Industry 4．0 新工业革命与工业自动化转型升级

缪学勤

(上海工业自动化仪表研究院，上海 200233)

进入21世纪以来，世界经济出现了新的局面，增速缓慢、波澜起伏、竞争加剧。为了摆脱危机和取得可持续发展，世界各国都在加快新的技术和工业革命的变革。德国是高度工业化的，以制造业为导向的出口型经济技术强国，为了保持在重要关键技术上的国际领先地位，提出了继蒸汽机的发明、大规模生产和自动化之后的第四次工业革命——Industry 4．0高科技战略计划。其基本设想是制造的产品集成有动态数字存储、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的信息；整个生产价值链中所集成的生产设施能够实现自组织，能够根据当前的状况灵活地决定生产过程。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。

1 Industry 4．0 产生的背景

1．1 信息与通信技术的突破

最近十年，信息技术不断取得新的突破，产生了新一代的信息技术。按照美国ARC顾问集团的观点，推动产业转型的新一代信息技术主要包括社交媒体技术、移动互联网和物联网技术、云计算技术以及大数据与先进分析技术。

1) 社交媒体技术。在国内微博和微信得到广泛使用，已深刻改变了社会领域的各个方面。而在美国，社交网站的发展驱动了人们对于社交媒体技术在制造领域应用的探索。今天的制造业正面临着巨大的挑战，各个工厂工程师需要拥有非常广泛的工程技术知识，而设计、建设、运营并且优化生产流程是难度很高的任务。为此，如何快速查找工作所急需的专业知识，如何快捷地找到正确的能帮助你的人，如何在设计过程中实现全球协同等，都可以借助于社交媒体技术来实现。同时社交媒体可以有利于工厂企业市场营销的品牌建立与提升，获得潜在客户信息等需求。社交媒体技术的应用还可以拓展到员工、客户或者商业伙伴之间的协同工作领域，并能提高企业的运营效率[1]。

2) 移动互联网与物联网技术。移动互联网是移动和互联网融合的产物，继承了移动随时、随地、随身和互联网分享、开放、互动的优势，即运营商提供无线接入，互联网企业提供各种成熟的应用，移动互联网被称为下一代的互联网Web3．0。

a) 互联网将计算机进行互联互通，实现了人与人的联网，彻底改变了人与人的互动方式。随着技术的不断发展，进一步希望物理世界也联网，进而实现信息世界与物理世界的交融，于是产生了物联网。物联网是指通过射频识别(RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任意物品与互联网相连，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

b) 在物联网中，物品通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。在很多应用中，接入网络的设备对其计算能力的要求远非RFID能比。因为物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，所以物品之间无法协同控制。为了将控制技术融入互联网，2006年美国国家基金会(NSF)科学家Helen Gill提出了信息物理融合系统CPS(Cyber Physical System)的概念，将互联网技术的发展推向了一个新的高度。CPS把计算与通信深深地嵌入实物过程，使之与实物过程密切互动。由此可见，CPS是将物理设备联网，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。由于分布式应用系统中物理设备之间的协调是通过通信完成的，因而CPS把通信与计算和控制放在同等的地位[2]。CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但又有别于处于封闭状态的工业控制系统。

3) 云计算技术。云计算发源于搜索引擎平台，是互联网企业出于追求低成本高效能的考虑开发出的一种计算技术，目前已成为提供各种互联网服务的重要平台。云计算是以虚拟化技术为基础，以按需付费为商业模式，具备弹性扩展、动态分配和资源共享等特点的新型网络化计算模式。在云计算模式下，软件、硬件、平台等IT资源将作为基础设施，以服务的方式提供给使用者[3]。

4) 大数据与先进分析技术。在制造业领域，很多机器上都安装了一个或多个微处理器来采集生产数据，无处不在的传感器和微处理器，形成了庞大的数据来源，其大小已经超出了传统意义上的规模，常规的数据库技术已难以完成捕捉、存储、管理和分析这种大规模的数据集合。大数据技术是从各种类型的数据中，采用新处理模式快速获得有价值信息，从而实现深度理解、洞察发现与精准决策。其给制造业带来的益处包括优化流程、降低成本与提升营运效率。

1．2 新技术产业革命是解决经济危机的最佳手段

2008年以来，世界各国开始认识到，用新一代信息技术转型升级传统工业是解决经济危机的最佳手段。在这种背景下，各国从不同角度，提出了新工业革命的不同版本。最具代表性的是美国著名未来学家杰里米·里夫金在其畅销书《第三次工业革命》中提出的第三次工业革命的概念。作者认为在蒸汽机和信息技术两次工业革命之后,第三次工业革命时代已经开始到来,它的重要标志是分布式发电与互联网技术的紧密结合。数亿计的人们在自己的工厂里、办公场所、甚至家中就可以生产出绿色能源，不仅如此，还可在“能源互联网”(The Internet of Energy)上与大家进行能源共享，就像今天大家在网络上分享信息一样地简单便利。绿色能源、互联网、个体创新和生产全球化代表着未来技术的发展方向，被称作“第三次工业革命”[4]。

2 Industry 4．0战略

由于文化、政治和经济的不同，德国认为不需要跟随模式。于是，从实际国情出发，德国于2012年首先提出将CPS的技术创新应用于制造工业，提出了基于CPS的Industry 4．0第四次工业革命战略[5]。工业革命的具体划分如图1所示。

图1 工业革命的划分

1) Industry 1．0。第一次工业革命大约产生于1780年，18世纪中期英国发明了“蒸汽机”，随之创造出制造蒸汽机的生产工具“手动机床、刀具”。1784年第一台机械纺织机诞生，使人类由“手工劳动”向“机械化”变化，由“家庭手工业”向“大机器工业生产方式”转变，生存率和劳动生产率大幅提高，推动了世界由“农业国”向“工业国”转变。

2) Industry 2．0。第二次工业革命产生于20世纪初，当时美国的福特发明了汽车与大批量生产流水线，同时电力技术开始推广应用，随之而来创造出“自动化机床”、“自动线”。人类由“机械化零星生产”向“大批量自动化生产”转变，提高了劳动生产率，加速了现代化工业的发展。

3) Industry 3．0。20世纪70年代初，第一台可编程逻辑控制器(PLC)Modicon 084问世，在微电子、微型计算机与IT技术的推动下，产生了第三次工业革命。特别是进入20世纪80年代，发达国家经过几十年大工业生产的积累，为了适应人们日益多样化的需求，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术以及计算机软硬件，形成了计算机集成制造(CIM)技术，实现了企业全部生产系统和企业内部业务的综合自动化和高效化，使企业经济效益持续稳步地增长。

4) Industry 4．0。从现在开始，由于数字化、智能化、信息化与网络化等新技术不断取得突破，催生了第四次工业革命的到来。在Industry 4．0 时代，每个工厂企业都将建立 “数字企业平台“，通过开放接口将虚拟环境与基础架构融为一体，从而构成CPS,生产自动化系统将升级为信息物理融合生产系统(CPPS)。Industry 4．0将由集中式控制向分散式、增强型控制基本模式转变，创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组，将使人类从“自动化生产”进入“智能化生产、绿色生产、都市化(Urban)生产”。

3 Industry 4．0战略计划愿景与目标

Industry 4．0战略愿景是成为智能网络化世界的一部分[5]。物联网及其服务推动这些领域产生重大变革，从而产生了能源领域的智能电网，可持续的移动策略(智能汽车、智能仓储)以及健康领域的智能健康。在制造环境中，实现价值网络上的产品和系统日益智能化、横跨整个价值网络的垂直网络化、端到端工程和水平集成。

Industry 4．0集中于创建智能产品、规范和方法，其中智能工厂(Smart Factory)制订Industry 4．0的主要细节内容。智能工厂能够管控各种复杂情况，很少发生停车，并能更有效地制造产品。智能工厂与智能汽车、智能物流和智能电网的接口，将使得智能工厂成为未来智能基础设施的主要部分，如图2所示。这将导致产生常规价值链的变革，并出现新的业务模式。

图2 智能基础设施组成示意

Industry 4．0战略愿景与目标具体描述为以下几个方面：

1) 在制造企业中，所有执行者与资源之间将采用新的、高水平的社交媒体技术交互方式。一切都围绕制造资源网络进行考虑，该网络包括制造机器、机器人、运输和仓储系统以及各类生产设施。制造资源网络基于知识是自治的、能够响应各种情况完成自身控制、具有自组织能力、并配备有分布广泛的传感器，同时与相关的规划和管理系统紧密结合。作为愿景的关键部分，智能工厂将被嵌入到企业内部的价值网络中，并具有包括制造过程和制造产品的端到端的工程特征，从而实现数字和物理世界的无缝融合。

2) Industry 4．0 智能产品都将能唯一地被识别，任何时间都能确定其位置，甚至在智能产品加工期间，也能知道其制造过程的详细情况。这就意味着在某些领域，智能产品将能控制半自治生产的个别阶段。此外，还将能确保了解制成品的各种参数，从而做到功能最满意，同时还能分辨在其生命周期期间磨损与损伤情况。共享上述信息可以从物流、调度和维护方面优化智能工厂，同时实现与业务管理应用的整合。

3) 在Industry 4．0的未来，工厂还能将单个用户指定的产品性能结合进设计、配置、定制、规划、生产、运行和再周转中；工厂在制造之前或制造期间，甚至也有可能在运行期间直接响应最后一分钟提出的变更需求。这将使得智能工厂能够制造单个，甚至极少数量的产品。

4) Industry 4．0愿景的实现将使得企业员工能够控制、调整和配置智能制造资源网络以及建立在所处环境和与上下文有关的目标基础上的制造步骤。企业员工将能从执行任务的路径中解放出来，集中精力从事创新和增加附加值活动。但是，他们仍将处于关键角色地位，特别是在保证质量方面。

4 Industry 4．0的主要特征

为了确保德国在制造业市场和装备制造业供应商两个方面的领导地位，Industry 4．0采用在制造业布局CPS以及加速CPS技术和产品市场化双战略。Industry 4．0在战略层面能够创建水平价值网络，在业务流程层面(包括工程)提供跨越整个价值链的端到端集成，同时能够实现垂直集成和网络化制造系统。具体表现为以下三方面特征：

1) 水平集成。在生产、自动化工程和工厂领域，水平集成是指用于制造和业务规划流程不同阶段的各种工厂系统的集成，其中包括在公司内部(例如入库、生产、出库、市场)和几个不同公司之间(价值网络)的集成。该集成的目标是提供端到端的解决方案，通过水平集成开发公司内部的价值链和网络。

2) 端到端系统工程。跨越整个价值链的端到端系统工程包括产品设计和开发、生产规划、生产工程、生产实施以及服务五个阶段。这就需要采用跨越不同技术学科的整体性系统工程方法。贯穿工程流程的端到端数字集成，横跨不同的公司和整个产品价值链，同时考虑用户需求，将数字世界和真实世界进行集成。端到端数字系统工程和由此产生的价值链最优化，将意味着用户不再选择由制造商指定的预先定义了性能范围的产品，取而代之的是将单个功能和部件配合，以满足指定的要求。通过CPS实现的基于模型的开发，允许采用一种端到端、模型化的数字方法，它包括从用户需求到产品结构，直至最终产品生产。这就使得在一个端到端系统工程工具链中就能识别和描述所有的依赖关系。基于同一模型能够平行地开发制造系统，意味着它与产品的开发始终保持并驾齐驱，使制造单个产品成为可能。目前，国内已着手开展这方面的工作[6]。

3) 垂直集成。垂直集成是指为了能够实现端到端解决方案在不同层级(例如执行器和传感器、控制、生产、管理、制造和执行以及公司规划级)的各种工厂系统的集成。

5 “智能工厂”是Industry 4．0 的核心

目前，Industry 4．0 已处在德国高科技战略计划的首要位置。该计划主要分为两大主题：

1) “智能工厂”重点研究智能化生产系统及过程、网络化分布式生产设施的实现。

2) “智能生产”主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动、3D打印以及增材制造等技术在工业生产过程中的应用等。

在智能工厂中，人员、机器和资源相互之间进行通信，就像在社交网络一样。智能产品能够知道其被制造和打算被使用的详细情况，主动支持制造过程，回答诸如“什么时候我被加工？”，“处理产品的哪一个参数？”，“产品被传递到何处？”等问题，从而能够根据当前的状况灵活地决定生产过程。

为了实现Industry 4．0计划，德国联邦教研部与联邦经济技术部联手，投入高达5亿欧元支持该计划，由德国人工智能研究中心(DFKI)牵头，西门子公司、菲尼克斯电气公司以及SAP公司等23家工业自动化企业参加，组成了“智能工厂创新联盟”。该联盟的目标是研发、演示、应用和分享创新的智能工厂技术，提出融合规划、工程和生产工艺以及相关机电系统的全面解决方案，为该技术广泛用于工业生产创造条件[7]。

6 智能工厂的体系架构

由于CPS进入制造和物流的技术集成以及在工业流程中使用物联网及其服务，从而产生了创新的工厂系统——智能工厂。完全不同于传统的工厂自动化系统，智能工厂采用面向服务的体系架构，具体体系架构如图3所示。从中可以看出，对应于传统自动化系统的现场级使用物联网技术；对应于控制级采用CPPS；对应的监控管理级连接到安全可靠和可信的云网络主干网，采用服务互联网提供的服务。

图3 智能工厂的体系架构

1) 基于嵌入式Internet技术、无线自组织的机器对机器通信M2M(Machine-to-Machine)通信网络。M2M是基于特定终端行业，以公共无线网络为接入手段，为客户提供机器到机器的通信解决方案，满足客户对生产过程监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的信息化需求。M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，它是机器之间的一种智能化、交互式通信，即使人们没有实时发信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地作出选择，对相关设备发出正确的指令。工业控制需要实现智能化、远程化和实时化，随着无线宽带的突破，具有高数据传输速率、低占空比、IP网络支持以及泛在移动性的M2M将提供更佳的承载基础[8]。

2) CPPS。由于工业控制的可靠性要求非常高，因而生产流程控制采用靠近工厂机器设备的CPPS。按照文献[9]： CPS是计算过程和物理过程的集成系统，利用嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制，并通过反馈环实现计算过程和物理过程的相互影响。CPPS是一种网络型嵌入式系统，它将打破在PC机时代建立的传统自动化系统的体系架构，从而全面实现分布式智能。

3) 安全可靠和可信的云网络。智能工厂的IT设施建立在云计算网络基础上，云计算的本质是一种基于互联网的服务模式，它类似于远程数据中心。控制室可以理解为私有云，考虑到控制的可靠性要求非常高，为CPPS提供服务的App平台建立在工厂企业的私有云上。但是一些营运和生产管理,例如PLM，SCM，CRM，QMS，ERP以及MES的一些功能可以通过云计算网络提供服务，从而可以降低创建和优化基础架构的成本、提升生产管理的智能化水平、高效地跨地域协同以及提高快速响应市场需求的能力等。

4) 基于CPS的高级工厂辅助系统。“智能工厂创新联盟”十分重视将各种无线技术、平板电脑、智能手机以及室内精确定位等多种IT领域成熟的最新技术，创新地引入新一代工厂系统，制成高级工厂辅助系统。2012年4月，谷歌公司发布了 “谷歌眼镜“ 新产品，这是一款可穿戴移动终端产品。“谷歌眼镜“采用了“扩增实境”(Augmented Reality)又称增强现实技术，在“实境”现实基础上，将图像、声音和其他感官增强功能实时添加到真实世界的环境中，以虚拟现实把它扩增，把真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间，可以使用户充分感知和操控虚拟的立体图像。为此，“智能工厂创新联盟”专门成立了项目组，经过研究试验，打算将该技术用于工业维护系统： 通过头盔式显示器将多种辅助信息显示给用户，包括虚拟仪表的面板、被维修设备的内部结构以及被维修设备零件图等，从而大幅提高维护效率。利用这些高级工厂辅助系统还可以支持、帮助和培训新一代工作人员。

7 结束语

当前，中国的制造业面临十分严峻的考验。长期以来，高投入、高消耗、高污染的生产模式已无法延续。为了提升竞争力，保持可持续发展，必须采用CPS、物联网与服务网技术，向智能、绿色和高效的智能工厂转型升级。新一代智能工厂系统要求传统的工业自动化技术必须向新一代信息与通信技术开放。自动化技术应该转换其研究聚焦点，从在各个独立的学科(如分散系统或通信)开展渐近的局部改善性研究，走向整体系统功能的再工程化研究。国内同行应该借鉴德国提出的新工业革命理念、目标和制订的路线图，打破传统理念，坚持进行持续地技术转型，重视将IT领域成熟的最新技术引入工业自动化领域，勇于创新，打造中国工业自动化升级版。

参考文献：

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