1、玩转“立体”工业 4.0在“智能化、网络化的世界”里，物联网和服务网（the Internet of Things and Services）将渗透到所有的关键领域。这种转变正在导致众多领域出现了崭新的面貌，如智能城市、智能交通、智能电网、智能移动、智能物流、智能医疗健康等。 “工业 4.0”是面向未来的制造业的模式探索，不一定是确定性的未来方向，而更多是制造业走近智能、网络化的一份蓝图。工业 4.0 涉及到众多的交叉学科，需要研究发展诸如：1）标准的协调，2）在各行业提高对建模与仿真的认识和使用，3）更宽频的无线通讯网络基础设施，4）人机安全、信息安全，5）资源效率等各方面，需要各方面技术的
2、积累和演进。 工业 4.0 是一个立体的生产体系，需要从三个维度来理解这份蓝图。X 维度：集成主要是企业外部价值网络的横向集成。Y 维度：是垂直集成和网络化制造系统，主要是要创建公司内部柔性自适应的生产系统。Z 维度：数字化和虚拟化世界进行整合，实现产品价值链的数字和现实的端到端集成。 工业 4.0技术拼图 工业 4.0 是个技术拼图，目前，各个企业追求工业 4.0 的过程都比较务实，在这个技术拼图里，每一块碎片都能看得到，但要看到整个图景还需要些时间。为了能够更深入的理解工业 4.0，我们有必要降低维度（空间到线性）进行拆解。 X 维度：价值网络的横向集成，主要指公司外部的商业模式和协作伙伴
3、关系的集成。如“雏形众包工厂” 。公司可以把核心技术、设计、品牌、市场掌握在自己手里，把制造环节交给最有经验、制造管理系统最完善的制造商来执行。未来工业 4.0 体系下，在运用 CPS 后， “雏形众包工厂”可能进一步升级成“智能众包工厂” ，系统会自动通知合格原材料企业智能配送原料至实验室、闲?Z 生产线来安排生产并实时反应在管理者的手机上。 Y 维度：纵向整合和网络化制造系统的集成，将整个生产网络和软件包括数字化平台进行垂直整合，且在每一车间建立一个网络化的制造系统。主要是为了创建柔性的自适应的生产系统，企业内部融合主要利用 CPS（信息物理系统） ，应用网络、虚拟或仿真技术及人工智能等来
4、创建柔性生产系统。主要涉及到现场层（自动化设备） 、控制层（PLC、DCS等） 、管理层（MES 等） 、企业层（ERP、PLM 等） 、云数据处理，以及通讯层（数据交换） 。 Z 维度：全价值链的端到端的工程数字化集成，主要指产品的生命周期过程的集成，从设计到生产到后期服务这一价值链整体的集成。数字世界和现实世界实现整合。未来设计和制造过程可实时互联，后期服务和设计等也可完美互联。端到端集成是实现个性化定制生产的基础，如消费者想自行定义和设计产品，但是由于专业能力有限（类似于消费者想使用 3D打印机打印一个作品，但是怎么把自己设计的产品用机器语言传输给 3D打印机却是一个难题） ，自主设计需
5、要相应的工具软件将用户的数字化需求，转化为对零件的数字化需求和对生产过程的数字化描述。在全面完整数字化的基础上，厂家也很容易为用户提供产品的服务。典型的“初级端到端工程数字化集成”如长荣股份的个性化网络印刷平台，客户在线提交印刷产品后，由平台软件进行自动处理，结合印刷颜色相近的产品订单组合，再自动分派给空闲机组生产。再如“在线服务” ，服务商也可装很多传感装?Z，可以随时掌握设备运行情况，在遭遇故障停工前就可以准确预判，进行预防性维护。 三个维度如果简单的叠加，可能只是三个一维空间；但如果在应用CPS的基础上，就构成了一个三维空间。例如，一件产品涉及到的三维坐标信息可能包括：1）Z 轴，用户参
6、与的设计、售后服务、使用反馈；2）X 轴：库存及零部件采购；3）Y 轴：零部件信息、制造时间、质量状态等。通过三个维度的集成，可以在 CPS 三维空间（互联网、物联网、服务网）里找到相应的坐标信息，因为 CPS 本身就是一张三维的网络。 CPS：人、物、服务互联的三维网络 CPS 是 2005年由美国科学院提出，2008 年之后，美国才将 CPS 作为国家战略性发展方向予以重视。CPS 是一个结合计算领域及传感器（Sensor）和致动器（Actuator）装?Z 的整合控制系统。包含了无处不在的环境感知、嵌入式系统、网络通信和网络控制等系统工程，使我们身边的各种物体具有计算、通信、精确控制、远
7、程协作和自组织功能，使计算能力与物理系统紧密结合与协调，在传感器的帮助下，CPS 接受并处理来自物理世界的大量数据，并将这些用于基于网络的各种应用和服务中，最终会这些服务和应用会通过致动器反馈并影响实体世界。简而言之，CPS 就是互联网技术运用于各行业，其核心就是通过应用信息通讯技术和利用互联网，将虚拟系统信息与物理系统相结合的手段，与互联网融合、交汇，试图连接互联网、物联网、服务互联网。 在 CPS中，互联网和物联网及服务网连接至一起，人机互动、人的智能出行，机器与智能物流等互相交互，人、物和服务完美联系在同一张三维网络中，将使人类的生活和生产更安全，更高效，更健康，更清洁，帮助人类社会解决
8、很多目前物理系统无法解决的难题，比如人口老化带来的养老问题，资源稀缺造成的物价上涨，交通拥堵带来的效率损失，自然灾害带来的生产力损失，可再生能源不稳定造成的电价上涨等。一些早期的类 CPS 应用早已经进入我们的日常生活，并被我们天天使用。典型案例就是车载导航软件，GPS 系统为地球表面每一块土地都提供了一个全新的、瞬时可知的虚拟映象，车辆既行驶在物理世界的道路上，也穿行在数字世界中，在移动通信数据的帮助下，现在的导航软件还能根据即时路况规划最佳行驶路线。 工业 4.0？越来越近 在 2015年德国汉诺威工业博览会上，德国信息、通信和新媒体协会公布的调查报告显示，目前德国主要工业领域中 44%的
9、企业已采用“工业4.0”相关的生产和技术模式。各展商展出的工业 4.0产品可以应用在工厂从设备安装到生产以及物流等几乎所有方面。德国的工业 4.0 应用仍然处于初始阶段，随着人们探索的深入，工业 4.0所包含的内容也越来越多。 德国机械设备制造业联合会新闻发言人布吕克纳介绍说，协会旗下近 50家会员企业在工博会上都展出了实实在在的工业 4.0产品，这充分说明工业 4.0已经能从一个概念变成现实。 也正因为整个工业 4.0战略规模越来越大，德国政府 14日在汉诺威工博会宣布启动升级版“工业 4.0”，该平台领导组由德国经济部长加布里尔、教育和科研部长万卡以及企业界、工会及科技界代表组成，旨在通过
10、调整使现有“工业 4.0 平台”具有更广阔的政治和社会基础，推动其发展进程。 作为智能制造的通用设备，最新型的工业机器人已经步入到了“人机协作”阶段。 KUKA 公司展出的七轴联动机器人，具有非常灵活柔性的手臂，每个运动关节有六个传感器，可以在非常狭小的空间内做高难度动作，适合精密制造领域，尤其是航空航天的零部件安装。库卡提出“为工业 4.0 而预备”的设计思路，最新的库卡机器人都有多种外部通信端口和一个开放的、模块化的编程环境，可以实现和外部系统连接以及机械控制系统操作上的便捷。 ABB 的 YuMi 双臂机器人号称世界上第一个真正的双臂协调机器人，专门适用于精密制造，处理一些仅为几百克重的
11、零件，如手表的精密部件到手机、平板电脑以及台式电脑零件的处理。YuMi 的双臂灵巧，能够与人类进行近距离协作。它拥有一付轻量化的刚性镁铝合金骨架以及被软性材料包裹的塑料外壳，能够很好地吸收对外部的冲击。此外，YuMi 采用紧凑型设计，拥有人体尺寸和人类肢体动作，YuMi 的关节处没有任何夹紧点，在关节开合过程中，不会对人体任何敏感部位造成伤害。 中国制造 2025？战略 海外自动化龙头企业已经开始实现工业 4.0下的技术拼图。前文提及工业 4.0是一个立体的生产体系，需要有众多技术的积累和演进，目前德国众多企业已经在各自优势领域朝工业 4.0的方向努力，试图抢占行业发展先机。 中国大部分制造业
12、的自动化水平远落后于德美日等发达国家，补上自动化的短板是进一步发展智能制造的必要条件。 “中国制造 2025”的核心是信息化和工业化的深度融合，而深度融合当中一个重要的突破口，就是要实现高端装备制造，包括生产体系的智能化。 工业 4.0是德国人想要维持其在设备制造、工业自动化、工业软件上的比较优势，希望通过建立广泛的产业联盟，将龙头企业的竞争优势提升到国家竞争优势，而推出的未来战略，有着很深的德国烙印。而且往前追溯的话，工业 4.0是德国政府提出的十项高技术战略 2020战略计划之一，由德国主流的工业企业、IT 厂商、科研机构和行业协会等组织共同实施，政府资助实际上只有两亿欧元，由西门子、宝马
13、之类的大型企业来主导。 中国制造 2025则是针对中国国情和制造业发展现状而提出的中国制造业中期发展战略，横跨三个五年计划，核心要解决的中国怎么才能从制造大国走向制造强国。目前中国与德国在工业自动化上仍有相当的差距，中国最要紧的是补上“工业 2.5”、 “工业 3.0”的课程，这才是符合中国实际国情的。 首先，我们认为“中国制造 2025”优先要发展智能制造产业。如智能机器人、智能装备、柔性化的生产自动线、智能物流装备（例如 AGV、自动化立体仓库等）等，有了这些自动化装备，才能实现企业研发、生产、采购、营销、服务，以及人事、财务信息系统的无缝集成，信息系统与底层自动化系统的无缝集成，车间级信息系统与企业级信息系统的无缝集成，供应链上下游企业间的信息共享等。 其次，我们认为追寻中国制造 2025的内容，从创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本几个方面出发。
