“智”造的典范：德國(guó)智能工廠的路徑

    進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，信息與通信技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。 特別互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展給社會(huì)和工業(yè)帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響，2006年美國(guó)基金會(huì)（NSF）科學(xué)家Helen Gill提出了信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，簡(jiǎn)稱CPS）概念，將網(wǎng)絡(luò)化的世界與智能化物理世界融合起來(lái)。信息物理融合系統(tǒng)是集成計(jì)算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體。CPS 包含了無(wú)處不在的環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)智能化具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自適應(yīng)功能。德國(guó)工業(yè)4.0將CPS運(yùn)用到制造和物流的技術(shù)集成，通過(guò)與物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)網(wǎng)的融合，進(jìn)而產(chǎn)生了創(chuàng)新的工廠系統(tǒng) -- 智能工廠( SmartFactory )。
    在工業(yè) 4.0 時(shí)代，每個(gè)工廠企業(yè)都將建立 “數(shù)字企業(yè)平臺(tái)”，通過(guò)接口將虛擬環(huán)境與基礎(chǔ)架構(gòu)融為一體，從而形成生產(chǎn)制造模式變革為核心的網(wǎng)絡(luò)物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）。智能工廠系統(tǒng)完全不同于傳統(tǒng)的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)。智能工廠采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，它是人、機(jī)器與產(chǎn)品互聯(lián)互通的一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)。這一智能網(wǎng)絡(luò)成為設(shè)計(jì)和制造智能工廠的理論基礎(chǔ)。
    可以看出，CPS的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；生產(chǎn)制造系統(tǒng)采用CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)的企業(yè)監(jiān)控管理級(jí)成為了采用服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)的安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò)?；谇度胧絀nternet技術(shù)的P2M（產(chǎn)品對(duì)機(jī)器通信）以公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為接入手段，為客戶提供產(chǎn)品到機(jī)器的通信解決方案，滿足客戶對(duì)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測(cè)量、遠(yuǎn)程診斷等方面的信息化需求。P2M不是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)在產(chǎn)品和機(jī)器之間的傳輸，它是生產(chǎn)制造之間的一種智能化、交互式通信，即使人們沒(méi)有實(shí)時(shí)發(fā)信號(hào)，機(jī)器也會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的信息主動(dòng)進(jìn)行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析智能化地做出選擇，對(duì)相關(guān)設(shè)備發(fā)出正確的指令。新型的工業(yè)控制以傳統(tǒng)的自動(dòng)控制金字塔為基礎(chǔ)逐步實(shí)現(xiàn)智能化、遠(yuǎn)程化和實(shí)時(shí)化，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)支持以及泛在移動(dòng)性的P2M通信提供了更佳的承載基礎(chǔ)。按照Edward A. Lee教授的定義：“信息物理生產(chǎn)制造系統(tǒng)（CPPS）是計(jì)算過(guò)程和物理過(guò)程的集成系統(tǒng)，利用嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，并通過(guò)反饋環(huán)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程和物理過(guò)程的相互影響。”基于CPS系統(tǒng)的智能工廠是一種網(wǎng)絡(luò)型嵌入式系統(tǒng)，它將打破PC機(jī)時(shí)代建立的傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的體系架構(gòu)，從而全面實(shí)現(xiàn)分布式智能。
    德國(guó)推進(jìn)智能工廠動(dòng)因
    除了技術(shù)背景，德國(guó)實(shí)施智能工廠的主要原因，還是想將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息和通信技術(shù)集成到傳統(tǒng)的制造業(yè)，以維持其全球市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位，并為推廣CPS技術(shù)和產(chǎn)品建立和培育新的市場(chǎng)，成為智能制造技術(shù)的主要供應(yīng)大國(guó)。
    從根本上說(shuō)，德國(guó)作為世界上最重要的生產(chǎn)制造，面臨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代制造領(lǐng)域升級(jí)轉(zhuǎn)型的巨大挑戰(zhàn)。目前IT行業(yè)對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)的大舉進(jìn)攻，對(duì)于傳統(tǒng)制造領(lǐng)域技術(shù)的大量投資，使得德國(guó)不斷提醒德國(guó)的企業(yè)家們必須抱有保持德國(guó)在制造行業(yè)領(lǐng)先地位的深刻危機(jī)意識(shí)。如果德國(guó)制造業(yè)不能及時(shí)進(jìn)行創(chuàng)新性，總有一天Google、微軟、蘋果等會(huì)成為生產(chǎn)制造的新巨頭?？梢哉f(shuō)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展對(duì)于產(chǎn)品乃至企業(yè)生命周期的影響，猛烈地沖擊著德國(guó)制造強(qiáng)國(guó)的地位。所以德國(guó)必須通過(guò)新的創(chuàng)新、變革才能從制造強(qiáng)國(guó)提升為超級(jí)制造強(qiáng)國(guó)，從而保持它在機(jī)械制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。而推動(dòng)智能工廠和智能生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段。
    德國(guó)大力推進(jìn)智能工廠的原因，具體而言，第一個(gè)因素是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)的強(qiáng)烈沖擊。最近十多年來(lái)技術(shù)特別是IT信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，已成為所有行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新驅(qū)動(dòng)器?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)已對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了深刻的影響。制造業(yè)若仍按照原來(lái)的設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)和規(guī)劃方法運(yùn)行，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)市場(chǎng)、客戶和技術(shù)發(fā)展的需要。如何將互聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)已成為當(dāng)務(wù)之急。因此，如果德國(guó)想在全球裝備制造領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)頭羊的地位，不僅必須繼續(xù)發(fā)揚(yáng)一貫專注于創(chuàng)新和創(chuàng)造的精神，而且要通過(guò)工業(yè)4.0的實(shí)施，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)有機(jī)結(jié)合在一起，對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行變革以符合新的營(yíng)銷理念、新的市場(chǎng)需求和新的技術(shù)發(fā)展的要求，再度提升其全球競(jìng)爭(zhēng)力，成為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代工業(yè)制造技術(shù)的供應(yīng)者和領(lǐng)先者，并將這種系統(tǒng)工程推向全世界，保持其全球生產(chǎn)制造行業(yè)掌門的地位。
    第二個(gè)因素是世界經(jīng)濟(jì)全球化對(duì)于產(chǎn)品生命周期的影響。由于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代帶來(lái)了世界經(jīng)濟(jì)的扁平化，帶來(lái)了工業(yè)產(chǎn)業(yè)如何保持持續(xù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)，帶來(lái)了由信息的性和傳播的快速性造成的產(chǎn)品生命周期的根本性變化。所以制造工廠的設(shè)計(jì)和建造需要滿足生產(chǎn)制造布全球性、制造方式靈活性、產(chǎn)品生命周期縮短和企業(yè)發(fā)展持續(xù)性的需求。這些需求就是工業(yè)4.0在所有工業(yè)領(lǐng)域要解決的問(wèn)題。 而智能工廠的目的就是要產(chǎn)生一種新型的生產(chǎn)制造模式。從單純生產(chǎn)產(chǎn)品的技術(shù)角度來(lái)講，這種新型的生產(chǎn)制造模式要能適應(yīng)產(chǎn)品生命周期的新變化。在過(guò)去十多年里，機(jī)械制造行業(yè)的專家們做了不少努力來(lái)提高生產(chǎn)效率，加大生產(chǎn)的靈活性，如機(jī)電一體化、管控一體化、CIMS、數(shù)字工廠、虛擬工廠等等，都沒(méi)有很好地解決以上問(wèn)題，在實(shí)踐和發(fā)展中，人們慢慢認(rèn)識(shí)到這些問(wèn)題的解決并不是單單通過(guò)改造生產(chǎn)制造方式就可以實(shí)現(xiàn)的。這種變革需要融合產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、市場(chǎng)、服務(wù)、運(yùn)行及回收各階段的動(dòng)態(tài)管理。這恰恰是智能工廠的首要任務(wù)。
    第三個(gè)因素是推動(dòng)智能制造以鞏固德國(guó)在制造領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。德國(guó)在推動(dòng)工業(yè)4.0這一國(guó)策時(shí)將重點(diǎn)放在智能工廠上，這關(guān)系到德國(guó)如何繼續(xù)占領(lǐng)傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的制高點(diǎn)，打造制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)。老牌工業(yè)強(qiáng)國(guó)德國(guó)期望通過(guò)以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)德國(guó)的工業(yè)制造由自動(dòng)化向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向升級(jí)的目的，實(shí)施智能工廠和智能生產(chǎn)兩大，通過(guò)不同層面的智能化變革實(shí)現(xiàn)全的智能化。
    德國(guó)強(qiáng)調(diào)第四次的重點(diǎn)是生產(chǎn)制造模式上的改變，這也與德國(guó)制造業(yè)在德國(guó)經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位分不開。德國(guó)擁有強(qiáng)大的設(shè)備和機(jī)床制造能力，推動(dòng)智能工廠，可以全方位地提升德國(guó)工業(yè)界的整體實(shí)力，引發(fā)整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)鏈（信息技術(shù)的引用、生產(chǎn)物流管理技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、工業(yè)科技產(chǎn)品的科研和、3D技術(shù)、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的管理技術(shù)、電子嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等等）的顛覆性變化。同時(shí)這一項(xiàng)目也可以動(dòng)員和吸引整個(gè)工業(yè)制造行業(yè)鏈上大量中小企業(yè)參與，舉一綱而萬(wàn)目張，解一卷而眾篇明，成為“全民項(xiàng)目”，使得中小企業(yè)都成為智能工廠生產(chǎn)技術(shù)的參與者、者、使用者和受益者，從而繼續(xù)保持德國(guó)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的領(lǐng)先地位。
    德國(guó)智能工廠架構(gòu)體系
    工業(yè)4.0提倡的智能工廠是實(shí)現(xiàn)一種新型生產(chǎn)制造模式的載體。其核心是為了適應(yīng)產(chǎn)品生命周期新的變化。它能夠找到應(yīng)付產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、產(chǎn)品種類多而批量少、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)和成本壓力、投資回報(bào)率時(shí)間縮短以及資源優(yōu)化和能源效率的解決方法。其架構(gòu)體系是按照RAMI4.0 （工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型）來(lái)設(shè)計(jì)的。
    RAMI 4.0 提出了從四個(gè)側(cè)面來(lái)設(shè)計(jì)智能工廠， 即生產(chǎn)制造流程、生產(chǎn)制造設(shè)備、管理軟件和工程工藝（生產(chǎn)工藝、制造工藝、產(chǎn)品工藝及流程工藝）。 同時(shí)RAMI4.0又將這四個(gè)側(cè)面歸納為三個(gè)維度， 即產(chǎn)業(yè)制造鏈、產(chǎn)品周期鏈和企業(yè)管理鏈，形成一個(gè)三維的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型。按照這個(gè)模型，我們用生產(chǎn)制造周期、自適應(yīng)生產(chǎn)制造自動(dòng)化系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)為導(dǎo)向的工廠管理系統(tǒng)三方面來(lái)構(gòu)造智能工廠的基本特性及方法。
    實(shí)現(xiàn)智能工廠要分多步進(jìn)行。
    智能工廠要掌握產(chǎn)品生命周期，制訂靈活多樣的生產(chǎn)制造周期。實(shí)際上，產(chǎn)品從誕生到消失的生命周期在市場(chǎng)上銷售量需求有一定的規(guī)律。它要經(jīng)歷研發(fā)期、試用期、發(fā)展期、成熟期、飽和期到退出期。在不同的時(shí)期中市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品的數(shù)量要求也是不同的。如在研發(fā)期、試用期所需要的產(chǎn)品數(shù)量是有限的，發(fā)展期、成熟期、飽和期所需要的產(chǎn)品數(shù)量由市場(chǎng)推廣的力度及市場(chǎng)合理的定位來(lái)確定預(yù)測(cè)的范圍，而在退出期則需要按回報(bào)率、更新?lián)Q代的速度和新產(chǎn)品的投入力度來(lái)規(guī)劃產(chǎn)品不同的生產(chǎn)數(shù)量和功能。
    S型曲線是典型的產(chǎn)品生命周期曲線，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)培育期、成長(zhǎng)期、成熟期、衰退期，直至結(jié)束產(chǎn)品生命。這條S型曲線代表了以傳統(tǒng)的方式來(lái)思考一個(gè)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段與企業(yè)在此產(chǎn)品上的收入（效益）的關(guān)系。
    而在產(chǎn)品生命周期的管理下，產(chǎn)品生命周期曲線可以被重新塑造，在產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的作用，從總體上為企業(yè)帶來(lái)巨大的效益。同時(shí)極大地影響不同階段對(duì)于產(chǎn)品的需求數(shù)量，當(dāng)然對(duì)于生產(chǎn)制造的規(guī)模、回報(bào)率和研發(fā)周期的制定起了決定性的作用。
    這是產(chǎn)品管理的基本原則，所不同的是在過(guò)去的年代里，整個(gè)的產(chǎn)品生命周期比較長(zhǎng)，一般可以按8年到10年計(jì)算，所以一般研發(fā)期、試用期的資本投入可以忽略不計(jì)。以機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品為例，初期的研發(fā)費(fèi)用、模具費(fèi)用甚至加工機(jī)械設(shè)備的費(fèi)用可以分?jǐn)傇谡麄€(gè)產(chǎn)品的數(shù)量上。比較長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期產(chǎn)生巨大的銷售量保證了初期投入及時(shí)地獲得回報(bào)。而如今隨著技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的加速，產(chǎn)品生命周期大大縮短。這種現(xiàn)象首先出現(xiàn)在民用產(chǎn)品上，使用周期從過(guò)去的三四年縮短到一二年，甚至更短。這種趨勢(shì)也影響了工業(yè)產(chǎn)品的生命周期的長(zhǎng)短。
    產(chǎn)品生命周期短、產(chǎn)品數(shù)量少同時(shí)數(shù)量要求的突變性，必然需要一種靈活多樣的生產(chǎn)制造模式來(lái)快速響應(yīng)這些變化。實(shí)現(xiàn)智能工廠的第一步就是要建立這樣的具有自適應(yīng)功能的生產(chǎn)制造模式。目前德國(guó)推動(dòng)智能工廠的一項(xiàng)重要任務(wù)就是設(shè)計(jì)和規(guī)范按照市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品需求的不同時(shí)間段而實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)方式的靈活多樣的生產(chǎn)制造發(fā)展周期。
    智能工廠要滿足產(chǎn)品制造周期的自適應(yīng)生產(chǎn)制造模式。多工作方法的生產(chǎn)制造模式是智能工廠滿足客戶和產(chǎn)品特殊需求的基礎(chǔ)，將客戶和市場(chǎng)的需求及時(shí)地與生產(chǎn)制造模式有機(jī)地整合在一起，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)的方法來(lái)平衡成本與投資，降低成本，提高響應(yīng)速度。提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力是智能工廠的基本設(shè)計(jì)思想。要實(shí)現(xiàn)人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的生產(chǎn)制造模式，我們首先要考慮到這種混合生產(chǎn)制造模式的實(shí)施成本問(wèn)題，生產(chǎn)方式切換時(shí)產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間問(wèn)題，調(diào)試維護(hù)安裝操作難度提高的問(wèn)題，運(yùn)行人員的技術(shù)水平培養(yǎng)問(wèn)題，系統(tǒng)規(guī)劃預(yù)算的復(fù)雜性問(wèn)題等等。 針對(duì)這些問(wèn)題，必須解決：產(chǎn)品數(shù)量的響應(yīng)性；生產(chǎn)規(guī)劃的長(zhǎng)期性；生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性；技術(shù)發(fā)展的連續(xù)性；制造成本的競(jìng)爭(zhēng)性；員工創(chuàng)新的主導(dǎo)性。這六個(gè)性能構(gòu)成了智能工廠生產(chǎn)制造模型的特征。
    智能工廠必須具備將人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式的控制系統(tǒng)的基本方法人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)三位一體的適應(yīng)性生產(chǎn)制造模式是構(gòu)成生產(chǎn)價(jià)值鏈軸/生產(chǎn)管理軸的集合。針對(duì)產(chǎn)品的高柔性化生產(chǎn)和客戶定制的發(fā)展趨勢(shì)，建立高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。
    在這種模式中，由于引入了各種新的技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，產(chǎn)生以生產(chǎn)制造為導(dǎo)向的交叉領(lǐng)域和創(chuàng)新理念，創(chuàng)造出新價(jià)值，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈將被重組。適應(yīng)性的生產(chǎn)制造模式針對(duì)產(chǎn)品制造周期自適應(yīng)生產(chǎn)制造模式提出了基本的設(shè)計(jì)規(guī)范，核心是將IT信息技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。對(duì)所需的信息和應(yīng)用信息要求數(shù)字化；保證產(chǎn)品在不同時(shí)刻或階段需求量不同，對(duì)于生產(chǎn)峰值有及時(shí)的應(yīng)對(duì)能力； 應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)及IT技術(shù)將生產(chǎn)制造、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)管理結(jié)合在一起；采用分散智能化裝備組件使得生產(chǎn)模式功能擴(kuò)展得更加方便；采用網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的概念達(dá)到數(shù)字工廠與實(shí)際對(duì)象的一致性。 當(dāng)然成本的優(yōu)化、操作的方便性等等因素都在設(shè)計(jì)的大綱中體現(xiàn)出來(lái)。
    根據(jù)這些現(xiàn)實(shí)及未來(lái)發(fā)生的問(wèn)題，研究智能工廠的路徑圖得以提出。智能工廠是信息化技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)品，是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)。智能工廠規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行專家們不僅要了解自己的產(chǎn)品即生產(chǎn)裝備及技術(shù)，同時(shí)也應(yīng)該清楚掌握產(chǎn)銷流程、即時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理編排生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)進(jìn)度。為了提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工干預(yù)、在設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須將生產(chǎn)管理、生產(chǎn)流程及生產(chǎn)效率統(tǒng)一于生產(chǎn)制造模式中，從而構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的現(xiàn)代化工廠。它主要采用的技術(shù)核心如下：A) 采用數(shù)字工廠/虛擬工廠的技術(shù)；B)智能分散型機(jī)電控制一體化的功能模塊；C) IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用實(shí)現(xiàn)三位一體化的適應(yīng)性生產(chǎn)制造系統(tǒng)。
    智能工廠還須具備融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)管理系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”概念的智能工廠，在注重新的生產(chǎn)線高度自動(dòng)化的同時(shí)，必須首先在制造的主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信息化控制與集成，以支撐生產(chǎn)過(guò)程管理與監(jiān)控以及制造執(zhí)行環(huán)節(jié)的信息主動(dòng)獲取和集成。為此，智能工廠必須以生產(chǎn)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的主動(dòng)獲取、應(yīng)用和集成為主線，設(shè)計(jì)出智能制造過(guò)程管理與控制軟件子系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱子系統(tǒng)），主要業(yè)務(wù)模塊總體框架。
    該子系統(tǒng)主要分為三個(gè)層面：信息集成與服務(wù)層、智能制造車間管理層以及設(shè)備層。在智能工廠的企業(yè)管理層必須與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合。整個(gè)軟件框架體系中，頂層信息集成與服務(wù)層通過(guò)云服務(wù)與其他工廠進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)制造服務(wù)化；生產(chǎn)制造管理層作為制造執(zhí)行控制功能，對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)分析，主要包括制造執(zhí)行控制模塊、庫(kù)存與物流控制模塊、多源過(guò)程數(shù)據(jù)獲取與分析模塊、設(shè)備通訊模塊等關(guān)鍵業(yè)務(wù)功能以及系統(tǒng)基礎(chǔ)支撐模塊。各層間通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。智能工廠的IT設(shè)施建立在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，云計(jì)算的本質(zhì)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)模式，它類似于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心?？刂剖铱梢岳斫鉃樗接性?，考慮到控制的可靠性要求非常高，為CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)提供服務(wù)的Apps平臺(tái)建立在工廠企業(yè)的私有云上。但是一些營(yíng)運(yùn)和生產(chǎn)管理，例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP、以及MES的一些功能可以通過(guò)云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。這樣可以降低創(chuàng)建和優(yōu)化基礎(chǔ)架構(gòu)的成本，提升生產(chǎn)管理的智能化水平，高效地跨地域協(xié)同以及提高快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的能力。
    德國(guó)正加緊實(shí)踐工業(yè)4.0和智能工廠
    實(shí)際上，工業(yè)4.0提出的智能工廠的概念，是與德國(guó)工業(yè)界遇到的最大瓶頸緊密地聯(lián)系在一起的，無(wú)論所宣傳的CPS系統(tǒng)將人、產(chǎn)品和機(jī)器用互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，還是用個(gè)性化生產(chǎn)來(lái)描述滿足市場(chǎng)日益?zhèn)€性化的產(chǎn)品需求，其隱含著最大的目的是建立一個(gè)與互聯(lián)網(wǎng)融合的智能化先進(jìn)制造方式，提高效率，降低成本和加快反應(yīng)速度。根據(jù)德國(guó)專家的分析，這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至少要十多年，所以存在著現(xiàn)實(shí)與未來(lái)、方式與模式矛盾的問(wèn)題。
     然而，在過(guò)去的幾年里，德國(guó)大多數(shù)企業(yè)和工程人員也搞不清工業(yè)4.0到底要干什么，智能工廠到底應(yīng)該如何來(lái)建造，基本上處于觀望狀態(tài)。從2015年開始，德國(guó)意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，必須將實(shí)踐與理論相結(jié)合，將概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。德國(guó)理、經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)Gabriel明確要求各企業(yè)公司必須加快研發(fā)步伐，盡快將研發(fā)成果應(yīng)用到實(shí)踐，成為可復(fù)制的樣板工程，同時(shí)要盡快確定新業(yè)務(wù)的模式。所以，2015年5月，由德國(guó)經(jīng)濟(jì)和教育研究牽頭重組了工業(yè)4.0平臺(tái)，并著重于工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化的制定工作。2015年11月，德國(guó)發(fā)布了工業(yè)4.0第二版，并將其確定為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，上報(bào)到IEC。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐的重要性。在很短時(shí)間內(nèi)制定了工業(yè)4.0實(shí)施示范分布圖，共記錄了202個(gè)以工業(yè)4.0為導(dǎo)向的示范項(xiàng)目，人們可以通過(guò)網(wǎng)站直接閱讀。
    值得一提的是，通過(guò)觀察和分析，我們可以看到目前所有的項(xiàng)目并不是想象中的“智能工廠、數(shù)字工廠、自適應(yīng)工廠”，更多的是技術(shù)，深度的自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。其目的不在于做秀給別人參觀， 而是用務(wù)實(shí)的創(chuàng)新精神來(lái)解決針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中產(chǎn)品快速需求性、產(chǎn)品生命周期不斷縮短、多品種小批量生產(chǎn)制造模式的問(wèn)題，在實(shí)踐中通過(guò)增加工藝流程和生產(chǎn)制造模式的靈活性，特別是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使業(yè)務(wù)流程的不同方面(如質(zhì)量、時(shí)間、任務(wù)、穩(wěn)健性、價(jià)格和生態(tài)友好)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置，加快對(duì)材料和供應(yīng)鏈的持續(xù)調(diào)整。同時(shí)，這也意味著工程流程能夠變得更加靈活，制造流程可以隨時(shí)被改變，暫時(shí)性短缺(比如供應(yīng)問(wèn)題)能夠快速?gòu)浹a(bǔ)，并且在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的大幅提高。
    而且，工業(yè)4.0建立產(chǎn)品數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)，使得人們?cè)谠O(shè)計(jì)、配置、排序、規(guī)劃、制造和運(yùn)行等階段中納入數(shù)字化產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行及時(shí)的適應(yīng)性的修改。通過(guò)生產(chǎn)制造方式的靈活性、研究的適應(yīng)性和市場(chǎng)客戶快速響應(yīng)性，使得智能工廠的生產(chǎn)制造模式能夠解決由于產(chǎn)品生命周期不斷縮短造成的制造成本和響應(yīng)速度的問(wèn)題，提高資源利用率來(lái)得到足夠獲利能力。
    如果我們從這個(gè)新的思路出發(fā)重新認(rèn)識(shí)智能工廠的真正含義和推進(jìn)路徑，無(wú)論是位于德國(guó)巴伐利亞州東城市安貝格的西門子工廠還是寶馬公司全生產(chǎn)線，盡管我們沒(méi)有感受到許多新的技術(shù)，也沒(méi)有非常震撼的感覺，但是解決產(chǎn)品的制造成本、提高生產(chǎn)制造的靈活性恰恰處于演變之中。同樣，202個(gè)示范項(xiàng)目中的每個(gè)項(xiàng)目都對(duì)自動(dòng)化提出了挑戰(zhàn)。因?yàn)樗梢越o整個(gè)供應(yīng)鏈帶來(lái)自動(dòng)化附加值，它的功能、高品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)回報(bào)還有生產(chǎn)效率都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的介入而進(jìn)一步提升。
    綜上所述，在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，面臨美國(guó)提出的“第三次”“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，德國(guó)沒(méi)有隨風(fēng)而動(dòng)，跟隨美國(guó)人進(jìn)行制造領(lǐng)域顛覆性的改變，而是按照自身國(guó)情、本國(guó)工業(yè)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和瓶頸，提出了符合自己生產(chǎn)制造模式改進(jìn)的策略，乃至上升為。德國(guó)沒(méi)有將工業(yè)4.0僅僅限制在智能工廠、智能制造上，而是通過(guò)將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)有效地運(yùn)用到工業(yè)之中，進(jìn)行生產(chǎn)制造模式的變革，并制定了長(zhǎng)期的規(guī)劃圖，將現(xiàn)實(shí)與未來(lái)有機(jī)結(jié)合，將方式與模式的改變有機(jī)結(jié)合，走出德國(guó)自身的發(fā)展工業(yè)之路。
    創(chuàng)新性智能制造必須結(jié)合國(guó)情
    《制造2025》也為我國(guó)工業(yè)發(fā)展提出了綱領(lǐng)性的方針與政策。我們必須按照這個(gè)方針，找出我們工業(yè)目前發(fā)展碰到的瓶頸和挑戰(zhàn)，一步一步地解決難點(diǎn)問(wèn)題，而不是回避問(wèn)題，人為轉(zhuǎn)型。
    當(dāng)今我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域遇到許多瓶頸：產(chǎn)能過(guò)剩、經(jīng)濟(jì)下行壓力大、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等，但與此同時(shí)，創(chuàng)新性不夠、產(chǎn)品質(zhì)量不高仍然是我們最大的問(wèn)題。目前提高質(zhì)量的關(guān)鍵因素是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造自動(dòng)化，特別是工廠制造自動(dòng)化。只有質(zhì)量提高了，我們才能提高效率，通過(guò)有效的管理手段來(lái)實(shí)現(xiàn)流程執(zhí)行的最優(yōu)化。因此，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)“制造2025”的必要條件，而數(shù)字化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“制造2025”的充分條件。通過(guò)運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的一致性， 為經(jīng)過(guò)生產(chǎn)管理做出決策提供最好的可靠的依據(jù)。如果生產(chǎn)過(guò)程中，人為的因素比重過(guò)大，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，那么再好的管理方法、管理理念也無(wú)法解決質(zhì)量問(wèn)題。由于我國(guó)工業(yè)制造水平極不平衡，整體制造業(yè)格并未完全適應(yīng)目前數(shù)字化、智能化的改造需求，我們必須依照“工業(yè)2.0補(bǔ)課，工業(yè)3.0普及，工業(yè)4.0示范”策略，從實(shí)際出發(fā)，因地制宜，制定企業(yè)目標(biāo)。具體做法是：作為產(chǎn)品生產(chǎn)商或制造產(chǎn)品設(shè)備商，要根據(jù)自身情況，從生產(chǎn)制造自動(dòng)化、流程管理數(shù)字化、企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)化到智能制造云端化，一步一步實(shí)現(xiàn)智能工廠的。

標(biāo)簽：