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從德國工業(yè) 4.0看未來智能制造業(yè)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-04-17
核心提示:2009到2012年歐洲深陷債務(wù)危機(jī),德國經(jīng)濟(jì)卻一枝獨(dú)秀,依然堅(jiān)挺。德國經(jīng)濟(jì)增長的動(dòng)力來自其基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)——制造業(yè)所維持的國際競爭力。對(duì)于德國而言,制造業(yè)是傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)增長動(dòng)力,制造業(yè)的發(fā)展是德國工業(yè)增長的不可或缺因素,基于這一共識(shí),德國政府傾力推動(dòng)進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新,其關(guān)鍵詞是“工業(yè)4.0”。

2009到2012年歐洲深陷債務(wù)危機(jī),德國經(jīng)濟(jì)卻一枝獨(dú)秀,依然堅(jiān)挺。德國經(jīng)濟(jì)增長的動(dòng)力來自其基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)——制造業(yè)所維持的國際競爭力。對(duì)于德國而言,制造業(yè)是傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)增長動(dòng)力,制造業(yè)的發(fā)展是德國工業(yè)增長的不可或缺因素,基于這一共識(shí),德國政府傾力推動(dòng)進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新,其關(guān)鍵詞是“工業(yè)4.0”。

德國2010年公布的《高科技戰(zhàn)略2020》中,提出了一系列促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新政策。為使該戰(zhàn)略得到具體落實(shí),2012年德國政府公布題為《十大未來項(xiàng)目》的跨政府部門的聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃,并決定在2012~2015年間向十大項(xiàng)目資助84 億歐元。被稱為“工業(yè)4.0”的未來項(xiàng)目,與能源供給結(jié)構(gòu)改革、可持續(xù)發(fā)展等項(xiàng)目同步公布。“工業(yè)4.0”未來項(xiàng)目,主要是通過深度應(yīng)用ICT(信息通信技術(shù)),總體掌控從消費(fèi)需求到生產(chǎn)制造的所有過程,由此實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)管理。

工業(yè) 4.0進(jìn)化過程

工業(yè)革命1.0:18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)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到了以工業(yè)以及機(jī)械制造帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式。

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,形成生產(chǎn)線生產(chǎn)的階段。通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離,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。

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)。

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),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理。

信息物理融合系統(tǒng)(CPS)

通過通信網(wǎng)絡(luò),將工廠內(nèi)所有設(shè)備互聯(lián)的“智能工廠”就是其中最好的一個(gè)體現(xiàn)。德國制造業(yè)中的所有行業(yè)正在實(shí)施該項(xiàng)目有關(guān)的研究,并計(jì)劃為此投入2 億歐元。智能工廠或者“工業(yè) 4.0”,是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系統(tǒng)(CPS)發(fā)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)崿F(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務(wù)等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng) (物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng))的方向發(fā)展。

工業(yè) 4.0體現(xiàn)了生產(chǎn)模式從“集中型”到“分散型”的范式轉(zhuǎn)變,正是因?yàn)橛辛俗寕鹘y(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。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。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。

CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實(shí)世界,使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 體現(xiàn)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)、服務(wù)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)的基礎(chǔ)部分,并且與“服務(wù)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。

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,將誕生全新的系統(tǒng)功能性世界。舉一個(gè)簡單的例子,智能手機(jī)囊括許多應(yīng)用和服務(wù),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)用和服務(wù)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。

未來智能制造業(yè)

在未來的智能制造業(yè)中,CPS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,帶有非常重要的意義。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)際成本,提高能源、時(shí)間等的效率,還能降低CO2排放水平,在保護(hù)環(huán)境上發(fā)揮重大作用。

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、成本節(jié)約中也頗具優(yōu)勢。智能工廠將按照重視可持續(xù)性的服務(wù)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。智能工廠的設(shè)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)工程的徹底優(yōu)化。同時(shí),生產(chǎn)優(yōu)勢不僅僅是在特定生產(chǎn)條件下一次性體現(xiàn),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。

相對(duì)于傳統(tǒng)制造工業(yè),以智能工廠為代表的未來智能制造業(yè)是一種理想的生產(chǎn)系統(tǒng),能夠智能編輯產(chǎn)品特性、成本、物流管理、安全、信賴性、時(shí)間以及可持續(xù)性等要素,從而為各個(gè)顧客進(jìn)行最優(yōu)化的產(chǎn)品制造。這也意味著,創(chuàng)新技術(shù)、成本與時(shí)間的節(jié)約,擁有培育新市場機(jī)會(huì)的網(wǎng)絡(luò)容量的“自下而上”型生產(chǎn)模式中的革命。(作者王喜文系工業(yè)和信息化部國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心電子商務(wù)研究所所長) 
 

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