从德国工业4.0看未来智能制造业

    2009到2012年欧洲深陷债务危机，德国经济却一枝独秀，依然坚挺，它增长的动力来自其基础产业——制造业所维持的国际竞争力。对于德国而言，制造业是传统的经济增长动力，制造业的发展是德国工业经济增长的不可或缺因素。基于这一共识，德国政府倾力推动进一步的技术创新，其关键词是“工业4.0”。

    德国2010年公布的《高科技战略2020》中，提出了一系列促进制造业发展的创新政策。为使该战略得到具体落实，2012年德国政府公布题为《十大未来项目》的跨政府部门的联合行动计划，并决定在2012～2015年间向十大项目资助84 亿欧元。被称为“工业4.0”的未来项目，与能源供给结构改革、可持续发展等项目同步公布。“工业4.0”未来项目，主要是通过深度应用ICT（信息通信技术），总体掌控从消费需求到生产制造的所有过程，由此实现高效生产管理。

    工业 4.0进化过程

    工业革命1.0：18世纪末期始于英国的第一次工业革命，19世纪中叶结束。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业以及机械制造带动经济发展的模式。

    工业革命2.0：第二次工业领域大变革发生在20世纪初期，进入了生产线生产的阶段，通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的新模式。20世纪70年代以后，电子工程和信息技术的加入实现了生产的最优化和自动化。

    工业革命3.0： 第三次工业革命始于第二次工业革命过程中发生的生产过程高度自动化。自此，机械能够逐步替代人类作业。

    工业革命4.0：未来10年，第四次工业革命将步入“分散化”生产的新时代。工业 4.0通过决定生产制造过程等的网络技术，实现实时管理。

    信息物理融合系统（CPS）

    通过通信网络，将工厂内所有设备互联的“智能工厂”就是其中最好的一个体现。德国制造业中的所有行业正在实施该项目有关的研究，并计划为此投入2亿欧元。智能工厂或者“工业 4.0”，是从嵌入式系统向信息物理融合系统（CPS）发展的技术进化。作为未来第四次工业革命的代表，工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网 （物联网、数据网和服务互联网）的方向发展。

    工业 4.0体现了生产模式从“集中型”到“分散型”的范式转变，正是因为有了让传统生产过程理论发生颠覆的技术进步，这一切才成为可能。同时，分散型智能利用，代表了生产制造过程的虚拟世界与现实世界之间的交互关系，在构建智能物体网络中发挥重要作用。未来，工业生产机械不再只是“加工”产品，取而代之的是，产品通过通信向机械传达如何采取正确操作的信息与指令。

    CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使智能物体通信以及相互作用，创造一个真正的网络世界，它体现了当前嵌入式系统的进一步进化。与互联网或者网上可搜集的数据、服务一起，嵌入式系统也是构成CPS的要素之一。

    CPS可提供构建物联网的基础部分，并且与“服务互联网”一体化，实现工业 4.0。这些技术被称为“实现技术”，培育更加广泛的、基于创新型应用或过程的新现实空间，淡化现实世界与虚拟空间的界限。实现技术就像互联网使得个人通信以及相互作用的关系发生变革一样，将给我们与物理现实世界之间的相互作用关系带来根本性变化。

    基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间发生的相互作用，将诞生全新的系统功能性世界。举一个简单的例子，智能手机囊括许多应用和服务，已经远远超出设备本身通话功能。由于全新的划时代应用和服务的提供商将不断涌现，渐渐形成新的价值链，所以，CPS也将对现有业务与市场模式带来范式转变。汽车工业、能源经济，还有包括诸如工业 4.0的生产技术的各个工业部门，将同步因这些新价值链发生巨变。

    未来智能制造业

    在未来的智能制造业中，CPS对涵盖自动化、生产技术、汽车、机械工程、能源、运输以及远程医疗等众多工业部门、应用领域，具有非常重要的意义。因CPS而实现的许多应用，将产生新附加价值链和业务模式。CPS不仅可以降低实际成本，提高能源、时间等的效率，还能降低CO2排放水平，在保护环境上发挥重大作用。

    因为CPS的存在，智能工厂的生产系统、产品、资源及处理过程都将具有非常高水平的实时性，同时在资源、成本节约中更具优势。智能工厂将按照重视可持续性的中心原则来设计，因此，服从性、灵活性、自适应性、学习能力、容错能力甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。智能工厂设备的高级自动化，主要是由基于自动观察生产过程中CPS生产系统的灵活网络来实现的。通过可实时应对的灵活的生产系统，能够实现生产工程的彻底优化。同时，生产优势不仅仅是在特定生产条件下的一次性体现，还可以实现多家工厂、多个生产单元所形成的世界级网络的最优化。

    相对于传统制造工业，以智能工厂为代表的未来智能制造业是一种理想的生产系统，能够智能编辑产品特性、成本、物流管理、安全、信赖性、时间以及可持续性等要素，从而为各个顾客进行最优化的产品制造。这样一种“自下而上”型的生产模式革命，不但能节约创新技术、成本与时间，还拥有培育新市场机会的网络容量。<