【閱讀時間】工業4.0的目標和基石

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閱讀時間：本欄目從各類圖書中摘錄經典片段，提煉出精華。

工業4.0的目標

　　自從2013年漢諾威工業展上，德國向世人第一次演示了智能工廠的模擬生產過程之後，德國工業4.0就成了全球學術界、產業界和經濟界的熱議話題。

　　德國工業4.0科學諮詢委員會委員指出：工業4.0建立在去中心化和智能生產要素的基礎上，涉及信息物理系統與製造、物流技術融合，以及物聯網、大數據和服務網在工業生產過程中的應用，智能工廠是工業4.0的重點。

　　亞洲製造業協會首席執行官羅軍則表示，德國工業4.0戰略的核心還是建立在互聯網技術的基礎上，是第三次工業革命的延伸和拓展，並不具備第四次工業革命的能力。

　　無論大家對工業4.0紛爭幾何，有一點已經達成共識，那就是工業4.0的重點是創造智能產品、程序和過程，其中，智能製造已成為工業4.0的一個關鍵目標，它能夠對複雜事物進行有效管理，且不易受到干擾，還能夠更有效地製造出智能產品。這些產品「了解」製造細節，還「知道」自己將如何被使用，甚至能夠積極協助生產過程的推動，同時還能對「我是什麼時候被製造的」「哪組參數應被用於處理我」等問題作出精準回答。

智能工廠——工業4.0的精髓

　　要使智能製造成為可能，智能工廠是一個重要的載體，讓參與智能製造的人、機器和資源能自然地相互溝通和協作。

　　在智能工廠龐大的系統中，產、銷信息能夠快速溝通整合，即藉助於極大化的網路延伸，智能工廠已經打通了產、銷「任督二脈」。智能工廠是現代工廠信息化發展的新階段，是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術、設備監控技術加強信息管理和服務，清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上的人工干預、即時準確地採集生產線數據，以合理編排生產計劃與生產進度，並通過綠色智能手段和智能系統等新興技術的運用，構建一個高效節能、綠色環保、環境舒適的人性化工廠。

智能製造——未來製造業的發展新趨勢

智能產品

　　與傳統產品不同，智能產品是將感測器、處理器、存儲器、通信模塊、傳輸系統輸入產品，使得產品具備動態存儲、感知和通信的能力，進而實現產品的可追朔、可識別、可定位。

智能裝備

　　通過先進位造、信息處理、人工智慧等技術集成與融合，可以形成具有感知、分析、推理、決策、執行、自主學習及維護等自組織、自適應功能的智能生產系統以及網路化、協同化的生產設備，這些都屬於智能裝備。

智能生產

　　這是一種理想的生產系統，能夠智能地編輯產品特性、成本、物流管理、安全性、生產時間等要素，從而實現為不同客戶進行最優化的產品製造。當生產過程中的每一個環節都實現了感測無所不在、連接無所不在、數據無所不在、計算無所不在、服務無所不在的時候，就意味著生產組織方式全面變革時代的來臨。

智能管理

　　隨著企業內部所有生產、運營環節信息的縱向集成、企業之間通過價值鏈以及信息網路所實現的資源的縱向集成，以及圍繞產品全生命周期的價值鏈的端到端集成的不斷深入，企業數據的及時性、完整性、準確性將不斷提高，必然使整個生產製作過程以及產品全生命周期的管理更加精準、更加高效、更加科學。

智能服務

　　智能服務企業可以通過捕捉客戶的原始信息，在後台積累豐富的數據，然後構建需求結構模型，並進行數據挖掘和商業智能分析，除了可以分析客戶的習慣、喜好等顯性需求外，還可以進一步挖掘與時空身份、工作生活狀態關聯的隱性需求，從而主動為客戶提供精準、高效的服務。

工業4.0的硬體基礎精益生產——智能製造的基石

加工設備的設計

　　加工設備是生產線的主體硬體，加工設備的設計決定了生產線的基本形態，因此非常關鍵。在設計中需要注意以下兩方面：對於產量足夠大的產品，可以單獨建線；對於多品種、小批量的產品，可以將具有相似生產工藝的產品集中於一條生產線上，從而構成柔性生產線、可以不誇張地說，在精益思想的指導下，無論批量大小，任何產品都是口可以建立生產線的，因為精益生產線設計的本質特點就是用小批量生產模擬大批量生產。

柔性工裝和激光定位的應用

　　在生產過程中，輔助製造資源的準備屬於不增值的環節，如果能增強這個環節的自動化，對於改善生產線的價值流將大有裨益，而柔性工裝和激光定位這兩項技術的應用就能夠簡化輔助製造資源的管理，是實現無人值守加工的重要基礎。

自動化物流的應用

　　除了輔助製造資源的準備環生產過程中的不增值環節還有物流，目前的製造業已經擁有了自動化的物流系統，它通過傳送帶或自動引導車實現物流運輸的自動化。但是，若想獲得更大程度的精益效果，僅僅配置自動化物流設備是遠遠不夠的，還需要在工藝設計和管理方式上做出調整。

模擬技術的應用

　　生產線的設計方案可以通過模擬技術來進行驗證，當生產線運行過程中存在—些不確定因素時，使用模擬技術能夠幫助發現設計方案中的問題。

工業機器人——工業4.0的最佳助手

　　在工業4.0時代，機器人的智慧不僅僅體現在溝通上，它們還可以藉助海量數據提供的"經驗"，對生產中複雜的狀況做出精準判斷；它們甚至能發展出模仿、學習的能力，懂得自行組織生產，從而不斷提升生產效率。由於機器人具有生產柔性，能夠在實際生產中很好地滿足產品多樣化生產的需求，它們能夠解放枯燥重複崗位上的勞動人員；使得生產流程更加高效、快速。

　　工業智能化的發展趨勢已被諸多業內學者所肯定，未來工業生產將是安全、高效的生產模式，工業機器人作為智能化的代表，將遍布生產線、生產車間和工廠中。然而，無論智能化發展到怎樣先進的水平，人始終都是生產的第一要素，再先進的生產方式仍然需要人來掌控，所以未來智能工業時代將是人與智能機器並存的時代。

工廠標準化——工業4.0的必要條件

　　所謂標準化，是指為了實現現整個工作過程的協調運行，提高工作效率等目標，而對作業的質量、數量、時間、程序方法等制定統一規定，做出統一標準。

　　標準化是智能工廠有序運作的必要條件，試想如果某個零件的公差過大，是很難用自動化設備進行裝配的。因此在實現智能工廠的全自動生產及物流之前，標準必須先行。然而在德國工業4.0戰略中，光建立產品的標準化還遠遠不夠，德國的「野心」在於向全世界推廣「工廠的標準化」，即藉助智能工廠的標準化將製造業生產模式推廣到國際市場，以標準化提高技術創新和模式創新的市場化效率，從而繼續保持德國工業的世界領先地位。因此，工業4.0將圍繞智能工廠生態鏈上各個環節制定合作機制，確定哪些信息可被用來交換，並通過一系列標準（如成本、可用性和資源消耗）對生產流程進行優化。

工業4.0的軟體支持信息物理系統——連接虛擬空間與物理現實

　　信息物理系統是一個綜合計算、網路和和物理環境的多維複雜系統，通過3C技術，即計算（computation)、通信( Communication ) 和控制 ( control ) 的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。具體而言，信息物理系統是在環境感知的基礎上，通過計算、通信與物理系統的一體化設計，形成可控、可信、可擴展的網路化物理設備系統，通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環來實現深度融合與實時交互，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。

　　信息物理系統的本質是以人、機、物的融合為目標的計算技術，從而實現人的控制在時間、空間等方面的延伸，因此人們又將信息物理系統稱為「人-機-物」融合系統。

大數據——掌控未來的密鑰

　　對工業大數據進行分析的目的，是找出製造系統中隱藏的操作問題及未知變異，通過在實體設備中嵌入感測器，並由此獲取數據，然後對數據進行分析並據此判斷設備的變化點在哪裡，將變化點組合起來使可用於管理、備份。因此這裡所說的大數據分析其實包含了三個方面：一是資料庫的獲取和分析；二是數據的模擬優化及決策分析；三是數據的預測分析。在大數據的「光環下"，工業4.0時代所要做的產品，不光要有功能，還要有價值，而價值正是通過數據處理得來的。有了這些，工業大數據就可以落地，產生實用價值。未來工廠只有產品跟信息，產品在實端，信息在虛端，從某種程度上說，虛端比實端更有意義。雲計算可對設備健康進行監控，一個雲可以檢測到很多設備，一塊錢就可以診斷一個軸承，而不需要一個擁有25年豐富經驗的專家進行實地檢測，這樣時空就縮短了。

產品生命周期管理系統

　　在產品設計時使用產品生命周期管理軟體，可以給生產者提供三維模型，還可以在虛擬工廠分析和優化自動化設計。這樣不僅能節約原材料和資源，還可以節省大量時間成本。

　　在生產規劃的時候，同樣需要模擬。產品生命周期管理軟體可以讓你虛擬開發每個機床的生產過程，甚至還可以實現整套設備的模擬，這將創建一種全新的視角，幫助你進行創造與完善。不管是什麼樣的原樣機，如果不滿意，都可以通過虛擬方式對它進行優化。這樣一來，無需再實際製造一個原樣機。

　　德國的Index公司的生產系統，使用了西門子的模擬軟體，其所帶來的效果十分驚人：現實世界中，通常要花幾天時間才可以看到機床能否正常使用，但是在模擬情況下，可以節省機床調試的時間。使用虛擬的機床，不僅以用來幫助人員培訓、保護核心資產，還把運轉、操作的生產率提升了10％產品生命周期管理軟體可以幫助流程工業實現三維可視化，使得培訓工作更加輕鬆。使用這個軟體，就像是玩電腦遊戲，可以把工廠以三維方式呈現出來，還可以修改工廠的數字化呈現，通掃維控制觀察工廠。

工業4.0的人才保障工業4.0對人的改變

　　相比自動化生產，工業4.0對人類最大的貢獻在於，運用於智能生產中的智能輔助系統可以把工人從單調、程序化的工作中解放出來，從而使人們能夠將精力集中在創新和增值業務上。從長遠來看，靈活的工作組織形式使工人們能夠更好地整合自己的工作、生活和職業生涯發展，為工作和生活找到最佳平衡點。在未來，機器和人類會有新的分工，那時人們將行使創新與決策的權力，牢牢把握對機器的指揮、控制權，而機器則主要負責自我調節和完善。

工業4.0時代人的作用

　　人的主觀能動性將在工業4.0的發展進程中起到不可取代的作用。例如，無論是硬體的提升還是軟體的改進，其中起決定作用的始終是人；智能製造的關鍵——信息物理系統無法獨立完成產品的設計、製造和生產，必須由人事先設定好優化準則，信息物理系理系統才能按照相應的準則在生產框架內確定生產內容並完成製造檢測和評估。

　　隨著人機交互以及機器之間的對話越來越普遍，重複性的體力和腦力工作將逐漸被智能機器所替代，人在其中的角色也將由服務者、操作者轉變為規劃者、協調者、評估者、決策者。因此，在工業4.0時代，肯定不會出現絕對意義上的「無人工廠」，因為在智能機器完成生產製造的背後，必須由人承擔起諸如設計、安裝、改裝、保養以及對信息物理系統、新型網路組件維護等工作；他們同時還要對生產設備模式、框架結構、規章條款進行優化，利用信息技術使模擬程序運轉，並對替代方案進行評估——也就是說，即便擁有了「智能」，產品仍不能決定自己將如何被生產出來，而是根據決策者，即人優化化出的生產方案進行生產製造。

工業4.0時代人的培養

　　工業4.0將極大地改變工人的工作和技能，因此，有必要通過促進學習、終身學習和以工作所為基礎的持續職業發展等計劃，培養工業4.0時代的人才。當前，德國的聯邦政府和州政府設立的研究所、大學都已經參與到工業4.0的技術開發、標準制訂，以及人才培養體系等工作中，成為工業4.0戰略實施過程中的重要力量。

　　毫無疑問，在迎接工業4.0時代到來的過程中，內部學習與外部學習，一般教育與職業教育的相對效力將會是人類進一步深入研究的重要課題。

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