德国工业4.0的理念思考

◎Dieter Wegener

德国工业4.0的理念思考

◎Dieter Wegener

工业4.0利用信息物理系统的融合实现制造业的智能化转变。它的意义在于通过虚拟世界对现实世界做一个仿真，预测现实世界将发生什么，以实现全方位智能化服务。

工业4.0；物联网；信息物理系统

在全球范围内，以物联网、大数据和云计算等为代表的新技术正在改造传统制造业，数字化、智能化和服务化等成为各个产业的发展方向，昭示着新一轮工业革命的到来。2013年，德国政府正式提出“工业4.0”，致力于提升制造业的智能化水平，进一步提高德国工业的竞争力。

概念

通俗地讲，工业4.0是数字化在智能工厂生产中的应用，医疗健康、交通、家居和能源等都是经济数字化应用领域的一部分。数字化意味着要把应用领域的一些具体情景与物联网结合，这样我们就可以基于物联网，通过连接到互联网上的机器采集数据，然后以数据驱动服务。在经济数字化的未来愿景中，所有的机器都可以通过互联网连接起来。

工业4.0 的核心是信息物理系统（CPS），它包含了一个物理世界和一个虚拟世界或者说数字世界。信息物理系统适用于所有需求领域的横向课题，如安全、标准及规范、工程、微电子和嵌入式软件、培训和继续教育等。以汽车制造企业为例，如图1所示，可以看到参与汽车车身制造的四个机器人为可触摸的物理世界场景，而蓝色立方体代表了与物理世界一一对应的虚拟数字世界。随着产品及工厂生产生命周期中各个环节的推进，依次从产品设计、生产规划、生产过程、生产执行到最后的服务，与之对应的虚拟数字模型蓝色立方体也不断扩大，这意味着每个环节采集到的数据量在不断增加。

图1 以汽车制造企业为例解读信息物理系统

意义

工业4.0 最重要的一点就是它有一个虚拟的数字世界，通过模拟我们可以用虚拟世界对现实世界做一个仿真，并预测现实世界在未来会发生什么，这就是工业4.0 的意义。如实现了工业 4.0 的厂房和传统厂房相比有很大的变化。目前普遍的情况是，在办公楼层里坐着一些对着电脑使用软件工具工作的人，在生产车间层里坐着一些对着机器设备工作的人，而在这两个层面进行的工作并不能即时完全互相连接和沟通。而在工业4.0时代，意味着办公楼层和车间层将被完美结合。

如何做到这样的结合呢？工业行业如机械、制造、电子、能源、化工和食品工业等，由于行业特性不同可分为离散工业、过程工业或介于中间的混合工业。各个行业在车间层面所涉及的机器设备各不相同，很难将它们简单地连接起来。我们可通过设计“工业4.0组件”的方式来解决这个问题。工业4.0组件由车间内机器设备等硬件，上叠嵌合一个“管理壳”软件组成。其中机器的各种来源组件是核心，以此使得机器与机器之间、车间层与办公楼层之间通过“管理壳”连接起来，实现物理世界与虚拟数字世界的融合。这就是我们提出的全新的工业4.0参考架构模型，称之为RAMI4.0。它重新组织了传统的管理体系架构（见图2）。

图2 工业4.0参考架构模型

工业4.0和我们每个人的生活息息相关。在未来，所有事物之间的连接将不会有任何阻碍（见图3）。物联网就像一个覆盖全球的网络，每个节点都有一个伺服器，所有这些伺服器都通过电缆、卫星相连，当信息数据在物联网中产生并流动时，不再局限于本地，而是可实现全球范围内跨地域跨行业的可用性。这就是工业化时代和数字化时代的区别。

图3 物联网示意图

应用

1.智能工厂

如西门子公司为客户提供工厂模拟仿真软件，通过这个软件就可以在工厂设计阶段模拟出整个工厂所有生产进程，而不需要先把生产线实际搭建起来之后再找出和解决问题。在其他过程工业的工厂中，如一个大型的化工厂或炼油厂，如果有人并不了解工厂建设或者相关生产工艺的话，传统的做法是到实地去考察，而现在可通过电脑模拟整个工厂的场景，或者可通过智能手机对技术人员进行厂内导航，通过数字化手段，帮助其在结构地形复杂的工厂内部找到需要的信息，如找到出现问题的气阀或者是锅炉，可以用智能手机做记录、照相，并把相关信息发到其他工作人员的智能终端上去。

2.智能产品

物理意义上的机器运作和电脑软件模拟的进程可以做到完全一致，我们称之为“数字双胞胎”。一个技术员想要操作机器，他不一定必须在工厂车间的现场，在家或办公室只要有一台电脑就可以进行远程操控了。“数字双胞胎”可以显著提高工作效率，大幅度节省对机器进行准备的时间。

3.智能服务

在消费市场我们已感受到了数字化技术带来的冲击，如传统书店购书变成了电子书下载，出租车行业出现了优步共享服务，但在工业领域我们刚刚起步。有一些数字化服务已被使用，如劳斯莱斯的飞机发动机业务，他们已经从向客户出售飞机引擎这样的具体产品方式转向一种新型商业模式——按引擎运作飞行小时收费。过去他们把引擎销售给波音或者空客以后，波音或空客又会把完工的飞机卖给航空公司。但是今天，引擎内安装了大量传感器用于采集数据，并在电脑里进行引擎运行的模拟，对数据进行分析诊断，所以劳斯莱斯以后可以出售跟引擎相关的一些智能化服务了。航空公司未来再购买引擎时可能就不是按照购买产品来付费，而是通过引擎输出多少动力或者使用了多长时间来付费。正因为数字化技术的使用使得生产公司对引擎运作状态实时监控，以及主动性维护变得可能，从而大大提高了引擎的效率和可用性。这就是未来的智能化服务方式。

（作者系西门子中央研究院副总裁）

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10.13561/j.cnki.zggqgl.2017.08.003 编辑：田佳奇