劉亞威 | 德國「工業4.0」之「智慧工廠」計劃（上）

《空天防務觀察》此前已先後推出15期我中心青年學者、知名製造技術研究專家劉亞威先生的獨家專欄文章（詳見本文最後的列表）。本期，劉亞威先生將為我們解讀德國「工業4.0」規劃中的「智慧工廠」計劃。因原文較長，我們將進行連載。德國政府2014年重新發布「德國創新—高技術新戰略」，提出了六大任務：數字經濟與社會，可持續商業與能源，僱傭創新世界，健康生活，智能移動性，民用安全。其中，由德國科學研究聯盟數字經濟與社會促進組發起的「工業4.0」計劃，即是屬於「數字經濟與社會」任務下的一項國家計劃，由政府牽頭，聚集了德國乃至世界最頂尖的工業企業以及研究機構，描繪了製造業的未來願景。「智慧工廠」計劃作為德國已經運行10年的製造演示驗證與研究平台，率先參與了「工業4.0」的演示與研究，為其發展提供了重要支撐。

工業4.0圖景一、智慧工廠計劃及其願景（一）計劃「智慧工廠」計劃於2005年由歐盟、德國教育與研究部等部門和機構共同發起，參與者包括弗勞恩霍夫研究所以及西門子、博世、FESTO、哈挺、約翰·迪爾、思科等知名企業。「智慧工廠」計劃是一個獨立的製造演示驗證與研究平台，創新的信息和通信技術及其應用在一個現實的工業生產環境中進行測試和開發。「智慧工廠」計劃旨在將工廠自動化與複雜的信息技術集成，日常生活中的消費電子設備和應用將在工業中拓展傳統的加工方法，讓未來工廠的運行變得更柔性和更高效。智慧工廠位於凱澤斯勞滕的德國人工智慧研究中心，在這些工廠中，以直觀和可接近的方式演示著「工業4.0」的關鍵領域。智慧工廠的中央研究和驗證平台是一個混合式驗證工廠，可以從一件到批量地生產定製化產品，功能電氣組件柔性聯網，無線通信系統運行在系統內和全部控制層級中。

「智慧工廠」——試驗智能技術的演示驗證中心（二）願景在全球化競爭、創新和產品壽命周期縮短、定製化的背景下，製造商必須將其工廠系統設計得更具柔性和適應性。現代信息和通信技術帶來了機遇，如無線感測器網路、語義產品記憶、移動交互和泛在網路接入。隨著泛在計算和物聯網的普及，現代工廠正在朝智能環境發展，虛擬與現實世界之間的鴻溝越來越小。通過賽博物理系統（CPS）將虛擬與現實世界融合，以及隨之而來的技術過程與商業過程的交融，通過「智慧工廠」概念得到了最好的詮釋。在生產系統中部署CPS是智慧工廠的本源，智慧工廠的產品、資源和工藝都由CPS表徵，與經典生產系統相比，它隨時都具備質量、時間、資源和成本優勢。智慧工廠根據可持續的和以服務為導向的商業實踐來設計，支持適應性、柔性、自適應能力和學習特性、容錯性以及風險管理。通過基於CPS的生產系統柔性網路，高級自動化在智慧工廠中成為標準，實時響應的柔性生產系統可以讓生產過程得到根本優化，生產可以根據自適應、自組織生產單元的全球網路實現優化。這在創新、成本和時間節省方面是一次生產革命，也建立了一個自下而上的生產價值創造模型，其聯網能力創造新的和更多的市場機遇。

「智慧工廠」概念示意二、智慧工廠的內核——物聯工廠「智慧工廠」的內核其實就是基於物聯網的「物聯工廠」（FoT）。日常環境的物聯網正在轉變為工廠環境的「物聯工廠」，其概念的內核包括物聯網基礎技術、結構柔性、內容集成、語義描述、全局標準化參考架構，精益技術和精益信息貫穿其中。物聯工廠主要涉及三個方面：架構、信息管理、用戶支持。

「物聯工廠」核心技術（一）架構新智能現場設備的加入以及分散自動化的提升，對減少集成工作的方法提出了需求。以服務為導向的架構（SOA）概念是一個強有力的將功能軟體模塊與大型IT系統集成的分散式方法，對於自動化技術的軟體架構是一個很好的補充，包括機電一體化功能集成和智能現場設備。研究主題包括從商務軟體到自動化領域的架構轉換、方法、協議和工具，以及工業現場設備中即插即用原則的實現。研究重點有以下兩個：通過即插即用技術實現設備集成；自動化中的以服務為導向的架構（SOA-AT）。——通過即插即用技術實現設備集成。主要關註：物理與軟體介面的建模和標準化，提供數據以配置現場設備，面向生產環境的適當即插即用技術的開發與適配。——自動化中的以服務為導向的架構。主要關註：面向自動化的、基於以服務為導向概念的統一通信模型構建，在自動化中應用SOA-AT的概念和方法開發，面向技術實施的技術評價和評估。

「物聯工廠」架構示意（二）信息管理在生產環境中互連的設備順利執行功能以及自主行動的一個必要條件，是對數據和信息環境的清晰表達。自動化「金字塔」的所有層級都產生大量數據和信息，它們都與各自的機器、工廠和設施連接，並且從外部不可見。由於基於生產的數據和信息的語義注釋是可視的、依環境提供的，這種環境敏感的自動化增加了柔性以及工廠的效率。研究重點有三個：物聯工廠中語義技術的重要性及其使用；通過環境敏感的自動化達到生產環境中柔性的新維度；工廠系統中用於優化工藝的空間環境信息的使用架構。——物聯工廠中語義技術的重要性及其使用。主要關註：在生產環境中識別並處理適當的知識源（知識獲取）；產品、工藝和工廠的語義描述；生產中服務的動態定位和自動編排。——通過環境敏感的自動化達到生產環境中柔性的新維度。主要關註：將環境感知計算原則轉移到自動化中；構建統一數據格式和介面，以闡明動態工廠環境以及數據譜系的提取和建立。——工廠系統中用於優化工藝的空間環境信息的使用架構。主要關註：開發一種數據格式，實現空間環境信息的統一表達；形式描述的知識庫構構建，以解釋環境信息；實現來自不同環境源信息的集合與語義解釋的總體架構。

「物聯工廠」信息管理示意（三）用戶支持在物聯工廠，關注點在人員。未來的技術系統必須使自己適應人的能力，即useware工程（根據人的能力和需求進行技術設計），從信息學到工廠自動化領域的方法和工具都需要基於模型的用戶界面。這些模型、方法和工具的應用還包括工廠環境內的機器移動操作和泛在用戶支持。研究重點有四個：基於模型的用戶界面開發；人機交互圖像驅動的用戶界面術語適配；與工業現場設備進行基於直觀任務的通信；工廠環境中的泛在用戶支持。——基於模型的用戶界面開發。主要關註：將基於模型的用戶界面開發（MBUID）的原則從信息學到自動化技術的轉移；基於模型的連續架構和軟體工具鏈的開發；useware開發過程中的可用性範本形式化與集成。——人機交互（HCI）圖像驅動的用戶界面術語適配。主要關註：以用戶和任務為中心的用戶界面術語生成；環境集成，以表達依賴用戶的相關信息；通過模型組成部分再利用減少開發時間。——與工業現場設備進行基於直觀任務的通信。主要關註：現場設備的直觀識別；通信介面的自動配置；並行多用戶操作的實施；N:M通信鏈的安全操作。——工廠環境中的泛在用戶支持。主要關註：實踐知識轉換為形式化知識模型（輔助系統資料庫的構建）；開發與建檔過程的接合與標準化；基於移動、交互和環境的形式化實踐知識提供。

「物聯工廠」用戶支持示意三、結束語與我國在各行業優勢企業中分散實施的「智能製造示範工程」不同，「智慧工廠」計劃統合德國乃至世界自動化領域軟硬體巨頭的力量，集中攻克相關基礎技術，進行集成演示驗證，繼而形成標準架構，實現統一的信息管理，並且特別重視「工業4.0」時代下提升人的工作能力。同時，與我國在智能製造發展中偏重智能製造裝備和基礎器件不同，「智慧工廠」計劃瞄準未來「軟性製造」和「面向服務的製造」的發展趨勢，大力開發軟體技術或者軟硬結合的技術，這既是智能製造裝備的價值之所在，也是未來掌握先進位造業話語權的關鍵之一。因此，在大力鼓吹「工業4.0」的同時，我國上至製造業主管部門，下至各行業，也還需要追溯本源，抓住問題的實質和發展的關鍵。「智慧工廠」計劃就是反映德國「工業4.0」發展思路和技術途徑的一個鮮活案例。本文中篇和下篇還將陸續介紹該計劃的「重點項目」以及「工業4.0演示驗證」。劉亞威先生此前已為《空天防務觀察》提供15篇專欄文章，如下表所示：序號篇名發表日期1美國數字製造與設計創新機構助力美國智能製造2月16日2非熱壓罐成形技術用於MS-21機翼主承力構件生產2月23日3熱塑性複合材料加速進入民機主承力結構2月25日4軌道加工工藝顛覆航空異種材料構件制孔2月27日5增材製造（3D列印）——「美國製造，美國能行！」3月11日62014，美國國家製造創新網路雛形初現4月8日7揭秘莫納什大學增材製造中心——澳大利亞增材製造先鋒4月22日8美國通用電氣公司「工業互聯網」——兩大革命共鳴下的智能製造新前景5月27日9美國通用電氣公司——高端增材製造技術的領軍者6月1日10「數字製造」VS「智能製造」8月17日11你應知道的集成光子學和集成光子學製造創新機構8月24日12波音採用創新技術製造NASA新概念飛機機身9月28日13無人機複合材料結構低成本製造技術（節選）10月9日14你應知道的柔性混合電子學和柔性混合電子學製造創新機構10月14日15解讀美國國家製造創新網路中製造創新機構的分級會員制11月23日以上文章引起了廣泛關注和較大反響，有興趣的讀者可在本號中搜尋閱讀。（航空工業發展研究中心 劉亞威）作者簡介：
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