德国工业4.0眼里“工业互联网”与“智能制造”

   

    工业4.0在德国被认为是第四次工业革命，主要是指，在“智能工厂”利用“智能备”将“智能物料”生产成为“智能产品”，整个过程贯穿以“网络协同”，从而提升生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。它的典型特征是：融合性与革命性，是新一代信息技术与工业化深度融合的产物，是一种新的生产方式，推动传统大规模批量生产向大规模定制生产转变。

一、智能工厂

“工业4.0”其实就是基于信息物理系统实现智能工厂，最终实现的是制造模式的变革。

（一）智能工厂概念

“工业 4.0”从嵌入式系统向信息物理系统（CPS）进化，形成智能工厂。智能工厂作为未来第四次工业革命的代表，不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网（物联网、数据网和服务互联网）的方向发展。

物联网和服务互联网分别位于智能工厂的三层信息技术基础架构的底层和顶层。最顶层中，与生产计划、物流、能耗和经营管理相关的ERP、SCM、CRM等，和产品设计、技术相关的PLM处在最上层，与服务互联网紧紧相连。中间一层，通过CPS物理信息系统实现与生产设备和生产线控制、调度等相关功能。从智能物料供应，到智能产品的产出，贯通整个产品生命周期管理。最底层则通过物联网技术实现控制、执行、传感，实现智能生产（图1）。

图1 智能工厂的三层信息技术基础架构

（二）智能工厂的三项集成

集成意味着以计算机应用为核心，是信息技术在制造业应用发展的高级阶段，支持制造过程的各个环节。高度集成化能够极大地提高企业的生产效率、有效组织各方资源、鼓舞不同链条中的员工的生产积极性，将企业从不同个体变为具备超强凝聚力的团队，使人员组织管理、任务分配、工作协调、信息交流、设计资料与资源共享等发生根本性变化。

“工业4.0”通过CPS，将生产设备、传感器、嵌入式系统、生产管理系统等融合成一个智能网络，使得设备与设备以及服务与服务之间能够互联，从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。

横向集成是指网络协同制造的企业间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源信息共享与资源整合，确保了各企业间的无缝合作，提供实时产品与服务的机制。横向集成主要体现在网络协同合作上，主要是指从企业的集成到企业间的集成，走向企业间产业链、企业集团甚至跨国集团这种基于企业业务管理系统的集成，产生新的价值链和商业模式的创新（图2）。

图2 智能工厂的横向集成

纵向集成是指基于智能工厂中的网络化的制造体系，实现分散式生产，替代传统的集中式中央控制的生产流程。纵向集成主要体现在工厂内的科学管理上，从侧重于产品的设计和制造过程，走到了产品全生命周期的集成过程，建立有效的纵向的生产体系（图3）。

图3 智能工厂的纵向集成

端对端集成是指贯穿整个价值链的工程化信息系统集成，以保障大规模个性化定制的实施。端对端集成以价值链为导向，实现端到端的生产流程，实现信息世界和物理世界的有效整合。端对端集成是从工艺流程角度来审视智能制造，主要体现在并行制造上，将由单元技术产品通过集成平台，形成企业的集成平台系统，并朝着工厂综合能力平台发展（图4）。

图4 智能工厂的端到端的集成

智能工厂的三项集成，从多年来以信息共享为集成的重点，走到了过程集成的阶段，并不断向智能发展的集成阶段迈进。“工业4.0”推动在现有高端水平上的纵向、横向以及端到端的，包括企业内部、企业与网络协同合作企业之间以及企业和顾客之间的全方位的整合。

从过去集成化思想在制造业中发展历程以及给制造业带来的效果评价来看，制造业已然越来越离不开以先进技术为支持的全方位整合。可以说，基于全方位整合的集成化思维是制造业新思维之一。而且，制造业今后的发展也必将以“借势借力、整合资源”的全方位整合为基本思路。

二、智能设备

在未来的智能工厂，每个生产环节清晰可见、高度透明，整个车间有序且高效地运转。“工业4.0”中，自动化设备在原有的控制功能基础上，附加一定新功能，就可以实现产品生命周期管理、安全性、可追踪性与节能性等智能化要求。这些为生产设备添加的新功能是指通过为生产线配置众多传感器，让设备具有感知能力，将所感知的信息通过无线网络传送到云计算数据中心，通过大数据分析决策进一步使得自动化设备具有自律管理的智能功能，从而实现设备智能化。

“工业4.0”中，在生产线、生产设备中配备的传感器，能够实时抓取数据，然后经过无线通信连接互联网，传输数据，对生产本身进行实时的监控。设备传感和控制层的数据与企业信息系统融合形成了信息物理系统（CPS），使得生产大数据传到云计算数据中心进行存储、分析，形成决策并反过来指导设备运转。设备的智能化直接决定了“工业4.0”所要求的智能生产水平。

生产效率是制造企业首先会考虑的问题。在具体生产流程方面，“工业4.0”对企业的意义在于，它能够将各种生产资源，包括生产设备、工厂工人、业务管理系统和生产设施形成一个闭环网络，进而通过物联网和系统服务应用，实现贯穿整个智能产品和系统的价值链网络的横向、纵向的链接和端对端的数字化集成，从而提高生产效率, 最终实现智能工厂。通过智能工厂制造系统在分散价值网络上的横向连接，就可以在产品开发、生产、销售、物流、服务的过程中，借助软件和网络的监测、交流沟通，根据最新情况，灵活、实时地调整生产工艺，而不再是完全遵照几个月或者几年前的计划。

“工业4.0”通过CPS系统将不同设备通过数据交互连接到一起，让工厂内部、外部构成一个整体。而这种“一体化”其实是为了实现生产制造的“分散化”。“工业4.0”中，生产模式将从“由集中式中央控制向分散式增强控制”转变，“分散化”后的生产将变得比流水线的自动化方式更加灵活。

流水线作业的主要特点是：物料通过流水线传送，操作工人在工位上不动，不断地简单重复一个固定的动作。好处是可以避免操作工人在车间内来回走动、更换工具等劳动环节，从而显著地提升工作效率（图5）。

图5 生产生产场景图及演变过程

随着PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）的出现和普及，自动化技术得到了重大突破。PLC使得一些逻辑关联复杂的操作可以由设备自动完成。同时，数控机床技术的发展，使得零部件能够在机床上按照图纸完成若干复杂的加工工作。此外，采用机械手等工业机器人技术，也使得替代操作工人的简单重复的固定作业成为可能。

所以，在流水线上，经过分解的、由标准化动作组成的操作很容易被自动化的机器来完成。也就是，流水线很容易实现自动化。过去30多年是全球化发展最快的一段时期，发达国家通过产业转移将大量劳动密集型产业转移到劳动力成本较低的发展中国家。对于大量劳动密集型产业来说，自动化水平较高的流水线的综合成本往往要高于自动化水平较低的生产线。

但是，自动化流水线也有其弊端。不能灵活地生产，不能满足个性化定制，而且重复性低、相对复杂、感知能力要求强的操作更适合人工来做。

更好地满足个性化需求，提高生产线的柔性是制造业长期追求的目标。

“工业4.0”报告中描述的动态配置的生产方式主要是指从事作业的机器人（工作站）能够通过网络实时访问所有有关信息，并根据信息内容，自主切换生产方式以及更换生产材料，从而调整成为最匹配模式的生产作业。动态配置的生产方式能够实现为每个客户、每个产品进行不同的设计、零部件构成、产品订单、生产计划、生产制造、物流配送，杜绝整个链条中的浪费环节。与传统生产方式不同，动态配置的生产方式在生产之前，或者生产过程中，都能够随时变更最初的设计方案。

例如，目前的汽车生产主要是按照事先设计好的工艺流程进行的生产线生产方式。尽管也存在一些混流生产方式，但是生产过程中，一定要在由众多机械组成的生产线上进行，所以不会实现产品设计的多样化。管理这些生产线的MES（制造执行管理系统）原本应该带给生产线更多的灵活性，但是受到构成生产线的众多机械的硬件制约，无法发挥出更多的功能，作用极为有限（图6）。

图6 传统汽车生产中严格按照顺序的生产流程

同时，在不同生产线上操作的工人分布于各个车间，他们都不会掌握整个生产流程，所以也只能发挥出在某项固定工作上的作用。这样一来，很难实时满足客户的需求。

“工业4.0”描绘的智能工厂中，固定的生产线概念消失了，采取了可以动态、有机地重新构成的模块化生产方式。

例如，生产模块可以视为一个“信息物理系统”，正在进行装配的汽车能够自律在生产模块间穿梭，接受所需的装配作业。其中，如果生产、零部件供给环节出现瓶颈，能够及时调度其他车型的生产资源或者零部件，继续进行生产。也就是，为每个车型自律性选择适合的生产模块，进行动态的装配作业。在这种动态配置的生产方式下，可以发挥出MES原本的综合管理功能，能够动态管理设计、装配、测试等整个生产流程，既保证了生产设备的运转效率，又可以使生产种类实现多样化（图7）。

图7 动态配置的生产流程

三、智能物料

“工业4.0”时代，在智能工厂中，CRM（Customer Relationship Management,客户关系管理）、PDM（Product Data Management，产品数据管理）、SCM（Supply chain management，供应链管理）等软件管理系统可能都将互联。届时，接到顾客订单后的一瞬间，工厂就会立即自动地向原材料或零部件供应商采购原材料或零部件。

原材料或零部件到货后，将被赋予数据，“这是给某某客户生产的某某产品的某某工艺中的原材料或零部件”，使“原材料或零部件”带有信息。带有信息的原材料或零部件也就意味着拥有自己的用途或目的地，成为了“智能物料”。如果，在生产过程中，当原材料或零部件一旦被错误配送到其他生产线，它就会通过与生产设备开展“对话”，返回属于自己的正确的生产线；如果，生产机器之间的原材料不够用，同样，生产机器也可以向订单系统进行“交涉”，来增加原材料或零部件数量（图8）。

图8 带有二维码的智能物料（作者拍摄于索菲亚家具定制工厂）

最终，即便是原材料或零部件嵌入到产品内之后，由于它还保存着路径流程信息，将会很容易实现追踪溯源（图9）。

图9 带有二维码的智能零部件

据媒体报道，SAP全球高级副总裁、全球研发网络总裁柯曼先生在2014中国信息产业经济年会上做了主题为“SAP中国的工业4.0和物联网之道”的演讲。柯曼认为，在“工业4.0”里，所有的事情都变得数字化了。

每个产品都有自己独立的ID，企业可以突破地理空间的限制，实现远程操作与服务。建立在大数据预测的基础上，企业能够根据预测结果，为客户量身提供更为延后或者提前的服务，进一步降低风险和成本。在生产的过程中，企业也能够实现更好的能源管理和弹性生产。

四、智能产品

越来越多的事实表明，信息技术特别是互联网技术的发展和应用正以前所未有的广度和深度，加快推进制造业生产方式、制造模式的深刻变革。随之而来的是，产品本身属性的变化（图10）。

图10 产品的智能化

当前的汽车或许不再是一个“机械”，是一个由传感器、天线、接收器、显示仪等等众多的电子零部件组成的“电子产品”（图11）。

图11 产品智能化演进过程

随着互联网，尤其是移动互联网的发展，汽车开始与更多的外围设备、外围系统互动，传递信息、共享信息。通过与智能交通系统（ITS）联网，可以实时获取交通信息、道路以及加油站信息等；通过接收卫星导航，实现丰富的定位信息服务；通过智能手机、平板电脑等外围设备实现更加具有扩展性的应用。汽车已经从一个“电子产品”进一步变身为一个“网络网络”。未来的汽车能否与网络互联，可能成为汽车市场竞争中的决定性因素。

可以说，信息技术在国民经济和社会发展中发挥着越来越重要作用。传统的通信系统、飞机控制系统、汽车电子、家电、武器装备、电子玩具等以嵌入式系统为代表的物理产品在社会生活的各个领域广泛存在。而它们随着计算、网络和控制技术的发展，以及未来制造业需求的提高，都不断地从物理产品演变成为“电子产品”或者“网络产品”（图12）。

图12 产品意义的变化

五、网络协同

通过互通互联，云计算、大数据这些新的互联网技术，和以前的自动化的技术结合在一起，生产工序实现纵向系统上的融合，生产设备和设备之间，工人与设备之间的合作，把整个工厂内部的联结起来，形成信息物理系统，互相之间可以合作、可以响应，能够开展个性化的生产制造，可以调整产品的生产率，还可以调整利用资源的多少、大小，采用最节约资源的方式。

“工业4.0”的智能制造，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现，其核心就是在整个工业生产过程中的应用中，通过信息物理系统（CPS），利用物联网的技术、软件技术和通信技术，加强信息管理和服务，提高生产过程的可控性，从而实现研发、生产、制造工艺及工业控制等全方位的信息覆盖，全面控制各种信息，确保各个生产制造环节都能处于最优状态。从而引导制造业向智能化转型。

【工厂内的协同】

对于一个制造业企业来说，其内部的信息是以制造为核心的，包括生产管理、物流管理、质量管理、设备管理、人员及工时管理等和生产相关的各个要素。传统的制造管理是以单个车间/工厂为管理单位，管理的重点是生产，管理的范围是制造业内部。

但是，随着信息技术的进步，很多制造型企业在发展的不同时期，根据管理的不同时期的需求，不断地开发了不同的系统，并在企业内部逐步使用，如库存管理系统、生产管理系统、质量管理系统、产品生命周期管理系统、供应量管理系统系统等等。不同的系统来实现不同的功能，有些系统采用自主开发或不同供应商的系统所组成。随着企业的发展，要求不同的生产元素管理之间的协同性，以避免制造过程中的信息孤岛，因此对各个系统之间的接口和兼容性的需求越来越高，即各个系统之间的内部协同越来越重要。

例如，对于采用两套各自独立的系统来管理生产和库存的话，生产实施之前，生产管理系统需要掌控某项生产计划的实施以及物料资源的供应，而如果库存管理系统和生产管理系统相对独立，就无法实现协同，生产所需要的物料信息不能反馈给库存系统，库存系统也不能得到生产所需要物料的需求信息。在生产完成之后，生产系统汇总生产结果与实际的物料使用信息，但是由于生产管理系统与库存管理系统采用的是不同的独立系统，库存管理系统并不能实时得到物料使用信息，致使实际库存情况和系统的结果不能保持一致。为了弥补信息的断层，不得不从库存管理系统和生产管理系统之间进行数据信息的手工导入和导出，经常进行周期性的人工盘点，才能做到使用情况与库存信息的匹配。

随着对于制造的敏捷性及精益制造的要求不断提高，靠人工导入导出信息已经不能满足制造业信息化的需求，这就要求在不同系统之间进行网络协同，做到实时的信息传递与共享。

【工厂间的协同】

未来制造业中，每个工厂是独立运作的模式，每个工厂都有独立运行的生产管理系统，或者采用一套生产管理系统来管理所有的工厂的操作。但是随着企业的发展，企业设置有不同的生产基地及多个工厂，工厂之间往往需要互相调度，合理地利用人力、设备、物料等资源，企业中每个工厂之间的信息的流量越来越多，实时性的要求越来越高，同时每个工厂的数据量和执行的速度的要求也越来越高。这就要求不同工厂之间能够做到网络协同，确保实时的信息传递与共享（图13）。

图13 工厂与工厂之间的网络协同

在全球化与互联网时代，协同不仅仅是组织内部的协作，而且往往要涉及到产业链上、下游组织之间的协作。一方面，通过网络协同，消费者与制造业企业共同进行产品设计与研发，满足个性化定制需求；另一方面，通过网络协同，配置原材料、资本、设备等生产资源，组织动态的生产制造。缩短产品研发周期，满足差异化市场需求。

“工业4.0”中的横向集成代表生产系统的结合，这是一个全产业链的集成。以往的工厂生产中，产品或零部件生产只是一个独立过程，之间没有任何联系，没有进一步的逻辑控制。外部的网络协同制造使得一个工厂根据自己的生产能力和生产档期，只生产某一个产品的一部分，外部的物流、外部工厂的生产，包括销售等整个的全产业链能够联系起来。这样一来，就实现了价值链上的横向产业融合。

全球化分工使得各项生产要素加速流动，市场趋势变化和产品个性化需求对工厂的生产响应时间和柔性化生产能力提出了更高的要求。“工业4.0”时代，生产智能化通过基于信息化的机械、知识、管理和技能等多种要素的有机结合，从着手生产制造之前，就按照交货期、生产数量、优先级、工厂现有资源(人员、设备、物料)的有限生产能力，自动制订出科学的生产计划。从而，提高生产效率，实现生产成本的大幅下降，同时实现产品多样性、缩短新产品开发周期，从而最终实现工厂运营的全面优化变革。

生产智能化和工业互联网实际上就是“工业4.0”时代的重要标志之一——在智能工厂，利用智能设备，将智能物料生产成智能产品，整个过程贯穿以网络协同。