(tǒng)的戰(zhàn)略方法。工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是使用物理信息系統(tǒng)（CPS）來連接各類人工系統(tǒng)，幫助其智能化，使其達到智能系統(tǒng)的層次[3]?！?/p>

德國聯(lián)邦政府教育研究部定義4.0是“CPS的應用為產(chǎn)業(yè)價值鏈增添了更多的靈活性。這使得設(shè)備和工廠可以通過自我優(yōu)化和更新配置來調(diào)整其自身行為，例如改變訂單或是改變加工環(huán)境…最主要的是特點在于獲得數(shù)據(jù)，并從中抽取信息，依此來相應的調(diào)整自身行為，同時依據(jù)這些經(jīng)驗來擴展知識。在未來的智能工廠里，實現(xiàn)分布式互聯(lián)設(shè)備的關(guān)鍵是智能生產(chǎn)系統(tǒng)及其對應的流程，工程方法和工具[9]?！?/p>

Bharathidasan大學的S.Vijaykumar，S.G. Saravanaku-mar和M.Balamurugan提出“工業(yè)4.0是與實現(xiàn)CPS架構(gòu)密切相關(guān)。其部件，如傳感器，需要能夠通過收集到的特征信息，達到可以自我感知的，自我預測的水平，以便監(jiān)控預測產(chǎn)品在生命周期中可能出現(xiàn)的各種問題，從而提高生產(chǎn)效率?？刂破餍枰軌蛲ㄟ^感知和比較來預測設(shè)備的連續(xù)可用時間，進行預防性的健康監(jiān)控。同時，互聯(lián)的生產(chǎn)系統(tǒng)要達到自我配置，自我維護，自我組織來使生產(chǎn)過程變的更靈活簡單。最終，工業(yè)4.0將會把生產(chǎn)制造轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N提供服務的商業(yè)模式[10]?！?/p>

本文傾向于使用TU Dortmund University大學的Mario Hermann，和奧迪公司的Tobias Pentek，Boris Otto從工業(yè)企業(yè)的角度對工業(yè)4.0所做的解釋。該解釋指出“工業(yè)4.0是面向整個產(chǎn)業(yè)價值鏈的，各種新技術(shù)與新理念的集合。通過工業(yè)4.0下的模塊化的智能工廠，CPS可以監(jiān)控整個實體流程，并以此創(chuàng)造出其對應的虛擬世界，同時實現(xiàn)分布式控制。依靠物聯(lián)網(wǎng)IoT，CPS之間、CPS和操作者之間可實時交流信息，協(xié)同工作。通過服務聯(lián)網(wǎng)IoS，產(chǎn)業(yè)價值鏈中的成員可分享和使用內(nèi)部的和跨組織外部的服務[8]?！痹摻忉屧敿氈该髁斯I(yè)4.0的幾個主要特征，即工業(yè)4.0需要面向整個產(chǎn)業(yè)鏈，涉及多種新技術(shù)（CPS，IoT，智能工廠）及面向服務。

3 工業(yè)4.0涉及的關(guān)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)如圖3所示，例如智能工廠下的社交機器，接入式生產(chǎn)，低成本自動化，虛擬化，人機接口交互；CPS下則具體有智能產(chǎn)品，設(shè)備端到設(shè)備端聯(lián)通（Machine to Machine），傳感器和執(zhí)行器等[11]。

為了統(tǒng)計學術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點，判斷究竟哪些技術(shù)被普遍認為是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)，Mario Hermann，Tobias Pentek和Boris Otto通過google學術(shù)上對工業(yè)4.0英文文獻和德文文獻進行了遍歷。其結(jié)果是，出現(xiàn)最多的關(guān)鍵詞依次為“Cyber-Physical Systems， Cyber-Physikalische Systeme， CPS”，“Internet of Things， Internet der Dinge”，“Smart Factory， intelligenteFabrik”[9]。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的的三項關(guān)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[12]。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。endprint

3.1 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[14]，2008年Lee將其定義為：CPS是物理流程與計算能力的整合。其運用網(wǎng)絡與嵌入式的計算器來監(jiān)控物理生產(chǎn)流程，使得實際的物理流程與虛擬監(jiān)控之間形成雙向反饋。不同于傳統(tǒng)的基于單點機器的嵌入式系統(tǒng)，CPS更關(guān)注于包含眾多設(shè)備的設(shè)備網(wǎng)絡[14]。換句話說，CPS本質(zhì)是擁有計算和通信能力的嵌入式系統(tǒng)。它通過網(wǎng)絡收發(fā)數(shù)據(jù)，用來連接物理世界與虛擬世界，并使之能相互作用，相互影響。Malte Brettel，Niklas Friederichsen，提出了一個典型的CPS結(jié)構(gòu)[15]，如圖4所示。該CPS能夠與使用者交互，獲取并處理外界數(shù)據(jù)，并可以在設(shè)備的自我控制下完成特定任務。（注：在Malte Brettel與Niklas Friederichsen提出的嵌入式系統(tǒng)中，只注明了包含有傳感器與執(zhí)行器。但是考慮到實際生產(chǎn)設(shè)備下，脫離控制器的傳感器與執(zhí)行器無法獨立執(zhí)行復雜任務，所以在圖4中的嵌入式系統(tǒng)下補充了控制器。）

信息物理系統(tǒng)目前還在發(fā)展之中，可以根據(jù)其智能程度分為不同的階段[6]，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。

目前，工業(yè)界對CPS的應用，還大多處在第一階段。要想普及CPS的使用范圍，需要滿足以下三個前提[1]：（1）低成本的通信設(shè)施。CPS的高昂價格將是推廣其使用的最大障礙。例如，在大型汽車制造工廠中，全面普及第一階段的CPS產(chǎn)品射頻識別芯片（RFID）用來進行零部件追溯，單車成本將增加超過一萬人民幣。尤其對很多中小制造企業(yè)而言，盡管普及RFID將會有效提高自動化率，但因其只能承擔有限的購置和運維費用，使得現(xiàn)階段的CPS很難在他們的生產(chǎn)中全面普及。（2）覆蓋設(shè)備，工廠及整個公司的網(wǎng)絡。CPS的設(shè)計理念之一就是互聯(lián)。其捕獲到的各式數(shù)據(jù)需要經(jīng)由網(wǎng)絡進行傳輸，才能進一步方便分享數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)。沒有公司級的全覆蓋網(wǎng)絡，眾多CPS，IT系統(tǒng)，使用人就會因存在信息孤島，增加獲取信息的成本，影響信息收益的最大化。（3）健全設(shè)備，車間，工廠及產(chǎn)品在網(wǎng)絡中的信息，例如文檔說明，3D數(shù)據(jù)，模擬模型等。通過這些信息，并結(jié)合從傳感器捕捉到的數(shù)據(jù)，CPS可以將生產(chǎn)中的物理流程進行虛擬化。一旦設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常，員工就可以從已經(jīng)虛擬化了的設(shè)備對象上立刻得到通知，同時還可以得到其他所需信息，例如設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，運轉(zhuǎn)流程，安全事項等等。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）

物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)的結(jié)合被認為是實現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵因素[12]。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(shè)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[16]。其覆蓋范圍包括了設(shè)備，產(chǎn)品，加工人，虛擬的生產(chǎn)模型及全球化的供應鏈。如圖5所示。

目前，CPS和IoT的關(guān)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6所示。IoT是網(wǎng)絡，關(guān)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(shè)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(guān)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。

3.3 智能工廠

智能工廠是工業(yè)4.0的重要組成部分[13]。隨著外部需求的變化愈發(fā)頻繁多樣，生產(chǎn)設(shè)備面臨的復雜性局面顯著上升，而智能工廠正是為了應對這一困境所提出的解決方案，用以創(chuàng)造靈活的，高適應性的生產(chǎn)流程。智能工廠這一方案一方面是指自動化，將軟件，硬件和機械設(shè)備聯(lián)系起來，以便減少人力投入，資源消耗，最終實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)。另一方面旨在加強工業(yè)界和非工業(yè)界的交流，形成一個相互合作的動態(tài)組織。而這個動態(tài)組織的目標是提供新的智能服務[18]。具體來說，根據(jù)之前給出的CPS和IoT的定義，一個智能工廠需要包括CPS，IoT，設(shè)備和使用者。其中CPS和IoT聯(lián)系起了各式設(shè)備和眾多用戶，并幫助其協(xié)同工作，共同完成任務[8]。見圖6所示。

4 結(jié)語

工業(yè)4.0自列入德國高科技戰(zhàn)略2020計劃以來熱度不斷攀升。隨著德國政府接管工業(yè)4.0平臺，學界和工業(yè)界的參與程度都進一步加強。目前，德國已成立15個與工業(yè)4.0相關(guān)的尖端技術(shù)集群，每個集群覆蓋工業(yè)4.0相關(guān)的某幾個領(lǐng)域，由200-300家企業(yè)，學校與研究機構(gòu)組成。盡管現(xiàn)階段工業(yè)4.0的各項關(guān)鍵技術(shù)（物理信息系統(tǒng)（CPS），物聯(lián)網(wǎng)（IoT），智能工廠）仍然在發(fā)展之中，但是隨著滿足客戶的定制化要求成為企業(yè)在市場上獲得的成功的關(guān)鍵，可以預見未來參與到工業(yè)4.0進程中的中國企業(yè)也會越來越多。

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