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【详细阐述】告诉你什么是工业4.0

  什么是工业?按照字典中的解释,就是指采掘自然界的物质资源,以及对工业品原料及农产品原料进行加工的社会生产部门。根据总体的分工,工业可分为采掘工业和加工工业,又可分为重工业和轻工业。在有些国家中,工业也称制造业,通常仅指加工工业。

  对于我们每个个体消费者来说,工业最直接的体现就是轻工业,或者说是加工工业。即人类加工与改造自然界物质的一种产业,而采掘工业是我们平时不会接触到的,这就好比我们整天和手机上的应用打交道,但没有人会关心这些应用后台所连接的数据中心,采掘工业就相当于数据中心,它们负责收集自然界中不同功用的物质,比如矿藏、石油、植物等等,而加工工业则负责将这些原始物料组合制造成最终消费者所购买的商品比如汽车、食品、衣服、家具等等。

  无法想像,如果没有工业,我们当今的社会与日常的生活又将会怎样。因此,在人类文明的发展史上,工业的地位是举足轻重的,完全可以说只有进入到了工业时代,人类文明才真正有了质的变化,也因此它也必将在人类未来的发展进程中,扮演更加重要的角色。

  工业发展的4个阶段

  擅长自我总结的人类,一直在将工业发展史进行阶段性的划分,均认为发展至今已经是第4阶段(或者说4次工业变革),但之前的3个阶段如何划分,依据也各不相同,不过我个人偏向认同以下的分法。

  目前获得最多公认,对工业发展的4个阶段的定义与时间划分

  在1784年,第一台机械式织布机的出现,揭开了第一次工业革命的序章,这也是人类第一次摆脱了人力的限制,开始进行机械化生产制造,而驱动机械的动力则是水或是水蒸气。到了1866年,西门子推出人类第一台工业用发电机,4年之后,在美国的辛辛那提的一家屠宰场,引入第一条电动生产传送带,将工业时代引入到了第二阶段。在这一阶段中,电气化的大规模生产制造流水线成为了重要的标志,这方面的经典代表作就是福特于1908年推出的T型轿车。

  福特的T型轿车生产线,是工业2.0时代的代表作

  随着人类技术水平的不断进步,信息技术(IT)出现了,而当它与工业相结合时,就带来了第三次工业革命。在这一阶段,人类制造的可编程芯片植入到了电气化的工业环境中,其标志性事件就是美国莫迪康公司(Modicon,后来被法国的施耐德公司收购)推出了人类第一个可编程逻辑控制器(PLC,ProgrammableLogicController),赋予了生产线可编程的能力,从而进入自动化生产与管理时代。

  如今,也就是进入21世纪之后,人类又正在迎来第4次工业变革,这就是目前人们常说的工业4.0。

  到底什么是工业4.0?

  从前三次的工业变革中,我们可以看到,工业的发展是与人类社会当时的整体技术水平密不可分的。当人类发现了水蒸气可以用来驱动物体时,出现了第一次工业革命,当人类可以自如的产生电力后,出现了第二次工业革命,到了第三次则是源于人类掌握了IT技术。换句话说,水驱动了第一次工业革命,电驱动了第二次工业革命,IT驱动了第三次工业革命,那么第四次工业革命的驱动力又源于哪里呢?这还要从工业4.0的形态说起。

  如果说前三次的变革主要是工业生产内部的自我改良与进化,那么工业4.0则是将工业与其周边的事物更紧密结合之后的产物,结合的基础手段就是互联网(Internet)与物联网(IOT,InternetOfThings),这就是工业4.0的原始驱动力,而具体的执行就是所谓的信息物理系统(CPS,Cyber-PhysicalSystems)。

  虽然说是信息物理系统,但请注意CPS英文全称用的是Cyber这个词,而不是什么Information,在中文里对于Cyber一词并没有一个非常确切的简单对照。其实,Cyber并不仅仅代表信息,它是对全数字化空间的一种表述,是一种比Information更复杂化的信息世界的表达。而将它与现实中的物理系统相融合的产物CPS,虽不是为工业4.0而生,但最大限度体现了工业4.0的精髓将由信息组成的虚拟世界与物理世界的生产能力进行最大化的结合,并相互影响。

  如果非要以一种简单的词汇来描述,就是让整个的生产制造流程拥有智能,即智能制造。

  一个典型的CPS架构,俗称5C架构,也可以理解为5层架构Connection连接层、Conversion转换层、Cyber网络层、Cognition认知层、Configuration配置层

  一个典型的CPS架构,俗称5C架构,由下至上分为5层。连接层负责自助互联,沟通与感知外界(通过相应的传感器),转换层则负责将连接层收集的数据进行多维的分析与转换,提取相应的信息,比如系统健康与外界环境变化等,在网络层则进行更大范围内的同类信息的汇聚与更全面的元件与系统级的状态收集,在认知层,则对网络层的数据进行认知并进行综合仿真,并给出自己的判断(辅助人类的操控),最终在配置层实现自助的调整以应对外界参数、需求与环境的变化,由此形成了一个闭路的响应逻辑循环。

  说白了,CPS是一套能自我(群体)通信、自我(群体)感知,自我(群体)认知,并可根据外界的变化进行自我(群体)调整以自动响应的系统,它可以嫁接到任何工业场景中,以让该场景拥有智能,比如智能的电网、智能的交通、智能的医疗,而与工业制造相结合就是智能制造。

  显然,CPS并不代表某一个具体的设备(不过某些设备可以理解为CPS节点,比如移动的探测器),而是将整体的工业系统囊括在内,我们可以把工业4.0时代的生产制造系统统称为CPS化的先进制造系统。其中的不同层级会横跨多个设备,具体是多少要视互联规模,也可能只有一台设备,也可能是成千上万,地域范围也可能是遍布全球甚至是太空,而负责底层连接的就是互联网与IOT,具体的实现与嵌入式系统的发展密不可分。

  因此,我们必须再次强调,如果没有互联网和IOT,CPS也就无从谈起,也正因为互联网与IOT的成熟,才让CPS的实现成为可能,也让工业4.0成为了可能。我们可以这样理解:基于全互联的信息化(数字化)环境下,从产品最开始的购买意向,到后续的定单提交、产品设计、供应链采购、生产制造、物流交付、后续服务与产品质量跟踪,直至产品寿命终止的,全生命周期流程智能化的制造服务,就是工业4.0。

  虽然很多人更愿意突出工业4.0的定制化能力,但在我看来这并不是工业4.0的第一诉求,而是一种顺其自然的能力体现,这一能力的本质就是从定购下单到最后交付的全流程智能制造,只有智能才能实现颗粒度更小、精度更高的定制化服务。

  工业4.0的实现逻辑

  为什么说互联网与IOT对工业4.0如此重要,原因就在于对于Cyber空间的建立。现如今,我们都应该对于互联网的作用有着深刻的体会,在它的上面可以完成越来越多的,原本需要在物理现实世界中才能完成的事情,比如银行汇款、订餐、买日常用品、打车等等,而之所以能做到这些,就是因为互联网将这些行为或者说流程数字化了,并在Cyber空间迅速匹配对接,这是最关键的地方。

  学过模拟与数字电路的人都知道,对于模拟信号的处理要比数字信号处理难得多,而在现实中也是如此,在物理世界中改动事物,比在虚拟世界(Cyber空间)中要复杂何止几十上百倍?因此数字化现实中的事物,并在基于互联网的虚拟世界中进行改变,并再影射回现实世界中,就是典型的互联网思维。

  比如打车软件,就是将打车的需求与空车的资源,在互联网层面进行了数字化整合,再以应用(叫车端与司机端)为节点进行一对一的关联,进而让物理世界中的人和出租车都能迅速找到彼此。餐厅订座软件,则是将用餐需求与餐厅的座位信息进行了数字化整合,通过线上的预订,来消费指定的线下资源。借用一句流行的词来描绘,这就是O2O(OnlinetoOffline,线上至线下,但其前提则是OfflinetoOnline,也就是线下的资源先被数字化,呈现于线上)。

  与之相似的,工业4.0的一个明显的特征也正是将用户的生产(购买)需求,与后端的设计、生产制造资源进行了数字化,先在互联网的虚拟世界中匹配,再控制物理世界中的设备、原料与物流进行定制化的生产与产品的交付,这明显就是互联网思维与O2O的典型实践。

  工业4.0的核心智能制造工厂,简称工厂4.0,注意外围的关键点云计算、大数据、IOT、安全与新一代物流,它们也正是工业4.0得以真正实现的外部基础,而CPS、3D打印、机器人等可以认为是内部实现的基础,也是工业自身进化的必然结果

  现在就让我们来看看一个工业4.0时代的工厂是怎样运作的。首先是客户(消费者)提交自己的定单,在这里我们淡化所谓的定制化的定单,因为工业4.0的智能化已经可以保证大规模的定制化的服务,这基本上是一种默认的能力。

  客户的定单需求通过互联网汇总(可以从手机、PC上发出),通过数据的归类聚焦,传给相应的生产企业(可能是客户指定,也可能是工业4.0中介自动分配),生产企业根据定单,自动触发相应的供应链与物流系统,来采购所需要的物料(之前已经假定主体设计是现成的)。接下来,通过3D打印等技术来完成产品原型,经客户确认后,进入正式的生产线,待生产完成,质检合格后,再通过自动编排的物流系统将产品交付给用户。这其中,基于CPS的先进生产制造系统就是该制造企业的核心平台。

  在这里,我们再借用一下打车软件的例子,打车软件是将空余的出租车或专车资源数字化放在互联网上提供给打车用户。以后,也将有这类的工业4.0化的产品软件,并不是让你挑选现成的产品,而是已经数字化后的,全国甚至全球范围内目前可用的产品设计、产品建模、产品制造和与之配套的物流资源,由此也必将出现所谓的工业4.0中介平台,就像当今的淘宝一样,进行前台的产品需求的汇总与后台的设计、生产定单的分发。

  从理论上讲,如果数字化足够充分,某个企业的单一CPS生产节点(比如某条生产线),都可以贡献在互联网上,接受客户的直接调用,这就是上文所描述的生产力的数字化。当然,要实现这一场景,还有需要其他的工作要做,比如生产系统的数字化标准的统一、接口(API)标准的规范、配套系统的自动对接、全局的安全防护等等。很可能将会在具体的实施中遇到厂商间、技术间、标准间的壁垒,而让终极的工业4.0愿景无法实现。

  工业4.0未动ICT先行

  综观工业4.0的整个体系,我们已经很明确的看到作为核心的驱动力,互联网与IOT的价值,这个价值就是由它们所带来的Cyber空间,而又是谁来支撑的呢?答案就是ICT信息与通信技术(InformationandCommunicationTechnology)。

  互联网与IOT的发展显然是与通信技术密不可分的,尤其是无线通信技术(比如3G、4G、WiFi等)的发展,为互联网的广泛渗透起到了决定性的作用,也由此催生出了IOT。

  而要让互联网与IOT所传来的信息,构架起有序可用的Cyber空间,离不开强大的信息处理能力。

  信息就代表着数据,或者说数据是信息的载体,所以互联网规模越大,信息量越多,也就意味着数据的体量将迅速增长。而在工业4.0时代,所强调的正是更为彻底的数字化需求数字化、流程数字化、资源数字化,甚至生产能力也会被数字化。而当客户的手机可以直接控制某一条具体的生产线时,可以想象这种基于互联网、IOT的人与物、物与物、人与人互联规模有多大,因此而产生的数据规模又将有多大?这就是所谓的大数据,而要对它进行及时的处理与解析,高度动态与高效的IT平台必不可少,这就是云计算。

  在上文介绍工业4.0的实现逻辑时,就已经指出云计算与大数据的重要性,相较而言,后者更为重要,因为支撑起整个工业4.0体系运转的就是各种类型,来源于方方面面的数据,它们可能来自于外部传感器,可能来自于自我监控设备,可能来自于人工的干涉,可能来自于互联网的需求,可能来自于其他系统的通知,可能来自于仿真模拟等等它们被有序导入到整体的CPS系统中,让他们自我感知、认知并进行实时的动态调整以自动响应外界需求与环境的变化,保证最佳的生产效率,以及最智能的服务体验。

  因此,有人说工业4.0就是数据化工业,是有道理的,而由此产生的,对IT平台的需求也就非常明确它必须拥有灵活的、高效率的大规模数据的处理能力,并能很好的与CPS系统相结合,以保证最终的效果可用。所以说,数据是工业4.0的灵魂,而强壮、灵活的IT平台则是工业4.0背后的身躯,而这也是大数据与云计算,对于工业4.0的价值所在。

  企业的工业4.0之路

  上文说的很多,其实大多都只是技术理论层面上的描述,真的落实到一个具体的企业,显然不会是这么的简单。

  在阐述工业4.0的特点时,我们曾强调它与前三次工业革命的一大不同之处在于,当企业内部用更为先进的CPS系统来改造生产系统的同时,企业也更多的与外部产生了互动。我们因此可以归纳为两个部分:内部生产系统的变革与外部交互体系的变革。由于不同行业的工业设备各不相同,所以内部的生产系统变革并不在本文的讨论范围,而外部的交互体系的变革则是一个通用的进化,也更值得所有工业企业引起注意。

  所谓的外部交互体系,就是指当通过互联网与物联网更为彻底的进行数字化之后,如何建立起新的与客户、合作伙伴、供货商之间的协同、互动关系,这其中包括了各种外包资源。想一想我们之前所强调的互联网思维充分借助数字化与全互联的网络,帮助我们利用虚拟的Cyber空间克服物理现实世界中的困难,并带出新的业务与模式的创新。

  比如一个客户的需求,在企业内部的交互系统里,可以直接贯通触发至所有相关的平台,比如物流、供应链、合作伙伴等,实现自动化的定单分解与资源调度。比如我要将自身的设计、生产能力最大限度的数字化(比如丰富的API与协同接口),并呈现在网络上,让客户直接或间接(通过中介平台)来向我下定,甚至直接调用。再比如,我能不能将我的产品最大限度的数字化,尤其是工作状态与健康指数,通过IOT让我可以在后台进行总体监控,并为客户提供更为精确的定制化售化服务,以确保产品在整个生命周期的价值最大化?(比如通用电气所主导的工业互联网概念就是如此)毫无疑问,这种观念和具体的流程已经与传统发生了很大的变化。

  一个制造企业的工业4.0改造的可能重点环节,在实际的运作中,涉及的层面可能会多得多,在此只是举一个例子,谨供参考

  因此,工业4.0对于一个企业来说,肯定不仅仅是一个技术层面的事情,比上一套ERP系统要复杂得多得多。它需要企业的主管系统考虑自身的发展,在相关的重点环节与流程上,以数字化、互联网的思维来审视改进之处,再根据自己的需求迫切程度,有条不紊的进行各个环节的改造。

  总而言之,数字化、互联化是企业对外交互体系建立的一个重要保证,也应该是核心的基础理念。它将把企业内部可对外提供服务的资源最大限度的呈献给客户,并通过互联网/IOT所构建的Cyber空间与外界充分的互动从而让自己的生产能力与价值得到最大限度的保障(你可能成为另一家企业的供货商,或找到新的合作伙伴)。另一方面,则结合自身产品的生产需求,改造具体的生产与辅助制造设备,比如3D打印、生产机器人等,将它们融入为一个整体的CPS系统,与对外交互体系打通,从而形成自己的工业4.0架构。与此同时,还要针对这样的新业务模型,建立起与之配套的流程、管理体系和制度。

  当然,上述这一切都已经离不开ICT的提前介入,无论是对外还是对内、无论是数字化还互联化、无论是流程管理与服务支持,工业4.0都离不开一个强壮的ICT支持,它将在很大程度上,决定一个企业的工业4.0之路的最终成败。所以,工业4.0未动ICT先行对于所有工业企业来说,都是不变的真理!

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