CPS可能是一种包含若干子系统的分布式异构系统

作者:美高梅手机版登录4688

艾纳·安德尔用一个生产线优化的例子解释了“工业4.0”是如何运行的:首先,实验室会对每一个产品进行识别,搜集生产数据和质量保障数据,通过评估后就可以知道制造流程;其次,通过测试,对错误的产品进行数据分析,从而还原其当时的制造情况,找到生产过程中是哪些环节的设备出现了问题;最后,就是要维修或者更换设备。“尤其对于汽车产品来说,涉及上万个零部件,所以,生产线上的数字化、智能化更为重要。”艾纳·安德尔说,“汽车产业是‘工业4.0’最难的应用点,同时也是最佳切入点。”

智能制造模式可以让最终用户全程参与整个产品的生命周期,与智能工厂携手完成研发设计、制造加工、组装包装、物流配送等环节。由于实现了与消费者的全程无障碍沟通,智能工厂可以在整个产品生命周期中为消费者提供更加人性化的服务。

因此,在工业4.0运行环境中,产品设计、开发、加工设备、加工技术、加工工艺、生产线以及生产管理中的排产、调度、质量控制和设备运维并不需要改变,需要改变的是每一个智能化的保障系统或保障单元,如待加工件、AGV小车、货架及周转箱、分拣系统、机器人等,这些保障系统和保障单元通过主动协同赛博物理系统的其他相关单元,使得物流作业网络更加高效、准时和低成本,以完成供应链的系统优化。

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按照德国人的解释,移动互联网、社会化媒体、物联网、大数据、云计算等新一代信息通信技术是工业4. 0的主要驱动力。工业4. 0体系将在CPS的基础上,对机械制造、自动化、电子设备、软件等技术进行深度融合,同时彻底改变传统的企业生产模式、商业模式及运营管理模式。不仅能大幅度地提高生产效率与产品质量,还能有效地降低资源消耗,并满足消费者对产品的个性化需求。

在工业4.0中,人是极其重要的组成单元。一方面是因为人本身就具有自组织的主动协调和协同作业能力,另一方面则是可以通过人机交互接口实现对人操作的辅助支撑功能,让人发挥出更大的主动能力。

“工业4.0”并非像“爆炸”一样,突然袭来,其典型特征是每天都在演进的过程性,它需要逐步完善。需要明确的是“工业4.0”并非是从零开始,而是建立在现有生产线之上。

组织

但是,工业4.0却在全供应链的各个物流环节上取得了突飞猛进的效率提升。其利用赛博物理系统CPS为核心,将原材料、零部件或最终产品赋予关联的数据属性,通过自组织的智能规划,主动寻找同样赋予关联数据属性的移动载体、分拣设备、加工设备等加工或包装载体、各环节的管理人员、操作人员或机器人,并可以通过自组织的协同、协调能力,有效准时地完成需要的处理任务。简单地说,就是零部件可以自己找车、找设备、找工人进行符合最优规划的加工,或者原材料、产品可以自己找车、找库、找人进行符合最优规划的采购、库存、包装和交付。

三大制约瓶颈待打破

纵向集成指的是企业内部物流、信息流、资金流、分散式生产、各个部门、各个生产环节(技术研发、产品设计、零部件生产、产品制造、企业运营、生产管理、物流服务)等生产制造流程各环节的集成,建立企业内部有效的纵向生产体系。

德国则针对美国和中国制造业的步步紧逼,提出了《高新技术战略2020》和《把握德国制造业的未来:实施工业4.0的建议》,认为将物联网和服务引入制造业的趋势将迎来第四次工业革命,明确把工业4.0定位为国家发展战略,通过西门子、宝马等大公司形成标准而推广到国内为数众多的中小企业,以提高德国在生产和研发上的国际优势。

德国“工业4.0”平台科学顾问委员会主席、德国技术科学院院士艾纳·安德尔从三个维度阐述了“工业4.0”的定义:首先,横向上是生命周期和价值流层,在生产和设计阶段可实现数据模型与现实产品的无缝连接;其次,纵向上运用CPS将场地、设备、工作站等融入到生产环境中; 最后在前两个维度的基础上引入业务、信息以及资产等进行融合。这三个维度可以看作企业制定“工业4.0”路线图的参考框架。

管理的智能化

制造业依旧是国民经济的支柱产业,而占全球制造业GDP60%的美国、中国、日本、德国、韩国和印度六国,更是在制造业上争夺激烈。

“工业4.0”指的是技术与产业之间的关系,也可称之为第四次工业革命。它包括人类、技术和组织三大类共17个要素,德国“工业4.0”平台科学顾问委员会用了17篇论文才准确地概述了它的含义。“其实从范围上看,工业并非是‘工业4.0’的全部,它还包括智能产品、物流、供应链等,此外还有通过互联网所能提供的个性化服务。”德国机械设备制造业协会信息技术、研发和技术创新部部长莱纳·格拉茨强调,“只是工业在德国是基础,所以德国‘工业4.0’主要关注的是工业。”

两个主题——智能工厂和智能生产

中国制造业企业的信息化基础还很差,但是互联网、移动互联网、物联网、供应链商业渠道优化的基础却位居全球前列,完全有条件先在制造过程的物流保障体系、供应链系统优化方面实现信息化与工业化融合,提高制造过程的效率,从而形成制造业的竞争力。

实现机器与机器对话

智能物料

工业4.0随之在中国升温,但基本上还是定位在智能生产、智能工厂、智能物流和智能服务四个领域的纵向集成、横向集成和端到端集成等制造领域上。

如果说目前的自动化生产是人与机器对话,“工业4.0”则可实现机器与机器对话。比如德国的机床销往全球,这意味着要把产品交付给不同的市场。这些机床需要相应的维修部件进行维护。如果在德国生产之后再发往目的地,这显然是一个大工程。“工业4.0”如何解决这一问题?莱纳·格拉茨解释说:“现在人们的想法是在不同市场建设制造中心,如果当地需要零部件,德国的机器会将零部件的数据发送给当地制造中心,在这些制造中心就可以直接生产所需的零部件。当然所有设备都要应用‘工业4.0’技术,实现对整个流程的控制,这样我们就可以知道每个零部件的生产状态。”

智能制造的主体是智能化的工业设备。例如,从单个的智能机械手、智能传感器、智能机床到智能生产线、智能工厂,工业生产设备都采用高水平的人工智能。获得了数据计算、实时通信、精确控制、远程协调与自我管理五个功能。实现零件与机器沟通、机器与机器之间的沟通。管理者的大数据平台、产品设计师的电脑、智能生产线上的设备、物流配送中心的控制系统能实现实时数据共享,精准快速地协调整个智能生产线,甚至智能工厂的工作流程及内容。机器设备要能实时记录自己在生产过程中产生的数据。智能机器能够“学习”大数据中心分析出来的“经验”,不断进化自己的智能水平,从而对生产流程中的各种情况做出准确预测,并能自行组织协调生产。智能机械需要具备强大的自动联网的特征,还需要能够进行自我故障诊断和健康维护,以及对自身生命周期的管理支持。

几年来,从西门子、博世、宝马、空客到弗劳恩霍夫协会斯图加特研究所、德国工业科学联盟,笔者多次到德国工业4.0的发起企业和标准制定部门参观访问,从中发现,工业4.0中真正行之有效的革命并不是表现在制造环节的提升上,而在于全制造过程中各个物流环节的创新。

虽然“工业4.0”的概念始于德国,但在发展过程中同样面临着诸多问题。莱纳·格拉茨表示,“工业4.0”最突出的问题表现在标准上,德国“工业4.0”三大协会负责整合不同行业,在标准制定上,三大协会存在明显差异。如通讯和技术协会遵循自上而下的原则制定标准,而机械电子行业制定标准的过程却是自下而上的;第二,德国“工业4.0”平台目前囊括了近6000家企业,如何用统一的标准去平衡他们的需求成为棘手难题; 第三,目前“工业4.0”平台真正涉及的只有标准、研发和安全三个方面的技术问题,还没有精力去考虑职业培训、市场宣传、全球化等其他内容。

一个中心——信息物理系统CPS

赛博物理系统CPS是工业4.0的核心,它包含了计算、网络和物理实体,通过计算、通讯和控制技术的协同和融合,实现了人机交互和物理进程交互。

当然,“工业4.0”的最终构成取决于具体的应用领域,如汽车、电子或者机械等。需要指出的是,“工业4.0”的基础是CPS,也就是整合了传感器、执行器的嵌入式系统。“CPS 可以实现系统与系统之间的通信,建立起虚拟世界与现实世界之间的联系。”艾纳·安德尔说,“比如汽车行业未来的流行趋势是实现人与车、车与车之间的通信,也就是常说的车联网,这就是CPS的基础技术运用。”

智能要素和过程

2008年全球金融危机后,由于产能增加但全球消费市场有限,各国为了保持国家的长期竞争力,纷纷出台各种引领制造业升级的国家战略和产业政策。

虽然我国与德国的工业基础、发展水平以及终极目标有所差别,但两者却有着类似的战略使命和核心理念。当前我国大部分工业体系处在由2.0向3.0过渡阶段,深入理解德国“工业4.0”的战略背景、内涵、发展路线图对实现《中国制造2025》,推动我国工业转型升级无疑有着深远影响。

智能工厂可以通过数据交互技术、虚拟可视化等技术,实现设备与设备、设备与工厂、各工厂之间的无缝对接,并实时监测分散在各地的生产基地。制造结构(包含模型、数据、通信、算法)不再是事先固定好的而是开发一系列信息技术组合规则,使之根据不同的情况自动生成特定的结构。智能制造体系将实现兼具效率与灵活性的大规模个性化甚至完全的个性化生产,从而降低个性化定制产品的成本,并缩短产品的上市时间。产品在生产制造过程中的不确定因素将变得“透明化”。企业将从反应型制造转变为预测型和定制化制造。

工业4.0是以赛博物理系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)来打通整个制造的数据环节,通过完善供应链条的待加工件,实现与设备、相关人的实时互联。其在改型改性的加工或包装的技术、设备和工艺上并未有创新或本质的改变,生产管理中的生产计划、实时调度、质量控制、设备运维和故障诊断也未因赛博物理系统CPS而有节点上的创新突破。因而,工业4.0并不比其他的生产管理模式(如福特的反U型生产线、大野耐一的JIT、沃马克的精益生产)更为有效,也不一定比企业资源规划ERP、制造执行系统MES、并行工程、虚拟制造等软硬件系统在制造环节的效率提升上更为创新。

CPS是“工业4.0”基础

智能化的生产方式,主要指的是个性化生产与服务型制造。在工业4. 0时代,智能工厂完全根据消费者的个性化需求进行自动生产。企业内部组织将与产品的最终用户、业务合作伙伴形成一个新的产业价值链。在产业物联网与大数据云平台的帮助下,智能工厂可以追踪整个产品生命周期,收集更完整的产品数据,从而更准确地挖掘用户的个性化消费需求。这将使得企业与最终用户、合作伙伴处于同一个智能网络三方可以随时随地密切沟通、交换信息。最终用户可以直接参与智能工厂的整个生产流程。

《中国制造2025》发布之后,许多人将之解读为中国版的工业4.0,一方面是由于德国政府主动邀请中国加入工业4.0体系,另一方面则是因为两国在制造业的数字化、网络化和智能化方向上有许多重合之处。

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