OFweek工控網訊:什么是工業?按照字典中的解釋,就是指采掘自然界的物質資源,以及對工業品原料及農產品原料進行加工的社會生產部門。根據總體的分工,工業可分為采掘工業和加工工業,又可分為重工業和輕工業。在有些國家中,工業也稱制造業,通常僅指加工工業。
      對于我們每個個體消費者來說,工業最直接的體現就是輕工業,或者說是加工工業。即人類加工與改造自然界物質的一種產業,而采掘工業是我們平時不會接觸到的,這就好比我們整天和手機上的應用打交道,但沒有人會關心這些應用后臺所連接的數據中心,采掘工業就相當于數據中心,它們負責收集自然界中不同功用的物質,比如礦藏、石油、植物等等,而加工工業則負責將這些原始物料組合制造成最終消費者所購買的商品——比如汽車、食品、衣服、家具等等。
      無法想像,如果沒有工業,我們當今的社會與日常的生活又將會怎樣。因此,在人類文明的發展史上,工業的地位是舉足輕重的,完全可以說只有進入到了工業時代,人類文明才真正有了質的變化,也因此它也必將在人類未來的發展進程中,扮演更加重要的角色。

      1 工業發展的4個階段
      擅長自我總結的人類,一直在將工業發展史進行階段性的劃分,均認為發展至今已經是第4階段(或者說4次工業變革),但之前的3個階段如何劃分,依據也各不相同,不過我個人偏向認同以下的分法。
      在1784年,第一臺機械式織布機的出現,揭開了第一次工業革命的序章,這也是人類第一次擺脫了人力的限制,開始進行機械化生產制造,而驅動機械的動力則是水或是水蒸氣。到了1866年,西門子推出人類第一臺工業用發電機,4年之后,在美國的辛辛那提的一家屠宰場,引入第一條電動生產傳送帶,將工業時代引入到了第二階段。在這一階段中,電氣化的大規模生產制造流水線成為了重要的標志,這方面的經典代表作就是福特于1908年推出的“T型”轎車。
      隨著人類技術水平的不斷進步,信息技術(IT)出現了,而當它與工業相結合時,就帶來了第三次工業革命。在這一階段,人類制造的可編程芯片植入到了電氣化的工業環境中,其標志性事件就是美國莫迪康公司(Modicon,后來被法國的施耐德公司收購)推出了人類第一個可編程邏輯控制器(PLC,Programmable Logic Controller),賦予了生產線“可編程”的能力,從而進入自動化生產與管理時代。
      如今,也就是進入21世紀之后,人類又正在迎來第4次工業變革,這就是目前人們常說的工業4.0。

      2 到底什么是工業4.0?
      從前三次的工業變革中,我們可以看到,工業的發展是與人類社會當時的整體技術水平密不可分的。當人類發現了水蒸氣可以用來驅動物體時,出現了第一次工業革命,當人類可以自如的產生電力后,出現了第二次工業革命,到了第三次則是源于人類掌握了IT技術。換句話說,水驅動了第一次工業革命,電驅動了第二次工業革命,IT驅動了第三次工業革命,那么第四次工業革命的驅動力又源于哪里呢?這還要從工業4.0的形態說起。
      如果說前三次的變革主要是工業生產內部的自我改良與進化,那么工業4.0則是將工業與其周邊的事物更緊密結合之后的產物,結合的基礎手段就是互聯網(Internet)與物聯網(IOT,Internet Of Things),這就是工業4.0的原始驅動力,而具體的執行就是所謂的信息物理系統(CPS,Cyber-Physical Systems)。
雖然說是信息物理系統,但請注意CPS英文全稱用的是Cyber這個詞,而不是什么Information,在中文里對于Cyber一詞并沒有一個非常確切的簡單對照。其實,Cyber并不僅僅代表信息,它是對全數字化空間的一種表述,是一種比Information更復雜化的信息世界的表達。而將它與現實中的物理系統相融合的產物CPS,雖不是為工業4.0而生,但最大限度體現了工業4.0的精髓——將由信息組成的虛擬世界與物理世界的生產能力進行最大化的結合,并相互影響。
      如果非要以一種簡單的詞匯來描述,就是讓整個的生產制造流程擁有智能,即——智能制造。
一個典型的CPS架構,俗稱5C架構,也可以理解為5層架構——Connection連接層、Conversion轉換層、Cyber網絡層、Cognition認知層、Configuration配置層。
      一個典型的CPS架構,俗稱5C架構,由下至上分為5層。連接層負責自助互聯,溝通與感知外界(通過相應的傳感器),轉換層則負責將連接層收集的數據進行多維的分析與轉換,提取相應的信息,比如系統健康與外界環境變化等,在網絡層則進行更大范圍內的同類信息的匯聚與更全面的元件與系統級的狀態收集,在認知層,則對網絡層的數據進行“認知”并進行綜合仿真,并給出自己的判斷(輔助人類的操控),最終在配置層實現自助的調整以應對外界參數、需求與環境的變化,由此形成了一個閉路的響應邏輯循環。

 

      說白了,CPS是一套能自我(群體)通信、自我(群體)感知,自我(群體)認知,并可根據外界的變化進行自我(群體)調整以自動響應的系統,它可以嫁接到任何工業場景中,以讓該場景擁有“智能”,比如智能的電網、智能的交通、智能的醫療,而與工業制造相結合就是“智能制造”。
      顯然,CPS并不代表某一個具體的設備(不過某些設備可以理解為CPS節點,比如移動的探測器),而是將整體的工業系統囊括在內,我們可以把工業4.0時代的生產制造系統統稱為CPS化的先進制造系統。其中的不同層級會橫跨多個設備,具體是多少要視互聯規模,也可能只有一臺設備,也可能是成千上萬,地域范圍也可能是遍布全球甚至是太空,而負責底層連接的就是互聯網與IOT,具體的實現與嵌入式系統的發展密不可分。
      因此,我們必須再次強調,如果沒有互聯網和IOT,CPS也就無從談起,也正因為互聯網與IOT的成熟,才讓CPS的實現成為可能,也讓工業4.0成為了可能。我們可以這樣理解:基于全互聯的信息化(數字化)環境下,從產品最開始的購買意向,到后續的定單提交、產品設計、供應鏈采購、生產制造、物流交付、后續服務與產品質量跟蹤,直至產品壽命終止的,全生命周期流程智能化的制造服務,就是工業4.0。
      雖然很多人更愿意突出工業4.0的定制化能力,但在我看來這并不是工業4.0的第一訴求,而是一種順其自然的能力體現,這一能力的本質就是從定購下單到最后交付的全流程“智能制造”,只有智能才能實現顆粒度更小、精度更高的定制化服務。

      3 工業4.0的實現邏輯
      為什么說互聯網與IOT對工業4.0如此重要,原因就在于對于“Cyber空間”的建立?,F如今,我們都應該對于互聯網的作用有著深刻的體會,在它的上面可以完成越來越多的,原本需要在物理現實世界中才能完成的事情,比如銀行匯款、訂餐、買日常用品、打車等等,而之所以能做到這些,就是因為互聯網將這些行為或者說流程數字化了,并在“Cyber空間”迅速匹配對接,這是最關鍵的地方。
      學過模擬與數字電路的人都知道,對于模擬信號的處理要比數字信號處理難得多,而在現實中也是如此,在物理世界中改動事物,比在虛擬世界(Cyber空間)中要復雜何止幾十上百倍?因此數字化現實中的事物,并在基于互聯網的虛擬世界中進行改變,并再影射回現實世界中,就是典型的“互聯網思維”。
      比如打車軟件,就是將打車的需求與空車的資源,在互聯網層面進行了數字化整合,再以應用(叫車端與司機端)為節點進行一對一的關聯,進而讓物理世界中的人和出租車都能迅速找到彼此。餐廳訂座軟件,則是將用餐需求與餐廳的座位信息進行了數字化整合,通過線上的預訂,來消費指定的線下資源。借用一句流行的詞來描繪,這就是O2O(Online to Offline,線上至線下,但其前提則是Offline to Online,也就是線下的資源先被數字化,呈現于線上)。
      與之相似的,工業4.0的一個明顯的特征也正是將用戶的生產(購買)需求,與后端的設計、生產制造資源進行了數字化,先在互聯網的虛擬世界中匹配,再控制物理世界中的設備、原料與物流進行定制化的生產與產品的交付,這明顯就是互聯網思維與O2O的典型實踐。

 

      工業4.0的核心——智能制造工廠,簡稱工廠4.0,注意外圍的關鍵點——云計算、大數據、IOT、安全與新一代物流,它們也正是工業4.0得以真正實現的外部基礎,而CPS、3D打印、機器人等可以認為是內部實現的基礎,也是工業自身進化的必然結果。
      現在就讓我們來看看一個工業4.0時代的工廠是怎樣運作的。首先是客戶(消費者)提交自己的定單,在這里我們淡化所謂的定制化的定單,因為工業4.0的智能化已經可以保證大規模的定制化的服務,這基本上是一種默認的能力。
      客戶的定單需求通過互聯網匯總(可以從手機、PC上發出),通過數據的歸類聚焦,傳給相應的生產企業(可能是客戶指定,也可能是工業4.0中介自動分配),生產企業根據定單,自動觸發相應的供應鏈與物流系統,來采購所需要的物料(之前已經假定主體設計是現成的)。接下來,通過3D打印等技術來完成產品原型,經客戶確認后,進入正式的生產線,待生產完成,質檢合格后,再通過自動編排的物流系統將產品交付給用戶。這其中,基于CPS的先進生產制造系統就是該制造企業的核心平臺。
      在這里,我們再借用一下打車軟件的例子,打車軟件是將空余的出租車或專車資源數字化放在互聯網上提供給打車用戶。以后,也將有這類的工業4.0化的產品軟件,并不是讓你挑選現成的產品,而是已經數字化后的,全國甚至全球范圍內目前可用的產品設計、產品建模、產品制造和與之配套的物流資源,由此也必將出現所謂的工業4.0中介平臺,就像當今的淘寶一樣,進行前臺的產品需求的匯總與后臺的設計、生產定單的分發。
      從理論上講,如果數字化足夠充分,某個企業的單一CPS生產節點(比如某條生產線),都可以貢獻在互聯網上,接受客戶的直接“調用”,這就是上文所描述的生產力的數字化。當然,要實現這一場景,還有需要其他的工作要做,比如生產系統的數字化標準的統一、接口(API)標準的規范、配套系統的自動對接、全局的安全防護等等。很可能將會在具體的實施中遇到廠商間、技術間、標準間的壁壘,而讓終極的工業4.0愿景無法實現。

      4 工業4.0未動ICT先行
      綜觀工業4.0的整個體系,我們已經很明確的看到作為核心的驅動力,互聯網與IOT的價值,這個價值就是由它們所帶來的“Cyber空間”,而又是誰來支撐的呢?答案就是ICT——信息與通信技術(Information and Communication Technology)。
      互聯網與IOT的發展顯然是與通信技術密不可分的,尤其是無線通信技術(比如3G、4G、WiFi等)的發展,為互聯網的廣泛滲透起到了決定性的作用,也由此催生出了IOT。
      而要讓互聯網與IOT所傳來的信息,構架起有序可用的Cyber空間,離不開強大的信息處理能力。
      信息就代表著數據,或者說數據是信息的載體,所以互聯網規模越大,信息量越多,也就意味著數據的體量將迅速增長。而在工業4.0時代,所強調的正是更為徹底的數字化——需求數字化、流程數字化、資源數字化,甚至生產能力也會被數字化。而當客戶的手機可以直接控制某一條具體的生產線時,可以想象這種基于互聯網、IOT的“人與物、物與物、人與人”互聯規模有多大,因此而產生的數據規模又將有多大?這就是所謂的大數據,而要對它進行及時的處理與解析,高度動態與高效的IT平臺必不可少,這就是云計算。
      在上文介紹工業4.0的實現邏輯時,就已經指出云計算與大數據的重要性,相較而言,后者更為重要,因為支撐起整個工業4.0體系運轉的就是各種類型,來源于方方面面的數據,它們可能來自于外部傳感器,可能來自于自我監控設備,可能來自于人工的干涉,可能來自于互聯網的需求,可能來自于其他系統的通知,可能來自于仿真模擬等等……它們被有序導入到整體的CPS系統中,讓他們自我感知、認知并進行實時的動態調整以自動響應外界需求與環境的變化,保證最佳的生產效率,以及最智能的服務體驗。
      因此,有人說工業4.0就是數據化工業,是有道理的,而由此產生的,對IT平臺的需求也就非常明確——它必須擁有靈活的、高效率的大規模數據的處理能力,并能很好的與CPS系統相結合,以保證最終的效果可用。所以說,數據是工業4.0的“靈魂”,而強壯、靈活的IT平臺則是工業4.0背后的“身軀”,而這也是大數據與云計算,對于工業4.0的價值所在。

5 企業的工業4.0之路
      上文說的很多,其實大多都只是技術理論層面上的描述,真的落實到一個具體的企業,顯然不會是這么的簡單。
      在闡述工業4.0的特點時,我們曾強調它與前三次工業革命的一大不同之處在于,當企業內部用更為先進的CPS系統來改造生產系統的同時,企業也更多的與外部產生了互動。我們因此可以歸納為兩個部分:內部生產系統的變革與外部交互體系的變革。由于不同行業的工業設備各不相同,所以內部的生產系統變革并不在本文的討論范圍,而外部的交互體系的變革則是一個通用的進化,也更值得所有工業企業引起注意。
      所謂的外部交互體系,就是指當通過互聯網與物聯網更為徹底的進行數字化之后,如何建立起新的與客戶、合作伙伴、供貨商之間的協同、互動關系,這其中包括了各種外包資源。想一想我們之前所強調的“互聯網思維”——充分借助數字化與全互聯的網絡,幫助我們利用虛擬的Cyber空間克服物理現實世界中的困難,并帶出新的業務與模式的創新。
      比如一個客戶的需求,在企業內部的交互系統里,可以直接貫通觸發至所有相關的平臺,比如物流、供應鏈、合作伙伴等,實現自動化的定單分解與資源調度。比如我要將自身的設計、生產能力最大限度的數字化(比如豐富的API與協同接口),并呈現在網絡上,讓客戶直接或間接(通過中介平臺)來向我下定,甚至直接調用。再比如,我能不能將我的產品最大限度的數字化,尤其是工作狀態與健康指數,通過IOT讓我可以在后臺進行總體監控,并為客戶提供更為精確的定制化售化服務,以確保產品在整個生命周期的價值最大化?(比如通用電氣所主導的“工業互聯網”概念就是如此)毫無疑問,這種觀念和具體的流程已經與傳統發生了很大的變化。
      一個制造企業的工業4.0改造的可能重點環節,在實際的運作中,涉及的層面可能會多得多,在此只是舉一個例子,謹供參考。
      因此,工業4.0對于一個企業來說,肯定不僅僅是一個技術層面的事情,比上一套ERP系統要復雜得多得多。它需要企業的主管系統考慮自身的發展,在相關的重點環節與流程上,以數字化、互聯網的思維來審視改進之處,再根據自己的需求迫切程度,有條不紊的進行各個環節的改造。

 

      總而言之,數字化、互聯化是企業對外交互體系建立的一個重要保證,也應該是核心的基礎理念。它將把企業內部可對外提供服務的資源最大限度的呈獻給客戶,并通過互聯網/IOT所構建的Cyber空間與外界充分的互動從而讓自己的生產能力與價值得到最大限度的保障(你可能成為另一家企業的供貨商,或找到新的合作伙伴)。另一方面,則結合自身產品的生產需求,改造具體的生產與輔助制造設備,比如3D打印、生產機器人等,將它們融入為一個整體的CPS系統,與對外交互體系打通,從而形成自己的工業4.0架構。與此同時,還要針對這樣的新業務模型,建立起與之配套的流程、管理體系和制度。
      當然,上述這一切都已經離不開ICT的提前介入,無論是對外還是對內、無論是數字化還互聯化、無論是流程管理與服務支持,工業4.0都離不開一個強壯的ICT支持,它將在很大程度上,決定一個企業的工業4.0之路的最終成敗。所以,“工業4.0未動ICT先行”對于所有工業企業來說,都是不變的真理!


2017年06月21日

行業新聞 ?“中國制造2025”將建制造強國之路

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