陶博士
摘 要：本文介紹筆者在 2013 漢諾威工業(yè)博覽會(huì)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(guó)液壓氣動(dòng)密封件工業(yè)協(xié)會(huì)委托，筆者觀摩參與了德國(guó)漢諾威 2013 工業(yè)博覽會(huì)。這次漢諾威博覽會(huì)的熱議話(huà)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(huì)上，由三位大學(xué)教授提出來(lái)的。
制造業(yè)在德國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中(創(chuàng)造的價(jià)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(yè)的實(shí)施建議由項(xiàng)目研究組在2012年10月2日提交給德國(guó)聯(lián)邦政府此項(xiàng)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(fèi)。
這是一場(chǎng)有組織的革命。德國(guó)的機(jī)械設(shè)備制造協(xié)會(huì)(VDMA)、電子工業(yè)中央聯(lián)盟(ZVEI)和信息通訊新媒體協(xié)會(huì)(BITKOM)有史以來(lái)第一次搭建了一個(gè)聯(lián)合工作平臺(tái)，2013年4月開(kāi)始工作，任務(wù)之一就是協(xié)調(diào)已有的和要開(kāi)始的研究項(xiàng)目。
在德國(guó)，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(kāi)始，蒸汽機(jī)逐步取代人力。
當(dāng)時(shí)，機(jī)器采用集中動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力從上空的動(dòng)力軸通過(guò)皮帶傳給機(jī)器。
機(jī)械制造，之前已開(kāi)始有分工，但直到采用新動(dòng)力方式，才開(kāi)始如今天的形態(tài)。
機(jī)床制造，作為一個(gè)行業(yè)，最早從英國(guó)開(kāi)始。“Made in Germany”就是當(dāng)年英國(guó)人在德國(guó)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(xiàn)生產(chǎn)。始于1913年美國(guó)人福特采用流水線(xiàn)制造汽車(chē)，規(guī)格化生產(chǎn)，成本大大下降，價(jià)格從850US$降到370US$。但同時(shí)也大大地放棄了個(gè)性化。
機(jī)器和流水線(xiàn)開(kāi)始逐步由電驅(qū)動(dòng)，更易控制。
第三次，自動(dòng)化。始于1974年。當(dāng)時(shí)在德國(guó)一個(gè)小地方(Neuhausen im Enzkreis)的一個(gè)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)?？刂七壿?，相對(duì)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(shí)正值冷戰(zhàn)，沒(méi)有人想到這個(gè)小東西會(huì)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)如此大的變化，以致值得稱(chēng)之為革命。以后，硬件水平、集成度不斷提高，采用了C語(yǔ)言和更高級(jí)的編程語(yǔ)言，不僅可以描述簡(jiǎn)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(wú)處不在。
一個(gè)典型的例子是汽車(chē)工業(yè)。在上世紀(jì)八十年代末，美國(guó)麻省理工學(xué)院完成的一項(xiàng)耗資500萬(wàn)US$的調(diào)研報(bào)告“改變了世界的機(jī)器”說(shuō)，日本汽車(chē)工業(yè)之所以能在20年里搶占世界三分之一市場(chǎng)，除了“苗條”(零庫(kù)存)工廠外，最重要的一點(diǎn)是因?yàn)閺V泛實(shí)現(xiàn)了裝配自動(dòng)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(guó)和歐洲的汽車(chē)工業(yè)很難與之競(jìng)爭(zhēng)。但是，德國(guó)的汽車(chē)工業(yè)挺住了，其中一個(gè)原因就是，德國(guó)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(shì)——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(diǎn)：靈活易變、高資源效率、考慮人類(lèi)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(gè)方面。
1) 生產(chǎn)工藝與信息技術(shù)融合
目前所說(shuō)的數(shù)字化工廠，首先強(qiáng)調(diào)的是生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)字化和大量使用各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)：CAD、CAM、CIM、PPS(生產(chǎn)計(jì)劃控制系統(tǒng))、PDM、DMU(數(shù)字試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、PLM(產(chǎn)品生命周期管理)，等等，較多地是基于一個(gè)相對(duì)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(guò)網(wǎng)絡(luò)的形式緊密地聯(lián)接在一起，具有更開(kāi)放，更積極通訊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更具動(dòng)態(tài)性和靈活性，從而能發(fā)掘出更多優(yōu)化的可能，估計(jì)可以提高生產(chǎn)效率 30%。其中，CPS 將起一個(gè)核心的作用。
CPS——Cyber-Physical System，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體融合控制系統(tǒng)是一個(gè)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(chē)、化工生產(chǎn)、基礎(chǔ)建設(shè)、能源、健康、制造、交通控制、娛樂(lè)和消費(fèi)性電子產(chǎn)品等等，已出現(xiàn)了類(lèi)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(shí)體裝置和電腦網(wǎng)絡(luò)的連結(jié)。
CPS 是借用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)人的控制在時(shí)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(chēng)為人機(jī)物融合系統(tǒng)。
2)產(chǎn)品個(gè)性化
生產(chǎn)高度靈活的工廠可以迎合顧客對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化、多樣化、不斷改變的要求，可以通過(guò)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(shuō)，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(jì)、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(guò)程中改動(dòng)他的訂單細(xì)節(jié)。
力士樂(lè)泵廠，雖說(shuō)年產(chǎn) 100 萬(wàn)臺(tái)以上，但十幾個(gè)大類(lèi)，每類(lèi)有十幾個(gè)規(guī)格，每個(gè)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(wàn)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(guò)工廠智能化，更多的員工可以有靈活的工作時(shí)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(wèn)道，如果大量員工每天長(zhǎng)途開(kāi)車(chē)上班，到廠里再花很大力氣節(jié)能減排，又有多大實(shí)際意義呢?
圖 1 為一個(gè)設(shè)想的工廠。
圖 1 一個(gè)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(chē))、裝料機(jī)器手都裝有 CPS，都具有無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)功能。
B. 待加工部件不通過(guò)中央控制器，直接與加工設(shè)備聯(lián)系確定，到哪臺(tái)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(dú)立自主的運(yùn)輸小車(chē)根據(jù)地下鋪設(shè)的感應(yīng)線(xiàn)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(xiāo)售文件都由各工件自己攜帶。
E. 如果出現(xiàn)差錯(cuò)，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(huì)立刻得到報(bào)警。補(bǔ)充改進(jìn)措施會(huì)立刻在一個(gè)虛擬的試驗(yàn)環(huán)境下檢查，然后發(fā)給工件。德國(guó)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(gè)名為 Sopro(生產(chǎn)自我組織)的示范性車(chē)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(gè)示范工廠(圖 2)，20 個(gè)企業(yè)參與了工廠的運(yùn)營(yíng)。
圖 2 一個(gè)示范工廠
德國(guó) Wittenstein 公司在斯圖加特市內(nèi)新建了一個(gè)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(chē)、航空與航天等設(shè)備中。
力士樂(lè)公司推出了開(kāi)放核心(圖 3)，即工程師可以用各種高級(jí)編程語(yǔ)言，通過(guò)各種編程工具，從各類(lèi)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(gè)平板電腦，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(W-LAN)，控制一個(gè)六自由度的平臺(tái)，隨平板電腦擺動(dòng)。
圖 3 力士樂(lè)推出的開(kāi)放核心 
圖 4 為力士樂(lè)設(shè)想的將來(lái)的工廠，全自動(dòng)車(chē)間，技師帶著平板電腦，利用無(wú)線(xiàn)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(huì)上也被廣泛地討論了。較普遍的意見(jiàn)是：
1)德國(guó)在機(jī)械制造、自動(dòng)化及信息技術(shù)方面已經(jīng)很強(qiáng)大，德國(guó)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(guó)制造業(yè)的傳統(tǒng)核心和國(guó)際領(lǐng)先地位。
2)第四次工業(yè)革命不會(huì)是一個(gè)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(gè)漸進(jìn)的過(guò)程(2020-2030年)。前幾次工業(yè)革命中，每個(gè)階段也都延續(xù)幾十年。因?yàn)?，在進(jìn)行實(shí)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。現(xiàn)在，經(jīng)濟(jì)界、法律界、工會(huì)都已參與進(jìn)來(lái)。
3)很重要的是要注重實(shí)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(diǎn)的話(huà)，所有閉門(mén)思考出來(lái)的方案都是沒(méi)有用的。
參考文獻(xiàn)
Ampere，ZVEI：Die Elektroindustrie, 2013-1
