工業(yè)4.0：智能工業(yè)

德國期望成為基于互聯(lián)網(wǎng)的高端工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的主導(dǎo)市場，并將其作為《高科技戰(zhàn)略2020》的一部分。實現(xiàn)這一目標(biāo)的代表性項目，也就是被稱為工業(yè)4.0的智能工業(yè)項目，它將引領(lǐng)工業(yè)領(lǐng)域，開創(chuàng)分散型生產(chǎn)的新時代。

智能工業(yè)或者工業(yè)4.0,是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系統(tǒng)（CPS）發(fā)展的技術(shù)進(jìn)化。作為未來第四次工業(yè)革命的代表，工業(yè)4.0不斷向?qū)崿F(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務(wù)等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)）的方向發(fā)展。

同時，分散型智能利用代表了生產(chǎn)制造過程的虛擬世界與現(xiàn)實世界之間的交互關(guān)系，在構(gòu)建智能物體網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

工業(yè)4.0體現(xiàn)了生產(chǎn)模式從集中型到分散型的范式轉(zhuǎn)變,正是因為有了讓傳統(tǒng)生產(chǎn)過程理論發(fā)生顛覆的技術(shù)進(jìn)步，這一切才成為可能。未來，工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械不再只是“加工”產(chǎn)品，取而代之的是，產(chǎn)品通過通信向機(jī)械傳達(dá)如何采取正確操作。

工業(yè)4.0通過將嵌入式系統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)與智能生產(chǎn)過程相結(jié)合，將給工業(yè)領(lǐng)域、生產(chǎn)價值鏈、業(yè)務(wù)模式帶來根本性變革（如智能工廠），從而開創(chuàng)一條通往新技術(shù)時代的道路。

1工業(yè)4.0進(jìn)化過程

1.1工業(yè)革命1.0

18世紀(jì)末期始于英國的第一次工業(yè)革命，19世紀(jì)中葉結(jié)束。這次工業(yè)革命的結(jié)果是機(jī)械生產(chǎn)代替了手工勞動，經(jīng)濟(jì)社會從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到了以工業(yè)及機(jī)械制造帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式。

1.2工業(yè)革命2.0

第二次工業(yè)領(lǐng)域大變革發(fā)生在20世紀(jì)初期，批量工業(yè)生產(chǎn)開始的階段。通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式。20世紀(jì)70年代以后，隨著電子工程和信息技術(shù)充實到工業(yè)過程之中，實現(xiàn)了生產(chǎn)的最優(yōu)化和自動化。

1.3工業(yè)革命3.0

第三次工業(yè)革命始于第二次工業(yè)革命過程中發(fā)生的生產(chǎn)過程高度自動化。自此，機(jī)械能夠逐步替代人類作業(yè)。

1.4工業(yè)革命4.0

未來10年，第四次工業(yè)革命將步入分散化生產(chǎn)的新時代。工業(yè)4.0通過決定生產(chǎn)制造過程等的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，07實現(xiàn)實時管理。

2CPS

cps連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實世界，使智能物體通信以及相互作用，創(chuàng)造一個真正的網(wǎng)絡(luò)世界。

CPS體現(xiàn)了當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)的進(jìn)一步進(jìn)化。與互聯(lián)網(wǎng)或者網(wǎng)上可捜集的數(shù)據(jù)、服務(wù)一起，嵌入式系統(tǒng)也是構(gòu)成CPS的要素之一。

CPS可提供構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)部分，并且與服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)一體化，實現(xiàn)工業(yè)4.0。這些技術(shù)被稱為實現(xiàn)技術(shù)，培育更加廣泛的基于創(chuàng)新型應(yīng)用或過程的新現(xiàn)實空間，淡化現(xiàn)實世界與虛擬空間的界限。實現(xiàn)技術(shù)就像互聯(lián)網(wǎng)使得個人通信以及相互作用的關(guān)系發(fā)生變革一樣，將給我們與物理現(xiàn)實世界之間的相互作用關(guān)系帶來根本性變化。

基于高性能軟件的嵌入式系統(tǒng)與融合在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中的專業(yè)用戶接口之間，發(fā)生的相互作用，將誕生全新的系統(tǒng)功能性世界。舉一個簡單的例子，智能手機(jī)囊括許多應(yīng)用和服務(wù)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備本身通話功能。

由于全新的劃時代應(yīng)用和服務(wù)的提供商將不斷涌現(xiàn)，漸漸形成新價值鏈，所以，CPS也將對現(xiàn)有業(yè)務(wù)與市場模式帶來范式轉(zhuǎn)變。汽車工業(yè)、能源經(jīng)濟(jì)，還有包括諸如工業(yè)4.0的

生產(chǎn)技術(shù)的各個工業(yè)部門，將同步因這些新價值鏈發(fā)生巨變。

未來，CPS將以以往人類無法想象的形式，對人類安全、效率、生活舒適度、提升健康水平等做出貢獻(xiàn)。同時，CPS也將對解決人口結(jié)構(gòu)變化、自然資源不足、可持續(xù)發(fā)展以及能源結(jié)構(gòu)變化等帶來的問題，發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。

3德國2020年主要CPS市場

德國將推進(jìn)工業(yè)4.0項目作為國家戰(zhàn)略的一個重要環(huán)節(jié),就是在2020年讓德國成為CPS的主要市場。與其他大多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家完全不同的是，在推進(jìn)工業(yè)進(jìn)程的同時，德國一直維持穩(wěn)定的制造業(yè)勞動力。

要聯(lián)通現(xiàn)實世界與虛擬空間，從生產(chǎn)設(shè)備、工業(yè)產(chǎn)品到內(nèi)置存儲裝置、通信功能、廣播傳感器、智能軟件系統(tǒng)的日常用品等，所有物品都要實現(xiàn)數(shù)字化。

現(xiàn)實世界與虛擬空間的界限越來越模糊，物聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā)展。德國發(fā)達(dá)的嵌入式系統(tǒng)、CPS的有關(guān)經(jīng)驗，將為德國工業(yè)弓領(lǐng)第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）提供極好的機(jī)遇。

4CPS進(jìn)程

德國是嵌入式系統(tǒng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等cps相關(guān)領(lǐng)域的全球市場領(lǐng)袖。德國教育與研究部（BMBF）委托德國科學(xué)技術(shù)工程院牽頭的CPS進(jìn)程項目的目的是，確立綜合的CPS研究議程，提升工業(yè)技術(shù)的國家競爭力，鞏固德國作為主要市場及提供商的全球地位，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)德國技術(shù)革命。圖1所示給出了CPS各層的理想模式。

圖1CPS各層的理想模式圖

CPS進(jìn)程列舉了當(dāng)前至2025年間四個主要應(yīng)用領(lǐng)域：

能源：智能電網(wǎng)中的CPS；

機(jī)動性：網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)動性中的CPS:

健康：遠(yuǎn)程治療以及遠(yuǎn)程診斷中的CPS；

工業(yè)（智能工廠）:工業(yè)以及自動化生產(chǎn)中的CPS。

5CPS2025——未來

cps應(yīng)對社會面臨的主要問題的同時，對涵蓋自動化、生產(chǎn)技術(shù)、汽車、機(jī)械工程、能源、運輸以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等眾多工業(yè)部門、應(yīng)用領(lǐng)域，具有非常重要的意義。因CPS而實現(xiàn)的許多應(yīng)用，將產(chǎn)生新附加價值鏈和業(yè)務(wù)模式。CPS不僅可以降低實際成本，提高能源、時間等的效率，還能降低CO2排放水平，在保護(hù)環(huán)境上發(fā)揮重大作用。

僅從制造業(yè)來看，CPS就可帶來驚人的效率提升。CPS實時地統(tǒng)籌處理制造、工業(yè)鏈以及各個顧客的要求，實現(xiàn)智能工廠圖2所示是CPS服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的模式圖。

圖2CPS服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的模式圖

6智能工廠：自動化制造業(yè)的未來

CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實世界，技術(shù)過程與業(yè)務(wù)過程也因此得到融合，從而開創(chuàng)新工業(yè)時代。最能夠準(zhǔn)確表達(dá)新工業(yè)時代的就是工業(yè)4.0項目倡導(dǎo)的智能工廠概念，智能工廠是通過在生產(chǎn)系統(tǒng)中配備CPS來實現(xiàn)的。相對于傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)，智能工廠的產(chǎn)品、資源及處理過程因CPS的存在,將具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節(jié)約中也頗具優(yōu)勢。

智能工廠按照重視可持續(xù)性的服務(wù)中心的業(yè)務(wù)來設(shè)計,因此，服從性、靈活性、自適應(yīng)以及學(xué)習(xí)等特征、容錯能力,甚至風(fēng)險管理都是其中不可或缺的要素。

智能工廠的裝備將實現(xiàn)高級自動化，主要是由基于自動觀察生產(chǎn)過程的CPS的生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。通過可實時應(yīng)對的靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的徹底優(yōu)化。同時，生產(chǎn)優(yōu)勢不僅僅是在特定生產(chǎn)條件下一次性體現(xiàn),也可以實現(xiàn)多家工廠多個生產(chǎn)單元所形成的世界級網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。

這就意味著，創(chuàng)新技術(shù)、成本與時間的節(jié)約，擁有培育新市場機(jī)會的網(wǎng)絡(luò)容量的“自下而上”型生產(chǎn)模式中的革命。

智能工廠的生產(chǎn)相對于傳統(tǒng)制造工業(yè)有如下優(yōu)勢：

由CPS形成最優(yōu)化的生產(chǎn)過程：智能工廠的“單元”決定其活動范圍、設(shè)定選項以及生產(chǎn)條件，可與其他單元進(jìn)行獨立的無線通信。

理想的生產(chǎn)系統(tǒng)，智能編輯產(chǎn)品特性、成本、物流管理、安全、信賴性、時間以及可持續(xù)性等要素，為每個顧客進(jìn)行最優(yōu)化的產(chǎn)品制造。

為了讓機(jī)械服從人類的作業(yè)周期，可對人工進(jìn)行定制調(diào)整。圖3所示是一種工業(yè)4.0智能工廠通道示意圖。

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