工业4.0及德国高校创新创业的探索

迪雅克·海邂尔特

(德累斯顿经济技术大学,德国 德累斯顿 01067)

工业4.0及德国高校创新创业的探索

迪雅克·海邂尔特

(德累斯顿经济技术大学,德国 德累斯顿 01067)

介绍了作为工业4.0重要技术支撑的物联信息系统(CPS)的数字转换，及其对日常生活和企业生产理念及经济发展的影响.通过信息技术,可以在各个领域的设计上有所改变,从小的如手机、手表、眼镜、戒指等,大的乃至工业车间的生产线,它们都是具有数字化转换潜力的,由此可以创立更多的信息制造业.创业有多个阶段,各个阶段都需要不同的指导.先是形成一个想法,然后进行筛选与优化，最后才可以达到商业上的成功.把握好数字转换将会更好地应对未来制造业的变化.

工业4.0;物联信息系统(CPS);数字转换;创新创业

首先从一些案例来看未来制造业的前景.图1有两张不同时间的照片,图中上半部分是2005年在新教皇本尼迪克十六世上任时拍摄的,那时还没有iPhone,也没有Android,人们仅仅是去参加典礼.图中下半部分是2013年新教皇弗朗西斯一世上任时拍摄的,人们拿起随身携带的平板电脑和手机记录了这庄严的一刻.8年当中发生了什么？相信我们可以看到很多信息，那就是人们开始使用很多新的设备,互联网变得普及.2005年,手机可能仅仅是用来通话和发短信,但是现在可以说是已经控制了我们的生活.什么时候去赴约,智能手机会安排日程.如果是去10 km以外的地方,手机会告诉什么时候应该出发了.如果路过某电影院,手机会告诉正在上映什么电影……,可见现在科技是如何影响我们的生活.它们都是依靠数据的收集,等等.这些理念与创新已经变成了日常生活中的商品,甚至影响了我们的生活方式.把握得好的话,可以实现一些前沿的产业.

图1 日常生活中的数字转换Figure 1 Digital transformation in our life

再举一例,美国通用机械公司就如何利用1%的能源进行了调查.一个房间的钥匙,如要进电梯必须插入一张卡,它能做的是解锁电梯,同时告诉去哪个楼层,当然这个要手工完成.如果考虑到该过程仅为1%的话,约用了10 s,把卡插入读卡器,然后按按钮.每天有成千上万的人要坐电梯,如果用5 s按按钮,把这些人的数字乘以5 s,乘以每周7 d,乘以每年365 d,这是一个巨大的数字.我们要做的是减少这个系统的低效率,如果提高1%的话,预计15年可节约360亿美元.

2015年4月1日亚马逊发布了“Dash按钮”(图2),它与一般的U盘差不多大,这是一个非常简单的装置,仅仅是利用了无线网络,可将它放在家里的任何地方,需要时按下按钮,就会向亚马逊下单订购他们的产品.这已经是你生活的一部分,它可以帮助人们思考最好地利用时间,对生活带来很多益处.由此与大家共享的信息是:理想要远大,但是做事情要从小处做起.

图2 亚马逊发布的Dash按纽Figure 2 Dash Button from Amazon Digital

上述两个例子实际上就是在其制造业中采用了智能化元素,使得日常生活中一些小的物件成为发明与创新的产品,可带来非常大的经济效益,也将大大地影响着人类生活.

1 工业4.0与物联信息系统(CPS)

德国的工业4.0计划是指借助于网络信息技术的第四次工业革命,它涉及智能对象、智能机器以及智能生产.阿里巴巴是一个很好的可以创业、获得服务的平台.中国的说法是“互联网+”,其实就是德国的工业4.0.我们也会说是物联信息系统(CPS),它所嵌入的系统有:传感器与执行器、采集和分析数据、部件间的互连、可能还有人机接口.通过信息技术,可以在各个领域的设计上有所改变,从小的如手机、手表、眼镜、戒指等,大的乃至工业车间的生产线,它们都是具有数字化转换潜力的,由此可以创立更多的信息制造业.如最简单的就是用手机上面的传感器就可以测量人们的体温、脉搏、走路的速度.用内置的GPS,可知道自己的位置,进行相互交流.通过这些数据来做出决定,显然可以理解为CPS系统是我们能够制造出新产品的关键.

以下介绍我们正在研究的一个案例:普通工厂的生产线,是从供应链、制造过程,到达客户(图3).我们取得物料,通过人工加工来增值,把它销售给客户,是一个B2C的过程.我们在中间做的是什么呢？如果说,供应链的第一部分,涉及到产品的质量,比如说食品必须要控制运输的温度,什么样的运输工具和路径,借助CPS系统可得到准确的信息,可进行质量控制.CPS系统可以采用各种方式.比如说制造业,制造这个过程,工具加工怎么办,如果把CPS系统整合到其中,可以做更多的事情.我们可以测量能耗,可以测量消耗品.说到物料,说到机器,给它们加入一些智能的因素.机器制造要用怎么样的配方,根据这个配方,进行适当的设置,要用什么样的颜色,还有一些附加值的活动.对物料的处理,可以有很多,可用光或声音来驱动.用光驱动的话,可用光来识别,应该从哪个盒子中抓取物件,如果出现差错,产品质量就会下降.我们也可以用别的方式,来给产品加标签,比如追踪产品的生产过程,以及后面讲到的质量控制.在产品输出端希望了解的产品质量,也可跟踪产品的生产或使用过程中的质量情况.跟踪客户使用过程中的信息,帮助我们理解客户对于产品的使用情况,知道它的生命周期,我们可以获得海量的数据,可促使再创新.这方面的追踪已经用于飞机上的各种设备,这些信息有助于在未来做更多的决策.

图3 沿着供应链的物联信息系统(CPS)Figure 3 Cyper Physical Systems (CPS) along a supply chain

在制造环节中可采用近场通讯技术(NFC).如有很多的物料的进出,可以通过这些信息进行传递,随时可以知道物料所在的环节.它有很多无线传感器、无线网络、显示屏以及电源等.所面临的挑战之一是电源从何而来？因为它必须始终有电力的保证.物料存储的时间可能超过一周,这段时间需要持续供电,只有这样才可以做到不生产出劣质的产品,还可以使用本地的更好的原料来生产.它就是自动内嵌式的信息储备,不需要外部信息记录.这是将来的制造业今后的发展趋势.以半导体产业(300 mm集成电路的前端模块生产)为例,说明前沿技术的工厂自动化的主要内容:全自动的物料搬运;标记的晶圆传送盒(FOUP)的射频识别;单晶片跟踪;机器间的通信;先进的过程控制;先进的调度和调度方法;展望—是无人工厂.要确保其实现,就要求:机械和材料层面的传感器和执行器;先进的信息集成;自动化状态.

以往的信息流是比较直接的,从供应、加工到客户.如今的信息流是有反馈的,是双向的,可以把信息反馈给供应商.以中小企业的物料追踪系统为例,德国的中小企业标准是企业员工在250人左右,每年产值在500亿左右.物料追踪的意义如图4.

图4 中小企业的物料追踪Figure 4 Tracking & Tracing at SME

起初我们是通过手工追踪的,对工厂、车间、物料进行编号.每一个生产步骤,也会增加相应的信息.在中小企业实现跟踪和追踪的全自动化的生产线之前是:手动跟踪,基于纸质,人工填写.其缺点显而易见:不能在保存的记录中添加记录;不是实时信息;一旦印刷了就难以改变;不能基于排班作规划和调度分配;车间绩效信息缺失.日常生活中也一样,如果先生去采购,太太会给出一张采购清单.一旦采购完毕,这个单子在回家后就不需要了.写在纸上的信息,一旦出现错误和遗漏,就难以更改信息,这是巨大的缺陷.而用智能手机后,可在采购单里面增加很多的信息,这样去超市就会方便很多.这个原则当然也可以用在制造业上,不过也会有不利方面.这些信息写在纸质或手机媒介上的信息,并不增加附加值,而且非常单调,又没有实时生产的信息,也没有人去收集这方面的信息.要改变信息也很麻烦,要找到产品,一件件地进行修改.一旦拥有这些信息,是可以进行规划,因为它也是大数据的一部分,如果数据不全,很难做出好的决定,这是一个极大的挑战.

如何克服这样的问题呢？这里有一案例可以说明在车间里面是怎么做的.首先找到地点,对各个物料进行识别与编号,这些信息也可以同时反馈给客户.每一次移动一下物料,就会有新的消息.也可以提高产品的质量,可以暂停一下整个流程,它会自动做的.一旦做好,还可以更新信息,反

馈给客户.我们有自己的IT系统,有自己的MES系统,来控制制造的环节.今后将会对这个系统进行大规模的推广,届时也会对这样的系统进行个性化的配置(图5).

WIFI AP—无线网络接入点;CPS—物联信息系统;MES—制造执行系统;ERP—企业资源计划;SCM—供应链管理图5 基于无线网络的跟踪和可跟踪性Figure 5 Wireless based tracking & traceability

基于无线的跟踪和追溯性可体现在:可取得流水线(WIP)各机床间以及流水线的实时信息;内生性的材料流程记录;材料当前位置易于确定;柔性生产控制;减少废料;将现有车间楼层间的环境平滑整合为一体(图6).它是无线局域网的室内定位系统项目;没有额外的硬件安装;“建立在”基于位置的服务;灵活的内容服务;顺利整合到现有的工作流程.

图6 基于(人工)服务的定位Figure 6 Location based (worker) services

2 德国高校的创新创业

怎么进行创业呢？现行工作人员可能精通于电脑、工程等等技术,可以考虑从专长的领域入手进行改进.大学如何应对这一环节呢？德累斯顿两所大学之间共同合作的情况,很像是中国所说的孵化器概念,主要是对学生创业进行帮助与扶持.学校创新创业中心有位教授和一些同事组成6人团队.大学里有一个副校长专门负责学生创业孵化器的工作.他们来自不同的领域,有生物科学、工程、应用化学等.有了网络,在各个机构之间就建立起了联系.有些是咨询公司,有些是投资商,如银行,可以申请贷款.同时,有德累斯顿大学和其他的研究机构,把资源都组合融合在一起,就更有成功的把握.该机构于1999年成立,现在是德累斯顿大学和德累斯顿技术经济大学之间的合作项目.每年会关注50至70个创业项目,并且有超过20个创业公司由此受到关注.财政主要源于当地政府提供的资助.这样学生就有机会开创自己的事业.大学创业园与大学的研究人员保持着密切的联系,处在很好的外部环境，可以和大学更多地进行互动,从而使得创业更加有成功的把握.

创业有多个阶段,各个阶段都需要不同的指导.先是形成一个想法,然后进行筛选与优化.首先要考虑到这些,最后才可以达到商业上的成功.他们利用一个论坛,让大家可以聚在一起互相交流.这样的论坛每年召开一到两次相应的研讨会.让有良好的商业创业理念的人,都可以参与这样的论坛,分享各自的想法.研究人员会进行专场的讨论,技术人员、项目人员都会参与.通过这些,来激励学生进行创业的雄心壮志.

拟定的创业计划书需提交给委员会,获得反馈意见.委员会会告诉哪里需要改进.有了很好的主意,再跟市场结合,将增大成功的几率.这个阶段有各种的学术研讨会,指导创业者怎么经营运作一个企业,如何起草一个很好的商业计划.要牢记有关市场营销、会计财务等很重要的软技能.下一步便是指导期和辅导期.有关税务、法律方面的辅导.从研究到酝酿成熟,到最后推出创业计划.

德累斯顿大学有一个称为Heliatek的公司,是从物理系中衍生出来的,主要是关于太阳能等的研发.市场上也明显对这些方面有兴趣和需求.他们是如何走过这些创业环节的呢？在2006年,开始有这样一个研究项目,他们认为成立一家公司,会更有助于这项事业的发展,同时也开始考虑,怎样进行市场营销的推广和市场方面的分析.借助于分别代表了强项、弱项、机会和威胁四个方面的SWOT分析.然后考虑知识产权的问题,再形成一个商业计划.这个计划在2006年9月到12月之间初步成型.同时也考虑到了关于资金支持,即融资的问题.在2007年6月,公司正式成立,并且进入了HDGF.HDGF有一些基金,可以提供资助.在2007年,他们得到了一百多万欧元的资金注入.

作为大学来说,主要是关注日常生活,并对其做出一些改进和发明，就是为学生提供孵化器方面的服务.如果真的有很新的创意,就可以从这里得到支持和帮助.德累斯顿经济技术大学从2000年开始做这方面的工作,到现在已经有15年的历史了.学校为创业学生提供各种资源,有关于基础设施方面,提供免费的办公条件,可以免费使用电话、网络等资源.也可以获得办公需要的设备,可以免费使用实验室.这个期限最长可达到两年.也会有专门的助理人员帮助进行商业计划书的起草,引荐相关的创投基金.此外一个很好的人际关系网络是非常重要的,需要和很多的人建立联系,让有关各界了解商业需求,知道创业学生的产品.

有一个APU系统,可用于建筑领域,是专做传感器方面,从设计系衍生出来的.从2004年到2009年,孕育了这样的创新理念,他们也参与了大学的创新创业的课程.而且也获得了资金的资助.2010年他们提出了首个商业计划,8月从银行获得了资助,开始了创业历程.2011年3月,这家公司正式成立，然后进入了投融资、进一步融资的阶段，并得到了德累斯顿相关大学机构多方位的支持.从2005年以来,有超过200个项目受到了关注.该创业中心现在所有的公司覆盖和涉及的有关物料追踪、人工智能、商业经营、电脑科技的领域等.这里有很多涉足不同领域的公司,他们经常共享发展的理念与信息,使得创业可以获得成功.3 结 语

数字转换影响了日常生活和企业生产理念及经济的发展.理想要远大,但要从小事情做起.如果可以把小的事情做好,那么逐渐也能做好大的.通过信息技术,可以在各个领域的设计上有所改变,从小的如手机、手表、眼镜、戒指等,大的乃至工业上的生产线,它们都是具有数字化转换潜力的,由此可以创立更多的信息制造业.创业有多个

阶段,各个阶段都需要不同的指导.先是形成一个想法,然后进行筛选与优化,最后才可以达到商业上的成功.把握好数字转换将会更好地应对未来制造业的变化.

(王兰州、陈伟航、刘晓杰、何央央根据迪雅克·海邂尔特在中国计量学院的报告翻译整理;审读校对:吕进)

Exploration of Industry 4.0 for innovation and entrepreneurship in German universities

Dirk Reichelt

(University of Applied Sciences Dresden, Dresden 01067, Germany)

Digital conversion of the cyber physical systems (CPS), the backbone of Industry 4.0, has influenced the daily life, the production concept and the economic development of the enterprise. By means of information technology, many products or production can be improved through designing, such as cell phones, watches, glasses, rings, etc.; and they all have the potential of digital conversion, which can create more information manufacturing. There are many stages of entrepreneurship; and all stages need different guidance. It comes from an idea; and then through screening and optimizing commercial success is finally achieved. Grasping the digital conversion will better respond to future changes in the manufacturing industry.

Industry 4.0; cyber physical systems (CPS); digital conversion; innovation and entrepreneurship

1004-1540(2015)04-0394-05

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.04.002

2015-07-07 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

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