中國“智”造的典范：德國智能工廠的建設路徑
http://www.199rrr.com 2016-01-21 16:21 來源：中國工業評論
進入21世紀以來，信息與通信技術取得了突破性進展。 特別互聯網技術的迅猛發展給社會和工業帶來了深遠的影響，2006年美國國家基金會（NSF）科學家Helen Gill提出了信息物理融合系統（Cyber-Physical System，簡稱CPS）概念，將網絡化的世界與智能化物理世界融合起來。信息物理融合系統是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統，是計算進程和物理進程的統一體。CPS 包含了無處不在的環境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等系統工程，使物理系統智能化具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自適應功能。德國工業4.0將CPS運用到制造和物流的技術集成，通過與物聯網及服務網的融合，進而產生了創新的工廠系統 -- 智能工廠( SmartFactory )。
在工業 4.0 時代，每個工廠企業都將建立 “數字企業平臺”，通過開放接口將虛擬環境與基礎架構融為一體，從而形成生產制造模式變革為核心的網絡物理融合生產系統（CPPS）。智能工廠系統完全不同于傳統的工廠自動化系統。智能工廠采用面向服務的體系架構，它是人、機器與產品互聯互通的一個智能網絡。這一智能網絡成為設計和制造智能工廠的理論基礎。
可以看出，CPS的通信網絡系統采用了工業物聯網技術；生產制造系統采用CPPS信息物理融合生產系統；傳統的企業監控管理級成為了采用服務互聯網提供的服務的安全可靠和可信的云網絡。基于嵌入式Internet技術的P2M（產品對機器通信）以公共無線網絡為接入手段，為客戶提供產品到機器的通信解決方案，滿足客戶對生產過程監控、指揮調度、遠程數據采集和測量、遠程診斷等方面的信息化需求。P2M不是簡單的數據在產品和機器之間的傳輸，它是生產制造之間的一種智能化、交互式通信，即使人們沒有實時發信號，機器也會根據產品的信息主動進行通信，并根據所得到的數據經過大數據分析智能化地做出選擇，對相關設備發出正確的指令。新型的工業控制以傳統的自動控制金字塔為基礎逐步實現智能化、遠程化和實時化，通過IP網絡支持以及泛在移動性的P2M通信提供了更佳的承載基礎。按照Edward A. Lee教授的定義：“信息物理生產制造系統（CPPS）是計算過程和物理過程的集成系統，利用嵌入式計算機和網絡對物理過程進行監測和控制，并通過反饋環實現計算過程和物理過程的相互影響。”基于CPS系統的智能工廠是一種網絡型嵌入式系統，它將打破PC機時代建立的傳統自動化系統的體系架構，從而全面實現分布式智能。
德國推進智能工廠動因
除了技術背景，德國政府實施智能工廠的主要原因，還是想將互聯網技術、信息和通信技術集成到傳統的制造業，以維持其全球市場領導地位，并為推廣CPS技術和產品建立和培育新的市場，成為智能制造技術的主要供應大國。
從根本上說，德國作為世界上最重要的生產制造國家，面臨著互聯網時代制造領域升級轉型的巨大挑戰。目前IT行業對于傳統制造業的大舉進攻，對于傳統制造領域技術開發的大量投資，使得德國政府不斷提醒德國的企業家們必須抱有保持德國在制造行業領先地位的深刻危機意識。如果德國制造業不能及時進行創新性革命，總有一天Google、微軟、蘋果等會成為生產制造的新巨頭。可以說，互聯網技術發展對于產品乃至企業生命周期的影響，猛烈地沖擊著德國制造強國的地位。所以德國必須通過新的創新、變革才能從制造強國提升為超級制造強國，從而保持它在機械制造領域的領先地位。而推動智能工廠和智能生產是實現這一目標的重要手段。
德國大力推進智能工廠的原因，具體而言，第一個因素是互聯網時代對于傳統制造業的強烈沖擊。最近十多年來技術特別是IT信息通信技術的迅猛發展，已成為所有行業和應用領域的重要創新驅動器。互聯網技術已對人類社會的發展帶來了深刻的影響。制造業若仍按照原來的設計制造生產和規劃方法運行，已遠遠不能適應市場、客戶和技術發展的需要。如何將互聯網及IT技術應用于傳統工業已成為當務之急。因此，如果德國想在全球裝備制造領域繼續保持領頭羊的地位，不僅必須繼續發揚一貫專注于創新和創造的精神，而且要通過工業4.0戰略的實施，將互聯網技術與傳統行業有機結合在一起，對傳統行業進行變革以符合新的營銷理念、新的市場需求和新的技術發展的要求，再度提升其全球競爭力，成為互聯網時代工業制造技術的供應者和領先者，并將這種系統工程推向全世界，保持其全球生產制造行業掌門領袖的地位。
第二個因素是世界經濟全球化對于產品生命周期的影響。由于互聯網時代帶來了世界經濟的扁平化，帶來了工業產業如何保持持續發展的新挑戰，帶來了由信息的開放性和傳播的快速性造成的產品生命周期的根本性變化。所以制造工廠的設計和建造需要滿足生產制造布局全球性、制造方式靈活性、產品生命周期縮短和企業發展持續性的需求。這些需求就是工業4.0戰略在所有工業領域要解決的問題。 而智能工廠的目的就是要產生一種新型的生產制造模式。從單純生產產品的技術角度來講，這種新型的生產制造模式要能適應產品生命周期的新變化。在過去十多年里，機械制造行業的專家們做了不少努力來提高生產效率，加大生產的靈活性，如機電一體化、管控一體化、CIMS、數字工廠、虛擬工廠等等，都沒有很好地解決以上問題，在實踐和發展中，人們慢慢認識到這些問題的解決并不是單單通過改造生產制造方式就可以實現的。這種變革需要融合產品研發、生產、市場、服務、運行及回收各階段的動態管理。這恰恰是建設智能工廠的首要任務。
第三個因素是推動智能制造以鞏固德國在制造領域的領先地位。德國在推動工業4.0這一國策時將重點放在智能工廠上，這關系到德國如何繼續占領傳統工業領域的制高點，打造國家制造業競爭新優勢。老牌工業強國德國期望通過以智能制造為主導的第四次工業革命來實現德國的工業制造由自動化向智能化和網絡化方向升級的目的，實施智能工廠和智能生產兩大戰略，通過不同層面的智能化變革實現全局的智能化。
德國強調第四次革命的重點是生產制造模式上的改變，這也與德國制造業在德國經濟中有著舉足輕重的地位分不開。德國擁有強大的設備和機床制造能力，推動智能工廠建設，可以全方位地提升德國工業界的整體實力，引發整個制造產業鏈（信息技術的引用、生產物流管理技術、自動化控制技術、機電一體化技術、工業科技產品的科研和開發、3D技術、復雜工業過程的管理技術、電子嵌入式系統技術等等）的顛覆性變化。同時這一項目也可以動員和吸引整個工業制造行業鏈上大量中小企業參與，舉一綱而萬目張，解一卷而眾篇明，成為“全民項目”，使得中小企業都成為智能工廠生產技術的參與者、開發者、使用者和受益者，從而繼續保持德國在整個產業鏈的領先地位。
德國智能工廠架構體系
工業4.0提倡的智能工廠是實現一種新型生產制造模式的載體。其核心是為了適應產品生命周期新的變化。它能夠找到應付產品快速更新換代、產品種類多而批量少、價格競爭和成本壓力、投資回報率時間縮短以及資源優化和能源效率的解決方法。其架構體系是按照RAMI4.0 （工業4.0的參考架構模型）來設計的。
RAMI 4.0 提出了從四個側面來設計智能工廠， 即生產制造流程、生產制造設備、管理軟件和工程工藝（生產工藝、制造工藝、產品開發工藝及流程工藝）。 同時RAMI4.0又將這四個側面歸納為三個維度， 即產業制造鏈、產品周期鏈和企業管理鏈，形成一個三維的工業4.0參考架構模型。按照這個模型，我們用生產制造周期、自適應生產制造自動化系統和互聯網為導向的工廠管理系統三方面來構造智能工廠的基本特性及方法。
實現智能工廠要分多步進行。
智能工廠要掌握產品生命周期，制訂靈活多樣的生產制造周期。實際上，產品從誕生到消失的生命周期在市場上銷售量需求有一定的規律。它要經歷研發期、試用期、發展期、成熟期、飽和期到退出期。在不同的時期中市場對于產品的數量要求也是不同的。如在研發期、試用期所需要的產品數量是有限的，發展期、成熟期、飽和期所需要的產品數量由市場推廣的力度及市場合理的定位來確定預測的范圍，而在退出期則需要按回報率、更新換代的速度和開發新產品的投入力度來規劃產品不同的生產數量和功能。
S型曲線是典型的產品生命周期曲線，產品經過培育期、成長期、成熟期、衰退期，直至結束產品生命。這條S型曲線代表了以傳統的方式來思考一個產品生命周期的各個階段與企業在此產品上的收入（效益）的關系。
而在產品生命周期的管理下，產品生命周期曲線可以被重新塑造，在產品生命周期的各個階段都會產生相應的作用，從總體上為企業帶來巨大的效益。同時極大地影響不同階段對于產品的需求數量，當然對于生產制造的規模、回報率和研發周期的制定起了決定性的作用。
這是產品管理的基本原則，所不同的是在過去的年代里，整個的產品生命周期比較長，一般可以按8年到10年計算，所以一般研發期、試用期的資本投入可以忽略不計。以開發機械結構產品為例，初期的研發費用、模具費用甚至加工機械設備的費用可以分攤在整個產品的數量上。比較長的產品生命周期產生巨大的銷售量保證了初期投入及時地獲得回報。而如今隨著技術的快速發展和產業更新換代的加速，產品生命周期大大縮短。這種現象首先出現在民用產品上，使用周期從過去的三四年縮短到一二年，甚至更短。這種趨勢也影響了工業產品的生命周期的長短。
產品生命周期短、產品數量少同時數量要求的突變性，必然需要一種靈活多樣的生產制造模式來快速響應這些變化。實現智能工廠的第一步就是要建立這樣的具有自適應功能的生產制造模式。目前德國推動智能工廠的一項重要任務就是設計和規范按照市場對產品需求的不同時間段而實現不同生產方式的靈活多樣的生產制造發展周期。
智能工廠要滿足產品制造周期的自適應生產制造模式。多工作方法的生產制造模式是智能工廠滿足客戶和產品特殊需求的基礎，將客戶和市場的需求及時地與生產制造模式有機地整合在一起，及時調整生產的方法來平衡成本與投資，降低成本，提高響應速度。提高產品的競爭能力是智能工廠的基本設計思想。要實現人工、半自動和全自動三位一體的生產制造模式，我們首先要考慮到這種混合生產制造模式的實施成本問題，生產方式切換時產生的停機時間問題，調試維護安裝操作難度提高的問題，運行人員的技術水平培養問題，系統規劃預算的復雜性問題等等。 針對這些問題，必須解決：產品數量的響應性；生產規劃的長期性；生產工藝的穩定性；技術發展的連續性；制造成本的競爭性；員工創新的主導性。這六個性能構成了智能工廠生產制造模型的特征。
智能工廠必須具備將人工、半自動和全自動三位一體的適應性生產制造模式的控制系統的基本方法人工、半自動和全自動三位一體的適應性生產制造模式是構成生產價值鏈軸/生產管理軸的集合。針對產品的高柔性化生產和客戶定制的發展趨勢，建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。
在這種模式中，由于引入了各種新的技術特別是互聯網技術，產生以生產制造為導向的交叉領域和創新理念，創造出新價值，傳統的產業鏈將被重組。適應性的生產制造模式針對產品制造周期自適應生產制造模式提出了基本的設計規范，核心是將IT信息技術、工業以太網絡技術與工業自動化技術有機結合起來。對所需的信息和應用信息要求數字化；保證產品在不同時刻或階段需求量不同，對于生產峰值有及時的應對能力； 應用互聯網及IT技術將生產制造、生產工藝、生產控制和生產管理結合在一起；采用分散智能化裝備組件使得生產模式功能擴展得更加方便；采用網絡物理系統的概念達到數字工廠與實際對象的一致性。 當然成本的優化、操作的方便性等等因素都在設計的大綱中體現出來。
根據這些現實及未來發生的問題，研究智能工廠的路徑圖得以提出。智能工廠是信息化技術發展的產品，是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務。智能工廠規劃、設計和運行專家們不僅要了解自己的產品即生產裝備及技術，同時也應該清楚掌握產銷流程、即時正確地采集生產線數據，以及合理編排生產計劃與生產進度。為了提高生產過程的可控性、減少生產線上人工干預、在設計的過程中必須將生產管理、生產流程及生產效率統一于生產制造模式中，從而構建一個高效節能、綠色環保、環境舒適的現代化工廠。它主要采用的技術核心如下：A) 采用數字工廠/虛擬工廠的技術；B)智能分散型機電控制一體化的功能模塊；C) IT技術、互聯網技術、應用實現三位一體化的適應性生產制造系統。
智能工廠還須具備融合互聯網技術的企業管理系統。為了實現“工業4.0”概念的智能工廠，在注重新的生產線高度自動化的同時，必須首先在制造的主要環節實現信息化控制與集成，以支撐生產過程管理與監控以及制造執行環節的信息主動獲取和集成。為此，智能工廠必須以生產數據和控制數據的主動獲取、應用和集成為主線，設計出智能制造過程管理與控制軟件子系統（以下簡稱子系統），主要業務模塊總體框架。
該子系統主要分為三個層面：信息集成與服務層、智能制造車間管理層以及設備層。在智能工廠的企業管理層必須與互聯網相結合。整個軟件框架體系中，頂層信息集成與服務層通過云服務與其他工廠進行數據交互，實現制造服務化；生產制造管理層作為制造執行控制功能，對制造過程進行控制與數據分析，主要包括制造執行控制模塊、庫存與物流控制模塊、多源過程數據獲取與分析模塊、設備通訊模塊等關鍵業務功能以及系統基礎支撐模塊。各層間通過數據服務中心進行數據交互。智能工廠的IT設施建立在云計算網絡基礎上，云計算的本質是一種基于互聯網的服務模式，它類似于遠程數據中心。控制室可以理解為私有云，考慮到控制的可靠性要求非常高，為CPPS信息物理融合生產系統提供服務的Apps平臺建立在工廠企業的私有云上。但是一些營運和生產管理，例如PLM、SCM、CRM、QMS、ERP、以及MES的一些功能可以通過云計算網絡提供服務。這樣可以降低創建和優化基礎架構的成本，提升生產管理的智能化水平，高效地跨地域協同以及提高快速響應市場需求的能力。
德國正加緊實踐工業4.0和智能工廠
實際上，工業4.0提出的智能工廠的概念，是與德國工業界遇到的最大瓶頸緊密地聯系在一起的，無論所宣傳的CPS系統將人、產品和機器用互聯網連接在一起，還是用個性化生產來描述滿足市場日益個性化的產品需求，其隱含著最大的目的是建立一個與互聯網融合的智能化先進制造方式，提高效率，降低成本和加快反應速度。根據德國專家的分析，這個目標的實現至少要十多年，所以存在著現實與未來、方式與模式矛盾的問題。
然而，在過去的幾年里，德國大多數企業和工程人員也搞不清工業4.0到底要干什么，智能工廠到底應該如何來建造，基本上處于觀望狀態。從2015年開始，德國政府意識到這個問題，必須將實踐與理論相結合，將概念轉化為現實。德國副總理、經濟部長Gabriel明確要求各企業公司必須加快研發步伐，盡快將研發成果應用到實踐，成為可復制的樣板工程，同時要盡快確定新業務的模式。所以，2015年5月，由德國經濟部和教育研究部牽頭重組了工業4.0平臺，并著重于工業4.0標準化的制定工作。2015年11月，德國發布了工業4.0第二版，并將其確定為德國標準，上報到IEC委員會。同時，強調了實踐的重要性。在很短時間內制定了工業4.0實施示范分布圖，共記錄了202個以工業4.0為導向的示范項目，人們可以通過網站直接閱讀。
值得一提的是，通過觀察和分析，我們可以看到目前所有的項目并不是想象中的“智能工廠、數字工廠、自適應工廠”，更多的是技術改革，深度的自動化技術的應用。其目的不在于做秀給別人參觀， 而是用務實的創新精神來解決針對互聯網時代中產品快速需求性、產品生命周期不斷縮短、多品種小批量生產制造模式的問題，在實踐中通過增加工藝流程和生產制造模式的靈活性，特別是通過互聯網網絡技術使業務流程的不同方面(如質量、時間、任務、穩健性、價格和生態友好)實現動態配置，加快對材料和供應鏈的持續調整。同時，這也意味著工程流程能夠變得更加靈活，制造流程可以隨時被改變，暫時性短缺(比如供應問題)能夠快速彌補，并且在短時間內實現產量的大幅提高。
而且，工業4.0建立產品數字化的標準，使得人們在設計、配置、排序、規劃、制造和運行等階段中納入數字化產品的標準，進行及時的適應性的修改。通過生產制造方式的靈活性、研究開發的適應性和市場客戶快速響應性，使得智能工廠的生產制造模式能夠解決由于產品生命周期不斷縮短造成的制造成本和響應速度的問題，提高資源利用率來得到足夠獲利能力。
如果我們從這個新的思路出發重新認識智能工廠的真正含義和推進路徑，無論是位于德國巴伐利亞州東部城市安貝格的西門子工廠還是寶馬公司全生產線，盡管我們沒有感受到許多新的技術，也沒有非常震撼的感覺，但是解決產品的制造成本、提高生產制造的靈活性恰恰處于演變之中。同樣，202個示范項目中的每個項目都對自動化提出了挑戰。因為它可以給整個供應鏈帶來自動化附加值，它的功能、高品質、經濟回報還有生產效率都可以通過互聯網的介入而進一步提升。
綜上所述，在當今互聯網時代，面臨美國提出的“第三次革命”“工業互聯網”戰略，德國沒有隨風而動，跟隨美國人進行制造領域顛覆性的改變，而是按照自身國情、本國工業領域面臨的挑戰和瓶頸，提出了符合自己生產制造模式改進的策略，乃至上升為國家戰略。德國沒有將工業4.0戰略僅僅限制在智能工廠、智能制造上，而是通過將互聯網、物聯網有效地運用到工業革命之中，進行生產制造模式的變革，并制定了長期的戰略規劃圖，將現實與未來有機結合，將方式與模式的改變有機結合，走出德國自身的發展工業之路。
中國創新性智能制造戰略必須結合中國國情
《中國制造2025》也為我國工業發展提出了綱領性的方針與政策。我們必須按照這個方針，找出我們工業目前發展碰到的瓶頸和挑戰，一步一步地解決難點問題，而不是回避問題，人為轉型。
當今我國工業領域遇到許多瓶頸：產能過剩、經濟下行壓力大、資源浪費、環境污染等，但與此同時，創新性不夠、產品質量不高仍然是我們最大的問題。目前提高質量的關鍵因素是實現生產制造自動化，特別是工廠制造自動化。只有質量提高了，我們才能提高效率，通過有效的管理手段來實現流程執行的最優化。因此，自動化技術的應用是實現“中國制造2025”的必要條件，而數字化技術是實現“中國制造2025”的充分條件。通過運用自動化技術達到產品質量的一致性， 為經過生產管理做出決策提供最好的可靠的依據。如果生產過程中，人為的因素比重過大，導致產品質量不穩定，那么再好的管理方法、管理理念也無法解決質量問題。由于我國工業制造水平極不平衡，整體制造業格局并未完全適應目前數字化、智能化的改造需求，我們必須依照“工業2.0補課，工業3.0普及，工業4.0示范”策略，從實際出發，因地制宜，制定企業戰略目標。具體做法是：作為產品生產商或制造產品設備商，要根據自身情況，從生產制造自動化、流程管理數字化、企業信息網絡化到智能制造云端化，一步一步實現智能工廠的戰略。
編輯精選
