工業(yè)4.0：智能工業(yè)

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專題介紹Feature工業(yè)4.0：智能工業(yè)工業(yè)和信息化部國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心　王喜文摘要：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。文中介紹了工業(yè)4.0的進(jìn)化過程，提出了CPS的概念及其功能，同時(shí)分析了德國的主要CPS市場及其未來發(fā)展。關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；智能工業(yè)；CPS；德國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)市程和信息技術(shù)充實(shí)到工業(yè)過程之中，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的最優(yōu)化和自場，并將其作為《高科技戰(zhàn)略2020》的一部分。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)動化。的代表性項(xiàng)目，也就是被稱為工業(yè)4.0的智能工業(yè)項(xiàng)目，它將1.3工業(yè)革命3.0引領(lǐng)工業(yè)領(lǐng)域，開創(chuàng)分散型生產(chǎn)的新時(shí)代。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)智能工業(yè)或者工業(yè)4.0，是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合過程高度自動化。自此，機(jī)械能夠逐步替代人類作業(yè)。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1.4工業(yè)革命4.0表，工業(yè)4.0不斷向?qū)崿F(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務(wù)等無縫連接的互未來10年，第四次工業(yè)革命將步入分散化生產(chǎn)的新時(shí)代。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。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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同時(shí)，分散型智能利用代表了生產(chǎn)制造過程的虛擬世界管理。與現(xiàn)實(shí)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2CPS作用。CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實(shí)世界，使智能物體通信工業(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，以及相互作用，創(chuàng)造一個(gè)真正的網(wǎng)絡(luò)世界。正是因?yàn)橛辛俗寕鹘y(tǒng)生產(chǎn)過程理論發(fā)生顛覆的技術(shù)進(jìn)步，這一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，者網(wǎng)上可搜集的數(shù)據(jù)、服務(wù)一起，嵌入式系統(tǒng)也是構(gòu)成CPS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。的要素之一。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)結(jié)合，將給工業(yè)領(lǐng)域、生產(chǎn)價(jià)值鏈、業(yè)務(wù)模式帶來根本性變革一體化，實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0。這些技術(shù)被稱為實(shí)現(xiàn)技術(shù)，培育更加（如智能工廠），從而開創(chuàng)一條通往新技術(shù)時(shí)代的道路。廣泛的基于創(chuàng)新型應(yīng)用或過程的新現(xiàn)實(shí)空間，淡化現(xiàn)實(shí)世界1工業(yè)4.0進(jìn)化過程與虛擬空間的界限。實(shí)現(xiàn)技術(shù)就像互聯(lián)網(wǎng)使得個(gè)人通信以及1.1工業(yè)革命1.0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(shí)世界之間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)的相互作用關(guān)系帶來根本性變化。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)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)功能性濟(jì)發(fā)展的模式。世界。舉一個(gè)簡單的例子，智能手機(jī)囊括許多應(yīng)用和服務(wù)，已1.2工業(yè)革命2.0經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備本身通話功能。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)生由于全新的劃時(shí)代應(yīng)用和服務(wù)的提供商將不斷涌現(xiàn)，漸產(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)漸形成新價(jià)值鏈，所以，CPS也將對現(xiàn)有業(yè)務(wù)與市場模式帶了產(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2013年/第12期物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)3 專題介紹Feature生產(chǎn)技術(shù)的各個(gè)工業(yè)部門，將同步因這些新價(jià)值鏈發(fā)生巨變。健康：遠(yuǎn)程治療以及遠(yuǎn)程診斷中的CPS；未來，CPS將以以往人類無法想象的形式，對人類安全、工業(yè)（智能工廠）：工業(yè)以及自動化生產(chǎn)中的CPS。效率、生活舒適度、提升健康水平等做出貢獻(xiàn)。同時(shí)，CPS5CPS2025——未來也將對解決人口結(jié)構(gòu)變化、自然資源不足、可持續(xù)發(fā)展以及能CPS應(yīng)對社會面臨的主要問題的同時(shí)，對涵蓋自動化、源結(jié)構(gòu)變化等帶來的問題，發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。生產(chǎn)技術(shù)、汽車、機(jī)械工程、能源、運(yùn)輸以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等眾3德國2020年主要CPS市場多工業(yè)部門、應(yīng)用領(lǐng)域，具有非常重要的意義。因CPS而實(shí)德國將推進(jìn)工業(yè)4.0項(xiàng)目作為國家戰(zhàn)略的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)的許多應(yīng)用，將產(chǎn)生新附加價(jià)值鏈和業(yè)務(wù)模式。CPS不僅可就是在2020年讓德國成為CPS的主要市場。與其他大多數(shù)工以降低實(shí)際成本，提高能源、時(shí)間等的效率，還能降低CO2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(shí)，德國一排放水平，在保護(hù)環(huán)境上發(fā)揮重大作用。直維持穩(wěn)定的制造業(yè)勞動力。僅從制造業(yè)來看，CPS就可帶來驚人的效率提升。CPS要聯(lián)通現(xiàn)實(shí)世界與虛擬空間，從生產(chǎn)設(shè)備、工業(yè)產(chǎn)品到實(shí)時(shí)地統(tǒng)籌處理制造、工業(yè)鏈以及各個(gè)顧客的要求，實(shí)現(xiàn)智內(nèi)置存儲裝置、通信功能、廣播傳感器、智能軟件系統(tǒng)的日常能工廠。圖2所示是CPS服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的模式圖。用品等，所有物品都要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。?????????現(xiàn)實(shí)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(yàn)，將為德國工業(yè)引領(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?????亶???仈????????????????????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)?ъ????????CPS??CPS??CPS??CPS??CPS??工程院牽頭的CPS進(jìn)程項(xiàng)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?????亶??CPS?仈????????????ъ??????????提供商的全球地位，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)德國技術(shù)革命。圖1所???????示給出了CPS各層的理想模式。???CPS???????圖2CPS服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的模式圖?????儈????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(shí)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(shí)代。最能夠準(zhǔn)確表?????????達(dá)新工業(yè)時(shí)代的就是工業(yè)4.0項(xiàng)目倡導(dǎo)的智能工廠概念，智能?????к?????工廠是通過在生產(chǎn)系統(tǒng)中配備CPS來實(shí)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(shí)時(shí)性，同時(shí)在資源、成本節(jié)約中也頗具??????優(yōu)勢。??亶??????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(jì)，因此，服從性、靈活性、自適應(yīng)以及學(xué)習(xí)等特征、容錯(cuò)能力，??????甚至風(fēng)險(xiǎn)管理都是其中不可或缺的要素。??????智能工廠的裝備將實(shí)現(xiàn)高級自動化，主要是由基于自動CPS???????????????????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(shí)現(xiàn)的。通過圖1CPS各層的理想模式圖可實(shí)時(shí)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)CPS進(jìn)程列舉了當(dāng)前至2025年間四個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域：化。同時(shí)，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)，能源：智能電網(wǎng)中的CPS；也可以實(shí)現(xiàn)多家工廠、多個(gè)生產(chǎn)單元所形成的世界級網(wǎng)絡(luò)的最機(jī)動性：網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)動性中的CPS；（下轉(zhuǎn)第6頁）4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2013年/第12期 方案案例Application設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好，整體技術(shù)達(dá)到國溫度、覆冰、風(fēng)偏、弧垂、微氣象際領(lǐng)先水平。及視頻圖像等狀態(tài)傳感器信號????????????????數(shù)據(jù)采集模塊OPGW?OPGW?OPGW?????????3G??????Mesh??Mesh??MeshGPRS監(jiān)控中心SDInternetWiFi中央處理器核心模塊藍(lán)牙OPGW?i.MX536NANDFLASHZigBee433????相鄰監(jiān)測點(diǎn)915MRS232RS485光纖?????現(xiàn)場控制遠(yuǎn)程控制????????????????о???????????圖1電力監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)框圖???由圖1可見利用一顆獨(dú)立的ARM處理器實(shí)現(xiàn)了對導(dǎo)??????線溫度、覆冰、風(fēng)偏、弧垂、微氣象及視頻圖像等狀態(tài)參數(shù)????????о????????о????????о??????о??傳感器信號的采集輸入，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析綜合壓縮后，圖2組網(wǎng)示意圖通過各種靈活的無線組網(wǎng)方式如3G、GPRS、WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、433、915M等無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心或其他鄰近的檢測點(diǎn)。為防止監(jiān)控點(diǎn)的災(zāi)難性破壞，設(shè)備本身還可以通過多種類型的存儲介質(zhì)如SD卡、NANDFLASH完成數(shù)據(jù)備份；設(shè)備具有的RS232、RS485、光纖等各種有線通信方式完成線路現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的控制工作，有效地增加了設(shè)備的可靠性。全設(shè)備采用滿足汽車溫度級別的器件，可在－40～85℃下穩(wěn)定持續(xù)工作，設(shè)備整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)防水、鹽霧等各種防護(hù)等級要求，可以用在大部分惡劣的高低溫及濕度環(huán)境。圖2所示圖3現(xiàn)場實(shí)拍圖是整體組網(wǎng)示意圖，圖3所示則是其現(xiàn)場實(shí)拍圖。輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)辰漢電子與國內(nèi)某電力企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的基于i.MX536的監(jiān)測和掌控，滿足日常運(yùn)行值班、故障搶修、應(yīng)急指揮等不同新一代輸電線路監(jiān)控裝置推動了輸電線路信息傳輸技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用需求，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值，為國家電網(wǎng)公司實(shí)施“三集實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集輸電線路狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)行管理、指揮決策于一五大”體系建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐，對建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電體的輸電線路監(jiān)控中心，提升了輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)管能力，網(wǎng)具有重要意義。（上接第4頁）優(yōu)化。?ъ4.0??????????????????這就意味著，創(chuàng)新技術(shù)、成本與時(shí)間的節(jié)約，擁有培育????2…N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。????1??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????1????2????????定其活動范圍、設(shè)定選項(xiàng)以及生產(chǎn)條件，可與其他單元進(jìn)行??????????獨(dú)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(shí)間以及可持續(xù)性等要素，為每個(gè)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)圖3工業(yè)4.0智能工廠通道示意圖整。圖3所示是一種工業(yè)4.0智能工廠通道示意圖。6物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2013年/第12期