物联网时代来袭，无人工厂 ，农业 。畜牧业，将如何的改变

郭庆帅

编者按：“工业4.0”是由德国联盟教研部与联邦经济技术部联手推动的战略性项目，被看作是提振德国制造业的有力催化剂，也被认为将是全球制造业未来发展的方向。继蒸汽机的发明、大规模生产和自动化之后，这一趋势被称为“第四次工业革命”——“工业4.0”（Industry 4.0）。事实上，工业4.0这一词早在2011年的汉诺威工业博览会中就已经被提出，它包含了智能工厂、工业网路系统、IT系统、生产链的自主控制。“工业4.0”提倡物与服务串连，旨在物对物（M2M）的运作架构下，打通产、销任督二脉，讲究生产自动化、生产IT化，生产模式将由批次量产转向接单后生产，落实智慧生产、绿色生产、都市生产的未来趋势。本刊将此文介绍给读者，以供参考。
中国论文网 http://www.xzbu.com/3/view-4877779.htm
　　工厂通过“资讯物理系统（CPS）”来建立一个完整的网路系统，这当中包括了相互连结的智能机械、仓储系统、及高效的产品设备等，这些设备可以独立自主的运作，或者互相交换讯息、互相控制，并且以嵌入式系统来监测生产环境。当指令经过CPS系统时，纵向需要经过工厂和公司的商业流程，横向则连接了可以实时管理的衍生价值体系，这两方面共同构建了嵌入式制造的系统网络。从生产机台的运动控制到整体工厂运作无不讲究智能，未来的工厂工人，将不再只是单调的操作机器，而是将自己的经验储存到系统中，更有智能地与生产机器沟通互动。“智能制造”就是“工业4.0”的一个缩影。
　　此外，“工业4.0”还将解决当今世界遇到的一些挑战，比如资源效率、城镇化和人才结构调整等。工业4.0能够持续带来覆盖整个价值网络的资源生产率和效率的增益。同时能够将人口结构变动和社会因素考虑在内，并设定合适的方式来组织生产。智能辅助系统可以把工人从单调、程式化的工作中解放出来，使其能够将精力集中在创新和增值业务上。在关于熟练工短缺的问题上，工业4.0允许高龄的工人延长他们的工作生涯，使他们能够长时间地保持生产力。灵活的工作组织形式使得工人们能够更好地整合他们自己的工作，私人生活和持续的职业生涯发展将变得更有效率，可以说，工业4.0为工作和生活找到了一个更好的平衡点。
　　德国抢先推进“工业4.0”项目
　　为了在新工业革命中占领先机，德国联盟教研部与联邦经济技术部正联手推动《高技术战略2020》确定的十大未来项目之一——“工业4.0”项目，支持工业技术领域新一代关键技术的研发与创新。项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，联盟政府投入达2亿欧元。在《高技术战略2020》的计划行动中，德国联盟政府为未来项目“工业4.0”设立了雄心勃勃的目标：德国要成为现今工业生产技术（即网络物理融合式生产系统）的供应国和主导市场。
　　“工业4.0”项目的主要内容
　　“工业4.0”项目的概念描述了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。
　　“工业4.0”项目将从两个方向展开，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。
　　“工业4.0”项目的重点应用技术
　　随着工业4.0时代的到来，许多沿用多年、占据主导地位的工业自动化技术，正面临被淘汰、被更新换代的命运，而一批以前认为是高端的工业自动化技术，也随着新时代的到来，快速的走入到了实际的应用中去，成为新时代的宠儿：一是以工业PC为基础的低成本工控自动化将成为主流；二是PLC进入第六代——微型化、网络化、PC化和开放性；三是DCS系统走向测控管一体化设计；四是控制系统向现场总线（FCS）方向发展；五是仪器仪表向数字化、智能化、网络化、微型化发展；六是数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展；七是工业控制网络向有限和无限相结合的方向；八是工业控制软件向标准化、网络化、智能化和开放性方向发展。
　　此外，为了实现工业制造到工业4.0的转变，德国还要实现一项双重策略。不仅应该一如既往地把“信息和通讯科技”和“自身的传统高科技策略”进行整合，以努力成为智能制造科技的主要供应商，寻求稳固自身在全球市场的领导地位。同时，还应创造并服务于CPS科技和产品。为了达成这个双重要求，以下几个工业4.0的特征应该被执行：一是横向集成需要通过价值网络；二是端到端的工程立体集成横跨整个价值链；三是垂直集成和网络化的制造系统。通向工业4.0之路要求德国在研发上投入巨大的精力，为了实现双重策略，所进行的研究首先必须实现“制造系统的水平和垂直集成”和“工程上端到端的集成”。此外，出于对工业4.0系统的要求和CPS科技持续发展的目的，在工作场所中新的社会基础设施应该得到更多关注。
　　各界积极响应“工业4.0”项目
　　德国电子电气工业协会（ZVEI）预测，工业4.0将使工业生产效率提高30%，德国人工智能研究中心执行长Wahlster也表示，工业4.0将会在一些高劳动成本的地区非常具有竞争力。有鉴于此，德国机械设备制造业联合会（VDMA）及德国信息技术、通讯、新媒体协会（BITKOM）也已加入，德国三大工业协会决定共同建立一个名为“第四次工业革命平台”办事处，并于2013年4月在法兰克福正式启动。三大协会共同建立办事处的主要目标在于，推动工业的发展、提高工业生产标准、开发新的商业模式和运营模式并付诸实践。
　　德国企业界做出了积极地响应。比如，西门子展示自身推进工业4.0的具体行动，其凭借全集成自动化（TIA）和“数字化企业平台”，长久以来占据着信息技术集成领域的领导地位。在2013汉诺威工业博览会上，西门子展示了融合规划、工程和生产工艺以及相关机电系统的全面解决方案。西门子展台将突出展示西门子的最新技术成就，这包括以全集成自动化TIA v12版本、新一代控制器Sifmatic S7-1500、针对电气传动应用的“全集成驱动系统”（IDS）概念，以及以信息技术为基础的服务，例如，状态监控。另外，西门子公司还将与德国弗劳思霍夫研究院以及大众汽车公司联合展示，通过利用产品生命周期管理软件（PLM）进行虚拟生产规划，可降低生产线上机器人的能耗高达50%。另外，西门子指出当前约7500名软件工程师是其在ICT驱动制造业自动化创新上的最大资本。 　　智能制造业工程领域的全球化竞争变得愈加激烈，德国并不是唯一一个在制造业部署物联网和行业服务的国家。远在大洋彼岸的美国在2011年6月正式启动包括工业机器人在内的“先进制造伙伴计划”，2012年2月又出台“先进制造业国家战略计划”，提出通过加强研究和试验（R&E）税收减免、扩大和优化政府投资、建设“智能”制造技术平台以加快智能制造的技术创新。日本亦提出通过加快发展协同式机器人、无人化工厂提升制造业的国际竞争力。
　　“工业4.0”两大主题
　　智能工厂：智能工业发展新方向
　　“智能工厂”的概念最早是奇思2009年在美国提出，其核心是工业化-和信息化的高度融合。智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务；未来，将通过大数据与分析平台，将云计算中由大型工业机器产生的数据转化为实时信息（云端智能工厂），并加上绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体，构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。目前智能工厂概念仍众说纷纭，其基本特征主要有制程管控可视化、系统监管全方位及制造绿色化三个层面。
　　一是制程管控可视化。由于智能工厂高度的整合性，在产品制程上，包括原料管控及流程，均可直接实时展示于控制者眼前，此外，系统机具的现况亦可实时掌握，减少因系统故障造成偏差。而制程中的相关数据均可保留在数据库中，让管理者得以有完整信息进行后续规划，也可以依生产线系统的现况规划机具的维护；可根据信息的整合建立产品制造的智能组合。
　　二是系统监管全方位。通过物联网概念、以传感器做链接使制造设备具有感知能力，系统可进行识别、分析、推理、决策、以及控制功能；这类制造装备，可以说是先进制造技术、信息技术和智能技术的深度结合。当然此类系统，绝对不仅只是在KS内安装一个软件系统而已，主要是透过系统平台累积知识的能力，来建立设备信息及反馈的数据库。从订单开始，到产品制造完成、入库的生产制程信息，都可以在数据厍中一目了然，在遇到制程异常的状况，控制者亦可更为迅速反应，以促进更有效的工厂运转与生产。
　　三是在制造绿色化方面，除了在制造上利用环保材料、留意污染等问题，并与上下游厂商间，从资源、材料、设计、制造、废弃物回收到再利用处理，以形成绿色产品生命周期管理的循环，更可透过绿色ICT的附加值应用，延伸至绿色供应链的协同管理、绿色制程管理与智慧环境监控等，协助上下游厂商与客户之间共同创造符合环保的绿色产品。
　　智能工厂的建设主要基于以下三大基础技术。
　　一是无线感测器。无线感测器将是实现智能工厂的重要利器。智慧感测是基本构成要素。仪器仪表的智慧化，主要是以微处理器和人工智能技术的发展与应用为主，包括运用神经网路、遗传演算法、进化计算、混沌控制等智慧技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能，如专家控制系统（expert control system；ECS）、模块逻辑控制器（FLC—Fuzzy Logic controller）等都成为智能工厂相关技术的关注焦点。
　　二是控制系统网路化（云端智能工厂）。随着智能工厂制造流程连接的嵌入式设备越来越多，通过云端架构部署控制系统，无疑已是当今最重要的趋势之一。在工业自动化领域，随着应用和服务向云端运算转移，资料和运算位置的主要模式都已经被改变了，由此也给嵌入式设备领域带来颠覆性变革。如随着嵌入式产品和许多工业自动化领域的典型IT元件，如制造执行系统；（MEs）以及生产计划系统（PPS）的智慧化，以及连线程度日渐提高，云端运算将可提供更完整的系统和服务。一旦完成连线，体系结构、控制方法以及人机协作方法等制造规则，都会因为控制系统网路化而产生变化。此外.由于影像、语音信号等大数据高速率传输对网路频宽的要求，对控制系统网路化，更构成严厉的挑战，而且网路上传递的资讯非常多样化，哪些资料应该先传（如设备故障讯息），哪些资料可以晚点传（如电子邮件），都要靠控制系统的智慧能力，进行适当的判断才能得以实现。
　　三是工业通信无线化。工业无线网络技术是物联网技术领域最活跃的主流发展方向，是影响未来制造业发展的革命性技术，其通过支持设备间的交互与物联，提供低成本、高可靠、高灵活的新一代泛在制造信息系统和环境。随着无线技术日益普及，各家供应商正在提供一系列软硬体技术，协助在产品中增加通信功能。这些技术支援的通信标准包括蓝牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax。然而，由于工厂需求不像消费市场一样的标准化，必须因应生产需求，有更多弹性的选择，最热门的技术未必是最好的通信标准和客户需要的技术。
　　智能生产：制造业的未来
　　能生产（Intelligent Manufacturing.IM），也称智能制造，是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。与传统的制造相比，智能生产具有自组织和超柔性、自律能力、学习能力和自维护能力、人机一体化、虚拟实现等特征。
　　“智能制造”需要硬件，软件以及咨询系统的整合。那些具有“智慧制造”属性的生产线，不仅拥有着为数众多的控制器、传感器，而且通过有线或无线传感网架构进行串联，将数据传输给上层的制造执行管理系统MES，结合物联网的系统架构，从而让制造业提升到一个新的阶段。制造主要是服务于产品的生产，现在随着客户个性化需求越来越多，产品生产也逐渐呈现出少量多样等新特征，这就迫使制造厂商要提升生产线的速度与灵活性，对于市场前端的变化需要能够快速调整。例如当前一些汽车厂就可以让客户在线指定汽车的颜色，快速调整生产线，快速交付产品。智能制造就是要为使用者带来更多的便利。 　　近年来，由人工智能技术、机器人技术和数字化制造技术等相结合的智能制造技术，正引领新一轮的制造业变革。智能制造技术开始贯穿于设计、生产、管理和服务等制造业的各个环节，智能制造技术的产业化及广泛应用正催生智能制造业。概括起来，当今世界制造业智能化发展呈现两大趋势。
　　一是以3D打印为代表的“数字化”制造技术崭露头角。“数字化”制造以计算机设计方案为蓝本，以特制粉末或液态金属等先进材料为原料，以“3D打印机”为工具，通过在产品层级中添加材料直接把所需产品精确打印出来。这一技术有可能改变未来的产品的设计、销售和交付用户的方式，使大规模定制和简单的设计成为可能，使制造业实现随时、随地、按不同需要进行生产，并彻底改变自“福特时代”以来的传统制造业形态。3D打印技术开创了一个全新的偏平式、合作性的全球手工业市场，而不是传统意义上的层级式、自上而下的企业结构。一个由数百万人组成的分散式网络代替了从批发到零售商在内的所有中间人，并且消除了传统供应链中每一个阶段性的交易成本。这种“添加式生产”能够大幅降低耐用品的生产成本，从而使数以万计的小型生产商对传统上处于中心位置的大型生产者提出挑战。不过新的生产方式已经发生了重大改变，传统的生产制造业将面临一次长时间的“洗牌”。有预测指出，未来模具制造行业、机床行业、玩具行业、轻工产品行业或许都可能被淘汰出局，而取代他们的就是3D打印机。当然，这需要一个过程，主要是人们适应和接受新事物的过程与产业自身完善成长的过程。不过10年、20年是分水岭，一般新技术会变得非常成熟起来，并被广泛应用。
　　二是智能制造技术创新及应用贯穿制造业全过程。先进制造技术的加速融合使得制造业的设计、生产、管理、服务各个环节日趋智能化，智能制造正引领新一轮的制造业革命，主要体现在以下四个方面。
　　（1）建模与仿真使产品设计日趋智能化。建模与仿真广泛应用于产品设计、生产及供应链管理的整个产品生命周期。建模与防真通过减少测试和建模支出降低风险，通过简化设计部门和制造部门之间的切换来压缩新产品进入市场的时间。
　　（2）以工业机器人为代表的智能制造装备在生产过程中应用日趋广泛。近年来，工业机器人应用领域不断拓宽，种类更加繁多，功能越来越强，自动化和智能化水平显著提高。汽车、电子电器、工程机械等行业已大量使用工业机器人自动化生产线，工业机器人自动化生产线成套装备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。业内通常将工业机器人分为日系和欧系。日系的主要代表有安川、OTC、松下、FANUc、不二越、川崎等公司；欧系主要有德国KUKA、CLOOS，瑞典ABB，意大利COMAU，奥地利IGM公司等。工业机器人在制造业的应用范围越来越广泛，其标准化、模块化、网络化和智能化程度越来越高，功能也越发强大，正朝着成套技术和装备的方向发展。国际机器人联合会主席榊原伸表示，过去4～5年间，世界机器人行业得到了长足的发展，行业平均增长率为8%～9%。据联合会统计，近年来世界工业机器人行业的年总产值约250亿美元。
　　（3）全球供应链管理创新加速。通过使用企业资源规划软件和无线电频率识别技术（RFID）等信息技术，使得全球范围的供应链管理更具效率，缩短了满足客户订单的时间，提升了生产效率。
　　（4）智能服务业模式加速形成。先进制造企业通过嵌入式软件，无线连接和在线服务的启用整合成新的“智能”服务业模式，制造业与服务业两个部门之间的界限日益模糊，融合越来越深入。消费者正在要求获得产品“体验”，而非仅仅是一个产品，服务供应商如亚马逊公司已进入了制造业领域。
　　制造企业如何适应“工业4.0”时代
　　通向工业4.0的路将会是一段革命性的进展。现有的基础科技和经验将不得不为了适应制造工业中的特殊设备而进行改变和革新，而且对于新地域和新市场的创新解决方案将不得不重新探索。为此，企业需要对以下8个领域进一步改进。
　　标准化和参考架构
　　工业4.0将会涉及网络技术的设计并通过价值网络集成几家不同的公司。如果一揽子共同标准得以实现，这种合作伙伴关系将成为可能，而且需要一个参照架构来为这些标准提供描述并促进标准的实现。
　　复杂系统的管理
　　制造系统正在日益变得复杂，适当的计划、描述和说明模型可以为这些复杂系统提供管理基础。工程师们应该为了发展这些模型而进行更多的方法创新和工具应用。
　　一套综合的工业基础宽带设施
　　毋庸置疑，综合并高质量的通讯同络是工业4.0的关键要求。无论是在德国国内，还是在德国与其他合作国家之间，宽带网络基础设施也因此需要进一步的、大规律的拓展。
　　安全和安保
　　安全和安保是智能制造系统成功的关键。保障设备和产品自身不会引起使用者的危险，也不会对环境造成污染十分重要。同时，设备和产品中包含的信息特别需要被保护，以防止这些信息被滥用或者在未被授权的情况下使用。这将对安全和安保的架构和特殊识别码的集成调用产生更高的要求，同时相关的培训和职业生涯的持续发展规划也要得到加强。
　　工作的组织和设计
　　在智慧工厂里，雇员的角色将会发生引人注目的改变。越来越多的实时导向性控制将会让工作内容、工作流程和工作环境发生转变。针对组织工作的社会科技的实现将会给工人提供承担重大责任和加强个人发展的机会。当上述内容成为现实，进行合作的工作设计和职业生涯的学习途径对于启动参照模型课题将变尤为必要。
　　培训和持续性的职业发展
　　工业4.0将从根本上改变工人们的工作和职业诉求。实施适合的培训策略并用培养学习的方式组织工作也因此而变得非常必要，可以借此实现“活到老学到老”和基于工作地点的广泛的个人发展。为了达成这项目标，模型课题和“最好的实用网络”应该被进一步开发和提升，立体学习技术也应该投入研究。
　　规章制度
　　在工业4.0下建立新的制造流程和水平的商业网络架构时必须遵守法律，而已存在的立法也同样需要在必要时考虑创新对法律带来的影响。面临的挑战包括合作信息的保护、责任议题、管理私人信息和贸易限制等。这将不仅对立法，也对其他代表商务行为的活动提出了要求——制度将作为一个涵盖面广泛的适用工具而存在，其中的内容条款包括指导方针、标准合同和公司集体协议，或者如审计类型的自律行为。
　　资源效率
　　除高花费以外，仅是制造工业在原材料和能源上的消费便已足够引起一系列关于环境与安全的探讨。工业4.0将会使得从原材料变为产品的过程更加多产和高效。企业将会权衡“投资在智慧工厂中的额外资源”与“带来的潜在节约”之间的利弊，这对企业将非常必要。