0 引言

　　進入21 世紀以來,世界經濟出現了新的局面,增長緩慢、波瀾起伏。各國為了爭奪市場,競爭激烈。為了擺脫危機和實現可持續發展,隨著新一代信息技術的發展,各國都在加快研究新的技術,新工業革命正在到來。德國是高度工業化的、以制造業為導向的出口型經濟技術強國。為了保持在重要關鍵技術上的國際頂尖地位,從實際國情出發,德國提出了繼蒸汽機的發明、大規模生產和自動化之后的第四次工業革命———Industry 4. 0 戰略計劃。

　　作為Industry 4. 0 核心的智能工廠,其基本設想是制造的產品集成有動態數字存儲器、感知和通信能力,承載著整個供應鏈和生命周期中所需的各種信息;整個生產價值鏈中所集成的生產設施能夠實現自組織,以及能夠根據當前的狀況靈活地決定生產過程。智能工廠的目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中,傳統的行業界限將消失,并會產生各種新的活動領域和合作形式。

1 信息與通信技術發展遵循“15 年周期定律”

　IBM 前首席執行官郭士納曾提出計算技術每隔15 年發生一次變革的觀點,這一判斷像摩爾定律一樣準確,人們把它稱為“15 年周期定律”。1965 年前后發生的變革以大型機為標志。1980 年前后以PC 個人計算機的普及為標志,其間美國施樂公司首席科學家Mark Weiser 提出“ 無處不在的計算( ubiquitouscomputiug)”將成為我們日常生活的一部分。1995 年前后互聯網開始普及,計算機與通信技術發生了巨大改變。在互聯網與移動互聯網發展的基礎上,2010年前后出現了新一代信息技術。按照美國ARC 顧問集團的觀點,推動產業轉型的新興技術主要是社交媒體技術、移動互聯網和物聯網技術、云計算技術以及大數據與先進分析技術。

　　① 社交媒體技術:在美國,社交網站的發展驅動了人們對于社交媒體技術在制造領域應用的探索。借助于社交技術,人們可實現快速查找工作所急需的專業知識,能快捷地找到正確的能提供幫助的人,在設計過程中實現全球協同等。同時社交媒體可以滿足工廠企業市場營銷的品牌建立與提升,獲得潛在客戶信息等需求。

　　② 移動互聯網與物聯網技術:互聯網將計算機進行互聯互通,移動互聯網實現了人與人的聯網,徹底改變了人與人的互動方式。隨著技術的不斷發展,人們進一步希望物理世界也聯網,進而實現信息世界與物理世界的交融,于是產生了物聯網。

　　物聯網是指通過射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,將任意物品與互聯網相連,進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

　　③ 云計算技術:云計算是以虛擬化技術為基礎,以按需付費為商業模式,具備彈性擴展、動態分配和資源共享等特點的新型網絡化計算模式。在云計算模式下,軟件、硬件、平臺等IT資源將作為基礎設施,以服務的方式提供給使用者。目前,云計算已成為提供各種互聯網服務的重要平臺。

　　④ 大數據與先進分析技術:大數據技術是從各種類型的數據中,采用新處理模式快速獲得有價值信息的能力,從而實現深度理解、洞察發現與精準決策。它給制造業帶來的益處包括優化流程、降低成本與提升營運效率。

　　如上所述,物聯網是在計算機互聯網的基礎上,利用RFID、無線數據通信等技術,把世界上萬事萬物連接起來的網絡。在這個網絡中,物品通過計算機互聯網實現物品的自動識別和信息的互聯與共享。但在很多應用中,接入網絡的設備對其計算能力的要求遠非RFID 能比。由于物聯網中的物品不具備控制和自治能力,通信也大都發生在物品與服務器之間,因此物品之間無法實現協同控制。

2 信息物理融合系統將互聯網技術推向一個新高度

　　為了將控制技術融入互聯網,2006 年美國國家基金會(NSF)科學家Helen Gill 提出了信息物理融合系統(cyber physical system,CPS)概念,將互聯網技術的發展推向了一個新的高度。隨后,美國發布《美國競爭力計劃》,將CPS 列為重要研究項目;2007 年,美國總統指導科技顧問委員會將CPS 列為優先發展的八大關鍵信息技術之首;2008 年,美國CPS 指導小組將CPS 應用于能源、交通、國防、醫療、農業等方面。在歐洲,歐盟計劃從2007 年到2013 年在嵌入智能與系統的研究與技術上投入54 億歐元,以期在2016 年成為智能電子系統的世界領導者。

　　近年來,通過智能手機、電子閱讀器、平板電腦等設備連接信息世界與物理世界已經對我們生態系統的發展產生了變革性的影響。利用這些設備和各種技術,物理世界的信息可以無縫地傳遞到信息世界,在信息世界它被精心加工成對應物理內容的能夠適應各種信息的應用和服務,同時還能通過執行器修正,以適應物理世界自身。信息世界與物理世界的互動示意圖如圖1 所示。這就打開了構建創新服務的空間,使周圍的物理世界以及其中的社交活動進行更好的理解與互動,通常更能促進物理和社交世界中“擴增感知和互動”的能力。虛擬世界覆蓋在物理世界之上,其目標是連續監視物理世界,同時能夠產生智能動作使虛擬世界(應用和服務)適應我們的需求。在一個融合的世界中,物理世界產生的動作和信息能夠影響個人和社會的行為,它也能影響在虛擬世界中如何處理信息和服務。由此產生了信息物理融合系統,亦稱工業互聯網。

　　從本質上講,信息物理融合系統(CPS)在物理世界的實體中部署一定的感知和自治能力,使之成為“智能物體”,通過網絡設施實現信息傳輸、協同和處理,實現物與物、人與物之間的互聯,從而也實現了虛擬的信息世界與真實的物理世界的融合。從應用角度講,CPS 將打破現有的傳感網系統、通信網系統、控制系統,建立一個多系統互聯網操作的動態可控復雜系統。通過物理過程、通信過程、計算過程和控制過程等緊密合作,可以滿足多種應用需求。CPS 將使整個世界互聯起來,如同互聯網改變了人與人互動一樣,CPS將會改變我們與物理世界的互動。

3 信息物理融合系統開啟了Industry 4. 0 工業革命

　　德國是高度工業化的、以制造業為導向的出口型經濟技術強國。為了確保制造業世界領先地位,從實際國情出發,德國于2012 年首先將CPS 技術創新性地應用于制造工業,提出了基于信息物理融合系統的Industry 4. 0 第四次工業革命戰略計劃。

　　在Industry 4. 0 時代,每個工廠企業都將建立“數字企業平臺”,通過開放接口將虛擬環境與基礎架構融為一體,從而構成信息物理融合系統(CPS),生產自動化系統將升級為信息物理融合生產系統(cyber physical production system,CPPS)。Industry 4. 0將由集中式控制向分散式增強型控制基本模式轉變。在這種模式中,傳統的行業界限將消失,并會產生各種新的活動領域和合作形式。創造新價值的過程正在發生改變,產業鏈分工將被重組,將使人類從“自動化生產”進入“智能化生產、綠色生產、都市化生產”。

　　Industry 4. 0 將成為智能的網絡世界的一部分。在一個智能的網絡世界,所有主要工業領域都將感受到它的存在。物聯網及其服務推動這些領域產生重大變革,從而產生了能源領域的智能電網,可持續的移動策略(智能汽車、智能倉儲) 以及健康領域的智能健康。在制造環境中,實現橫跨整個價值網絡的垂直網絡化、端到端工程和水平集成,價值網絡上的產品和系統日益智能化。

　　Industry 4. 0 集中于創建智能產品、規范和方法。智能工廠制定Industry 4. 0 的主要細節內容。智能工廠能夠管控各種復雜情況,很少發生停車,并能更有效地制造產品。在智能工廠中,人員、機器和資源相互之間進行通信,就像在社交網絡一樣。智能產品能夠知道它們被制造和打算被使用的詳細情況。它們主動支持制造過程,回答諸如“什么時候我被加工?”“處理產品的哪一個參數?”“產品被傳遞到何處?”等問題。智能產品與智能汽車、智能物流和智能電網相對接,將使得智能工廠成為將來智能基礎設施的主要部分。這將使常規價值鏈發生變革,并出現新的業務模式。

　　在實現Industry 4. 0 過程中,目的是通過建立在德國勞動力技能、特長和知識專利基礎上的系統創新進程,通過影響現有技術和經濟潛能的手段,創建一個最佳的、全面的一攬子解決方案。Industry 4. 0 將能夠為工程、規劃、制造、運行和物流整個過程,提供整套具有更強的靈活性、可靠性以及高質量的標準,從而能夠有效創建動態的、實時最佳的、自組織的價值鏈。該價值鏈可以按照諸如成本、可用性和資源消耗等各種準則實現最佳化。

　　戰略創新的Industry 4. 0 將創造一個CPS 平臺。該平臺支持工業業務過程的協調,以及用于智能工廠和智能產品生命周期所有方面的相關業務。由這些平臺提供的服務和應用,將人員、對象和系統相互連接起來。

　　① 通過快速和簡單的編排服務和應用(包括基于CPS 的軟件)提供靈活性;

　　② 按照APP 商店模式分配和部署業務流程;

　　③ 整個業務過程具有綜合的、安全可靠的后備;

　　④ 由傳感器到用戶接口的每個環節都能做到功能安全、信息安全和高度可靠;

　　⑤ 支持移動終端設備;

　　⑥ 支持業務網絡上的協同制造、服務以及分析和預測過程。

　　為了實現Industry 4. 0,德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部聯手,投入高達5 億歐元支持該計劃,由德國人工智能研究中心(DFKI)牽頭,西門子公司、菲尼克斯電氣公司以及SAP 公司等23 家工業自動化企業參加,組成了“智能工廠創新聯盟”。該聯盟的目標是研發、演示、應用和分享創新的智能工廠技術,提出融合規劃、工程和生產工藝以及相關機電系統的全面解決方案,為智能工廠技術應用于工業生產創造條件。

4 領導制造業市場和領導裝備制造業供應商的雙戰略

　　為了確保德國在制造業市場和裝備制造業供應商兩個方面的領導地位,Industry 4. 0 采用在制造業布局CPS 以及加速CPS 技術和產品市場化雙戰略。

　　Industry 4. 0 在戰略層面能夠創建水平價值網絡,在業務流程層面(包括工程)提供跨越整個價值鏈的端到端集成,同時能夠實現垂直集成和網絡化制造系統,具體化為以下三方面特征。

　　(1) 水平集成:為了構建和成功地擴展兩個主導的市場,位于不同地方的業務部門構成閉合的全局網絡是十分必要的,同時不同的企業之間必須開展緊密合作,這就需要不同的價值創建階段和產品生命周期及其相應的制造系統的邏輯的、端到端的數字集成。在生產、自動化工程和工廠領域,水平集成是指用于制造和業務規劃流程不同階段的各種工廠系統的集成,其中包括在公司內部和幾個不同公司之間的集成。該集成的目標是提供端到端的解決方案。

　　(2) 端到端系統工程:跨越整個價值鏈的端到端系統工程包括產品設計和開發、生產規劃、生產工程、生產實施以及服務五個階段。

　　五個階段的具體任務如下。

　　① 產品設計和開發:使用PLM 軟件虛擬開發、規劃和最佳化,用虛擬原型有效縮短開發時間,對原型進行虛擬分析。

　　② 生產規劃:工業軟件和自動化技術集成,用工業軟件仿真生產規劃并進行最佳化,縮短上市時間。

　　③ 生產工程:在獨立系統之間無縫通信,對所有的自動化任務進行統一的訪問,建立統一的信息平臺。

　　④ 生產實施:采用節能和節約資源的部件及其解決方案提高生產效率,通過MES 系統獲得最佳生產性能,采用自動化和驅動集成解決方案。

　　⑤ 服務:在垂直市場和生產過程知識專利基礎上,建立與產品、系統以及應用有關的全生命周期服務,遠程診斷與維護能源管理服務,自動化系統功能安全和信息安全評估與測試等。

　　端到端系統工程需要采用跨越不同技術學科的性能整體性系統工程方法。貫穿工程流程的端到端數字集成,橫跨不同的公司和整個產品價值鏈,同時考慮用戶需求,將數字世界和真實世界進行集成。端到端數字系統工程和由此產生的價值鏈最優化,將意味著用戶不再選擇由制造商指定的預先定義了性能范圍的產品,取而代之的是將單個功能和部件配合,以滿足指定的要求。

　　通過CPS 實現的基于模型的開發,允許采用一種端到端、模型化的數字方法,它包括從用戶需求到產品結構,直至最終產品生產。這就使得在一個端到端系統工程工具鏈中就能識別和描述所有的依賴關系。基于同一模型能夠平行地開發制造系統,這就意味著它與產品的開發始終保持并駕齊驅,其結果是使得制造單批量產品亦能獲利成為可能。

　　(3) 垂直集成和網絡制造系統:垂直集成是指為了能夠實現端到端的解決方案,在不同層級(例如執行器和傳感器、控制、生產、管理、制造和執行以及公司規劃級)的各種工廠系統的集成。垂直集成的基礎架構就在一個具體的工廠內。在將來的智能工廠中,制造流程的結構將不再是固定的和預先定義的。取而代之,將定義一套IT 配置規則。該規則依據模型、數據、通信和算法,能夠依據各種情況,針對每個處境構建一個特定的結構(拓撲),從而實現制造系統的自組織和重新配置性。為了實現垂直集成,需要確保執行器和傳感器信號能夠跨越不同層級,一直傳送到ERP 級。

5 智能工廠的體系架構

　　由于CPS 信息物理融合系統進入制造和物流的技術集成,以及在工業流程中使用物聯網及其服務,從而產生了創新的工廠系統———智能工廠。完全不同于傳統的工廠自動化系統,智能工廠采用面向服務的體系架構。

　   對應于傳統自動化系統的現場級,使用物聯網技術;對應于控制級,采用CPPS 信息物理融合生產系統;對應的監控管理級連接到安全可靠和可信的云網絡主干網,采用服務互聯網提供的服務。

　　各部分的功能簡述如下。

　　① 基于嵌入式Internet 技術、無線自組織的機器對機器通信(machine-to-machine,M2M):M2M 通信是基于特定終端行業,以公共無線網絡為接入手段,為客戶提供機器到機器的通信解決方案,滿足客戶對生產過程監控、指揮調度、遠程數據采集和測量以及遠程診斷等方面的信息化需求。M2M 不是簡單的數據在機器和機器之間的傳輸,它是機器之間的一種智能化、交互式通信,即使人們沒有實時發送信號,機器也會根據既定程序主動進行通信,并根據所得到的數據智能化地做出選擇,對相關設備發出正確的指令。工業控制需要實現智能化、遠程化和實時化。隨著無線寬帶的突破,具有高數據傳輸速率、低占空比、IP 網絡支持以及泛在移動性的M2M 通信能夠提供更佳的承載基礎。

　　② CPPS 信息物理融合生產系統:由于工業控制的可靠性要求非常高,所以生產流程控制采用靠近工廠機器設備的CPPS 系統。按照Edward A. Lee 教授的定義:“CPS 是計算過程和物理過程的集成系統,利用嵌入式計算機和網絡對物理過程進行監測和控制,并通過反饋環實現計算過程和物理過程的相互影響”。CPPS 系統是一種網絡型嵌入式系統,它將打破在PC 機時代建立的傳統自動化系統的體系架構,從而全面實現分布式智能。

　　③ 安全可靠和可信的云網絡:智能工廠的IT 設施建立在云計算網絡基礎上,云計算的本質是一種基于互聯網的服務模式,它類似于遠程數據中心。控制室可以理解為私有云,考慮到控制的可靠性要求非常高,為CPPS 信息物理融合生產系統提供服務的APPs平臺建立在工廠企業的私有云上。但是一些營運和生產管理,例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP 以及MES 的一些功能可以通過云計算網絡提供服務,從而可以降低創建和優化基礎架構的成本;提升生產管理的智能化水平、高效的跨地域協同以及提高快速響應市場需求的能力等。

　　④ 基于CPS 的高級工廠輔助系統:智能工廠創新聯盟十分重視將各種無線技術、平板電腦、智能手機以及室內精確定位等很多IT 領域成熟的最新技術創新地引入新一代工廠系統,形成高級工廠輔助系統。2012 年4 月,谷歌公司發布了“谷歌眼鏡” 新產品。這是一款可穿戴移動終端產品。“谷歌眼鏡”采用了“擴增實境”技術又稱增強現實技術,在“實境”現實基礎上,將圖像、聲音和其他感官增強功能實時添加到真實世界的環境中,以虛擬現實將它擴增,把真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間,可以使用戶充分感知和操控虛擬的立體圖像。為此,智能工廠創新聯盟專門成立了項目組,經過研究試驗,打算將該技術用于工業維護系統,通過頭盔式顯示器將多種輔助信息顯示給用戶,包括虛擬儀表的面板、被維修設備的內部結構以及被維修設備零件圖等,從而大大提高維護效率。利用這些高級工廠輔助系統,還可以支持、幫助和培訓新一代工作人員。

6 結束語

　　當前,我國裝備制造業與世界先進水平相比存在較大差距,產業的效率和效益較低,單位產值的能耗居高不下,人均水平差距巨大,創新能力薄弱。長期以來,高投入、高消耗、高污染的生產模式已無法延續。為了提升競爭力,保持可持續發展,實現從“中國制造”向“中國創造”轉型升級,就必須采用CPS 信息物理融合系統、物聯網與服務網技術,向智能、綠色和高效的智能工廠轉型升級。新一代智能工廠系統要求傳統的工業自動化技術必須向新一代信息與通信技術開放。自動化技術應該轉換它的研究聚焦點,從在各個獨立的學科(如分散系統或通信)開展漸近的局部改善性研究,走向整體系統功能的再工程化研究。我們應該借鑒德國提出的新工業革命理念、目標和制定的路線圖,打破傳統理念,堅持進行持續的技術轉型,重視將工業互聯網領域成熟的最新技術引入裝備制造業領域,勇于創新,加快我國裝備制造業轉型升級。