從德國工業4.0看未來智慧製造業

2009到2012年歐洲深陷債務危機，德國經濟卻一枝獨秀，依然堅挺，它增長的動力來自其基礎産業——製造業所維持的國際競爭力。對於德國而言，製造業是傳統的經濟增長動力，製造業的發展是德國工業經濟增長的不可或缺因素。基於這一共識，德國政府傾力推動進一步的技術創新，其關鍵詞是“工業4.0”。

德國2010年公佈的《高科技戰略2020》中，提出了一系列促進製造業發展的創新政策。為使該戰略得到具體落實，2012年德國政府公佈題為《十大未來項目》的跨政府部門的聯合行動計劃，並決定在2012～2015年間向十大項目資助84 億歐元。被稱為“工業4.0”的未來項目，與能源供給結構改革、可持續發展等項目同步公佈。“工業4.0”未來項目，主要是通過深度應用ICT（信息通信技術），總體掌控從消費需求到生産製造的所有過程，由此實現高效生産管理。

工業 4.0進化過程

工業革命1.0：18世紀末期始於英國的第一次工業革命，19世紀中葉結束。這次工業革命的結果是機械生産代替了手工勞動，經濟社會從以農業、手工業為基礎轉型到了以工業以及機械製造帶動經濟發展的模式。

工業革命2.0：第二次工業領域大變革發生在20世紀初期，進入了生産線生産的階段，通過零部件生産與産品裝配的成功分離，開創了産品批量生産的新模式。20世紀70年代以後，電子工程和信息技術的加入實現了生産的最優化和自動化。

工業革命3.0： 第三次工業革命始於第二次工業革命過程中發生的生産過程高度自動化。自此，機械能夠逐步替代人類作業。

工業革命4.0：未來10年，第四次工業革命將步入“分散化”生産的新時代。工業 4.0通過決定生産製造過程等的網絡技術，實現實時管理。

信息物理融合系統（CPS）

通過通信網絡，將工廠內所有設備互聯的“智慧工廠”就是其中最好的一個體現。德國製造業中的所有行業正在實施該項目有關的研究，並計劃為此投入2億歐元。智慧工廠或者“工業 4.0”，是從嵌入式系統向信息物理融合系統（CPS）發展的技術進化。作為未來第四次工業革命的代表，工業4.0不斷向實現物體、數據以及服務等無縫連接的互聯網 （物聯網、數據網和服務互聯網）的方向發展。

工業 4.0體現了生産模式從“集中型”到“分散型”的範式轉變，正是因為有了讓傳統生産過程理論發生顛覆的技術進步，這一切才成為可能。同時，分散型智慧利用，代表了生産製造過程的虛擬世界與現實世界之間的交互關係，在構建智慧物體網絡中發揮重要作用。未來，工業生産機械不再只是“加工”産品，取而代之的是，産品通過通信向機械傳達如何採取正確操作的信息與指令。

CPS連接了虛擬空間與物理現實世界，使智慧物體通信以及相互作用，創造一個真正的網絡世界，它體現了當前嵌入式系統的進一步進化。與互聯網或者網上可蒐集的數據、服務一起，嵌入式系統也是構成CPS的要素之一。

CPS可提供構建物聯網的基礎部分，並且與“服務互聯網”一體化，實現工業 4.0。這些技術被稱為“實現技術”，培育更加廣泛的、基於創新型應用或過程的新現實空間，淡化現實世界與虛擬空間的界限。實現技術就像互聯網使得個人通信以及相互作用的關係發生變革一樣，將給我們與物理現實世界之間的相互作用關繫帶來根本性變化。

基於高性能軟體的嵌入式系統與融合在數字網絡中的專業用戶接口之間發生的相互作用，將誕生全新的系統功能性世界。舉一個簡單的例子，智慧手機囊括許多應用和服務，已經遠遠超出設備本身通話功能。由於全新的劃時代應用和服務的提供商將不斷涌現，漸漸形成新的價值鏈，所以，CPS也將對現有業務與市場模式帶來範式轉變。汽車工業、能源經濟，還有包括諸如工業 4.0的生産技術的各個工業部門，將同步因這些新價值鏈發生巨變。

未來智慧製造業

在未來的智慧製造業中，CPS對涵蓋自動化、生産技術、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫療等眾多工業部門、應用領域，具有非常重要的意義。因CPS而實現的許多應用，將産生新附加價值鏈和業務模式。CPS不僅可以降低實際成本，提高能源、時間等的效率，還能降低CO2排放水平，在保護環境上發揮重大作用。

因為CPS的存在，智慧工廠的生産系統、産品、資源及處理過程都將具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節約中更具優勢。智慧工廠將按照重視可持續性的中心原則來設計，因此，服從性、靈活性、自適應性、學習能力、容錯能力甚至風險管理都是其中不可或缺的要素。智慧工廠設備的高級自動化，主要是由基於自動觀察生産過程中CPS生産系統的靈活網絡來實現的。通過可實時應對的靈活的生産系統，能夠實現生産工程的徹底優化。同時，生産優勢不僅僅是在特定生産條件下的一次性體現，還可以實現多家工廠、多個生産單元所形成的世界級網絡的最優化。

相對於傳統製造工業，以智慧工廠為代表的未來智慧製造業是一種理想的生産系統，能夠智慧編輯産品特性、成本、物流管理、安全、信賴性、時間以及可持續性等要素，從而為各個顧客進行最優化的産品製造。這樣一種“自下而上”型的生産模式革命，不但能節約創新技術、成本與時間，還擁有培育新市場機會的網絡容量。（王喜文）