第二節(jié)　工業(yè)4.0與智能制造

一、“工業(yè)4.0”認(rèn)知

1.工業(yè)4.0的提出

“工業(yè)4.0”是德國(guó)政府提出的一個(gè)高科技戰(zhàn)略計(jì)劃。該計(jì)劃由德國(guó)聯(lián)邦教育局及研究部和聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)合資助，投資預(yù)計(jì)達(dá)2億歐元，旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應(yīng)性、資源效率及人機(jī)工程學(xué)的智慧工廠，在商業(yè)流程及價(jià)值流程中整合客戶(hù)及商業(yè)伙伴，其技術(shù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)實(shí)體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)。

2.工業(yè)4.0重要意義

“工業(yè)4.0”已經(jīng)成為中德合作的新內(nèi)容。在中德雙方簽署的《中德合作行動(dòng)綱要》中，有關(guān)“工業(yè)4.0”合作的內(nèi)容共有四條，第一條就明確提出工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了工業(yè)4.0對(duì)于未來(lái)中德經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。雙方認(rèn)為，兩國(guó)政府應(yīng)為企業(yè)參與該進(jìn)程提供政策支持。

3.工業(yè)4.0的概念

“工業(yè)4.0”概念包含了生產(chǎn)由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。在工業(yè)4.0時(shí)代，創(chuàng)造新價(jià)值的過(guò)程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。

二、從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0的演變

提到工業(yè)4.0我們就要追溯以下工業(yè)1.0、工業(yè)2.0、工業(yè)3.0。實(shí)際上我們認(rèn)為的工業(yè)1.0、工業(yè)2.0、工業(yè)3.0即指的是第一次工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命、第三次工業(yè)革命。

工業(yè)1.0：機(jī)械制造時(shí)代，這一階段通過(guò)水力和蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)工廠機(jī)械化，時(shí)間大概是18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中期（1760年至1850年）。

工業(yè)2.0：電氣化與自動(dòng)化時(shí)代，這一階段在勞動(dòng)分工基礎(chǔ)上采用電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，時(shí)間大概是19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)初（1870年到1900年）。

工業(yè)3.0：電子信息化時(shí)代，這一階段廣泛應(yīng)用電子與信息技術(shù)，使制造過(guò)程自動(dòng)化控制程度大幅度提高，時(shí)間從20世紀(jì)50年代開(kāi)始并一直延續(xù)至今（1950年至今）。

從工業(yè)1.0到工業(yè)4.0的演變具體如圖1-8所示。

三、“工業(yè)4.0”三大主題

“工業(yè)4.0”項(xiàng)目將從三個(gè)方向展開(kāi)：一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)、過(guò)程以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等；三是“智能物流”，主要通過(guò)整合物流資源提升物流效率。該計(jì)劃將特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者和受益者，同時(shí)也成為先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者。

1.智能工廠：智能工業(yè)發(fā)展新方向

“智能工廠”的概念最早由美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化有限公司CEO奇思·諾斯布于2009年提出，其核心是工業(yè)化和信息化的高度融合。智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，未來(lái)還將通過(guò)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)將云計(jì)算中由大型工業(yè)機(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)信息（云端智能工廠），利用綠色智能手段和智能系統(tǒng)，構(gòu)建出一個(gè)高效節(jié)能、綠色環(huán)保、環(huán)境舒適的人性化工廠。目前，有關(guān)智能工廠的概念仍眾說(shuō)紛紜，但其基本特征可歸納為系統(tǒng)監(jiān)管全方位、制程管控可視化及綠色制造三個(gè)方面，具體內(nèi)容如圖1-9所示。

2.智能生產(chǎn)：制造業(yè)的未來(lái)

智能生產(chǎn)（Intelligent Manufacturing，IM）也稱(chēng)智能制造，是一種由智能機(jī)器和人類(lèi)專(zhuān)家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過(guò)程中能進(jìn)行智能活動(dòng)，諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等，通過(guò)人與智能機(jī)器的合作共事，擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類(lèi)專(zhuān)家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)；它更新了制造自動(dòng)化的概念，與傳統(tǒng)的制造相比，智能生產(chǎn)具有自組織、超柔性、自律能力、學(xué)習(xí)能力、自維護(hù)能力、人機(jī)一體化及虛擬現(xiàn)實(shí)等特征。

“智能制造”需要硬件、軟件以及咨詢(xún)系統(tǒng)的整合。那些具有“智能制造”屬性的生產(chǎn)線擁有數(shù)量眾多的控制器、傳感器，通過(guò)有線或無(wú)線傳感網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)，將數(shù)據(jù)傳輸給上層的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，讓制造業(yè)提升到一個(gè)新的階段。“智能制造”主要服務(wù)于產(chǎn)品的生產(chǎn)，現(xiàn)在隨著客戶(hù)個(gè)性化需求越來(lái)越多，產(chǎn)品生產(chǎn)也逐漸呈現(xiàn)出少量、多樣等新特征。這就迫使制造廠商要提升生產(chǎn)線的速度與靈活性，對(duì)市場(chǎng)前端的變化作出快速調(diào)整。例如，當(dāng)前一些汽車(chē)廠就可以讓客戶(hù)在線指定汽車(chē)的顏色，快速調(diào)整生產(chǎn)線，快速交付產(chǎn)品。智能制造就是要為使用者帶來(lái)更多的便利。

近年來(lái)，由人工智能技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和數(shù)字化制造技術(shù)等相結(jié)合的智能制造技術(shù)正在引領(lǐng)新一輪的制造業(yè)變革。智能制造技術(shù)開(kāi)始貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，智能制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化及廣泛應(yīng)用正催生智能制造業(yè)。概括起來(lái)，當(dāng)今世界制造業(yè)的智能化發(fā)展呈現(xiàn)兩大趨勢(shì)。

（1）以3D打印為代表的數(shù)字化制造技術(shù)嶄露頭角。數(shù)字化制造以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案為藍(lán)本，以特制粉末或液態(tài)金屬等先進(jìn)材料為原料，以3D打印機(jī)為工具，通過(guò)在產(chǎn)品層級(jí)中添加材料直接把所需產(chǎn)品精確打印出來(lái)。這一技術(shù)有可能改變未來(lái)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、銷(xiāo)售和交付用戶(hù)的方式，使大規(guī)模定制和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)成為可能，使制造業(yè)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、按不同需要進(jìn)行生產(chǎn)，并徹底改變自“福特時(shí)代”以來(lái)的傳統(tǒng)制造業(yè)形態(tài)。3D打印技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的扁平式、合作性的全球手工業(yè)市場(chǎng)，而不是傳統(tǒng)意義上的層級(jí)式、自上而下的企業(yè)結(jié)構(gòu)。一個(gè)由數(shù)百萬(wàn)人組成的分散式網(wǎng)絡(luò)代替了從批發(fā)到零售商的所有中間人，并且消除了傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中每一個(gè)階段性的交易成本。這種“添加式生產(chǎn)”能夠大幅降低耐用品的生產(chǎn)成本，從而使數(shù)以萬(wàn)計(jì)的小型生產(chǎn)商對(duì)傳統(tǒng)上處于中心位置的大型生產(chǎn)者提出挑戰(zhàn)。新的生產(chǎn)方式已經(jīng)發(fā)生了重大改變，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造業(yè)將面臨一次長(zhǎng)時(shí)間的“洗牌”。有預(yù)測(cè)指出，未來(lái)模具制造行業(yè)、機(jī)床行業(yè)、玩具行業(yè)、輕工產(chǎn)品行業(yè)都可能被淘汰出局，而取代他們的就是3D打印機(jī)。當(dāng)然，這需要一個(gè)過(guò)程，主要是人們適應(yīng)和接受新事物的過(guò)程與產(chǎn)業(yè)自身完善成長(zhǎng)的過(guò)程。

（2）智能制造技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用貫穿制造業(yè)全過(guò)程。先進(jìn)制造技術(shù)的加速融合使制造業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)日趨智能化，智能制造正引領(lǐng)新一輪的制造業(yè)革命，這主要體現(xiàn)在四個(gè)方面，具體內(nèi)容如圖1-10所示。

3.智能物流：工業(yè)4.0的基礎(chǔ)

智能物流主要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)整合物流資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有物流資源供應(yīng)方的效率，使需求方能夠快速獲得服務(wù)匹配，得到物流支持。

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能物流是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)，是提升現(xiàn)代物流效率，降低全物流費(fèi)用率的理想解決方案。物流裝備制造商將逐步成為物流系統(tǒng)集成綜合解決方案提供商。所以，智能制造系統(tǒng)與智能物流的融合將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，具體內(nèi)容如圖1-11所示。

四、工業(yè)4.0與大數(shù)據(jù)

1.供應(yīng)大數(shù)據(jù)

在這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的時(shí)代，全球采購(gòu)早已不是新鮮事了。對(duì)于制造企業(yè)而言，如果能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到原材料采購(gòu)價(jià)格的變化趨勢(shì)，就能夠通過(guò)最優(yōu)的采購(gòu)策略來(lái)大大地降低生產(chǎn)成本。

在當(dāng)前的全球經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，影響工業(yè)生產(chǎn)原材料采購(gòu)價(jià)格的因素有如下幾種：全球的生產(chǎn)規(guī)模、全球的生產(chǎn)率、國(guó)際環(huán)境、物流運(yùn)輸環(huán)境、匯率、各國(guó)的政治環(huán)境、主要生產(chǎn)地的政治環(huán)境等，而這些因素的數(shù)據(jù)大多不能直接拿到，但是可以根據(jù)每個(gè)因素的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析得出。那么，在全球的環(huán)境下，要進(jìn)行這些數(shù)據(jù)的收集、分析、預(yù)測(cè)就涉及使用大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

2.制造大數(shù)據(jù)

制造大數(shù)據(jù)就是智能化生產(chǎn)過(guò)程中的大數(shù)據(jù)，在基于工業(yè)4.0的制造大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)下，所有的生產(chǎn)設(shè)備都是智能化的設(shè)備，每次的任務(wù)執(zhí)行都是核心控制系統(tǒng)調(diào)度控制的結(jié)果，那么利用制造大數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備精確控制、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、設(shè)備故障預(yù)測(cè)、制造系統(tǒng)改進(jìn)升級(jí)等。

在數(shù)字化控制的時(shí)代，制造設(shè)備運(yùn)行是嚴(yán)格地按照精確位置運(yùn)行控制。在制造大數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)智能設(shè)備的控制是智能設(shè)備的運(yùn)行軌跡，這樣可以將同一批次的、做同樣工作的智能設(shè)備每次的運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理從而得到下一個(gè)時(shí)間段的準(zhǔn)確的運(yùn)行軌跡，也就是說(shuō)智能設(shè)備可以自動(dòng)修復(fù)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。

3.銷(xiāo)售大數(shù)據(jù)

銷(xiāo)售大數(shù)據(jù)有兩層意思，一個(gè)是基于大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)營(yíng)銷(xiāo)，另一個(gè)是基于大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)需求分析。由于工業(yè)采購(gòu)?fù)谴笞凇⒌皖l的商業(yè)，在這個(gè)銷(xiāo)售過(guò)程中就可以基于大數(shù)據(jù)做一些供應(yīng)鏈金融、電子期貨等。通過(guò)銷(xiāo)售大數(shù)據(jù)的分析可以更好地了解市場(chǎng)需要和預(yù)期，進(jìn)而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

五、制造企業(yè)如何適應(yīng)工業(yè)4.0時(shí)代

通向工業(yè)4.0的路將會(huì)是一段革命性的道路，為了適應(yīng)制造業(yè)中的特殊設(shè)備，現(xiàn)有的基礎(chǔ)科技和經(jīng)驗(yàn)將不得不進(jìn)行改變和革新。而且，對(duì)于新領(lǐng)域和新市場(chǎng)的創(chuàng)新解決方案不得不重新探索。因此，企業(yè)需要對(duì)八個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行改進(jìn)，具體內(nèi)容如圖1-12所示。

學(xué)習(xí)小札

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學(xué)習(xí)心得

學(xué)習(xí)回顧

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，我有哪些收獲？

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自我反思

我還有哪些不足？

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行動(dòng)計(jì)劃

我要把所學(xué)知識(shí)帶回公司，并做好以下幾個(gè)方面的工作，使精益理念融入到公司的管理中去。

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