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物聯(lián)網(wǎng)將怎樣徹底變革工業(yè)生產(chǎn)
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2015-04-15
工業(yè) 4.0 目標(biāo)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力量就是物聯(lián)網(wǎng)（loT）。 在這個(gè)目標(biāo)中，工廠所有的“物體”都會(huì)有一個(gè)唯一的IP地址，并且被整合到網(wǎng)絡(luò)里。 為這種物體創(chuàng)造的科技術(shù)語(yǔ)叫做“實(shí)體虛擬系統(tǒng)”（CPS）。
在全球化的壓力之下，我們行業(yè)將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)面臨來(lái)自全球各個(gè)市場(chǎng)的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括更短的產(chǎn)品生命周期、高度個(gè)性化的產(chǎn)品和激烈的競(jìng)爭(zhēng)。 這些挑戰(zhàn)在當(dāng)今移動(dòng)電話市場(chǎng)已是很明顯了。 雖然產(chǎn)品生命周期已經(jīng)縮短到6至9個(gè)月，但是產(chǎn)品的功能和復(fù)雜性也在逐漸加深。
目前其它行業(yè)（比如汽車(chē)行業(yè)）也正在經(jīng)歷類(lèi)似的發(fā)展。 隨著產(chǎn)品變得越來(lái)越復(fù)雜，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAX）在產(chǎn)品持續(xù)優(yōu)化和加速期中變得越來(lái)越重要。 在過(guò)去十年里，雖然計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)逐漸發(fā)展，并在設(shè)計(jì)和計(jì)劃階段增強(qiáng)了產(chǎn)品的柔性，但是在實(shí)際制造階段，類(lèi)似的突破仍然有待實(shí)現(xiàn)。 一個(gè)高質(zhì)量產(chǎn)品的可變性要與縮短的產(chǎn)品生命周期保持一致，就需要有一個(gè)靈活易變的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)新產(chǎn)品需求而重新快速配置。 傳統(tǒng)自動(dòng)化無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種程度的靈活性。 相反，由那些屬于“物聯(lián)網(wǎng)”的“網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)”(CPS) 的智能設(shè)備組成的模塊式工廠結(jié)構(gòu)，是設(shè)計(jì)出可以處理并克服當(dāng)前挑戰(zhàn)的可行性產(chǎn)品方案的關(guān)鍵因素。
在過(guò)去十年里，信息和通訊技術(shù)(ICT)的出現(xiàn)和發(fā)展讓我們已經(jīng)見(jiàn)證日常生活根本性的變革。 計(jì)算機(jī)變得如此之小，好像它們將在幾乎我們所有的技術(shù)設(shè)備里消失殆盡一般。 除此之外，信息得以在全世界網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行交流： 互聯(lián)網(wǎng)。
當(dāng)我們打算沿著這條途徑走向未來(lái)的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有日常中的事物都會(huì)變成全球網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點(diǎn)。 這個(gè)現(xiàn)象叫做“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)；物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)方式必定是大勢(shì)所趨。 偏好電子技術(shù)和多層等級(jí)的工廠自動(dòng)化生產(chǎn)世界將過(guò)渡到智能工廠網(wǎng)絡(luò)，這類(lèi)工廠日益受益于信息和通訊技術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展。 在德國(guó)，關(guān)于第四次工業(yè)革命，或者簡(jiǎn)稱(chēng)“工業(yè)4.0”的討論已經(jīng)開(kāi)始了。
自從 2011 年 4 月這個(gè)術(shù)語(yǔ)被Kagermann/Lukas/Wahlster引進(jìn)以來(lái)，各界對(duì)于它的興趣也在持續(xù)增長(zhǎng)。 在由科學(xué)和商業(yè)界專(zhuān)家組成的工作組的大力推動(dòng)下，關(guān)于德國(guó)工業(yè)發(fā)展的愿景已被提出并以建議的形式提供給聯(lián)邦政府。 研究項(xiàng)目因此得以成立，預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年里將為其注入大約 2 億歐元的資金。 另外，德國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)的三個(gè)主要負(fù)責(zé)人（VDMA、ZVEI和 BitKom）已經(jīng)共同努力創(chuàng)建了一個(gè)共享平臺(tái)以促成所有工業(yè) 4.0 活動(dòng)的合作。
這些行動(dòng)主要通過(guò)媒體報(bào)道，收獲了多方的廣泛評(píng)論。 當(dāng)然，真正的興趣在于制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)成功這一愿景。 德國(guó)是一個(gè)高科技國(guó)家，它的商品和產(chǎn)品設(shè)備制造業(yè)在國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP）占據(jù)了很大比例。 下列部分介紹了預(yù)計(jì)在工業(yè) 4.0 愿景中可能出現(xiàn)的變革性挑戰(zhàn)和變化。
工業(yè) 4.0 愿景
新技術(shù)環(huán)境的一個(gè)典型特點(diǎn)是向機(jī)電系統(tǒng)過(guò)渡。 電子器件將會(huì)成為未來(lái)產(chǎn)品中的一個(gè)基礎(chǔ)組成部分，與此同時(shí)，硬件將會(huì)越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化。 主要的功能特點(diǎn)將由軟件創(chuàng)造。 通過(guò)這種方式，傳統(tǒng)的機(jī)械原件轉(zhuǎn)變成了機(jī)電系統(tǒng)。 因此可以通過(guò)力學(xué)器件、電子器件或者軟件實(shí)現(xiàn)原來(lái)的機(jī)械功能。 因此，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造以及服務(wù)需要跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)合作，這個(gè)團(tuán)隊(duì)集合了由力學(xué)、電子學(xué)、軟件學(xué)到通用工程學(xué)富有競(jìng)爭(zhēng)力的人才。
智能物體?
工業(yè) 4.0 目標(biāo)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力量就是物聯(lián)網(wǎng)（loT）。 在這個(gè)目標(biāo)中，工廠所有的“物體”都會(huì)有一個(gè)唯一的IP地址，并且被整合到網(wǎng)絡(luò)里。 為這種物體創(chuàng)造的科技術(shù)語(yǔ)叫做“實(shí)體虛擬系統(tǒng)”（CPS）。 在未來(lái)的工廠里，傳統(tǒng)的產(chǎn)品層次將會(huì)被分散的自我組織所替代，而這種組織是由CPS實(shí)現(xiàn)的。 工廠部門(mén)和產(chǎn)品過(guò)程將會(huì)變得非常獨(dú)立和靈活，在產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)換和諸多選擇的條件下，即使是最小訂購(gòu)數(shù)量的產(chǎn)品也能被生產(chǎn)出來(lái)。
這種機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信讓當(dāng)個(gè)機(jī)器也能發(fā)出命令，比如說(shuō)，運(yùn)送原料或者使用特定制造服務(wù)的命令。 物體的語(yǔ)義存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)地控制著它的制造過(guò)程，因此允許分散大規(guī)模的生產(chǎn)批量最小為“1”。
許多這種智能原件可以移動(dòng)，并且通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，也就是說(shuō)省去了許多極其重要的位置數(shù)據(jù)，它們?cè)谂f的硬連接系統(tǒng)下，只能通過(guò)“線路末端”傳遞給我們（表格 1 中有比較）。 這在工廠經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域是極其重要的。 使用移動(dòng)操作設(shè)備（比如說(shuō)智能手機(jī)）的員工，再也不用總是固定待在一個(gè)特定的位置了。 使用者可以在某個(gè)商店里，也可能在咖啡館里。 這種應(yīng)用必須把員工現(xiàn)在的位置考慮進(jìn)去，以便于決定某種功能在當(dāng)前時(shí)刻是否能被支持。 為了解決這個(gè)困境，不僅需要類(lèi)似于GPS的室內(nèi)定位系統(tǒng)，而且還必須盡快建立設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)適應(yīng)相關(guān)環(huán)境的人機(jī)界面的新規(guī)則和方法，以便保證當(dāng)前使用的硬件和操作軟件可以分離。
圖 1： 智能物體 —— 移動(dòng)化、模塊化和分散化。
新的通信架構(gòu)
如今的工廠遵循著一套嚴(yán)格，多層等級(jí)的信息結(jié)構(gòu)。 在上層，我們有比工廠控制系統(tǒng)（MES 和NC/PLC）等級(jí)更高的企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)；在下層，則是工廠的傳感和致動(dòng)器系統(tǒng)，也就是所謂的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。 然而，近年來(lái)，這些層級(jí)都已漸漸地整合在一起；主要的系統(tǒng)集成已不在垂直方向，而在水平方向上產(chǎn)生了，CPS網(wǎng)絡(luò)將必定需要一個(gè)新的架構(gòu)方法。 具有穩(wěn)固橫向網(wǎng)絡(luò)和微弱縱向通信特征的常見(jiàn)錐形結(jié)構(gòu)將會(huì)被一個(gè)面向領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所取代，理論上這個(gè)面向領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠讓任意數(shù)量路線穿過(guò)工廠的所有信息層。
建立在物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)原則上的工廠系統(tǒng)將會(huì)使當(dāng)今可編程邏輯控制系統(tǒng) (PLC) 變得多余，因?yàn)榧词箚蝹€(gè)終端設(shè)備處在不同的層級(jí)，它們也能和其它任何設(shè)備進(jìn)行通信。 流程邏輯的規(guī)范（也叫編排）將在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，而不是在專(zhuān)用控制部分中進(jìn)行。
新的編程模型
現(xiàn)今，程序控制成為那些建立在有20年或者更久歷史的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的硬件結(jié)構(gòu)中最重要的部分。 在自我組織網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的未來(lái)世界里，硬件和控制邏輯必須完全分開(kāi)。 一些模型已經(jīng)在這一領(lǐng)域出現(xiàn)了。 例如，服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu) (SoA) 或者多智能體架構(gòu) (MAS)。
這兩種方法都封裝，提取了硬件的實(shí)用功能，并包含自我組織系統(tǒng)機(jī)制。 此外，一系列允許控制邏輯規(guī)范或者編排的編程模型已經(jīng)存在了。 然而，未受過(guò)此類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)培訓(xùn)的工人上若要在車(chē)間實(shí)施這些方法會(huì)比較困難，因?yàn)檫@些方法需要高水平的計(jì)算機(jī)技術(shù)。 在這一方面，通過(guò)中層制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES)，將已經(jīng)部分部署在工廠上層的此類(lèi)架構(gòu)模型遷移是一種可觀的做法，但是這種做法也需要考慮參與人員的技術(shù)背景。
在當(dāng)今產(chǎn)品計(jì)劃和控制過(guò)程中，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)依賴(lài)機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)的效果，所以控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往安排在計(jì)劃階段的末尾。 邏輯控制編程要在控制終端被選中，且邏輯控制的連接方式已確定后才會(huì)開(kāi)始。 類(lèi)似于服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu) (SoA) 這類(lèi)抽象概念在解除與實(shí)施初期硬件的關(guān)系以及創(chuàng)造一個(gè)可重復(fù)使用的軟件組件方面有著重要幫助。
建立一個(gè)新的工程工作流，對(duì)于為硬件提供所需的獨(dú)立、功能性和自上而下的計(jì)劃方法是非常必要的。 傳統(tǒng)的計(jì)劃領(lǐng)域必須更為集成，尤其是在早期計(jì)劃階段，以便能在后期計(jì)劃過(guò)程中提供對(duì)中可能。 系統(tǒng)工程方法能在支持跨學(xué)科任務(wù)方面提供幫助，這已在航天技術(shù)部門(mén)得到了成功證明。
因此，由于計(jì)劃結(jié)果的復(fù)雜性以及相關(guān)領(lǐng)域之間的相互關(guān)系，創(chuàng)造透明的呈現(xiàn)方式將極具挑戰(zhàn)性。 這將需要設(shè)計(jì)出增量性、基于模型的工程策略的實(shí)用程序，同時(shí)也需要適當(dāng)?shù)哪Ｐ驼Z(yǔ)言、數(shù)據(jù)格式以及工具鏈。
未來(lái)智能工廠的目標(biāo)是消除 CAX/PLM 環(huán)境和實(shí)際運(yùn)作工廠之間的媒介障礙。 PLM工具需要有生成完整系統(tǒng)描述的能力，這種能力可以直接把對(duì)象轉(zhuǎn)化成為可執(zhí)行的控制服務(wù)。 同時(shí)，編碼必須既能模擬虛擬工廠，又保證實(shí)際工廠的操作和設(shè)置。
標(biāo)準(zhǔn)
正如在基礎(chǔ)模型中描述一樣，只有在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，硬件和功能?chē)?yán)格分離才能取得成功。 至少就信息技術(shù)方面而言，CPS系統(tǒng)元件的設(shè)計(jì)風(fēng)格應(yīng)該近似于樂(lè)高積木。 也就是說(shuō)，這種元件必須能在標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn) ISO/OSI 7 層模型中所有層之間的數(shù)據(jù)交互。 至少1-4運(yùn)輸層已經(jīng)依靠許多既定標(biāo)準(zhǔn)（比如多種IEEE 802.xx標(biāo)準(zhǔn)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）；以應(yīng)用為基礎(chǔ)的5-7層各自的標(biāo)準(zhǔn)只有在巨大的市場(chǎng)壓力下才會(huì)得以實(shí)現(xiàn)。 很明顯，對(duì)于把自己的產(chǎn)品做成可互換的“樂(lè)高積木”這樣的想法，制造商沒(méi)有任何興趣。 如今關(guān)于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域（比如 ISA100）的標(biāo)準(zhǔn)流程或者設(shè)備規(guī)格描述語(yǔ)言（比如 FDT） 的討論反映了其中利益的對(duì)抗與沖突。 所幸的是在 5-6 層有一個(gè)帶 OPC UA 的可行性實(shí)施方案已被越來(lái)越多的生產(chǎn)商和用戶(hù)接受。
安全性
未來(lái)工廠控制系統(tǒng)一個(gè)顯著的特征是：在所有層使用基于IP的網(wǎng)絡(luò)。 這使得由設(shè)備領(lǐng)域數(shù)據(jù)向更高層次企業(yè)資源計(jì)劃 (ERP) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入得以順利實(shí)現(xiàn)。 然而，開(kāi)放協(xié)議的使用也讓工廠處于遭受更強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)攻擊的危險(xiǎn)。 超級(jí)工廠病毒和其他惡意軟件（流氓軟件）使得威脅確切存在。 只有當(dāng)這種技術(shù)安全和信任的高標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于企業(yè)，一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的環(huán)境才能最終成功實(shí)現(xiàn)。 這不僅要求技術(shù)性的解決方案，可能更重要地是需要組織方法。 找到一個(gè)關(guān)于安全性問(wèn)題的確切答案需要工業(yè)、科學(xué)研究和政府的提議，也將成為研發(fā)過(guò)程中主要話題。
即將來(lái)臨的未來(lái)會(huì)是什么樣呢？
預(yù)計(jì)大概在10到15年之內(nèi)，工業(yè)4.0愿景將會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)生產(chǎn)環(huán)境中。 就所有需要回答的問(wèn)題和所有需要研究的工作而言，工業(yè)需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能普遍實(shí)施和接受這些全面的制造方案。
因此，適合愿景的第一要素和目標(biāo)在它們運(yùn)用到實(shí)際中之前，將歷經(jīng)一段進(jìn)化的過(guò)程。 豐富且隨時(shí)可用的信息和媒介障礙的縮小構(gòu)成了足以創(chuàng)建多用途和透明生產(chǎn)環(huán)境的基礎(chǔ)。 早已可用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)能追蹤數(shù)字世界的元素并把它們呈現(xiàn)出來(lái)。 像筆記本電腦、平板電腦或智能眼鏡這樣的移動(dòng)設(shè)備可以提供來(lái)自商業(yè)和其他領(lǐng)域任意地方的企業(yè)知識(shí)庫(kù)的即時(shí)渠道。 因而，能以全面準(zhǔn)確的信息和作用為基礎(chǔ)的決策和操作在智能輔助系統(tǒng)的支持下會(huì)進(jìn)展得更快，圖 2 中展示的就是智能輔助系統(tǒng)。
圖 2： 近期產(chǎn)品中的移動(dòng)設(shè)備和智能輔助系統(tǒng)。
作為獨(dú)立制造商存在的示范和研究平臺(tái) —— SmartFactoryKL 技術(shù)項(xiàng)目 —— 通過(guò)發(fā)展和部署能有著靈活產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的解決方案，已經(jīng)在工業(yè)4.0目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)上取得了巨大成功，其能很好地解決當(dāng)前工業(yè)挑戰(zhàn)。 在30多個(gè)工業(yè)合作伙伴構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，SmartFactoryKL 對(duì)創(chuàng)新信息和通訊技術(shù)以及它們?cè)趯?shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)、研發(fā)。 在最新的一個(gè)項(xiàng)目中，主要工業(yè)合作伙伴共同努力，開(kāi)發(fā)了一條全新的生產(chǎn)線（見(jiàn)圖 3）。 這條生產(chǎn)線完全是模塊式，并允許對(duì)新制造模塊進(jìn)行即插即用時(shí)的整合。 這個(gè)即插即用功能可以在由 SmartFactoryKL 和它的合作伙伴定義的一系列機(jī)械、電氣和信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)。
圖 3：?在 SmartFactoryKL 進(jìn)行未來(lái)生產(chǎn)的示范工廠。
前景
沒(méi)有一場(chǎng)技術(shù)革命是在倉(cāng)促的情況下發(fā)動(dòng)的。 通常多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的各自進(jìn)步會(huì)推動(dòng)每幾十年一次革命性的劇變（技術(shù)推動(dòng)型），同時(shí)這也是由新的市場(chǎng)需求（市場(chǎng)拉動(dòng)型）帶來(lái)的。 當(dāng)前關(guān)于工業(yè) 4.0 的運(yùn)動(dòng)將很可能有一個(gè)持續(xù)幾十年的相似進(jìn)化過(guò)程。 值得確信的一點(diǎn)是，工業(yè) 4.0 給制造商和終端用戶(hù)提供了一個(gè)他們都能成功適應(yīng)的清晰愿景。 信息技術(shù)環(huán)境的科學(xué)見(jiàn)解和生產(chǎn)環(huán)境的需求緊密聯(lián)系。 這要求傳統(tǒng)意義上各自獨(dú)立部門(mén)或?qū)W科進(jìn)行跨學(xué)科或跨部門(mén)合作。
當(dāng)然，人類(lèi)才是這個(gè)演變過(guò)程中最重要的因素。 如果我們現(xiàn)在分析下前三次大革命，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：人類(lèi)需求和生活標(biāo)準(zhǔn)很明顯是這些變化最主要的推動(dòng)力量。 當(dāng)這些要求正好符合技術(shù)條件，它就會(huì)給多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)創(chuàng)新的變革。 自第三次工業(yè)革命（通常也叫數(shù)字革命）以來(lái)，許多創(chuàng)新技術(shù)和政治改革已經(jīng)對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生了影響。 這些典型的例子包括冷戰(zhàn)的結(jié)束、全球市場(chǎng)，特別是中國(guó)市場(chǎng)的開(kāi)放，同時(shí)也包括技術(shù)的進(jìn)步（例如，因特網(wǎng)和許多智能設(shè)備）。
人類(lèi)不僅是技術(shù)進(jìn)步重要的推動(dòng)者，同時(shí)也是被推動(dòng)的對(duì)象。 現(xiàn)代信息和通訊技術(shù)，以及全球化的背景使商業(yè)進(jìn)程大幅加快。 給供應(yīng)生產(chǎn)工廠和設(shè)備的報(bào)盤(pán)可以立刻發(fā)送到全世界，全球集團(tuán)也可以立即成立，以便商討解決方案。 陸海空更高效和更全面的物流系統(tǒng)能夠在更短時(shí)間內(nèi)把貨物傳送給顧客。 為了在全球競(jìng)爭(zhēng)中取得成功，生產(chǎn)系統(tǒng)需要靈活快速轉(zhuǎn)換的功能。 信息與通訊技術(shù)的進(jìn)步可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)需求。 在這個(gè)新系統(tǒng)環(huán)境中，人們將需要更快地計(jì)劃、執(zhí)行和操作。 只有那些能設(shè)法及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整它們國(guó)民培訓(xùn)和教育模式的國(guó)家才能在全球市場(chǎng)中取得成功。
歐洲在這方面處極具優(yōu)勢(shì)。 歐洲在網(wǎng)絡(luò)嵌入系統(tǒng)、語(yǔ)義科技和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)這些領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。 因此，歐洲工業(yè)有實(shí)現(xiàn)技術(shù)上巨大飛躍和完美應(yīng)對(duì)全球市場(chǎng)變化的絕佳機(jī)會(huì)。
目前其它行業(yè)（比如汽車(chē)行業(yè)）也正在經(jīng)歷類(lèi)似的發(fā)展。 隨著產(chǎn)品變得越來(lái)越復(fù)雜，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAX）在產(chǎn)品持續(xù)優(yōu)化和加速期中變得越來(lái)越重要。 在過(guò)去十年里，雖然計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)逐漸發(fā)展，并在設(shè)計(jì)和計(jì)劃階段增強(qiáng)了產(chǎn)品的柔性，但是在實(shí)際制造階段，類(lèi)似的突破仍然有待實(shí)現(xiàn)。 一個(gè)高質(zhì)量產(chǎn)品的可變性要與縮短的產(chǎn)品生命周期保持一致，就需要有一個(gè)靈活易變的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)新產(chǎn)品需求而重新快速配置。 傳統(tǒng)自動(dòng)化無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種程度的靈活性。 相反，由那些屬于“物聯(lián)網(wǎng)”的“網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)”(CPS) 的智能設(shè)備組成的模塊式工廠結(jié)構(gòu)，是設(shè)計(jì)出可以處理并克服當(dāng)前挑戰(zhàn)的可行性產(chǎn)品方案的關(guān)鍵因素。
在過(guò)去十年里，信息和通訊技術(shù)(ICT)的出現(xiàn)和發(fā)展讓我們已經(jīng)見(jiàn)證日常生活根本性的變革。 計(jì)算機(jī)變得如此之小，好像它們將在幾乎我們所有的技術(shù)設(shè)備里消失殆盡一般。 除此之外，信息得以在全世界網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行交流： 互聯(lián)網(wǎng)。
當(dāng)我們打算沿著這條途徑走向未來(lái)的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有日常中的事物都會(huì)變成全球網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點(diǎn)。 這個(gè)現(xiàn)象叫做“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)；物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)方式必定是大勢(shì)所趨。 偏好電子技術(shù)和多層等級(jí)的工廠自動(dòng)化生產(chǎn)世界將過(guò)渡到智能工廠網(wǎng)絡(luò)，這類(lèi)工廠日益受益于信息和通訊技術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展。 在德國(guó)，關(guān)于第四次工業(yè)革命，或者簡(jiǎn)稱(chēng)“工業(yè)4.0”的討論已經(jīng)開(kāi)始了。
自從 2011 年 4 月這個(gè)術(shù)語(yǔ)被Kagermann/Lukas/Wahlster引進(jìn)以來(lái)，各界對(duì)于它的興趣也在持續(xù)增長(zhǎng)。 在由科學(xué)和商業(yè)界專(zhuān)家組成的工作組的大力推動(dòng)下，關(guān)于德國(guó)工業(yè)發(fā)展的愿景已被提出并以建議的形式提供給聯(lián)邦政府。 研究項(xiàng)目因此得以成立，預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年里將為其注入大約 2 億歐元的資金。 另外，德國(guó)工業(yè)協(xié)會(huì)的三個(gè)主要負(fù)責(zé)人（VDMA、ZVEI和 BitKom）已經(jīng)共同努力創(chuàng)建了一個(gè)共享平臺(tái)以促成所有工業(yè) 4.0 活動(dòng)的合作。
這些行動(dòng)主要通過(guò)媒體報(bào)道，收獲了多方的廣泛評(píng)論。 當(dāng)然，真正的興趣在于制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)成功這一愿景。 德國(guó)是一個(gè)高科技國(guó)家，它的商品和產(chǎn)品設(shè)備制造業(yè)在國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP）占據(jù)了很大比例。 下列部分介紹了預(yù)計(jì)在工業(yè) 4.0 愿景中可能出現(xiàn)的變革性挑戰(zhàn)和變化。
工業(yè) 4.0 愿景
新技術(shù)環(huán)境的一個(gè)典型特點(diǎn)是向機(jī)電系統(tǒng)過(guò)渡。 電子器件將會(huì)成為未來(lái)產(chǎn)品中的一個(gè)基礎(chǔ)組成部分，與此同時(shí)，硬件將會(huì)越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化。 主要的功能特點(diǎn)將由軟件創(chuàng)造。 通過(guò)這種方式，傳統(tǒng)的機(jī)械原件轉(zhuǎn)變成了機(jī)電系統(tǒng)。 因此可以通過(guò)力學(xué)器件、電子器件或者軟件實(shí)現(xiàn)原來(lái)的機(jī)械功能。 因此，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造以及服務(wù)需要跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)合作，這個(gè)團(tuán)隊(duì)集合了由力學(xué)、電子學(xué)、軟件學(xué)到通用工程學(xué)富有競(jìng)爭(zhēng)力的人才。
智能物體?
工業(yè) 4.0 目標(biāo)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力量就是物聯(lián)網(wǎng)（loT）。 在這個(gè)目標(biāo)中，工廠所有的“物體”都會(huì)有一個(gè)唯一的IP地址，并且被整合到網(wǎng)絡(luò)里。 為這種物體創(chuàng)造的科技術(shù)語(yǔ)叫做“實(shí)體虛擬系統(tǒng)”（CPS）。 在未來(lái)的工廠里，傳統(tǒng)的產(chǎn)品層次將會(huì)被分散的自我組織所替代，而這種組織是由CPS實(shí)現(xiàn)的。 工廠部門(mén)和產(chǎn)品過(guò)程將會(huì)變得非常獨(dú)立和靈活，在產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)換和諸多選擇的條件下，即使是最小訂購(gòu)數(shù)量的產(chǎn)品也能被生產(chǎn)出來(lái)。
這種機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信讓當(dāng)個(gè)機(jī)器也能發(fā)出命令，比如說(shuō)，運(yùn)送原料或者使用特定制造服務(wù)的命令。 物體的語(yǔ)義存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)地控制著它的制造過(guò)程，因此允許分散大規(guī)模的生產(chǎn)批量最小為“1”。
許多這種智能原件可以移動(dòng)，并且通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，也就是說(shuō)省去了許多極其重要的位置數(shù)據(jù)，它們?cè)谂f的硬連接系統(tǒng)下，只能通過(guò)“線路末端”傳遞給我們（表格 1 中有比較）。 這在工廠經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域是極其重要的。 使用移動(dòng)操作設(shè)備（比如說(shuō)智能手機(jī)）的員工，再也不用總是固定待在一個(gè)特定的位置了。 使用者可以在某個(gè)商店里，也可能在咖啡館里。 這種應(yīng)用必須把員工現(xiàn)在的位置考慮進(jìn)去，以便于決定某種功能在當(dāng)前時(shí)刻是否能被支持。 為了解決這個(gè)困境，不僅需要類(lèi)似于GPS的室內(nèi)定位系統(tǒng)，而且還必須盡快建立設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)適應(yīng)相關(guān)環(huán)境的人機(jī)界面的新規(guī)則和方法，以便保證當(dāng)前使用的硬件和操作軟件可以分離。
圖 1： 智能物體 —— 移動(dòng)化、模塊化和分散化。
新的通信架構(gòu)
如今的工廠遵循著一套嚴(yán)格，多層等級(jí)的信息結(jié)構(gòu)。 在上層，我們有比工廠控制系統(tǒng)（MES 和NC/PLC）等級(jí)更高的企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)；在下層，則是工廠的傳感和致動(dòng)器系統(tǒng)，也就是所謂的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。 然而，近年來(lái)，這些層級(jí)都已漸漸地整合在一起；主要的系統(tǒng)集成已不在垂直方向，而在水平方向上產(chǎn)生了，CPS網(wǎng)絡(luò)將必定需要一個(gè)新的架構(gòu)方法。 具有穩(wěn)固橫向網(wǎng)絡(luò)和微弱縱向通信特征的常見(jiàn)錐形結(jié)構(gòu)將會(huì)被一個(gè)面向領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所取代，理論上這個(gè)面向領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠讓任意數(shù)量路線穿過(guò)工廠的所有信息層。
建立在物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)原則上的工廠系統(tǒng)將會(huì)使當(dāng)今可編程邏輯控制系統(tǒng) (PLC) 變得多余，因?yàn)榧词箚蝹€(gè)終端設(shè)備處在不同的層級(jí)，它們也能和其它任何設(shè)備進(jìn)行通信。 流程邏輯的規(guī)范（也叫編排）將在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行，而不是在專(zhuān)用控制部分中進(jìn)行。
新的編程模型
現(xiàn)今，程序控制成為那些建立在有20年或者更久歷史的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的硬件結(jié)構(gòu)中最重要的部分。 在自我組織網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的未來(lái)世界里，硬件和控制邏輯必須完全分開(kāi)。 一些模型已經(jīng)在這一領(lǐng)域出現(xiàn)了。 例如，服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu) (SoA) 或者多智能體架構(gòu) (MAS)。
這兩種方法都封裝，提取了硬件的實(shí)用功能，并包含自我組織系統(tǒng)機(jī)制。 此外，一系列允許控制邏輯規(guī)范或者編排的編程模型已經(jīng)存在了。 然而，未受過(guò)此類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)培訓(xùn)的工人上若要在車(chē)間實(shí)施這些方法會(huì)比較困難，因?yàn)檫@些方法需要高水平的計(jì)算機(jī)技術(shù)。 在這一方面，通過(guò)中層制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES)，將已經(jīng)部分部署在工廠上層的此類(lèi)架構(gòu)模型遷移是一種可觀的做法，但是這種做法也需要考慮參與人員的技術(shù)背景。
在當(dāng)今產(chǎn)品計(jì)劃和控制過(guò)程中，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)依賴(lài)機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)的效果，所以控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往安排在計(jì)劃階段的末尾。 邏輯控制編程要在控制終端被選中，且邏輯控制的連接方式已確定后才會(huì)開(kāi)始。 類(lèi)似于服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu) (SoA) 這類(lèi)抽象概念在解除與實(shí)施初期硬件的關(guān)系以及創(chuàng)造一個(gè)可重復(fù)使用的軟件組件方面有著重要幫助。
建立一個(gè)新的工程工作流，對(duì)于為硬件提供所需的獨(dú)立、功能性和自上而下的計(jì)劃方法是非常必要的。 傳統(tǒng)的計(jì)劃領(lǐng)域必須更為集成，尤其是在早期計(jì)劃階段，以便能在后期計(jì)劃過(guò)程中提供對(duì)中可能。 系統(tǒng)工程方法能在支持跨學(xué)科任務(wù)方面提供幫助，這已在航天技術(shù)部門(mén)得到了成功證明。
因此，由于計(jì)劃結(jié)果的復(fù)雜性以及相關(guān)領(lǐng)域之間的相互關(guān)系，創(chuàng)造透明的呈現(xiàn)方式將極具挑戰(zhàn)性。 這將需要設(shè)計(jì)出增量性、基于模型的工程策略的實(shí)用程序，同時(shí)也需要適當(dāng)?shù)哪Ｐ驼Z(yǔ)言、數(shù)據(jù)格式以及工具鏈。
未來(lái)智能工廠的目標(biāo)是消除 CAX/PLM 環(huán)境和實(shí)際運(yùn)作工廠之間的媒介障礙。 PLM工具需要有生成完整系統(tǒng)描述的能力，這種能力可以直接把對(duì)象轉(zhuǎn)化成為可執(zhí)行的控制服務(wù)。 同時(shí)，編碼必須既能模擬虛擬工廠，又保證實(shí)際工廠的操作和設(shè)置。
標(biāo)準(zhǔn)
正如在基礎(chǔ)模型中描述一樣，只有在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，硬件和功能?chē)?yán)格分離才能取得成功。 至少就信息技術(shù)方面而言，CPS系統(tǒng)元件的設(shè)計(jì)風(fēng)格應(yīng)該近似于樂(lè)高積木。 也就是說(shuō)，這種元件必須能在標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn) ISO/OSI 7 層模型中所有層之間的數(shù)據(jù)交互。 至少1-4運(yùn)輸層已經(jīng)依靠許多既定標(biāo)準(zhǔn)（比如多種IEEE 802.xx標(biāo)準(zhǔn)和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）；以應(yīng)用為基礎(chǔ)的5-7層各自的標(biāo)準(zhǔn)只有在巨大的市場(chǎng)壓力下才會(huì)得以實(shí)現(xiàn)。 很明顯，對(duì)于把自己的產(chǎn)品做成可互換的“樂(lè)高積木”這樣的想法，制造商沒(méi)有任何興趣。 如今關(guān)于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域（比如 ISA100）的標(biāo)準(zhǔn)流程或者設(shè)備規(guī)格描述語(yǔ)言（比如 FDT） 的討論反映了其中利益的對(duì)抗與沖突。 所幸的是在 5-6 層有一個(gè)帶 OPC UA 的可行性實(shí)施方案已被越來(lái)越多的生產(chǎn)商和用戶(hù)接受。
安全性
未來(lái)工廠控制系統(tǒng)一個(gè)顯著的特征是：在所有層使用基于IP的網(wǎng)絡(luò)。 這使得由設(shè)備領(lǐng)域數(shù)據(jù)向更高層次企業(yè)資源計(jì)劃 (ERP) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入得以順利實(shí)現(xiàn)。 然而，開(kāi)放協(xié)議的使用也讓工廠處于遭受更強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)攻擊的危險(xiǎn)。 超級(jí)工廠病毒和其他惡意軟件（流氓軟件）使得威脅確切存在。 只有當(dāng)這種技術(shù)安全和信任的高標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于企業(yè)，一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的環(huán)境才能最終成功實(shí)現(xiàn)。 這不僅要求技術(shù)性的解決方案，可能更重要地是需要組織方法。 找到一個(gè)關(guān)于安全性問(wèn)題的確切答案需要工業(yè)、科學(xué)研究和政府的提議，也將成為研發(fā)過(guò)程中主要話題。
即將來(lái)臨的未來(lái)會(huì)是什么樣呢？
預(yù)計(jì)大概在10到15年之內(nèi)，工業(yè)4.0愿景將會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)生產(chǎn)環(huán)境中。 就所有需要回答的問(wèn)題和所有需要研究的工作而言，工業(yè)需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能普遍實(shí)施和接受這些全面的制造方案。
因此，適合愿景的第一要素和目標(biāo)在它們運(yùn)用到實(shí)際中之前，將歷經(jīng)一段進(jìn)化的過(guò)程。 豐富且隨時(shí)可用的信息和媒介障礙的縮小構(gòu)成了足以創(chuàng)建多用途和透明生產(chǎn)環(huán)境的基礎(chǔ)。 早已可用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)能追蹤數(shù)字世界的元素并把它們呈現(xiàn)出來(lái)。 像筆記本電腦、平板電腦或智能眼鏡這樣的移動(dòng)設(shè)備可以提供來(lái)自商業(yè)和其他領(lǐng)域任意地方的企業(yè)知識(shí)庫(kù)的即時(shí)渠道。 因而，能以全面準(zhǔn)確的信息和作用為基礎(chǔ)的決策和操作在智能輔助系統(tǒng)的支持下會(huì)進(jìn)展得更快，圖 2 中展示的就是智能輔助系統(tǒng)。
圖 2： 近期產(chǎn)品中的移動(dòng)設(shè)備和智能輔助系統(tǒng)。
作為獨(dú)立制造商存在的示范和研究平臺(tái) —— SmartFactoryKL 技術(shù)項(xiàng)目 —— 通過(guò)發(fā)展和部署能有著靈活產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的解決方案，已經(jīng)在工業(yè)4.0目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)上取得了巨大成功，其能很好地解決當(dāng)前工業(yè)挑戰(zhàn)。 在30多個(gè)工業(yè)合作伙伴構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，SmartFactoryKL 對(duì)創(chuàng)新信息和通訊技術(shù)以及它們?cè)趯?shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)、研發(fā)。 在最新的一個(gè)項(xiàng)目中，主要工業(yè)合作伙伴共同努力，開(kāi)發(fā)了一條全新的生產(chǎn)線（見(jiàn)圖 3）。 這條生產(chǎn)線完全是模塊式，并允許對(duì)新制造模塊進(jìn)行即插即用時(shí)的整合。 這個(gè)即插即用功能可以在由 SmartFactoryKL 和它的合作伙伴定義的一系列機(jī)械、電氣和信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)。
圖 3：?在 SmartFactoryKL 進(jìn)行未來(lái)生產(chǎn)的示范工廠。
前景
沒(méi)有一場(chǎng)技術(shù)革命是在倉(cāng)促的情況下發(fā)動(dòng)的。 通常多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的各自進(jìn)步會(huì)推動(dòng)每幾十年一次革命性的劇變（技術(shù)推動(dòng)型），同時(shí)這也是由新的市場(chǎng)需求（市場(chǎng)拉動(dòng)型）帶來(lái)的。 當(dāng)前關(guān)于工業(yè) 4.0 的運(yùn)動(dòng)將很可能有一個(gè)持續(xù)幾十年的相似進(jìn)化過(guò)程。 值得確信的一點(diǎn)是，工業(yè) 4.0 給制造商和終端用戶(hù)提供了一個(gè)他們都能成功適應(yīng)的清晰愿景。 信息技術(shù)環(huán)境的科學(xué)見(jiàn)解和生產(chǎn)環(huán)境的需求緊密聯(lián)系。 這要求傳統(tǒng)意義上各自獨(dú)立部門(mén)或?qū)W科進(jìn)行跨學(xué)科或跨部門(mén)合作。
當(dāng)然，人類(lèi)才是這個(gè)演變過(guò)程中最重要的因素。 如果我們現(xiàn)在分析下前三次大革命，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：人類(lèi)需求和生活標(biāo)準(zhǔn)很明顯是這些變化最主要的推動(dòng)力量。 當(dāng)這些要求正好符合技術(shù)條件，它就會(huì)給多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)創(chuàng)新的變革。 自第三次工業(yè)革命（通常也叫數(shù)字革命）以來(lái)，許多創(chuàng)新技術(shù)和政治改革已經(jīng)對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生了影響。 這些典型的例子包括冷戰(zhàn)的結(jié)束、全球市場(chǎng)，特別是中國(guó)市場(chǎng)的開(kāi)放，同時(shí)也包括技術(shù)的進(jìn)步（例如，因特網(wǎng)和許多智能設(shè)備）。
人類(lèi)不僅是技術(shù)進(jìn)步重要的推動(dòng)者，同時(shí)也是被推動(dòng)的對(duì)象。 現(xiàn)代信息和通訊技術(shù)，以及全球化的背景使商業(yè)進(jìn)程大幅加快。 給供應(yīng)生產(chǎn)工廠和設(shè)備的報(bào)盤(pán)可以立刻發(fā)送到全世界，全球集團(tuán)也可以立即成立，以便商討解決方案。 陸海空更高效和更全面的物流系統(tǒng)能夠在更短時(shí)間內(nèi)把貨物傳送給顧客。 為了在全球競(jìng)爭(zhēng)中取得成功，生產(chǎn)系統(tǒng)需要靈活快速轉(zhuǎn)換的功能。 信息與通訊技術(shù)的進(jìn)步可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)需求。 在這個(gè)新系統(tǒng)環(huán)境中，人們將需要更快地計(jì)劃、執(zhí)行和操作。 只有那些能設(shè)法及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整它們國(guó)民培訓(xùn)和教育模式的國(guó)家才能在全球市場(chǎng)中取得成功。
歐洲在這方面處極具優(yōu)勢(shì)。 歐洲在網(wǎng)絡(luò)嵌入系統(tǒng)、語(yǔ)義科技和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)這些領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。 因此，歐洲工業(yè)有實(shí)現(xiàn)技術(shù)上巨大飛躍和完美應(yīng)對(duì)全球市場(chǎng)變化的絕佳機(jī)會(huì)。
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