工业4.0离我们还有多远？

亓臻

现如今，工业4.0这一概念在工业相关领域、会议、论文中随处可见，那么究竟什么是工业4.0？工业4.0这一概念最初于2011年在德国汉诺威市提出，并引发了激烈的讨论，美国通用电气也曾提出类似工业4.0的概念——工业互联网。虽然工业互联网在技术层面与工业4.0相类似，但它不仅应用于工业生产，还应用于智能电网等领域。现如今各种各样工业4.0的定义不仅没有让大众理解透彻，反而引起了诸多混乱。沸沸扬扬的炒作更是加重了大众的困惑，使大众看不到工业4.0的应用前景在哪儿。其实，工业4.0可以看做第四次产业革命，即物联信息系统（Cyber—PhysicalSystem简称CPS）在工业生产中的应用。本文以一种简单清晰的方式让大众了解工业4.0的本质，阐述工业要想成功所必需具备的基本条件。

一、工业1.0-3.0

在过去的200多年历史中，我们完成了从工业1.0到工业3.0的跨越。在十八世纪八十年代，蒸汽机驱动的机械织布机引发了第一次产业革命，织布生产从家庭个人生产转为中央大工厂，生产率得到了极大的提高。第二次产业革命发生于100多年前美国俄亥俄州的屠宰场，随着传送带的出现和流水线的产生，生产效率在美国福特T型车的生产中达到巅峰，引发了又一场生产率大爆炸。1969年，莫迪康研发出第一款可编程控制器，可对自动化系统实现数字编程，实现了从第三次产业革命的跨越。时至今日，可编程控制器仍广泛应用于现代自动化系统工程中，极大提高了自动化系统的灵活性与高效性。显然工业4.0概念的提出者欲打造另一场产业革命，这究竟是一场炒作，还是未来的趋势，现在还无法回答，但可以肯定，它是未来产业新格局，有突破前三次产业革命的潜力。

二、工业4.0——背景和技术支持

工业4.0的技术背景是互联网技术与工业技术的结合。尽管工业4.0还未到来，但其所需要的技术已经基本成熟，只是很多技术还未引入工业领域。所谓工业4.0是指利用物联信息系统（Cyber-PhysicalSystem简称CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。下面的几个前提会帮助读者更好地理解CPS这一概念。前提1：通讯设施价格的降低使其在生产系统中大量引用成为可能，其在产品配置、服务、诊断、售后、现场设备、加工等场合的运用构成了未来的生产体系。这种趋势是发展的必然，并且此时此刻正在发生。前提2：生产设备、车间、工厂（甚至是家庭工厂）会逐步接入网络（互联网或私人生产网络）。这些生产实体在网络中作为数据对象，数据被实时存储，供工作人员搜索、开发、分析。前提3：生产设备、车间、工厂（甚至是家庭工厂）都可以将相关数据存储于网络中，每一台设备有自己的标识，它们可以存储文件、3D模型、仿真模型、加工参数等。这些数据在生产过程中实时更新，以供工作人员获取最新数据。除此之外，不同的程式还可驱动相应实体对象完成协商功能、探索功能等，数据对象和实体设备之间进行交互，形成一种数据体，为不同的应用奠定了知识基础。为了让读者更好地理解上述三个前提，这里举一个例子：現如今交通指示灯要么相互之间独立运作，要么由中央交通控制系统进行控制。而作为物联信息系统（CPS），每一个实体交通指示灯在网络中都有自己的特定标识，并提供当前指示灯的颜色和变化规律。基于这些数据，未来的汽车可以提前预判下个路口交通指示灯的颜色变化，从而调整车速，或者开启、关闭引擎从而达到节能减排的目的。未来的汽车导航系统可以根据当前每一辆车的位置，目的地和交通拥堵等情况来优化行车路线。同时车辆将自己当前车速、位置、目的地反馈到网络中，交通指示灯根据大量反馈数据对交通指示灯变化规律进行优化，从而优化交通流量，通行效率。上述场景并没有应用全新科技，它只是将现有的技术进行整合，通过大数据的分析、优化，延伸出新业务和模型。并且通过与第三方服务相结合，如天气、日历、支付服务、定位、历史数据等，使未来变得具有无限可能。总结一下，物联信息系统（CPS）共有三层结构（见图1）：

物理实体（本例中的交通指示灯、汽车）；物理实体在网络中的数据模型；基于该数据的服务。

基于这个概念的工厂会是什么样的呢？原料、零件、产品以及工业生产中的其他实体都在互联网中有着自己的标识，它们彼此之间可以相互协商、联通或模仿，将系统重新整合、优化。系统的自优化算法将引起生产规划的变革，如货物可以自选择进入最优化生产线，提高生产效率。革新并不仅限于技术层面，而是新的运维模式、服务最终得到个性化商品。

三、工业要求

自2008年之后，国内成本优势加速殆尽，新的竞争优势尚未形成，但与此同时，中国也正加速产业调整。中国政府今年推出了中国版“工业4.0”规划的《中国制造2025》，力争用十年时间，从制造大国迈入制造强国行列。但现阶段推行过程中，需要遵循如下基本原则：

保障投资：工业4.0必须循序渐进地引入现有工厂。生产稳定性：工业4.0既不能干扰生产，也不能打断生产。生产系统对实时性、可靠性、有效性、鲁棒性有着严苛的要求。数据保密性：为保护公司机密，与生产相关的数据与服务必须严格控制访问权限。网络安全性：工业4.0必须禁止未授权用户登录生产系统，防止设备和经济受到损失，对工作人员安全构成威胁。

任何工业4.0的项目都需要在以上三个原则下进行。在工业4.0推行过程中，还需要相关企业、组织来完成前期的标准制定，建立统一的“接口”来使设备之间进行通讯。回顾前三次工业革命是在机械化、规模化、标准化和自动化等方面大幅提高生产力，而工业4.0不再以制造端的生产力需求为起点，而是将用户端的价值需求作为产业链的出发点，其本质是工业视角的转变。

总结

随着新一代信息技术与制造业深度融合，中国制造业存在无限的想象空间。工业4.0是物理实体、虚拟ID和应用服务三者的结合。我们相信工业4.0是一匹黑马，期待致力于工业4.0的团体和组织能够克服遇到的挑战。

（作者单位：莱芜技师学院）