第二节 工业4.0与智能制造
讲师的话
德国所谓的工业四代（Industry 4.0，第四次工业革命）是指利用信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）将生产中的供应、制造和销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。
一、“工业4.0”认知
1.工业4.0的提出
“工业4.0”是德国政府提出的一个高科技战略计划。该计划由德国联邦教育局及研究部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元，旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人机工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴，其技术基础是网络实体系统及物联网。
2.工业4.0重要意义
“工业4.0”已经成为中德合作的新内容。在中德双方签署的《中德合作行动纲要》中，有关“工业4.0”合作的内容共有四条，第一条就明确提出工业生产的数字化，进一步强调了工业4.0对于未来中德经济发展具有重大意义。双方认为，两国政府应为企业参与该进程提供政策支持。
3.工业4.0的概念
“工业4.0”概念包含了生产由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。在工业4.0时代，创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。
二、从工业1.0到工业4.0的演变
提到工业4.0我们就要追溯以下工业1.0、工业2.0、工业3.0。实际上我们认为的工业1.0、工业2.0、工业3.0即指的是第一次工业革命、第二次工业革命、第三次工业革命。
工业1.0：机械制造时代，这一阶段通过水力和蒸汽机实现工厂机械化，时间大概是18世纪60年代至19世纪中期（1760年至1850年）。
工业2.0：电气化与自动化时代，这一阶段在劳动分工基础上采用电力驱动产品的大规模生产，时间大概是19世纪后半期至20世纪初（1870年到1900年）。
工业3.0：电子信息化时代，这一阶段广泛应用电子与信息技术，使制造过程自动化控制程度大幅度提高，时间从20世纪50年代开始并一直延续至今（1950年至今）。
从工业1.0到工业4.0的演变具体如图1-8所示。
图1-8 从工业1.0到工业4.0的演变
三、“工业4.0”三大主题
“工业4.0”项目将从三个方向展开：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统、过程以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等；三是“智能物流”，主要通过整合物流资源提升物流效率。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。
1.智能工厂：智能工业发展新方向
“智能工厂”的概念最早由美国罗克韦尔自动化有限公司CEO奇思·诺斯布于2009年提出，其核心是工业化和信息化的高度融合。智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和设备监控技术加强信息管理和服务，未来还将通过大数据分析平台将云计算中由大型工业机器产生的数据转化为实时信息（云端智能工厂），利用绿色智能手段和智能系统，构建出一个高效节能、绿色环保、环境舒适的人性化工厂。目前，有关智能工厂的概念仍众说纷纭，但其基本特征可归纳为系统监管全方位、制程管控可视化及绿色制造三个方面，具体内容如图1-9所示。
图1-9 智能工厂概念的特征
2.智能生产：制造业的未来
智能生产（Intelligent Manufacturing，IM）也称智能制造，是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等，通过人与智能机器的合作共事，扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动；它更新了制造自动化的概念，与传统的制造相比，智能生产具有自组织、超柔性、自律能力、学习能力、自维护能力、人机一体化及虚拟现实等特征。
“智能制造”需要硬件、软件以及咨询系统的整合。那些具有“智能制造”属性的生产线拥有数量众多的控制器、传感器，通过有线或无线传感网架构进行串联，将数据传输给上层的制造执行系统（MES），结合物联网的系统架构，让制造业提升到一个新的阶段。“智能制造”主要服务于产品的生产，现在随着客户个性化需求越来越多，产品生产也逐渐呈现出少量、多样等新特征。这就迫使制造厂商要提升生产线的速度与灵活性，对市场前端的变化作出快速调整。例如，当前一些汽车厂就可以让客户在线指定汽车的颜色，快速调整生产线，快速交付产品。智能制造就是要为使用者带来更多的便利。
近年来，由人工智能技术、机器人技术和数字化制造技术等相结合的智能制造技术正在引领新一轮的制造业变革。智能制造技术开始贯穿于设计、生产、管理和服务等制造业的各个环节，智能制造技术的产业化及广泛应用正催生智能制造业。概括起来，当今世界制造业的智能化发展呈现两大趋势。
（1）以3D打印为代表的数字化制造技术崭露头角。数字化制造以计算机设计方案为蓝本，以特制粉末或液态金属等先进材料为原料，以3D打印机为工具，通过在产品层级中添加材料直接把所需产品精确打印出来。这一技术有可能改变未来产品的设计、销售和交付用户的方式，使大规模定制和简单的设计成为可能，使制造业实现随时、随地、按不同需要进行生产，并彻底改变自“福特时代”以来的传统制造业形态。3D打印技术开创了一个全新的扁平式、合作性的全球手工业市场，而不是传统意义上的层级式、自上而下的企业结构。一个由数百万人组成的分散式网络代替了从批发到零售商的所有中间人，并且消除了传统供应链中每一个阶段性的交易成本。这种“添加式生产”能够大幅降低耐用品的生产成本，从而使数以万计的小型生产商对传统上处于中心位置的大型生产者提出挑战。新的生产方式已经发生了重大改变，传统的生产制造业将面临一次长时间的“洗牌”。有预测指出，未来模具制造行业、机床行业、玩具行业、轻工产品行业都可能被淘汰出局，而取代他们的就是3D打印机。当然，这需要一个过程，主要是人们适应和接受新事物的过程与产业自身完善成长的过程。
（2）智能制造技术创新及应用贯穿制造业全过程。先进制造技术的加速融合使制造业的设计、生产、管理、服务各个环节日趋智能化，智能制造正引领新一轮的制造业革命，这主要体现在四个方面，具体内容如图1-10所示。
图1-10 智能化的四个方面
3.智能物流：工业4.0的基础
智能物流主要通过互联网、物联网、物流网整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，使需求方能够快速获得服务匹配，得到物流支持。
以物联网为基础的智能物流是工业4.0的基础，是提升现代物流效率，降低全物流费用率的理想解决方案。物流装备制造商将逐步成为物流系统集成综合解决方案提供商。所以，智能制造系统与智能物流的融合将成为未来发展的趋势，具体内容如图1-11所示。
图1-11 智能物流与智能制造融合的发展趋势
四、工业4.0与大数据
1.供应大数据
在这个互联网和物联网飞速发展的时代，全球采购早已不是新鲜事了。对于制造企业而言，如果能够准确预测到原材料采购价格的变化趋势，就能够通过最优的采购策略来大大地降低生产成本。
在当前的全球经济的时代，影响工业生产原材料采购价格的因素有如下几种：全球的生产规模、全球的生产率、国际环境、物流运输环境、汇率、各国的政治环境、主要生产地的政治环境等，而这些因素的数据大多不能直接拿到，但是可以根据每个因素的关联数据分析得出。那么，在全球的环境下，要进行这些数据的收集、分析、预测就涉及使用大数据的应用。
2.制造大数据
制造大数据就是智能化生产过程中的大数据，在基于工业4.0的制造大数据的系统下，所有的生产设备都是智能化的设备，每次的任务执行都是核心控制系统调度控制的结果，那么利用制造大数据可以实现设备精确控制、设备运行优化、设备故障预测、制造系统改进升级等。
在数字化控制的时代，制造设备运行是严格地按照精确位置运行控制。在制造大数据控制系统内，对智能设备的控制是智能设备的运行轨迹，这样可以将同一批次的、做同样工作的智能设备每次的运行轨迹数据进行分析处理从而得到下一个时间段的准确的运行轨迹，也就是说智能设备可以自动修复在生产过程中产生的误差。
3.销售大数据
销售大数据有两层意思，一个是基于大数据的精准营销，另一个是基于大数据的精准需求分析。由于工业采购往往是大宗、低频的商业，在这个销售过程中就可以基于大数据做一些供应链金融、电子期货等。通过销售大数据的分析可以更好地了解市场需要和预期，进而指导产品设计和生产。
五、制造企业如何适应工业4.0时代
通向工业4.0的路将会是一段革命性的道路，为了适应制造业中的特殊设备，现有的基础科技和经验将不得不进行改变和革新。而且，对于新领域和新市场的创新解决方案不得不重新探索。因此，企业需要对八个领域进行改进，具体内容如图1-12所示。
图1-12 制造企业适应工业4.0时代需改进的八个领域
学习小札
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学习心得
学习回顾
通过本章的学习，我有哪些收获？
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自我反思
我还有哪些不足？
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行动计划
我要把所学知识带回公司，并做好以下几个方面的工作，使精益理念融入到公司的管理中去。
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