"中国制造2025"对标"德国工业4.0"和"美国工业互联网"

杨晓红

《中国制造2025》规划为把中国打造成现代化工业强国描绘出清晰的路线图。有人说,这个规划与“德国工业4.0” 有异曲同工之处,同样处于“4.0”发展领先地位的美国也有自己的“工业互联网”战略规划。在日新月异的汽车工业,新能源汽车和智能汽车已经成为未来发展的主要趋势,中、德、美三国都制定了雄心勃勃的新能源汽车发展目标和策略。

“中国制造2025”vs“德国工业4.0”和“美国工业互联网”

中德美三国的“工业4.0”各有特点

一、德国的“工业4.0”:

工业4.0在德国被认为是第四次工业革命,是德国政府2011年11月公布的《高技术战略2020》中的一项战略,旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,保持德国的国际竞争力。2013年4月,德国机械及制造商协会、德国信息技术、通讯与新媒体协会、德国电子电气制造商协会合作设立了“工业4.0平台”,并向德国政府提交了平台工作组的最终报告——《保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议》。报告提出,德国向工业4.0转变需要采取双重策略,即德国要成为智能制造技术的主要供应商和CPS(信息物理系统)技术及产品的领先市场。

1.本质是基于“信息物理系统”实现“智能工厂”

第一次工业革命始于18世纪后半期由蒸汽机实现工厂的机械化;第二次工业革命始于19世纪后半期用电力来实现大规模化批量生产;第三次工业革命始于20世纪后半期通过电气和信息技术实现制造业的自动化。第四次工业革命——工业4.0,其实就是实现“智能工厂”。工业4.0将在前三次工业革命的基础上进一步进化,基于信息物理系统(Cyber Physical System)实现新的制造方式。信息物理系统是指通过传感网紧密连接现实世界,将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中,从而在生产制造过程中,与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析,形成可自律操作的智能生产系统。

2.核心是动态配置的生产方式

工业4.0报告中描述的动态配置的生产方式主要是指从事作业的机器人(工作站)能够通过网络实时访问所有有关信息,并根据信息内容,自主切换生产方式以及更换生产材料,从而调整成为最匹配模式的生产作业。动态配置的生产方式能够实现为每个客户、每个产品进行不同的设计、零部件构成、产品订单、生产计划、生产制造、物流配送,杜绝整个链条中的浪费环节。与传统生产方式不同,动态配置的生产方式在生产之前或者生产过程中,都能够随时变更最初的设计方案。

例如,目前的汽车生产主要是按照事先设计好的工艺流程进行的生产线生产方式。尽管也存在一些混流生产方式,但是生产过程中,一定要在由众多机械组成的生产线上进行,所以不会实现产品设计的多样化。管理这些生产线的MES(制造执行管理系统)原本应该带给生产线更多的灵活性,但是受到构成生产线的众多机械的硬件制约,无法发挥出更多的功能,作用极为有限。同时,在不同生产线上操作的工人分布于各个车间,他们都不会掌握整个生产流程,所以也只能发挥出在某项固定工作上的作用。这样一来,很难实时满足客户的需求。工业4.0描绘的智能工厂中,固定的生产线概念消失了,采取了可以动态、有机地重新构成的模块化生产方式。

例如,生产模块可以视为一个“信息物理系统”,正在进行装配的汽车能够自律在生产模块间穿梭,接受所需的装配作业。其中,如果生产、零部件供给环节出现瓶颈,能够及时调度其他车型的生产资源或者零部件,继续进行生产。也就是为每个车型自律性选择适合的生产模块,进行动态的装配作业。在这种动态配置的生产方式下,可以发挥出MES原本的综合管理功能,能够动态管理设计、装配、测试等整个生产流程,既保证了生产设备的运转效率,又可以使生产种类实现多样化。

3.首要目标是工厂标准化

德国工业影响力的一个侧面就是“标准化”。PLC编程语言的国际标准IEC61131-3(PLCopen)主要是来自德国企业;通信领域普及的CAN、Profibus以及EtherCAT也全都诞生于德国。

工业4.0工作组认为,推行工业4.0需要在8个关键领域采取行动。其中第一个领域就是“标准化和参考架构”。标准化工作主要围绕智能工厂生态链上各个环节制定合作机制,确定哪些信息可被用来交换。为此,工业4.0将制定一揽子共同标准,使合作机制成为可能,并通过一系列标准(如成本、可用性和资源消耗)对生产流程进行优化。

以往,我们听到的大多是“产品的标准化”,而德国工业4.0将推广“工厂的标准化”,借助智能工厂的标准化将制造业生产模式推广到国际市场,以标准化提高技术创新和模式创新的市场化效率,继续保持德国工业的世界领先地位。

4.战略愿景与要点

与美国流行的第三次工业革命的说法不同,德国将制造业领域技术的渐进性进步描述为工业革命的四个阶段,即工业4.0的进化历程。

1)工业1.0 18世纪60年代至19世纪中期,通过水力和蒸汽机实现的工厂机械化可称为工业1.0。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动,经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业以及机械制造带动经济发展的模式。

2)工业2.0 19世纪后半期至20世纪初,在劳动分工的基础上采用电力驱动产品的大规模生产可称为工业2.0。这次工业革命,通过零部件生产与产品装配的成功分离,开创了产品批量生产的新模式。

3)工业3.0 始于20世纪70年代并一直延续到现在,电子与信息技术的广泛应用,使得制造过程不断实现自动化,可称为工业3.0。自此,机器能够逐步替代人类作业,不仅接管了相当比例的“体力劳动”,还接管了一些“脑力劳动”。

4)工业4.0 德国学术界和产业界认为,未来10年,基于信息物理系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)的智能化,将使人类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。产品全生命周期和全制造流程的数字化以及基于信息通信技术的模块集成,将形成一个高度灵活、个性化、数字化的产品与服务的生产模式。

5)战略要点可以概括为:建设一个网络、研究两大主题、实现三项集成、实施八项计划。

建设一个网络:信息物理系统网络。信息物理系统就是将物理设备连接到互联网上,让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能,从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。CPS可以将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起,从而创造物联网及相关服务,并将生产工厂转变为一个智能环境。这是实现工业4.0的基础。

研究两大主题:智能工厂和智能生产。“智能工厂”是未来智能基础设施的关键组成部分,重点研究智能化生产系统及过程以及网络化分布生产设施的实现。“智能生产”的侧重点在于将人机互动、智能物流管理、3D打印等先进技术应用于整个工业生产过程,从而形成高度灵活、个性化、网络化的产业链。生产流程智能化是实现工业4.0的关键。

实现三项集成:横向集成、纵向集成与端对端的集成。工业4.0将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络,使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联,从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。

横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合,是为了实现各企业间的无缝合作,提供实时产品与服务;纵向集成是基于未来智能工厂中网络化的制造体系,实现个性化定制生产,替代传统的固定式生产流程(如生产流水线);端对端集成是指贯穿整个价值链的工程化数字集成,是在所有终端数字化的前提下实现的基于价值链与不同公司之间的一种整合,这将最大限度地实现个性化定制。

实施八项计划:工业4.0得以实现的基本保障。一是标准化和参考架构。需要开发出一套单一的共同标准,不同公司间的网络连接和集成才会成为可能。二是管理复杂系统。适当的计划和解释性模型可以为管理日趋复杂的产品和制造系统提供基础。三是一套综合的工业宽带基础设施。可靠、全面、高品质的通信网络是工业4.0的一个关键要求。四是安全和保障。在确保生产设施和产品本身不能对人和环境构成威胁的同时,要防止生产设施和产品滥用及未经授权的获取。五是工作的组织和设计。随着工作内容、流程和环境的变化,对管理工作提出了新的要求。六是培训和持续的职业发展。有必要通过建立终身学习和持续职业发展计划,帮助工人应对来自工作和技能的新要求。七是监管框架。创新带来的诸如企业数据、责任、个人数据以及贸易限制等新问题,需要包括准则、示范合同、协议、审计等适当手段加以监管。八是资源利用效率。需要考虑和权衡在原材料和能源上的大量消耗给环境和安全供应带来的诸多风险。

总的来看,工业4.0战略的核心就是通过CPS网络实现人、设备与产品的实时连通、相互识别和有效交流,从而构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在这种模式下,生产由集中向分散转变,规模效应不再是工业生产的关键因素;产品由趋同向个性转变,未来产品都将完全按照个人意愿进行生产,极端情况下将成为自动化、个性化的单件制造;用户由部分参与向全程参与转变,用户不仅出现在生产流程的两端,而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。

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