新聞資訊
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bt990.com.cn
更新時間：2015-04-15
工業(yè) 4.0 目標(biāo)的關(guān)鍵驅(qū)動力量就是物聯(lián)網(wǎng)（loT）。 在這個目標(biāo)中，工廠所有的“物體”都會有一個唯一的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)語叫做“實體虛擬系統(tǒng)”（CPS）。
在全球化的壓力之下，我們行業(yè)將在很長時間內(nèi)面臨來自全球各個市場的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)包括更短的產(chǎn)品生命周期、高度個性化的產(chǎn)品和激烈的競爭。 這些挑戰(zhàn)在當(dāng)今移動電話市場已是很明顯了。 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)（比如汽車行業(yè)）也正在經(jīng)歷類似的發(fā)展。 隨著產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，產(chǎn)品生命周期越來越短，計算機輔助技術(shù)（CAX）在產(chǎn)品持續(xù)優(yōu)化和加速期中變得越來越重要。 在過去十年里，雖然計算機輔助技術(shù)逐漸發(fā)展，并在設(shè)計和計劃階段增強了產(chǎn)品的柔性，但是在實際制造階段，類似的突破仍然有待實現(xiàn)。 一個高質(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)自動化無法實現(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)見證日常生活根本性的變革。 計算機變得如此之小，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)中進行交流： 互聯(lián)網(wǎng)。
當(dāng)我們打算沿著這條途徑走向未來的時候，我們會發(fā)現(xiàn)，幾乎所有日常中的事物都會變成全球網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點。 這個現(xiàn)象叫做“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)；物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)方式必定是大勢所趨。 偏好電子技術(shù)和多層等級的工廠自動化生產(chǎn)世界將過渡到智能工廠網(wǎng)絡(luò)，這類工廠日益受益于信息和通訊技術(shù)以及計算機科學(xué)技術(shù)的進步發(fā)展。 在德國，關(guān)于第四次工業(yè)革命，或者簡稱“工業(yè)4.0”的討論已經(jīng)開始了。
自從 2011 年 4 月這個術(shù)語被Kagermann/Lukas/Wahlster引進以來，各界對于它的興趣也在持續(xù)增長。 在由科學(xué)和商業(yè)界專家組成的工作組的大力推動下，關(guān)于德國工業(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。 研究項目因此得以成立，預(yù)計在未來的幾年里將為其注入大約 2 億歐元的資金。 另外，德國工業(yè)協(xié)會的三個主要負責(zé)人（VDMA、ZVEI和 BitKom）已經(jīng)共同努力創(chuàng)建了一個共享平臺以促成所有工業(yè) 4.0 活動的合作。
這些行動主要通過媒體報道，收獲了多方的廣泛評論。 當(dāng)然，真正的興趣在于制造行業(yè)實現(xiàn)持續(xù)成功這一愿景。 德國是一個高科技國家，它的商品和產(chǎn)品設(shè)備制造業(yè)在國民生產(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)境的一個典型特點是向機電系統(tǒng)過渡。 電子器件將會成為未來產(chǎn)品中的一個基礎(chǔ)組成部分，與此同時，硬件將會越來越標(biāo)準(zhǔn)化。 主要的功能特點將由軟件創(chuàng)造。 通過這種方式，傳統(tǒng)的機械原件轉(zhuǎn)變成了機電系統(tǒng)。 因此可以通過力學(xué)器件、電子器件或者軟件實現(xiàn)原來的機械功能。 因此，產(chǎn)品的設(shè)計、制造以及服務(wù)需要跨學(xué)科的團隊合作，這個團隊集合了由力學(xué)、電子學(xué)、軟件學(xué)到通用工程學(xué)富有競爭力的人才。
智能物體?
工業(yè) 4.0 目標(biāo)的關(guān)鍵驅(qū)動力量就是物聯(lián)網(wǎng)（loT）。 在這個目標(biāo)中，工廠所有的“物體”都會有一個唯一的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)語叫做“實體虛擬系統(tǒng)”（CPS）。 在未來的工廠里，傳統(tǒng)的產(chǎn)品層次將會被分散的自我組織所替代，而這種組織是由CPS實現(xiàn)的。 工廠部門和產(chǎn)品過程將會變得非常獨立和靈活，在產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)換和諸多選擇的條件下，即使是最小訂購數(shù)量的產(chǎn)品也能被生產(chǎn)出來。
這種機器對機器的通信讓當(dāng)個機器也能發(fā)出命令，比如說，運送原料或者使用特定制造服務(wù)的命令。 物體的語義存儲器動態(tài)地控制著它的制造過程，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，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，也就是說省去了許多極其重要的位置數(shù)據(jù)，它們在舊的硬連接系統(tǒng)下，只能通過“線路末端”傳遞給我們（表格 1 中有比較）。 這在工廠經(jīng)營領(lǐng)域是極其重要的。 使用移動操作設(shè)備（比如說智能手機）的員工，再也不用總是固定待在一個特定的位置了。 使用者可以在某個商店里，也可能在咖啡館里。 這種應(yīng)用必須把員工現(xiàn)在的位置考慮進去，以便于決定某種功能在當(dāng)前時刻是否能被支持。 為了解決這個困境，不僅需要類似于GPS的室內(nèi)定位系統(tǒng)，而且還必須盡快建立設(shè)計實時適應(yīng)相關(guān)環(huán)境的人機界面的新規(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）等級更高的企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)；在下層，則是工廠的傳感和致動器系統(tǒng)，也就是所謂的現(xiàn)場設(shè)備。 然而，近年來，這些層級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錐形結(jié)構(gòu)將會被一個面向領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所取代，理論上這個面向領(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)將會使當(dāng)今可編程邏輯控制系統(tǒng) (PLC) 變得多余，因為即使單個終端設(shè)備處在不同的層級，它們也能和其它任何設(shè)備進行通信。 流程邏輯的規(guī)范（也叫編排）將在網(wǎng)絡(luò)中進行，而不是在專用控制部分中進行。
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)的未來世界里，硬件和控制邏輯必須完全分開。 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，提取了硬件的實用功能，并包含自我組織系統(tǒng)機制。 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，未受過此類專業(yè)知識培訓(xùn)的工人上若要在車間實施這些方法會比較困難，因為這些方法需要高水平的計算機技術(shù)。 在這一方面，通過中層制造執(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)品計劃和控制過程中，因為控制系統(tǒng)設(shè)計依賴機械和電氣設(shè)計的效果，所以控制系統(tǒng)的設(shè)計往往安排在計劃階段的末尾。 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開始。 類似于服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu) (SoA) 這類抽象概念在解除與實施初期硬件的關(guān)系以及創(chuàng)造一個可重復(fù)使用的軟件組件方面有著重要幫助。
建立一個新的工程工作流，對于為硬件提供所需的獨立、功能性和自上而下的計劃方法是非常必要的。 傳統(tǒng)的計劃領(lǐng)域必須更為集成，尤其是在早期計劃階段，以便能在后期計劃過程中提供對中可能。 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)部門得到了成功證明。
因此，由于計劃結(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)計出增量性、基于模型的工程策略的實用程序，同時也需要適當(dāng)?shù)哪Ｐ驼Z言、數(shù)據(jù)格式以及工具鏈。
未來智能工廠的目標(biāo)是消除 CAX/PLM 環(huán)境和實際運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象轉(zhuǎn)化成為可執(zhí)行的控制服務(wù)。 同時，編碼必須既能模擬虛擬工廠，又保證實際工廠的操作和設(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，硬件和功能嚴(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)計風(fēng)格應(yīng)該近似于樂高積木。 也就是說，這種元件必須能在標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，實現(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)只有在巨大的市場壓力下才會得以實現(xiàn)。 很明顯，對于把自己的產(chǎn)品做成可互換的“樂高積木”這樣的想法，制造商沒有任何興趣。 如今關(guān)于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域（比如 ISA100）的標(biāo)準(zhǔn)流程或者設(shè)備規(guī)格描述語言（比如 FDT） 的討論反映了其中利益的對抗與沖突。 所幸的是在 5-6 層有一個帶 OPC UA 的可行性實施方案已被越來越多的生產(chǎn)商和用戶接受。
安全性
未來工廠控制系統(tǒng)一個顯著的特征是：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)資源計劃 (ERP) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入得以順利實現(xiàn)。 然而，開放協(xié)議的使用也讓工廠處于遭受更強大網(wǎng)絡(luò)攻擊的危險。 超級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)來源于企業(yè)，一個以網(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。 找到一個關(guān)于安全性問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)過程中主要話題。
即將來臨的未來會是什么樣呢？
預(yù)計大概在10到15年之內(nèi)，工業(yè)4.0愿景將會出現(xiàn)在未來生產(chǎn)環(huán)境中。 就所有需要回答的問題和所有需要研究的工作而言，工業(yè)需要很長的時間才能普遍實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)在它們運用到實際中之前，將歷經(jīng)一段進化的過程。 豐富且隨時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)。 早已可用的自動識別技術(shù)能追蹤數(shù)字世界的元素并把它們呈現(xiàn)出來。 像筆記本電腦、平板電腦或智能眼鏡這樣的移動設(shè)備可以提供來自商業(yè)和其他領(lǐng)域任意地方的企業(yè)知識庫的即時渠道。 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)的支持下會進展得更快，圖 2 中展示的就是智能輔助系統(tǒng)。
圖 2： 近期產(chǎn)品中的移動設(shè)備和智能輔助系統(tǒng)。
作為獨立制造商存在的示范和研究平臺 —— SmartFactoryKL 技術(shù)項目 —— 通過發(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多個工業(yè)合作伙伴構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，SmartFactoryKL 對創(chuàng)新信息和通訊技術(shù)以及它們在實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用進行了試驗、研發(fā)。 在最新的一個項目中，主要工業(yè)合作伙伴共同努力，開發(fā)了一條全新的生產(chǎn)線（見圖 3）。 這條生產(chǎn)線完全是模塊式，并允許對新制造模塊進行即插即用時的整合。 這個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械、電氣和信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上得以實現(xiàn)。
圖 3：?在 SmartFactoryKL 進行未來生產(chǎn)的示范工廠。
前景
沒有一場技術(shù)革命是在倉促的情況下發(fā)動的。 通常多個技術(shù)領(lǐng)域的各自進步會推動每幾十年一次革命性的劇變（技術(shù)推動型），同時這也是由新的市場需求（市場拉動型）帶來的。 當(dāng)前關(guān)于工業(yè) 4.0 的運動將很可能有一個持續(xù)幾十年的相似進化過程。 值得確信的一點是，工業(yè) 4.0 給制造商和終端用戶提供了一個他們都能成功適應(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)意義上各自獨立部門或?qū)W科進行跨學(xué)科或跨部門合作。
當(dāng)然，人類才是這個演變過程中最重要的因素。 如果我們現(xiàn)在分析下前三次大革命，我們會發(fā)現(xiàn)：人類需求和生活標(biāo)準(zhǔn)很明顯是這些變化最主要的推動力量。 當(dāng)這些要求正好符合技術(shù)條件，它就會給多個領(lǐng)域帶來創(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，許多創(chuàng)新技術(shù)和政治改革已經(jīng)對人們的生活方式產(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，特別是中國市場的開放，同時也包括技術(shù)的進步（例如，因特網(wǎng)和許多智能設(shè)備）。
人類不僅是技術(shù)進步重要的推動者，同時也是被推動的對象。 現(xiàn)代信息和通訊技術(shù)，以及全球化的背景使商業(yè)進程大幅加快。 給供應(yīng)生產(chǎn)工廠和設(shè)備的報盤可以立刻發(fā)送到全世界，全球集團也可以立即成立，以便商討解決方案。 陸?？崭咝Ш透娴奈锪飨到y(tǒng)能夠在更短時間內(nèi)把貨物傳送給顧客。 為了在全球競爭中取得成功，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)的進步可以實現(xiàn)這個需求。 在這個新系統(tǒng)環(huán)境中，人們將需要更快地計劃、執(zhí)行和操作。 只有那些能設(shè)法及時根據(jù)實際情況調(diào)整它們國民培訓(xùn)和教育模式的國家才能在全球市場中取得成功。
歐洲在這方面處極具優(yōu)勢。 歐洲在網(wǎng)絡(luò)嵌入系統(tǒng)、語義科技和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)設(shè)計這些領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。 因此，歐洲工業(yè)有實現(xiàn)技術(shù)上巨大飛躍和完美應(yīng)對全球市場變化的絕佳機會。
目前其它行業(yè)（比如汽車行業(yè)）也正在經(jīng)歷類似的發(fā)展。 隨著產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，產(chǎn)品生命周期越來越短，計算機輔助技術(shù)（CAX）在產(chǎn)品持續(xù)優(yōu)化和加速期中變得越來越重要。 在過去十年里，雖然計算機輔助技術(shù)逐漸發(fā)展，并在設(shè)計和計劃階段增強了產(chǎn)品的柔性，但是在實際制造階段，類似的突破仍然有待實現(xiàn)。 一個高質(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)自動化無法實現(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)見證日常生活根本性的變革。 計算機變得如此之小，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)中進行交流： 互聯(lián)網(wǎng)。
當(dāng)我們打算沿著這條途徑走向未來的時候，我們會發(fā)現(xiàn)，幾乎所有日常中的事物都會變成全球網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點。 這個現(xiàn)象叫做“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)；物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)方式必定是大勢所趨。 偏好電子技術(shù)和多層等級的工廠自動化生產(chǎn)世界將過渡到智能工廠網(wǎng)絡(luò)，這類工廠日益受益于信息和通訊技術(shù)以及計算機科學(xué)技術(shù)的進步發(fā)展。 在德國，關(guān)于第四次工業(yè)革命，或者簡稱“工業(yè)4.0”的討論已經(jīng)開始了。
自從 2011 年 4 月這個術(shù)語被Kagermann/Lukas/Wahlster引進以來，各界對于它的興趣也在持續(xù)增長。 在由科學(xué)和商業(yè)界專家組成的工作組的大力推動下，關(guān)于德國工業(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。 研究項目因此得以成立，預(yù)計在未來的幾年里將為其注入大約 2 億歐元的資金。 另外，德國工業(yè)協(xié)會的三個主要負責(zé)人（VDMA、ZVEI和 BitKom）已經(jīng)共同努力創(chuàng)建了一個共享平臺以促成所有工業(yè) 4.0 活動的合作。
這些行動主要通過媒體報道，收獲了多方的廣泛評論。 當(dāng)然，真正的興趣在于制造行業(yè)實現(xiàn)持續(xù)成功這一愿景。 德國是一個高科技國家，它的商品和產(chǎn)品設(shè)備制造業(yè)在國民生產(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)境的一個典型特點是向機電系統(tǒng)過渡。 電子器件將會成為未來產(chǎn)品中的一個基礎(chǔ)組成部分，與此同時，硬件將會越來越標(biāo)準(zhǔn)化。 主要的功能特點將由軟件創(chuàng)造。 通過這種方式，傳統(tǒng)的機械原件轉(zhuǎn)變成了機電系統(tǒng)。 因此可以通過力學(xué)器件、電子器件或者軟件實現(xiàn)原來的機械功能。 因此，產(chǎn)品的設(shè)計、制造以及服務(wù)需要跨學(xué)科的團隊合作，這個團隊集合了由力學(xué)、電子學(xué)、軟件學(xué)到通用工程學(xué)富有競爭力的人才。
智能物體?
工業(yè) 4.0 目標(biāo)的關(guān)鍵驅(qū)動力量就是物聯(lián)網(wǎng)（loT）。 在這個目標(biāo)中，工廠所有的“物體”都會有一個唯一的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)語叫做“實體虛擬系統(tǒng)”（CPS）。 在未來的工廠里，傳統(tǒng)的產(chǎn)品層次將會被分散的自我組織所替代，而這種組織是由CPS實現(xiàn)的。 工廠部門和產(chǎn)品過程將會變得非常獨立和靈活，在產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)換和諸多選擇的條件下，即使是最小訂購數(shù)量的產(chǎn)品也能被生產(chǎn)出來。
這種機器對機器的通信讓當(dāng)個機器也能發(fā)出命令，比如說，運送原料或者使用特定制造服務(wù)的命令。 物體的語義存儲器動態(tài)地控制著它的制造過程，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，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，也就是說省去了許多極其重要的位置數(shù)據(jù)，它們在舊的硬連接系統(tǒng)下，只能通過“線路末端”傳遞給我們（表格 1 中有比較）。 這在工廠經(jīng)營領(lǐng)域是極其重要的。 使用移動操作設(shè)備（比如說智能手機）的員工，再也不用總是固定待在一個特定的位置了。 使用者可以在某個商店里，也可能在咖啡館里。 這種應(yīng)用必須把員工現(xiàn)在的位置考慮進去，以便于決定某種功能在當(dāng)前時刻是否能被支持。 為了解決這個困境，不僅需要類似于GPS的室內(nèi)定位系統(tǒng)，而且還必須盡快建立設(shè)計實時適應(yīng)相關(guān)環(huán)境的人機界面的新規(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）等級更高的企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)；在下層，則是工廠的傳感和致動器系統(tǒng)，也就是所謂的現(xiàn)場設(shè)備。 然而，近年來，這些層級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錐形結(jié)構(gòu)將會被一個面向領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所取代，理論上這個面向領(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)將會使當(dāng)今可編程邏輯控制系統(tǒng) (PLC) 變得多余，因為即使單個終端設(shè)備處在不同的層級，它們也能和其它任何設(shè)備進行通信。 流程邏輯的規(guī)范（也叫編排）將在網(wǎng)絡(luò)中進行，而不是在專用控制部分中進行。
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)的未來世界里，硬件和控制邏輯必須完全分開。 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，提取了硬件的實用功能，并包含自我組織系統(tǒng)機制。 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，未受過此類專業(yè)知識培訓(xùn)的工人上若要在車間實施這些方法會比較困難，因為這些方法需要高水平的計算機技術(shù)。 在這一方面，通過中層制造執(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)品計劃和控制過程中，因為控制系統(tǒng)設(shè)計依賴機械和電氣設(shè)計的效果，所以控制系統(tǒng)的設(shè)計往往安排在計劃階段的末尾。 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開始。 類似于服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu) (SoA) 這類抽象概念在解除與實施初期硬件的關(guān)系以及創(chuàng)造一個可重復(fù)使用的軟件組件方面有著重要幫助。
建立一個新的工程工作流，對于為硬件提供所需的獨立、功能性和自上而下的計劃方法是非常必要的。 傳統(tǒng)的計劃領(lǐng)域必須更為集成，尤其是在早期計劃階段，以便能在后期計劃過程中提供對中可能。 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)部門得到了成功證明。
因此，由于計劃結(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)計出增量性、基于模型的工程策略的實用程序，同時也需要適當(dāng)?shù)哪Ｐ驼Z言、數(shù)據(jù)格式以及工具鏈。
未來智能工廠的目標(biāo)是消除 CAX/PLM 環(huán)境和實際運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象轉(zhuǎn)化成為可執(zhí)行的控制服務(wù)。 同時，編碼必須既能模擬虛擬工廠，又保證實際工廠的操作和設(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，硬件和功能嚴(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)計風(fēng)格應(yīng)該近似于樂高積木。 也就是說，這種元件必須能在標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，實現(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)只有在巨大的市場壓力下才會得以實現(xiàn)。 很明顯，對于把自己的產(chǎn)品做成可互換的“樂高積木”這樣的想法，制造商沒有任何興趣。 如今關(guān)于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域（比如 ISA100）的標(biāo)準(zhǔn)流程或者設(shè)備規(guī)格描述語言（比如 FDT） 的討論反映了其中利益的對抗與沖突。 所幸的是在 5-6 層有一個帶 OPC UA 的可行性實施方案已被越來越多的生產(chǎn)商和用戶接受。
安全性
未來工廠控制系統(tǒng)一個顯著的特征是：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)資源計劃 (ERP) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入得以順利實現(xiàn)。 然而，開放協(xié)議的使用也讓工廠處于遭受更強大網(wǎng)絡(luò)攻擊的危險。 超級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)來源于企業(yè)，一個以網(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。 找到一個關(guān)于安全性問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)過程中主要話題。
即將來臨的未來會是什么樣呢？
預(yù)計大概在10到15年之內(nèi)，工業(yè)4.0愿景將會出現(xiàn)在未來生產(chǎn)環(huán)境中。 就所有需要回答的問題和所有需要研究的工作而言，工業(yè)需要很長的時間才能普遍實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)在它們運用到實際中之前，將歷經(jīng)一段進化的過程。 豐富且隨時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)。 早已可用的自動識別技術(shù)能追蹤數(shù)字世界的元素并把它們呈現(xiàn)出來。 像筆記本電腦、平板電腦或智能眼鏡這樣的移動設(shè)備可以提供來自商業(yè)和其他領(lǐng)域任意地方的企業(yè)知識庫的即時渠道。 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)的支持下會進展得更快，圖 2 中展示的就是智能輔助系統(tǒng)。
圖 2： 近期產(chǎn)品中的移動設(shè)備和智能輔助系統(tǒng)。
作為獨立制造商存在的示范和研究平臺 —— SmartFactoryKL 技術(shù)項目 —— 通過發(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多個工業(yè)合作伙伴構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，SmartFactoryKL 對創(chuàng)新信息和通訊技術(shù)以及它們在實際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用進行了試驗、研發(fā)。 在最新的一個項目中，主要工業(yè)合作伙伴共同努力，開發(fā)了一條全新的生產(chǎn)線（見圖 3）。 這條生產(chǎn)線完全是模塊式，并允許對新制造模塊進行即插即用時的整合。 這個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械、電氣和信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上得以實現(xiàn)。
圖 3：?在 SmartFactoryKL 進行未來生產(chǎn)的示范工廠。
前景
沒有一場技術(shù)革命是在倉促的情況下發(fā)動的。 通常多個技術(shù)領(lǐng)域的各自進步會推動每幾十年一次革命性的劇變（技術(shù)推動型），同時這也是由新的市場需求（市場拉動型）帶來的。 當(dāng)前關(guān)于工業(yè) 4.0 的運動將很可能有一個持續(xù)幾十年的相似進化過程。 值得確信的一點是，工業(yè) 4.0 給制造商和終端用戶提供了一個他們都能成功適應(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)意義上各自獨立部門或?qū)W科進行跨學(xué)科或跨部門合作。
當(dāng)然，人類才是這個演變過程中最重要的因素。 如果我們現(xiàn)在分析下前三次大革命，我們會發(fā)現(xiàn)：人類需求和生活標(biāo)準(zhǔn)很明顯是這些變化最主要的推動力量。 當(dāng)這些要求正好符合技術(shù)條件，它就會給多個領(lǐng)域帶來創(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，許多創(chuàng)新技術(shù)和政治改革已經(jīng)對人們的生活方式產(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，特別是中國市場的開放，同時也包括技術(shù)的進步（例如，因特網(wǎng)和許多智能設(shè)備）。
人類不僅是技術(shù)進步重要的推動者，同時也是被推動的對象。 現(xiàn)代信息和通訊技術(shù)，以及全球化的背景使商業(yè)進程大幅加快。 給供應(yīng)生產(chǎn)工廠和設(shè)備的報盤可以立刻發(fā)送到全世界，全球集團也可以立即成立，以便商討解決方案。 陸?？崭咝Ш透娴奈锪飨到y(tǒng)能夠在更短時間內(nèi)把貨物傳送給顧客。 為了在全球競爭中取得成功，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)的進步可以實現(xiàn)這個需求。 在這個新系統(tǒng)環(huán)境中，人們將需要更快地計劃、執(zhí)行和操作。 只有那些能設(shè)法及時根據(jù)實際情況調(diào)整它們國民培訓(xùn)和教育模式的國家才能在全球市場中取得成功。
歐洲在這方面處極具優(yōu)勢。 歐洲在網(wǎng)絡(luò)嵌入系統(tǒng)、語義科技和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)設(shè)計這些領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。 因此，歐洲工業(yè)有實現(xiàn)技術(shù)上巨大飛躍和完美應(yīng)對全球市場變化的絕佳機會。
前一頁：20Ni4Mo,SAE4820H低碳合金結(jié)構(gòu)鋼 高強度滲碳鋼 國標(biāo)軍工用鋼化學(xué)成分
后一頁：Ti-6242S鈦合金（化學(xué)成分）大直徑棒材的組織與性能