工業(yè)4.0：智慧工業(yè)的信息化改造

1、工業(yè)4.0時(shí)代，智慧工業(yè)的信息化改造動(dòng)態(tài)資訊2014年12月22日，全國工業(yè)和信息化工作會(huì)議在京召開。會(huì)議指出，智能制造將成為兩化融合 的主攻方向，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)IT(Industry Technology & Information Technology)融合和倍增發(fā)展，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和自主可控的軟硬件產(chǎn)品為重要支撐，力口 快生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。預(yù)計(jì) 2015年地方將密集出臺(tái)一批智慧工業(yè)、兩化融 合等相關(guān)配套方案，全國將掀起智能制造應(yīng)用推廣的熱潮。主題解析工業(yè)4.0時(shí)代到來十八世紀(jì)末期以來，前三次工業(yè)革命的發(fā)生徹底改變了人類的生產(chǎn)生活方式，它們 分別源于機(jī)械化技術(shù)、電力技術(shù)和信息技術(shù)

2、。如今，將物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)引入制造業(yè)正迎來 第四次工業(yè)革命。”工業(yè)4.0”概念是在2011年德國漢諾威工博會(huì)被首次提出，2014 年11月10日，中德雙方發(fā)表中德合作行動(dòng)綱要：共塑創(chuàng)新，宣布兩國開展“工業(yè) 4.0”合作。兩國政府將為雙方提供更為有利的框架條件和政策支持，中德合作無疑將 為“中國版工業(yè)4.0”注入外部動(dòng)力。工業(yè)4.0的兩大主題是智慧工廠與智能制造，工業(yè)4.0的核心內(nèi)容是依靠CPS (信息物理系統(tǒng))而構(gòu)建的一張智慧工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，打通所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)壁壘，即是運(yùn) 用大量物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、基于大量數(shù)據(jù)、模型及算法結(jié)合而成的產(chǎn)物。以新一代信息技 術(shù)為核心的信息化技術(shù)應(yīng)用，不斷推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)生

3、產(chǎn)方式的變革，使柔性制造、網(wǎng)絡(luò) 制造、綠色制造、智能制造成為新的發(fā)展方向。信息技術(shù)正在向制造業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)滲透， 創(chuàng)造了新的服務(wù)、生產(chǎn)體系和發(fā)展模式。主題觀點(diǎn)工業(yè)4.0時(shí)代，智慧工業(yè)的信息化改造中國已成為世界制造大國，在全球制造業(yè)占比約20%,與美國相當(dāng)。從全球制造業(yè)發(fā)展形勢(shì)來看，歐美發(fā)達(dá)國家在技術(shù)上始終處于領(lǐng)先， 搶占制造業(yè)高端市場。而印度、印尼等發(fā)展中國家正以更低的勞動(dòng)力成本承接全球的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)， 占據(jù)了制造業(yè)的中低端部分的市場份額。我國低成本競爭優(yōu)勢(shì)明顯削弱，注重?cái)?shù)量擴(kuò)張的傳統(tǒng)發(fā)展模式已不可持續(xù)，并且同時(shí)存在著工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性短缺問題，自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，在高端裝備、 核心芯片等方面仍需要大

4、量進(jìn)口， 傳統(tǒng)制造業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)， 創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的迫切需求。一、工業(yè) 4.0發(fā)展新趨勢(shì)1、服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型態(tài)勢(shì)明顯傳統(tǒng)制造業(yè)是以產(chǎn)品為企業(yè)核心，屬于生產(chǎn)型制造業(yè)，而現(xiàn)在制造業(yè)正逐漸向服務(wù)型制造業(yè)轉(zhuǎn)變，以生產(chǎn) +服務(wù)或者以服務(wù)為企業(yè)核心。中國為世界輸出了大量的工業(yè)產(chǎn)品，面對(duì)激烈的全球競爭格局，產(chǎn)品只能成為解決問題的一種手段，并且處于價(jià)值鏈低端。越來越多的傳統(tǒng)設(shè)備制造商向行業(yè)服務(wù)集成商轉(zhuǎn)變，基于原有的產(chǎn)品基礎(chǔ)，提供更具價(jià)值的智能服務(wù)，從而增加產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值。IBM 作為百年 IT 企業(yè)， 可謂是轉(zhuǎn)型為服務(wù)型制造商中最成功的案例， 早在 1993 時(shí)，IBM 就面臨了業(yè)績下滑、 連年虧損、 互聯(lián)網(wǎng)泡沫等一系列

5、危機(jī)， IBM 通過實(shí)現(xiàn)二次重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變， 提出電子商務(wù)戰(zhàn)略理念， 將自己定位為綜合服務(wù)提供商， 創(chuàng)造了 “隨需應(yīng)變”的新服務(wù)模式，從容應(yīng)對(duì)企業(yè)危機(jī)，并在2008 年前瞻性的提出“智慧星球”概念，引領(lǐng)科技進(jìn)步。2、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)開始萌芽工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智能制造的必備基礎(chǔ)，它的概念就是把機(jī)器聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)來自安裝在機(jī)器上的傳感器，傳送到云端進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與決策，從而為企業(yè)服務(wù)。過去互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)是由人產(chǎn)生，而物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)是由傳感器產(chǎn)生，物聯(lián)網(wǎng)的普及推廣很重要的因素是降低人的成本，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更是信息技術(shù)與運(yùn)營管理技術(shù)的結(jié)合。我們現(xiàn)在面臨的人力成本越來越高，而未來更低成本的傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備以及更先進(jìn)

6、的分析工具將推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及。 未來許多東西將被重新定義， 數(shù)據(jù)在云端， 服務(wù)是可云的，工人也是可云的。二、智慧工業(yè)信息化改造領(lǐng)域分類智慧工業(yè)中對(duì)于現(xiàn)代信息技術(shù)的運(yùn)用十分廣泛。以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、高端軟件為代表的新一代信息技術(shù)的應(yīng)用，通過云端平臺(tái)的打造，將人與人之間、物與物之間、應(yīng)用系統(tǒng)之間、供應(yīng)鏈之間進(jìn)行互通聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備、環(huán)境、數(shù)據(jù)的互動(dòng)。使得在生產(chǎn)制造過程中獲取數(shù)據(jù)更便捷，數(shù)據(jù)處理更加快速，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)系統(tǒng)、企業(yè)管理系統(tǒng)、對(duì)外服務(wù)系統(tǒng)的智能分析與決策優(yōu)化。我們按照工業(yè)生產(chǎn)流程中的全智能化應(yīng)用， 將智慧工業(yè)的信息化改造領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)分類，共分為五大類。1、智能化物資管理智能化物資管理是通

7、過信息化管理技術(shù)，建立科學(xué)有效的信息化網(wǎng)絡(luò)，在物資管理的采購、驗(yàn)收、入庫、運(yùn)輸以及調(diào)度管理環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)高效、智能管理，達(dá)到“全面感知、自動(dòng)控制、 優(yōu)化決策、 預(yù)測分析” 效果。 具體表現(xiàn)在過程管理流程化、 全程管理信息化、事件管理精準(zhǔn)化、實(shí)物管理電子化、身份管理關(guān)系化。智能化物資管理主要服務(wù)于大宗物資領(lǐng)域， 包括原油、 有色金屬、 農(nóng)產(chǎn)品、 鐵礦石、煤炭行業(yè)等。大致分為能源商品、基礎(chǔ)原材料和農(nóng)副產(chǎn)品三大類別。由于面向的領(lǐng)域相對(duì)較窄， 且這些大宗物資企業(yè)的內(nèi)部管理專用系統(tǒng)已經(jīng)包括物資管理， 市場需求非常小，目前也并沒有相關(guān)的政策導(dǎo)向優(yōu)勢(shì)，未來在智慧工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域中屬于較為冷門的領(lǐng)域。2、工業(yè)安全管理

8、智慧工業(yè)應(yīng)用中的工業(yè)安全管理主要是針對(duì)高危行業(yè)作業(yè)生產(chǎn)工程所進(jìn)行的氣體檢測、環(huán)境安全監(jiān)控、安全運(yùn)輸?shù)人峁┑募煞?wù)。智慧工業(yè)中的工業(yè)安全管理主要包括以下幾個(gè)方面：開采過程監(jiān)測系統(tǒng)： 主要包括礦山綜合防塵、地質(zhì)監(jiān)控、防火、防治水、危險(xiǎn)氣體檢測、安全環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)、作業(yè)場景信息采集與集成、作業(yè)人員精確定位及事故應(yīng)急處理系統(tǒng)等。生產(chǎn)過程監(jiān)測系統(tǒng)： 重點(diǎn)包括車間、庫房、 倉庫等廠房在溫度、濕度、 氣體、壓力、雷電、水、火等環(huán)境指標(biāo)方面的監(jiān)測控制設(shè)備。運(yùn)輸過程監(jiān)測系統(tǒng) ：主要包括用于易燃易爆品、氣體管道運(yùn)輸安全監(jiān)測、運(yùn)輸工具安全狀況檢測等一系列監(jiān)控系統(tǒng)與設(shè)備。智能工業(yè)安全管理中涉及大量的專業(yè)檢測技術(shù)、信

9、息采集技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控技術(shù)、精準(zhǔn)定位技術(shù)及現(xiàn)代通訊技術(shù)。2012 年中央政府在 企業(yè)安全生產(chǎn)費(fèi)用提取和使用管理辦法 中將高危行業(yè)定位煤炭生產(chǎn)、 非煤礦山開采、 建設(shè)工程施工、 危險(xiǎn)品生產(chǎn)與儲(chǔ)存、 交通運(yùn)輸、 煙花爆竹生產(chǎn)、冶金、機(jī)械制造、武器裝備研制生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)，共九大類別。我國目前在工業(yè)安全管理發(fā)展上主要集中在礦山開采應(yīng)用上，在非煤礦山安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃中要求1 萬座礦山建立安全避險(xiǎn)等六大系統(tǒng)，總體市場需求在100億元左右。從市場化程度來看，環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)合格企業(yè)有10 家，因?yàn)槭鼙娒孑^小，為工業(yè)企業(yè)提供安全生產(chǎn)成套解決方案的企業(yè)并不多，集中在幾家龍頭企業(yè)。整體來看，我國的智慧工

10、業(yè)應(yīng)用在工業(yè)安全管理尚處于起步發(fā)展階段，市場需求較小，但隨著高新技術(shù)的不斷提升與未來自動(dòng)化作業(yè)的趨勢(shì)，未來市場需求有望進(jìn)一步擴(kuò)大。3、智能化生產(chǎn)線智能化生產(chǎn)線是制造自動(dòng)化的提升， 在柔性化、 智能化與高度集成化上有顯著提高。智能化生產(chǎn)線是一種由人工智能技術(shù)、 機(jī)器人技術(shù)和數(shù)字化制造技術(shù)等相結(jié)合的智能制造技術(shù)，人機(jī)一體化智能系統(tǒng)的運(yùn)用在制造過程中能夠?qū)崿F(xiàn)感知、分析、推理、決策和控制等智能活動(dòng)。3D打印技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線、先進(jìn)工業(yè)嵌入式軟件、虛擬實(shí)現(xiàn)等技術(shù)正在引領(lǐng)新一輪的制造業(yè)變革。智能化生產(chǎn)線牽涉技術(shù)復(fù)雜而廣泛，主要核心技術(shù)包括以下：機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS技術(shù)、高端新型傳

11、感技術(shù)、鑲?cè)胧较到y(tǒng)集成技術(shù)、微內(nèi)核操作系統(tǒng)技術(shù)、組態(tài)語言和人機(jī)界面技術(shù)等。在汽車、工程機(jī)械制造、建材、農(nóng)業(yè)器械、冶金等行業(yè)使用最為廣泛。隨著中德工業(yè)4.0 合作綱要的簽訂，我國也正在著手編制中國制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃( 2015-2025) ， 智能化生產(chǎn)線未來成為智慧工業(yè)應(yīng)用中的核心領(lǐng)域。 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2010 年我國智能化生產(chǎn)線市場需求量共計(jì)165.23 億元，“十二五”期間，市場需求平均增長率將在20%以上。預(yù)計(jì)到2015 年，智能化生產(chǎn)線市場規(guī)模約為 410 億元， 2020年達(dá)到1000億元規(guī)模，其中汽車、工程機(jī)械行業(yè)對(duì)智能生產(chǎn)線的需求量約占總規(guī)模的40%。4、質(zhì)量管理控制質(zhì)量管理控制的智能化

12、包括在產(chǎn)品的采購、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)過程中實(shí)行全程信息追溯與質(zhì)量檢測。 智能化的質(zhì)量安全管理系統(tǒng)又包含了六大子系統(tǒng)， 從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，解決生產(chǎn)經(jīng)營中的質(zhì)量管理問題。圖 2：質(zhì)量安全管理系統(tǒng)構(gòu)成示意圖智能化質(zhì)量控制管理是基于云計(jì)算基礎(chǔ)的信息化集成服務(wù)， 輔助RFID、 條碼等數(shù)據(jù)采集技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)以及專業(yè)領(lǐng)域的質(zhì)量檢測技術(shù)的綜合應(yīng)用。在醫(yī)藥、食品、農(nóng)產(chǎn)品直接關(guān)系公眾生命健康領(lǐng)域得到迅速推廣，這些領(lǐng)域受到政府嚴(yán)格監(jiān)管，應(yīng)用最為廣泛。以全國肉類蔬菜流通追溯體系建設(shè)為例，全國已進(jìn)行了3批試點(diǎn)共35個(gè)城市的試點(diǎn)工作，目標(biāo)覆蓋所有百萬人口以上城市。由此可見，我國的 產(chǎn)品追溯系統(tǒng)進(jìn)入

13、全面建設(shè)期，政府購買將成為未來的主要市場力量。5、節(jié)能減排工業(yè)化進(jìn)程中的資源約束與環(huán)境破壞問題日益凸顯，如何在較低的資源消耗水平中做出最大的產(chǎn)值貢獻(xiàn)，同時(shí)減少污染物的排放是每個(gè)企業(yè)關(guān)心的問題。在我國“十一五” 規(guī)劃綱要中，首次對(duì)節(jié)能減排提出具體要與指標(biāo)。 依據(jù)2010年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng) 計(jì)報(bào)告，中央將化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、黑色金屬冶煉及壓 延加工業(yè)、有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、石油加工煉焦及核燃料加工業(yè)、電力熱力的生 產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)確定為高能耗行業(yè)。節(jié)能減排具體是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)能源進(jìn)行檢測、統(tǒng)計(jì)及計(jì)算，提 升能源使用效率，針對(duì)污水處理、工業(yè)固體廢物、工業(yè)廢氣

14、排放等實(shí)現(xiàn)凈化處理，實(shí)現(xiàn) 各種再生能源的高效智能分選及循環(huán)利用。 智能化的節(jié)能減排領(lǐng)域中涉及到大量的新型 傳感技術(shù)、新一代通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、識(shí)別技術(shù)基于大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)與 先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)。整體來看，工業(yè)節(jié)能減排應(yīng)用步入新發(fā)展階段，以集成化系統(tǒng)服務(wù)為主要核心，智 能化程度越來越高。隨著政府對(duì)環(huán)保領(lǐng)域重視度的提升，伴隨系列政府的出臺(tái)與扶持， 在政府、央企等多方力量的聯(lián)合推動(dòng)，在“十二五”期間工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域投資總需求達(dá)到 5900億元，將會(huì)成為智慧工業(yè)應(yīng)用的一大熱門領(lǐng)域。案例借鑒西門子智慧工業(yè)發(fā)展窺探西門子公司創(chuàng)立于1847年，集成了目前全球最先進(jìn)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以及生產(chǎn)過程軟件和硬件

15、，產(chǎn)生的專利數(shù)量達(dá)到 60000項(xiàng)。西門子是全球電氣化、自動(dòng)化、數(shù)字化 領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)。1、智慧工廠一一制造網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)化西門子位于德國的安貝格工廠有 24年歷史，占地面積10萬平方英尺是全歐洲乃至 全球最先進(jìn)的數(shù)字化工廠，工廠致力于為巴斯夫、拜耳、戴姆勒、寶馬等德國工業(yè)公司 以及它們的眾多海外競爭對(duì)手生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)器。在安貝格工廠，真實(shí)工廠與虛擬工廠同步運(yùn)行，真實(shí)工廠生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境等都會(huì)通過虛擬工廠反映出來，而人則通過虛擬工廠對(duì)真實(shí)工廠進(jìn)行把控。安貝格工廠擁有一套高度數(shù)字化的生產(chǎn)流程，生產(chǎn)的產(chǎn)品本身擁有16 億個(gè)部件，且每年的衍生產(chǎn)品制造數(shù)量超過5萬臺(tái)。根據(jù)Gartner在2010年的

16、調(diào)查顯示，安貝格工廠中每 100 萬件產(chǎn)品中的殘次品數(shù)量只有15 件，生產(chǎn)線的可靠性達(dá)到99%、可追溯性高達(dá)100%。廠內(nèi)1000 個(gè)制造單元是如何通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)的。通過網(wǎng)絡(luò)控制，廠房里的大多數(shù)設(shè)備都可以在脫離人類勞動(dòng)力的情況下對(duì)零部件進(jìn)行挑選和組裝。 為了準(zhǔn)確收集數(shù)據(jù)， 安貝格工廠超過3 億個(gè)元器件都有自己的 “身份證” 。 這些基礎(chǔ)識(shí)別信息包括：所屬生產(chǎn)線、 材質(zhì)、 規(guī)格等等。 機(jī)器會(huì)對(duì)元器件做自動(dòng)判別與操作， 適時(shí)調(diào)節(jié)生產(chǎn)參數(shù)。安貝格工廠是由德國政府、企業(yè)、大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)合力研發(fā)全自動(dòng)、基于互聯(lián)網(wǎng)的智能工廠，通過利用龐大的公共研究機(jī)構(gòu)來幫助企業(yè)進(jìn)行研究和開發(fā)工作。德國政府在對(duì)于工業(yè)4

17、.0 的支持上，并沒有通過提供補(bǔ)貼優(yōu)秀企業(yè)進(jìn)行扶持，而是提供 2 億歐元資金支持研發(fā)，為企業(yè)形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造新的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化條件，目前西門子距離工業(yè) 4.0所所描繪的場景仍有差距，西門子董事指出：西門子擁有構(gòu)建模塊的核心優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)基于互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的全自動(dòng)智能制造系統(tǒng)可能還要10 年時(shí)間才能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。2、生產(chǎn)線優(yōu)化應(yīng)用以寶馬集團(tuán)全球最先進(jìn)工廠之一的華晨寶馬鐵西工廠為例， 應(yīng)用了西門子LIS 超寬帶實(shí)時(shí)定位識(shí)別系統(tǒng)的輔助，該廠的總裝車間取消原來專門用于掃描車輛條形碼的工位。車輛每到一個(gè)工位，車型、車輛識(shí)別碼、根據(jù)車輛的不同配置，需要裝配的各種零件等信息會(huì)自動(dòng)顯示在工位前方的操作屏上，甚至?xí)詣?dòng)提供圖片及裝配輔助指令，直接引導(dǎo)工人完成相應(yīng)工作，這一流程被視作定制式生產(chǎn)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，一款汽車需要上千人設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)3 年、生產(chǎn)模具1 年、建設(shè)工廠4 年，至少需要8 年的時(shí)間。而在未來工廠，制造高度靈活，一條生產(chǎn)線能同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)車型；用戶根據(jù)個(gè)人喜好選擇的車型