工業(yè)40：智能工業(yè)

1、工業(yè) 4.0 ：智能工業(yè)德國期望成為基于互聯(lián)網(wǎng)的高端工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的主導(dǎo)市場(chǎng)， 并將其 作為?高科技戰(zhàn)略 2021?的一局部。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的代 表性工程，也就 是被稱為工業(yè) 4.0 的智能工業(yè)工程，它將引領(lǐng) 工業(yè)領(lǐng)域，開創(chuàng)分散型生 產(chǎn)的新時(shí)代。智能工業(yè)或者工業(yè) 4.0 ，是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系 統(tǒng) CPS 開展的技術(shù)進(jìn)化。作為未來第四次工業(yè)革命的代表， 工業(yè) 4.0 不斷向?qū)?現(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及效勞等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和效勞互 聯(lián)網(wǎng)的方向開展。同時(shí)，分散型智能利用代表了生產(chǎn)制造過程的虛擬世界與現(xiàn) 實(shí)世界 之間的交互關(guān)系，在構(gòu)建智能物體網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。工業(yè) 4.0 表達(dá)了生

2、產(chǎn)模式從集中型到分散型的范式轉(zhuǎn)變， 正是因 為有了讓傳統(tǒng)生產(chǎn)過程理論發(fā)生顛覆的技術(shù)進(jìn)步， 這一切 才成為可能。 未來，工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械不再只是“加工產(chǎn)品，取而 代之的是，產(chǎn)品通過 通信向機(jī)械傳達(dá)如何采取正確操作。工業(yè) 4.0 通過將嵌入式系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)與智能生產(chǎn)過程相結(jié) 合，將 給工業(yè)領(lǐng)域、生產(chǎn)價(jià)值鏈、業(yè)務(wù)模式帶來根本性變革如 智能工廠， 從而開創(chuàng)一條通往新技術(shù)時(shí)代的道路。1 工業(yè) 4.0 進(jìn)化過程1.1 工業(yè)革命 1.018 世紀(jì)末期始于英國的第一次工業(yè)革命，19 世紀(jì)中葉結(jié)束這次工業(yè)革命的結(jié)果是機(jī)械生產(chǎn)代替了手工勞動(dòng)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)從以 農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為根底轉(zhuǎn)型到了以工業(yè)及機(jī)械制造帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)開展的 模式。

3、1.2 工業(yè)革命 2.0第二次工業(yè)領(lǐng)域大變革發(fā)生在 20 世紀(jì)初期，批量工業(yè)生產(chǎn) 開始的 階段。 通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功別離， 開創(chuàng)了產(chǎn) 品批量生產(chǎn) 的新模式。 20 世紀(jì) 70 年代以后，隨著電子工程和信 息技術(shù)充實(shí)到工 業(yè)過程之中，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的最優(yōu)化和自動(dòng)化。1.3 工業(yè)革命 3.0 第三次工業(yè)革命始于第二次工業(yè)革命過程中發(fā)生 的生產(chǎn)過 程高度自動(dòng)化。自此，機(jī)械能夠逐步替代人類作業(yè)。1.4 工業(yè)革命 4.0未來 10 年，第四次工業(yè)革命將步入分散化生產(chǎn)的新時(shí)代。 工業(yè) 4.0 通過決定生產(chǎn)制造過程等的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 07 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管 理。2 CPSCPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實(shí)世界，使

4、智能物體通信以及相互作用，創(chuàng)造一個(gè)真正的網(wǎng)絡(luò)世界。CPS 表達(dá)了當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的進(jìn)一步進(jìn)化。 與互聯(lián)網(wǎng)或者網(wǎng) 上可 搜集的數(shù)據(jù)、效勞一起，嵌入式系統(tǒng)也是構(gòu)成CPS的要素之 一。CPS可提供構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的根底局部，并且與效勞互聯(lián)網(wǎng)一體 化，實(shí) 現(xiàn)工業(yè) 4.0 。這些技術(shù)被稱為實(shí)現(xiàn)技術(shù)，培育更加廣泛的 基于創(chuàng)新型應(yīng) 用或過程的新現(xiàn)實(shí)空間， 淡化現(xiàn)實(shí)世界與虛擬空間 的界限。實(shí)現(xiàn)技術(shù)就 像互聯(lián)網(wǎng)使得個(gè)人通信以及相互作用的關(guān)系 發(fā)生變革一樣， 將給我們與 物理現(xiàn)實(shí)世界之間的相互作用關(guān)系帶 來根本性變化。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的基于高性能軟件的嵌入式系統(tǒng)與融合在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中的專業(yè) 用戶接口之間，發(fā)生的相互作用， 將誕生全

5、新的系統(tǒng)功能性世界 例子， 智能 囊括許多應(yīng)用和效勞， 已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 出設(shè)備本身通話功 能。由于全新的劃時(shí)代應(yīng)用和效勞的提供商將不斷涌現(xiàn)， 漸漸形 成新 價(jià)值鏈，所以，CPS也將對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)與市場(chǎng)模式帶來范式轉(zhuǎn)變。汽車工業(yè)、能源經(jīng)濟(jì)，還有包括諸如工業(yè) 4.0 的生產(chǎn)技術(shù) 的各個(gè)工業(yè)部門，將同步 因這些新價(jià)值鏈發(fā)生巨變。未來，CPS將以以往人類無法想象的形式，對(duì)人類平安、效率、生活舒適度、提升健康水平等做出奉獻(xiàn)。同時(shí)，CPS也將對(duì)解決人口結(jié)構(gòu)變化、 自然資源缺乏、 可持續(xù)開展以及能源結(jié)構(gòu)變 化等 帶來的問題，發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。3德國2021年主要CPS市場(chǎng)德國將推進(jìn)工業(yè) 4.0 工程作為國家戰(zhàn)略的一

6、個(gè)重要環(huán)節(jié)，就是在2021年讓德國成為CPS的主要市場(chǎng)。與其他大多數(shù)工業(yè) 興旺國家 完全不同的是， 在推進(jìn)工業(yè)進(jìn)程的同時(shí)， 德國一直維持 穩(wěn)定的制造業(yè) 勞動(dòng)力。要聯(lián)通現(xiàn)實(shí)世界與虛擬空間， 從生產(chǎn)設(shè)備、 工業(yè)產(chǎn)品到內(nèi)置 存儲(chǔ) 裝置、通信功能、播送傳感器、 智能軟件系統(tǒng)的日常用品等， 所有物品 都要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。現(xiàn)實(shí)世界與虛擬空間的界限越來越模糊， 物聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā) 展。德國興旺的嵌入式系統(tǒng)、CPS的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將為德國工業(yè)引領(lǐng)第四次工業(yè) 革命 工業(yè) 4.0 提供極好的機(jī)遇。4 CPSi進(jìn)程 德國是嵌入式系統(tǒng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等CPS相關(guān)領(lǐng)域的全球市 場(chǎng)領(lǐng)袖德國教育與研究部BMBF委托德國科學(xué)技術(shù)工程院牽

7、 頭的CPS進(jìn)程工程 的目的是，確立綜合的 CPS研究議程，提升工 業(yè)技術(shù)的國家競(jìng)爭(zhēng)力， 鞏 固德國作為主要市場(chǎng)及提供商的全球地 位，在此根底上實(shí)現(xiàn)德國技術(shù)革 命。圖1所示給出了 CPS各層的 理想模式。5 CPS 2025 未來CPS應(yīng)對(duì)社會(huì)面臨的主要問題的同時(shí)，對(duì)涵蓋自動(dòng)化、生產(chǎn)技術(shù)、汽車、機(jī)械工程、能源、運(yùn)輸以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等眾多工業(yè)部 門、應(yīng)用領(lǐng)域， 具有非常重要的意義。因 CPS而實(shí)現(xiàn)的許多應(yīng)用，將產(chǎn)生新附加價(jià)值鏈 和業(yè)務(wù)模式。CPS不僅可以降低實(shí)際本錢，提高能源、時(shí)間等的效率，還能降低 co2 非放水平，在保護(hù)環(huán)境 上發(fā)揮 重大作用。僅從制造業(yè)來看，CPS就可帶來驚人的效率提升。CPS

8、實(shí)時(shí)地統(tǒng)籌處理制造、工業(yè)鏈以及各個(gè)顧客的要求，實(shí)現(xiàn)智能工廠。圖2所示是CPS效勞互聯(lián)網(wǎng)的模式圖。6 智能工廠：自動(dòng)化制造業(yè)的未來CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實(shí)世界，技術(shù)過程與業(yè)務(wù)過程也因此得到融合， 從而開創(chuàng)新工業(yè)時(shí)代。 最能夠準(zhǔn)確表達(dá)新工業(yè) 時(shí)代的就是 工業(yè) 4.0 工程倡導(dǎo)的智能工廠概念，智能工廠是通 過在生產(chǎn)系統(tǒng)中配備 CPS來實(shí)現(xiàn)的。相對(duì)于傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)，智能 工廠的產(chǎn)品、資源及處理過程 因CPS的存在，將具有非常高水平 的實(shí)時(shí)性，同時(shí)在資源、本錢節(jié)約中 也頗具優(yōu)勢(shì)。智能工廠按照重視可持續(xù)性的效勞中心的業(yè)務(wù)來設(shè)計(jì)，因 此，服從 性、靈活性、自適應(yīng)以及學(xué)習(xí)等特征、容錯(cuò)能力，甚至 風(fēng)險(xiǎn)管理都是其 中不可或缺的要素。智能工廠的裝備將實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)化， 主要是由基于自動(dòng)觀察 生產(chǎn) 過程的CPS的生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。通過可實(shí)時(shí)應(yīng) 對(duì)的靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的徹底優(yōu)化。同時(shí)，生 產(chǎn)優(yōu)勢(shì)不僅僅是在 特定生產(chǎn)條件下一次性表達(dá)， 也可以實(shí)現(xiàn)多家 工廠、多個(gè)生產(chǎn)單元所形 成的世界級(jí)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。這就意味著，創(chuàng)新技術(shù)、本錢與時(shí)間的節(jié)約，擁有培育新市 場(chǎng)時(shí)機(jī) 的網(wǎng)絡(luò)容量的“自下而上型生產(chǎn)模式中的革命