腾云035

作者:irisjyyu 2014-08-19
第四次工业革命

推荐人:吴曼  云基地控股有限公司执行董事,大数据实验室创始合伙人

 

推荐语:

曾经出现在科幻电影里的智能性生产模式如今已经走进了现实中,这被德国人称为“工业4.0”。工厂引入物联网,在工业自动化、电子化以及数字化之后,大数据时代对于制造业的冲击、产品研发模式的不断个性化、制造理念不断完善,毋庸置疑地重振了制造业的野心和雄心,那么作为制造业大国的中国能把握住这一次的浪潮机会,从中国制造真正走向中国创造吗?

 

如果说前三次工业革命是为了解决动力、大规模制造和生产方式的问题,那么第四次工业革命要改造的是机器本身,以及机器和人类的关系;如果说前三次革命是动力和体制层面的,第四次革命则是智力和沟通层面的。前三次工业革命人类作为绝对主导和控制者,第四次革命伊始,人类也要参与互联,共同进化;前三次工业革命推动了机器的诞生和管理方式,第四次工业革命,从智力和情感上,将人类社会和机器世界更紧密地联系起来。

 

云计算、大数据、可穿戴设备、智能移动互联网以及物联网等第四次工业革命代表性技术,实现了人和人、人和物、物和物之间,以及物理世界和虚拟世界的全面互联和数据交换,并且在云端构建起数据处理和分析的新智力模型。第四次工业革命,网络化和智能化是两个关键词。从创意设计、生产制造、供需关系以及交易处理各个环节,都打破了数字和实体的界限,个性化、智能化、随时随地的信息获取和反馈、无处不在的网络互联和大数据,带来的是生产制造、组织管理、信息获取和决策、商业模式和社会生活全方位的颠覆性变化。

 

和传统工业革命发端于某一行业不同,网络和数据的思维开始颠覆各个行业,第四次工业革命是一场智力和创新力的革命,推动这场大变革,需要全社会的力量和政府的驱动,需要在云和端、大数据以及产业互联网领域的全面布局。尤其是在涉及产业转型、信息安全和国家竞争力的角度,在新一轮技术和产业变革席卷全球的情况下,《德国第四次工业革命》这篇文章的确值得我们深度阅读。

 

 

文章内容

第四次工业革命

/ 张海平

受中国液压气动密封件工业协会委托,笔者观摩参与了德国汉诺威 2013 工业博览会。这次汉诺威博览会的热议话题是“第四次工业革命”。

 

“第四次工业革命”(Industrie 4.0)最早是在 2011 年汉诺威博览会上,由三位大学教授提出来的。

 

制造业在德国的国民经济中(创造的价值)占26%。作为提升传统制造业的战略发展方向,112页的实施建议由项目研究组在2012102日提交给德国联邦政府,此项目牵头的是教育科研部(BMBF)、经济部(BMWi)和内政部(BMI)。已拨款2亿欧元(约16亿元人民币)作为第一步的研发经费。

这是一场有组织的革命。德国的机械设备制造协会(VDMA)、电子工业中央联盟(ZVEI)和信息通信新媒体协会(BITKOM)有史以来第一次搭建了一个联合工作平台,20134月开始工作,任务之一就是协调已有的和要开始的研究项目。

 

在德国,工业革命是如此认定划分的:

 

第一次,机械化。从18世纪末开始,蒸汽机逐步取代人力。

 

当时,机器采用集中动力驱动,动力从上空的动力轴通过皮带传给机器。

 

机械制造在之前已开始有分工,但直到采用新动力方式,才开始如今天的形态。

 

机床制造作为一个行业,最早从英国开始。“Made in Germany”就是当年英国人在德国人造的机床上贴的(作为劣质品的)警告标志。

第二次,流水线生产。始于1913年美国人福特采用流水线制造汽车,规格化生产使成本大大下降,价格从850US$降到370US$。但同时也大大地放弃了个性化。

 

机器和流水线开始逐步由电驱动,更易控制。

 

第三次,自动化。始于1974年。当时在德国一个小地方(Neuhausen im Enzkreis)的一个小企业(Klascka GmbH)研发出了由集成电路制成的PLC(可编程逻辑控制器)。控制逻辑相对继电器组成的控制器,可以更方便更灵活地更换修改,迈出了微处理器控制工业应用的第一步。但当时正值冷战,没有人想到这个小东西会给工业生产带来如此大的变化,以致值得称之为革命。以后,硬件水平、集成度不断提高,采用了C语言和更高级的编程语言,不仅可以描述简单的与或逻辑关系,还可以描述各种复杂的控制策略(PID、自适应、自学习等等),现在已被广泛使用,几乎无处不在。

 

一个典型的例子是汽车工业。在20世纪80年代末,美国麻省理工学院完成的一项耗资500US$的调研报告“改变了世界的机器”说,日本汽车工业之所以能在20年里抢占世界三分之一的市场,除了“苗条”(零库存)工厂外,最重要的一点是因为广泛实现了装配自动化,机器人辅助的装配大幅度地提高了质量与生产率,因此,今后美国和欧洲的汽车工业很难与之竞争。但是,德国的汽车工业挺住了,其中一个原因就是,德国的机器人中都装有PLC,程序可以灵活地不断更换改进。

 

而第四次工业革命的目标则是工厂智能化Intelligent FabrikSmart Factory)。

 

中心:让网络技术进入制造业。

 

背景:今后制造业将面临的形势是紧缺的资源、能源转变、员工年龄结构改变、全球化。

 

技术基础:网络和空间分布系统、顺畅的通信,宽带速度达7000Mbit/s

 

特点:灵活易变、高资源效率、考虑人类工程学,以及使企业与顾客、业务伙伴最紧密地结合。

 

设想的变革大致在以下几个方面:

 

1)生产工艺与信息技术融合

 

目前所说的数字化工厂,首先强调的是生产计划数字化和大量使用各种计算机辅助技术:CADCAMCIMPPS(生产计划控制系统)、PDMDMU(数字试验模型)、PLM(产品生命周期管理),等等,较多的是基于一个相对固定、由上而下的生产集中控制系统。而新的革命强调的则是分散,降低集中控制度,增加生产设备的自主控制,把分散的自主的智能化的制造设备,通过网络的形式紧密地联结在一起,具有更开放、更积极通信的系统结构,更具动态性和灵活性,从而能发掘出更多优化的可能,估计可以提高生产效率 30%。其中,CPS 将起到核心的作用。

CPS——Cyber-Physical System,网络实体融合控制系统是一个由传感器、控制电脑、执行器以及网络组合而成的控制系统。

 

目前在某些领域,例如航空、汽车、化工生产、基础建设、能源、健康、制造、交通控制、娱乐和消费性电子产品等等,已出现了类似于 CPS 的电子组合控制系统,但这些系统目前通常都是嵌入式系统,比较强调其运算控制能力,CPS 则更强调实体装置和电脑网络的连接。

 

CPS 是借用技术手段实现人的控制在时间、空间等方面的延伸,本质就是人、机、物的融合。所以,也被称为人机物融合系统。

 

2)产品个性化

 

生产高度灵活的工厂可以迎合顾客对产品个性化、多样化、不断改变的要求,可以通过现代化的手段,以大批量生产的成本,制造批产量为1的产品。从某种意义上说,回到了第一次工业革命之前。顾客与工厂频繁交流沟通,不仅在订合同前,而且在下订单后、设计、加工、装配、调试阶段。因此,顾客甚至可以在产品生产过程中改动他的订单细节。

 

力士乐泵厂虽说年产 100 万台以上,但产品有十几个大类,每类有十几个规格,每个规格的变量功能有十几种,不同的限压、恒功率值等都要设定。因此,最终产品有好几万种,每批量并不很多。灵活多变的管理是极其重要的。

3)生产人性化

 

通过工厂智能化,更多的员工可以有灵活的工作时间,因此工作更安心了。

 

利用网络,生产可以分散,从而可以分散能量供应。

 

利用网络,员工可以就近,甚至在家里上班。他们认为,如果大量员工每天长途开车上班,到厂里再花很大力气节能减排,又有多大实际意义呢?

 

1 一个设想的工厂

 

A. 所有加工设备、待加工部件(运输小车)、装料机器手都装有 CPS,都具有无线上网功能。

 

B. 待加工部件不通过中央控制器,直接与加工设备联系确定,到哪台设备进行哪些加工。工件控制工厂。

 

C. 负责下道工序的加工设备直接调用待加工件,独立自主的运输小车根据地下铺设的感应线路,把工件送给装料机器手。

 

D. 所有后续工序需要的产品信息,包括生产销售文件都由各工件自己携带。

 

E. 如果出现差错,或顾客的特别要求与现有的 CAM 数据不符,研发部的工程师会立刻得到警报。补充改进措施会立刻在一个虚拟的试验环境下进行,然后发给工件。德国应用技术研究院的制造设备与生产技术研究所(IPK)与柏林工大的机床与工厂管理研究所合作,自 2008 年起就建立了一个名为 Sopro(生产自我组织)的示范性车间,以笔记本电脑模拟产品,自我安排加工,起中心领导作用。在 Kaiserslautern 市的人工智能研究中心已经建立了一个示范工厂(图 2),20 个企业参与了工厂的运营。

 

2 一个示范工厂

 

德国 Wittenstein 公司在斯图加特市内新建了一个所谓的“住宅区工厂”,机床、生产工具和半成品都已联网,产品细节在最后一分钟还可以更改。制造的精密齿轮被用于一级方程式赛车、航空与航天等设备中。

 

力士乐公司推出了开放核心(图 3),即工程师可以用各种高级编程语言,通过各种编程工具,从各类硬件的各种操作系统出发,调用核心的控制功能,完成各种应用。演示模型是一个平板电脑,通过无线网络(W-LAN)控制一个六自由度的平台随平板电脑摆动。

3 力士乐推出的开放核心

 

4 力士乐设想的将来的工厂,全自动车间,技师带着平板电脑,利用无线网络与各设备联络,了解情况,调整状况。

 

“第四次工业革命”在 2013 汉诺威工业博览会上也被广泛地讨论了。较普遍的意见是:

 

1)德国在机械制造、自动化及信息技术方面已经很强大,德国经济就是依靠 know-how(技能)、高质量和首创的产品生存,所以,有最好的前提条件,在第四次工业革命中起领导作用,以保持并扩大德国制造业的传统核心和国际领先地位。

 

2)第四次工业革命不会是一个从今天到明天,一下子抛弃全部已有设备的突变,而是一个渐进的过程(2020 ~2030年)。前几次工业革命中,每个阶段也都延续几十年。因为,在进行实质性的工程技术改造之前,首先需要的是在参与者的脑子里发生改变,要进行跨技术领域的思考。现在,经济界、法律界、工会都已参与进来。

 

3)很重要的是要注重实效,不断改进、不停创新。

 

4)最终要赢得的是商业伙伴和员工。如果做不到这点的话,所有闭门思考出来的方案都是没有用的。

 

节选自文章《2013 汉诺威工业博览会见闻》

期刊《液压气动与密封》2013 年第10

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