2.6“工业4.0”与制造业变革

2.6.1 CPS与智能生产

2011年，在汉诺威工业博览会上，德国人工智能研究中心执行总裁 Wolfgang Wahlster教授首次提出“工业4.0”。德国政府于2013年在汉诺威工业博览会上发布了《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》，提出“工业4.0”的核心是信息物联网和服务互联网与制造业的融合创新，通过将智能技术和网络通信技术投入工业应用中，可以进一步巩固德国在工业装备制造和 IT业务解决方案领域的国际竞争力和领先地位。美国曾在2005—2006年对信息物联网和服务互联网与制造业的融合，提出了实体物理系统（cyber-phsysical system, CPS）的概念。无论是美国提出的CPS，还是德国提出的“工业4.0”，都是旨在通过物联信息系统将生产中的供应、制造和销售信息数据化、智慧化，最后达到快速的、有效的、个人化的产品供应，提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴，形成智能制造模式。

信息物理系统是“工业4.0”的核心，它强调物理过程与信息间的反馈。信息物理系统是计算和物理过程的整合集成，嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制。以信息物理生产系统（CPPS）为模型构建智慧工厂，通过制造业价值链实现对分散化的制造资源的横向集成，从而产生一个生产结构不是预先固定或定义的柔性工厂。每一台机器、每一个人和每一个企业，都通过 CPS实现自身资源和能力的虚拟化，通过泛在信息网络互相进行通信，基于一组预先定义的算法和服务，对需求方提出的需求进行动态响应，由系统自动进行服务的动态集成和配置，形成虚拟工厂的拓扑结构配置组合，各类 CPS主体跨越边界进行信息交流。生产过程中所需的任何物料和工艺、温度、关系、作业条件等，都通过数字化模型被虚拟化和标签化，能够通过可变信息网络在任何地方和任何时间进行收集，被整合到生产系统之中。在生产系统中的人和自动化模块具有智能化、自我解释、自我意识、自我诊断、交互评估能力。

在“工业4.0”下，企业基于CPS将工业过程的各个环节有机整合，实现过程的受控和任务的分解，并通过网络资产实现价值的综合集成，并将所构建的端到端的数字化集成分布于整个价值链，实现交叉式和网络化的制造系统{L-End} [53]。

2.6.2 智能制造

在“工业4.0”模式下，制造企业将建立智慧工厂，实现智能生产，产出智慧产品，实现智能服务。在智慧生产模式下，产品集成有动态数字存储器、信息感知和通信能力，承载着在其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息；设施通过CPS被虚拟化和透明化，由整个生产价值链所集成，可实现自组织组合配置为整个智能工厂；客户需要的个性化产品的生产，会根据为其建立的 CPS模型和其他物料及机器、人进行自主通信，根据当前的状况灵活决定生产过程。

基于“工业4.0”，实现智能制造，有三个核心理念：智能工厂、智能生产和智能物流{L-End} [54]。

（1）智能工厂通过建立智能化生产系统及智能化生产过程系统，以及网络化分布式生产设施，来支持智能产品的定制化生产。智能工厂是基于统一的机械、电器和通信标准，在传感器、软件和通信网络的支持下，实现普遍互联的透明化云服务工厂，客户可以透明化实现对生产过程的智能化监控。智能工厂能够基于客户提出的个性化任务需求，自主运作，并且在机器、车间和工厂间建立起零件、机器、设施、工艺之间的交流与通信。基于物联网传感器所收集的机器运行大数据，智能工厂还可以自主做出预防性维修提示，这使得工厂设备脱离僵化的生产线的束缚，可以根据客户需求以及设备状况做出智能的调整，既能够加快市场反应速度，又能够降低生产成本，使得个性化生产的产品也可以具有大规模制造的成本优势，打破了标准化生产的成本优势。

（2）智能生产涉及企业的生产物流、人机互动、3D设计与工艺技术等的系统应用。在智能工厂的基础上，进一步考虑人的要素，关注友好的人机界面设计，建立起人机—工艺—物料的一体化数据化驱动模型，驱动各个生产要素的协同运作。从这个意义上看，智能生产是以人为中心，以基于信息物理系统的智能辅助系统为基础建立的更为人性化、柔性化的人机互动模式。设备将由整个生产价值链所继承，可实现自组织。管理能够根据当前的状况，灵活决定生产过程。在智能生产模式下，每一个企业都以透明工业云的方式参与到智慧生产过程中。

（3）智能物流则通过对物流过程的各类主体的数据化和信息化，建立起物流过程的透明化管理模型和普遍互联网络，根据客户的需求，动态实现对物料和产成品的供给和配送。智能产品是指每一个产品将承载其整个供应链和生命周期中所需的各种信息，可以感知环境并和环境进行自主通信，从而帮助用户更好地使用产品。人、设备、物料、产品、工艺、管理等，将建立基于6C 的协同网络，即连接（connection，传感器和网络）、云（cloud，任何时间及需求的数据）、虚拟网络（cyber，模式与记忆）、内容（content，相关性和含义）、社群（community，分享和交际）与定制化（customization，个性化服务与价值）。基于6C，实现对智能工厂、智能生产和智能物流的系统性规划、建设和运营，从而驱动整个制造模式的变革。企业将以低成本的方式，实现多品种、小批量、智能化产品的高精度、优质量生产{L-End} [55]。