第一節　工業4.0與智能制造

一、“工業4.0”認知

1.工業4.0的提出

“工業4.0”是德國政府提出的一個高科技戰略計劃。該計劃由德國聯邦教育局及研究部和聯邦經濟技術部聯合資助，投資預計達2億歐元，旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及人機工程學的智慧工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴，其技術基礎是網絡實體系統及物聯網。

2.工業4.0重要意義

“工業4.0”已經成為中德合作的新內容。在中德雙方簽署的《中德合作行動綱要》中，有關“工業4.0”合作的內容共有四條，第一條就明確提出工業生產的數字化，進一步強調了工業4.0對于未來中德經濟發展具有重大意義。雙方認為，兩國政府應為企業參與該進程提供政策支持。

3.工業4.0的概念

“工業4.0”概念包含了生產由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個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，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。在工業4.0時代，創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組。

二、從工業1.0到工業4.0的演變

提到工業4.0我們就要追溯一下工業1.0、工業2.0、工業3.0。實際上我們認為的工業1.0、工業2.0、工業3.0即指的是第一次工業革命、第二次工業革命、第三次工業革命。

工業1.0：機械制造時代，這一階段通過水力和蒸汽機實現工廠機械化，時間大概是18世紀60年代至19世紀中期（1760年至1850年）。

工業2.0：電氣化與自動化時代，這一階段在勞動分工基礎上采用電力驅動產品的大規模生產，時間大概是19世紀后半期至20世紀初（1870年到1900年）。

工業3.0：電子信息化時代，這一階段廣泛應用電子與信息技術，使制造過程自動化控制程度大幅度提高，時間從20世紀50年代開始一直延續至今（1950年至今）。

從工業1.0到工業4.0的演變具體如圖2-1所示。

三、“工業4.0”三大主題

“工業4.0”項目將從三個方向展開：一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統、過程以及網絡化分布式生產設施的實現；二是“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等；三是“智能物流”，主要通過整合物流資源提升物流效率。該計劃將特別注重吸引中小企業參與，力圖使中小企業成為新一代智能化生產技術的使用者和受益者，同時也成為先進工業生產技術的創造者和供應者。

1.智能工廠：智能工業發展新方向

“智能工廠”的概念最早由美國羅克韋爾自動化有限公司CEO奇思·諾斯布于2009年提出，其核心是工業化和信息化的高度融合。智能工廠是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術和設備監控技術加強信息管理和服務，未來還將通過大數據分析平臺將云計算中由大型工業機器產生的數據轉化為實時信息（云端智能工廠），利用綠色智能手段和智能系統，構建出一個高效節能、綠色環保、環境舒適的人性化工廠。目前，有關智能工廠的概念仍眾說紛紜，但其基本特征可歸納為系統監管全方位、制程管控可視化及綠色制造三個方面，具體內容如圖2-2所示。

2.智能生產：制造業的未來

智能生產（Intelligent Manufacturing，IM）也稱智能制造，是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等，通過人與智能機器的合作共事，擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它更新了制造自動化的概念，與傳統的制造相比，智能生產具有自組織、超柔性、自律能力、學習能力、自維護能力、人機一體化及虛擬現實等特征。

“智能制造”需要硬件、軟件以及咨詢系統的整合。那些具有“智能制造”屬性的生產線擁有數量眾多的控制器、傳感器，通過有線或無線傳感網架構進行串聯，將數據傳輸給上層的制造執行系統（MES），結合物聯網的系統架構，讓制造業提升到一個新的階段。“智能制造”主要服務于產品的生產，現在隨著客戶個性化需求越來越多，產品生產也逐漸呈現出少量、多樣等新特征。這就迫使制造廠商要提升生產線的速度與靈活性，對市場前端的變化作出快速調整。例如，當前一些汽車廠就可以讓客戶在線指定汽車的顏色，快速調整生產線，快速交付產品。智能制造就是要為使用者帶來更多的便利。

近年來，由人工智能技術、機器人技術和數字化制造技術等相結合的智能制造技術正在引領新一輪的制造業變革。智能制造技術開始貫穿于設計、生產、管理和服務等制造業的各個環節，智能制造技術的產業化及廣泛應用正催生智能制造業。概括起來，當今世界制造業的智能化發展呈現兩大趨勢。

（1）以3D打印為代表的數字化制造技術嶄露頭角。數字化制造以計算機設計方案為藍本，以特制粉末或液態金屬等先進材料為原料，以3D打印機為工具，通過在產品層級中添加材料直接把所需產品精確打印出來。這一技術有可能改變未來產品的設計、銷售和交付用戶的方式，使大規模定制和簡單的設計成為可能，使制造業實現隨時、隨地、按不同需要進行生產，并徹底改變自“福特時代”以來的傳統制造業形態。3D打印技術開創了一個全新的扁平式、合作性的全球手工業市場，而不是傳統意義上的層級式、自上而下的企業結構。一個由數百萬人組成的分散式網絡代替了從批發到零售商的所有中間人，并且消除了傳統供應鏈中每一個階段性的交易成本。這種“添加式生產”能夠大幅降低耐用品的生產成本，從而使數以萬計的小型生產商對傳統上處于中心位置的大型生產者提出挑戰。新的生產方式已經發生了重大改變，傳統的生產制造業將面臨一次長時間的“洗牌”。有預測指出，未來模具制造行業、機床行業、玩具行業、輕工產品行業都可能被淘汰出局，而取代他們的就是3D打印機。當然，這需要一個過程，主要是人們適應和接受新事物的過程與產業自身完善成長的過程。

（2）智能制造技術創新及應用貫穿制造業全過程。先進制造技術的加速融合使制造業的設計、生產、管理、服務各個環節日趨智能化，智能制造正引領新一輪的制造業革命，這主要體現在四個方面，具體內容如圖2-3所示。

3.智能物流：工業4.0的基礎

智能物流主要通過互聯網、物聯網、物流網整合物流資源，充分發揮現有物流資源供應方的效率，使需求方能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持。

以物聯網為基礎的智能物流是工業4.0的基礎，是提升現代物流效率，降低全物流費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集成綜合解決方案提供商。所以，智能制造系統與智能物流的融合將成為未來發展的大趨勢，具體內容如圖2-4所示。

四、工業4.0與大數據

1.供應大數據

在這個互聯網和物聯網飛速發展的時代，全球采購早已不是新鮮事了。對于制造企業而言，如果能夠準確地預測到原材料采購價格的變化趨勢，就能夠通過最優的采購策略來大大地降低生產成本。

在當前全球經濟的時代，影響工業生產原材料采購價格的因素有如下幾種：全球的生產規模、全球的生產率、國際環境、物流運輸環境、匯率、各國的政治環境、主要生產地的政治環境等，而這些因素的數據大多不能直接拿到，但是可以根據每個因素的關聯數據分析得出。那么，在全球的環境下，要進行這些數據的收集、分析、預測就涉及使用大數據的應用。

2.制造大數據

制造大數據就是智能化生產過程中的大數據，在基于工業4.0的制造大數據的系統下，所有的生產設備都是智能化的設備，每次的任務執行都是核心控制系統調度控制的結果，那么利用制造大數據可以實現設備精確控制、設備運行優化、設備故障預測、制造系統改進升級等。

在數字化控制的時代，制造設備運行是嚴格地按照精確位置運行控制，在制造大數據控制系統內，對智能設備的控制是智能設備的運行軌跡，這樣可以將同一批次的、做同樣工作的智能設備每次的運行軌跡數據進行分析處理，從而得到下一個時間段的準確的運行軌跡，也就是說智能設備可以自動修復在生產過程中產生的誤差。

3.銷售大數據

銷售大數據有兩層意思：一個是基于大數據的精準營銷，另一個是基于大數據的精準需求分析。由于工業采購往往是大宗、低頻的商業，在這個銷售過程中就可以基于大數據做一些供應鏈金融、電子期貨等。通過銷售大數據的分析可以更好地了解市場需要和預期，進而指導產品設計和生產。

五、制造企業如何適應工業4.0時代

通向工業4.0的路將會是一段革命性的道路，為了適應制造業中的特殊設備，現有的基礎科技和經驗將不得不進行改變和革新。而且，對于新領域和新市場的創新解決方案不得不重新探索。因此，企業需要對八個領域進行改進，具體內容如圖2-5所示。