陶博士
摘 要：本文介紹筆者在 2013 漢諾威工業(yè)博覽會上所了解到的一些關(guān)于第四次工業(yè)革命的探討。
受中國液壓氣動密封件工業(yè)協(xié)會委托，筆者觀摩參與了德國漢諾威 2013 工業(yè)博覽會。這次漢諾威博覽會的熱議話題是“第四次工業(yè)革命”。
“第四次工業(yè)革命”(Industrie 4.0)最早是在 2011 年漢諾威博覽會上，由三位大學(xué)教授提出來的。
制造業(yè)在德國的國民經(jīng)濟(jì)中(創(chuàng)造的價值)占26%。作為提升傳統(tǒng)制造業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向，112頁的實施建議由項目研究組在2012年10月2日提交給德國聯(lián)邦政府此項目牽頭的教育科研部(BMBF)、經(jīng)濟(jì)部(BMWi)和內(nèi)政部(BMI)。已撥款2億歐元(約16億人民幣)作為第一步的研發(fā)經(jīng)費。
這是一場有組織的革命。德國的機(jī)械設(shè)備制造協(xié)會(VDMA)、電子工業(yè)中央聯(lián)盟(ZVEI)和信息通訊新媒體協(xié)會(BITKOM)有史以來第一次搭建了一個聯(lián)合工作平臺，2013年4月開始工作，任務(wù)之一就是協(xié)調(diào)已有的和要開始的研究項目。
在德國，工業(yè)革命是如此認(rèn)定劃分的：
第一次，機(jī)械化。從18世紀(jì)末開始，蒸汽機(jī)逐步取代人力。
當(dāng)時，機(jī)器采用集中動力驅(qū)動，動力從上空的動力軸通過皮帶傳給機(jī)器。
機(jī)械制造，之前已開始有分工，但直到采用新動力方式，才開始如今天的形態(tài)。
機(jī)床制造，作為一個行業(yè)，最早從英國開始。“Made in Germany”就是當(dāng)年英國人在德國人造的機(jī)床上貼的(作為劣質(zhì)品的)警告標(biāo)志。
第二次，流水線生產(chǎn)。始于1913年美國人福特采用流水線制造汽車，規(guī)格化生產(chǎn)，成本大大下降，價格從850US$降到370US$。但同時也大大地放棄了個性化。
機(jī)器和流水線開始逐步由電驅(qū)動，更易控制。
第三次，自動化。始于1974年。當(dāng)時在德國一個小地方(Neuhausen im Enzkreis)的一個小企業(yè)(Klaschka GmbH)研發(fā)出了由集成電路制成的PLC(可編程邏輯控制器)。控制邏輯，相對繼電器組成的控制器，可以更方便更靈活地更換修改，邁出了微處理器控制工業(yè)應(yīng)用的第一步。但當(dāng)時正值冷戰(zhàn)，沒有人想到這個小東西會對工業(yè)生產(chǎn)帶來如此大的變化，以致值得稱之為革命。以后，硬件水平、集成度不斷提高，采用了C語言和更高級的編程語言，不僅可以描述簡單的與或邏輯關(guān)系，還可以描述各種復(fù)雜的控制策略(PID、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等等)，現(xiàn)在已被廣泛使用，幾乎無處不在。
一個典型的例子是汽車工業(yè)。在上世紀(jì)八十年代末，美國麻省理工學(xué)院完成的一項耗資500萬US$的調(diào)研報告“改變了世界的機(jī)器”說，日本汽車工業(yè)之所以能在20年里搶占世界三分之一市場，除了“苗條”(零庫存)工廠外，最重要的一點是因為廣泛實現(xiàn)了裝配自動化，機(jī)器人輔助的裝配大幅度地提高了質(zhì)量與生產(chǎn)率，因此，今后美國和歐洲的汽車工業(yè)很難與之競爭。但是，德國的汽車工業(yè)挺住了，其中一個原因就是，德國的機(jī)器人中都裝有PLC，程序可以靈活地不斷更換改進(jìn)。
而第四次工業(yè)革命的目標(biāo)則是工廠智能化Intelligente Fabrik(Smart Factory)。
中心：讓網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)入制造業(yè)。
背景：今后制造業(yè)將面臨的形勢——緊缺的資源、能源轉(zhuǎn)變、員工年齡結(jié)構(gòu)改變、全球化。
技術(shù)基礎(chǔ)：網(wǎng)絡(luò)和空間分布系統(tǒng)、順暢的通訊，寬帶速度達(dá)7000Mbit/s。
特點：靈活易變、高資源效率、考慮人類工程學(xué)、以及使企業(yè)與顧客、業(yè)務(wù)伙伴最緊密地
結(jié)合。
設(shè)想的變革大致在以下幾個方面。
1) 生產(chǎn)工藝與信息技術(shù)融合
目前所說的數(shù)字化工廠，首先強(qiáng)調(diào)的是生產(chǎn)計劃數(shù)字化和大量使用各種計算機(jī)輔助技術(shù)：CAD、CAM、CIM、PPS(生產(chǎn)計劃控制系統(tǒng))、PDM、DMU(數(shù)字試驗?zāi)Ｐ?、PLM(產(chǎn)品生命周期管理)，等等，較多地是基于一個相對固定、由上而下的生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)。而新的革命強(qiáng)調(diào)的則是分散，降低集中控制度，增加生產(chǎn)設(shè)備的自主控制，把分散的自主的智能化的制造設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)的形式緊密地聯(lián)接在一起，具有更開放，更積極通訊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更具動態(tài)性和靈活性，從而能發(fā)掘出更多優(yōu)化的可能，估計可以提高生產(chǎn)效率 30%。其中，CPS 將起一個核心的作用。
CPS——Cyber-Physical System，網(wǎng)絡(luò)實體融合控制系統(tǒng)是一個由傳感器、控制電腦、執(zhí)行器以及網(wǎng)絡(luò)組合的控制系統(tǒng)。
目前在某些領(lǐng)域，例如航空、汽車、化工生產(chǎn)、基礎(chǔ)建設(shè)、能源、健康、制造、交通控制、娛樂和消費性電子產(chǎn)品等等，已出現(xiàn)了類似于 CPS 的電子組合控制系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)目前通常都是嵌入式系統(tǒng)，比較強(qiáng)調(diào)其運(yùn)算控制能力，CPS 則更強(qiáng)調(diào)實體裝置和電腦網(wǎng)絡(luò)的連結(jié)。
CPS 是借用技術(shù)手段實現(xiàn)人的控制在時間、空間等方面的延伸，本質(zhì)就是人、機(jī)、物的融合。所以，也被稱為人機(jī)物融合系統(tǒng)。
2)產(chǎn)品個性化
生產(chǎn)高度靈活的工廠可以迎合顧客對產(chǎn)品個性化、多樣化、不斷改變的要求，可以通過現(xiàn)代化的手段，以大批量生產(chǎn)的成本，制造批產(chǎn)量 1 的產(chǎn)品。從某種意義上說，回到了第一次工業(yè)革命之前。顧客與工廠頻繁交流溝通，不僅在訂合同前，而且在下訂單后、設(shè)計、加工、裝配、調(diào)試階段。因此，顧客甚至可以在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中改動他的訂單細(xì)節(jié)。
力士樂泵廠，雖說年產(chǎn) 100 萬臺以上，但十幾個大類，每類有十幾個規(guī)格，每個規(guī)格的變量功能有十幾種，不同的限壓、恒功率值等等要設(shè)定。因此，最終產(chǎn)品好幾萬種，每批量并不很多。靈活多變的管理是極其重要的。
3)生產(chǎn)人性化
通過工廠智能化，更多的員工可以有靈活的工作時間，因此工作更安心了。
利用網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)可以分散，從而可以分散能量供應(yīng)。
利用網(wǎng)絡(luò)，員工可以就近，甚至在家里上班。他們問道，如果大量員工每天長途開車上班，到廠里再花很大力氣節(jié)能減排，又有多大實際意義呢?
圖 1 為一個設(shè)想的工廠。
圖 1 一個設(shè)想的網(wǎng)絡(luò)化工廠
A. 所有加工設(shè)備、待加工部件(運(yùn)輸小車)、裝料機(jī)器手都裝有 CPS，都具有無線上網(wǎng)功能。
B. 待加工部件不通過中央控制器，直接與加工設(shè)備聯(lián)系確定，到哪臺設(shè)備進(jìn)行哪些加工。工件控制工廠。
C. 負(fù)責(zé)下道工序的加工設(shè)備直接調(diào)用待加工件，獨立自主的運(yùn)輸小車根據(jù)地下鋪設(shè)的感應(yīng)線路，把工件送給裝料機(jī)器手。
D. 所有后續(xù)工序需要的產(chǎn)品信息，包括生產(chǎn)銷售文件都由各工件自己攜帶。
E. 如果出現(xiàn)差錯，或顧客的特別要求與現(xiàn)有的 CAM 數(shù)據(jù)不符，研發(fā)部的工程師會立刻得到報警。補(bǔ)充改進(jìn)措施會立刻在一個虛擬的試驗環(huán)境下檢查，然后發(fā)給工件。德國應(yīng)用技術(shù)研究院的制造設(shè)備與生產(chǎn)技術(shù)研究所(IPK)與柏林工大的機(jī)床與工廠管理研究所合作，自 2008 年起就建立了一個名為 Sopro(生產(chǎn)自我組織)的示范性車間，以筆記本電腦模擬產(chǎn)品，自我安排加工，起中心領(lǐng)導(dǎo)作用。在 Kaiserlautern 市的人工智能研究中心已經(jīng)建立了一個示范工廠(圖 2)，20 個企業(yè)參與了工廠的運(yùn)營。
圖 2 一個示范工廠
德國 Wittenstein 公司在斯圖加特市內(nèi)新建了一個所謂“住宅區(qū)工廠”，機(jī)床、生產(chǎn)工具和半成品都已聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)品細(xì)節(jié)在最后一分鐘還可以更改。制造的精密齒輪被用于方程式 I 的賽車、航空與航天等設(shè)備中。
力士樂公司推出了開放核心(圖 3)，即工程師可以用各種高級編程語言，通過各種編程工具，從各類硬件的各種操作系統(tǒng)出發(fā)，調(diào)用核心的控制功能，完成各種應(yīng)用。演示模型是一個平板電腦，通過無線網(wǎng)絡(luò)(W-LAN)，控制一個六自由度的平臺，隨平板電腦擺動。
圖 3 力士樂推出的開放核心 
圖 4 為力士樂設(shè)想的將來的工廠，全自動車間，技師帶著平板電腦，利用無線網(wǎng)絡(luò)，與各設(shè)備聯(lián)絡(luò)，了解情況，調(diào)整狀況。
“第四次工業(yè)革命”在 2013 漢諾威工業(yè)博覽會上也被廣泛地討論了。較普遍的意見是：
1)德國在機(jī)械制造、自動化及信息技術(shù)方面已經(jīng)很強(qiáng)大，德國經(jīng)濟(jì)就是依靠 know-how(技能)、高質(zhì)量和首創(chuàng)的產(chǎn)品生存，所以，有最好的前提條件，在第四次工業(yè)革命中起領(lǐng)導(dǎo)作用，以保持并擴(kuò)大德國制造業(yè)的傳統(tǒng)核心和國際領(lǐng)先地位。
2)第四次工業(yè)革命不會是一個從今天到明天，一下子拋棄全部已有設(shè)備的突變，而是一個漸進(jìn)的過程(2020-2030年)。前幾次工業(yè)革命中，每個階段也都延續(xù)幾十年。因為，在進(jìn)行實質(zhì)性的工程技術(shù)改造之前，首先需要的是，在參與者的腦子里發(fā)生改變，要進(jìn)行跨技術(shù)領(lǐng)域的思考?，F(xiàn)在，經(jīng)濟(jì)界、法律界、工會都已參與進(jìn)來。
3)很重要的是要注重實效，不斷改進(jìn)、不停創(chuàng)新。
4)最終要贏得的是商業(yè)伙伴和員工。如果做不到這點的話，所有閉門思考出來的方案都是沒有用的。
參考文獻(xiàn)
Ampere，ZVEI：Die Elektroindustrie, 2013-1
