学习德国工业4.0、中国智能制造讲座（连载一）
王至尧
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2015(000)008
【总页数】5页(P1-5)
【作 者】王至尧
【作者单位】中国空间技术研究院
【正文语种】中 文
王至尧，研究员，主要专业为特种加工和航天器材料与工艺，现任中国空间技术研究院研究员、中国航天科技集团产品工程特聘专家。曾任北京控制工程研究所副所长、中国空间技术研究院产品质量总师、 中国空间技术研究院材料与工艺专家组组长。1987年超厚工件电火花
切割新工艺获国家发明奖二等奖，1990年获航空航天部有突出贡献中青年专家，1991年享受国务院政府特殊津贴。1987年通信卫星发射成功，荣立二等功，2003年神舟飞船发射成功，荣立一等功。2005年获全国优秀科技工作者终身奖。
“智能”的含义很广，其本质有待进一步探索，但一般可作这样的表述：它至少应具备人机交互与虚拟现实、识别与优化控制、柔性与自组织、故障诊断与自维护、自学习与自律的能力。
智能制造的内涵是针对产品、装备与设施的设计制造过程，利用信息感知、决策判断和安全执行等先进智能技术，实现制造产品、制造工具与制造环境以及制造工人等资源的最佳组织与优化配置，达到由人类专家与智能机器共同组成的人机系统去扩大、延伸和部分取代人类在制造过程中体力与脑力劳动的目的。智能制造装备定义、特征及范围如图1-1所示。
制造智能化不仅是单元技术的集成，也是一种以知识为核心、面向客户定制化、个性化需求、管理扁平化、生产组织更为柔性的制造模式创新。智能制造可以提高能源和材料的利用效率、降低污染排放、提升产品性能、文化知识含量及技术附加值，增强市场响应能力，
提高生产质量、效率和安全性。可以预见，今后将是智能制造获得大发展和广泛应用的时代，智能制造将引发制造业的重大变革，甚至是革命性变化。
德国工业4.0 内涵包括建设一个网络：CPS; 研究两大主题：智能工厂和智能生产;实现三项集成：横向集成、纵向集成与端对端的集成;实施八项计划：标准化和参考架构、复杂系统的管理、一套综合的工业基础宽带设施、安全和安保、工作的组织和设计、培训和持续性的职业发展、法规制度、资源效率; 八项优先行动和支撑的组织机构 。
2.1 建设CPS网络
虚拟世界和现实世界在工业领域中的高度融合，是工厂、机器、生产资料、信息系统和人通过网络技术的高度联结。CPS网分为上、中、下三层：上层为互联网、中间层为管理信息化、最下层为工业自动化， 三者在端上融合， 形成CPS信息物理网。制造业CPS要素如图2-1所示。
德国“工业4.0” 概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，如图2-2所示。
从图2-2可知，第一次工业革命是1784年，机械纺纱机的诞生；第二次工业革命是1870年，
第1台传送带的使用；第三次工业革命是1969年，PLC的诞生；第四次工业革命预计到2030年，工业4.0。一次工业革命几十年或近百年，工业的发展是长期的、渐进性的创新过程、经过长期的量变发展到质变，并最终实现飞跃。德国认为，第四次工业革命至少15年才能真正兴起，所以第四次工业革命序幕刚刚拉开，严格的讲，工业4.0还是“将来时”，是德国“高技术战略2020”战略计划之一，是由德国主流企业、IT厂商、科研机构和行业协会等组织共同实施，政府仅资助2亿欧元。从中我们应得启示如下。
1)蒸汽机、火车、轮船和工作机械的设计制造引发的第一次工业革命，将农耕时代的手工艺制造文明推进到以工厂化、批量化和规模化为特征的机械制造文明。
2)电机电器、电力系统，汽轮机、内燃机和燃气轮机等发明与设计制造引发的第二次工业革命，将制造文明推进到电气化、自动化阶段。
3)启始于20世纪中叶的半导体、IC、计算机和现场总线等技术与应用，将制造文明推进到数控柔性制造阶段。
4)全球宽带、云计算、云存储、大数据、增材制造、精密成形和纳米技术等为制造文明进化提供了创新技术驱动和全新信息网络—物理环境。
5)全球市场多样化、个性化需求，资源环境压力，以及气候变化等成为制造文明转型新的需求动力，全球金融危机加快了制造文明转型进程。
德国工业4.0是一种新型生产模式，把传统的生产方法计算机化，从而打造出一个“智能化”工厂。 利用万能的数字化将经济活动中所有生产单元连接起来，并将供货商、用户和业务伙伴的全过程集成起来。汲及到信息物理系统与制造，物流技术融合，以及物联网、大数据和服务网在工业生产过程中应用。能对客户要求快速和灵活做出反应，在小批量生产情况下生产既经济又高质量产品。CPS网络如图2-3所示。
美国是互联网领域绝对领先者，是标准的制定者。作为制造业的強国，德国希望通过引领全球工业发展趋势，进而在全球竞争中获得先机，所以工业4.0体现的是德国的国家竞争力和德国产业界的共同利益，目标是成为全球智能制造领域的标准制定者。德国在机械制造、工业自动化和工业软件等方面具有领先优势，希望通过建立广泛的产业联盟，将龙头企业的竞争优势提升到国家竞争层面。
我们应读懂工业4.0内涵和工业4.0创新战略，其愿景包括满足用户个性化需求，灵活性，决策优化，提高生产率和资源利用率，通过新的服务创造价值，应对劳动力市场的变化，
实现工作与生活平衡，以及即便在保持高工资的前提下仍然具有全球竞争力等八个方面。因为德国面临人口老龄化、工会力量强大、高福利和经济增长乏力等巨大压力，因而亟待通过信息化、自动化和智能化来减少对人工的依赖，进一步提升劳动的生产率和企业的盈利能力。
2.2 智能生产和智能工厂
德国工业4.0的重点是创造智能产品、程序和过程。其中，智能工厂构成了工业4.0的一个关键特征。智能工厂能够管理复杂的事物，不容易受到干扰，能够更有效地制造产品。在智能工厂里，人、机器和资源如同在一个社交网络里一般自然地相互沟通协作。
智能产品理解它们被制造的细节以及将被如何使用。它们积极协助生产过程，回答诸如“我是什么时候被制造的”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪”等问题。其与智能移动性，智能物流和智能系统网络相对接，将使智能工厂成为未来智能基础设施中的一个关键组成部分，这将导致传统价值链的转变和新商业模式的出现。智能生产和智能工厂如图2-4所示。
2.2.1 智能制造
没有工业软件，就没有工业4.0,工业4.0智能制造与软件技术相实联，工业4. 0是基于“信息物理系统”，实现“智能工厂”。
在生产设备层面，通过嵌入不同的传感器进行实时感知，通过宽带网络，通过数据对整个过程进行精确控制。
在生产管理层面，通过互联网技术、云计算、大数据、 宽带网络、工业软件和管理软件等一系列技术构成服务互联网，实现物理设备的信息感知、网络通信、精确控制和远程协作。
通过各种计算机辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)、辅助分析(CAE)、辅助工艺(CAPP)和产品数据管理(PDM)等实现生产和管理过程的智能化以及网络化管理和控制，对应工业4.0生产管理中的应用，包括了(PDM) 生产数据管理、(SCM)产业链管理，(PLM)产品生命周期管理和(CAD)计算机辅助设计等软件系统以及数据处理系统。 从供应链管理、产品设计、生产管理和企业管理等4个维度，提升“物理世界”中的工厂/车间的生产效率，优化生产工程。
能将分散的各种信息汇总分析，解决产品生命周期不断缩短、物流产货周期不断加快及客户订制的多样化问题，为制造工艺带来决定性的影响。可以说，工业软件支撑了绝大部分生产制造过程，将出现智能制造新浪潮，传统行业界限将消失，产生新的产业链、不再是制造业硬件制造概念，更多融入软件技术、自动化技术和现代管理技术与新的服务模式。
2.2.2 大数据
产品生命周期相关的元素全部集成起来， 自然产生了大数据，CPS推广、生产中各种传感器使用、生产设备、感知设备、联网终端、包括生产者本身源源不断产生数据，渗透到企业运营、价值链及产品整个生命周期，应是工业4.0基石。严格上讲，原有的ERP、PDM数据算不上大数据，生产车间工业自动化以及产品在使用过程当中的数据是真正大数据，而且对企业发展更有价值。
2.3 实现横向、纵向与端对端三项集成
横向集成是企业间通过价值链以及信息网所实现的一种资源整合，是为了实现各企业的无缝合作，提供实时产品与服务。横向集成如图2-5所示。
纵向集成是解决企业内部信息弧岛的集成，是基础纵向集成其实现企业内部所有环节信息无缝连接。如图2-6所示。
端对端的集成是围绕产品全生命周期的价值链，创造通过价值链上不同企业的资源整合，实现从产品设计、生产制造、物源配置以及使用维护的产品生命周期的管理和服务。端对端的集成如图2-7所示。
2.4 实施八项计划
实施八项计划包括标准化和参考架构、复杂系统的管理、一套综合的工业基础宽带设施、安全和安保、工作的组织和设计、培训和持续性的职业发展、法规制度以及资源效率，具体如图2-8所示。
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