工业4.0和智能制造

阅韵陨院员园援猿怨远怨辕躁援蚤泽泽灶援圆园怨缘原缘园怨载援圆园员源援园愿援园园员工业源援园和智能制造

张摇曙渊同济大学现代制造技术研究所袁上海摇圆园园园怨圆冤

摘要院首先简要介绍了工业源援园产生的背景袁并通过与前三次工业革命的比较袁提出其核心理念是信息系统和物理系统的深度融合遥接着通过对信息物理融合系统的介绍袁指出各行各业和不同形式信息物理系统的汇合导致现代化智慧城市的形成遥随后以智能工厂为例袁阐述了智能制造与传统自动化的本质区别遥最后指出袁互联网和移动通信的广泛应用袁必将导致工业结构尧经济结构和社会结构从垂直向扁平转变袁从集中向分散转变遥关键词院工业源援园曰智能制造曰工业革命中图分类号院栽孕圆怨摇摇摇文献标识码院粤摇摇摇文章编号院圆园怨缘原缘园怨载渊圆园员源冤园愿原园园园员原园缘

员摇工业源援园咱员原猿暂工业革命是现代文明的起点袁是人类生产方式的根本性变革遥员愿世纪末的第一次工业革命创造了机器工厂的野蒸汽时代冶袁圆园世纪初的第二次工业革命将人类带入大量生产的野电气时代冶袁这两个时代的划分已经是大家公认的遥圆园世纪中期计算机的发明尧可编程控制器的应用使机器不仅延伸了人的体力袁而且延伸了人的脑力袁开创了数字控制机器的新时代袁使人原机在空间和时间上可以分离袁人不再是机器的附属品袁而真正成为机器的主人遥从制造业的角度袁这是凭借电子和信息技术实现自动化的第三次工业革命遥进入圆员世纪袁互联网尧新能源尧新材料和生物技术正在以极快的速度形成巨大产业能力和市场袁将使整个工业生产体系提升到一个新的水平袁推动一场新的工业革命袁德国技术科学院渊粤悦阅栽耘悦匀冤等机构联合提出野第四代工业原陨灶凿怎泽贼则赠源援园冶战略规划袁旨在确保德国制造业的未来竞争力和引领世界工业发展潮流遥按照粤悦阅栽耘悦匀划分的四次工业革命的特征如图员所示遥从图中可见袁工业源援园与前三次工业革命有本质区别袁其核心是信息物理系统的深度融合遥圆摇信息物理融合系统处于人人可拥有多终端的互联网时代袁任何由原子构成的实体产品都离不开比特袁

至少有条形图员摇四次工业革命的不同特征码袁或借助计算机来进行设计袁或能够显示工作状态袁或可进入物联网遥市场竞争已经充分表明袁没有软件或软件含量低的实体产品袁就是低附加值的产品袁缺乏竞争力遥软件可以是野免费冶的袁但硬件身价翻番遥例如袁在美国加州设计尧中国装配的蚤孕澡燥灶藻和蚤孕葬凿的售价里袁员辕猿是原子袁圆辕猿是比特袁比特的增值力使苹果成为最富有的公司袁而富士康以工人健康和环境为代价仅获得微利遥这一事实证明袁任何产品的突破性创新和盈利能力都是原子和比特联姻的产物袁是具有野人原机冶尧野机原机冶相互通信能力的信息物理融合系统渊悦赠遭藻则孕澡赠泽蚤糟泽杂赠泽贼藻皂袁悦孕杂冤袁智能产品必将越来越普及遥未来员园年袁由聪明机床尧智能机器人和智能物流构成悦孕杂模式的工厂袁分散的智能发电装置渊如

收稿日期院圆园员源原园苑原员缘作者简介院张曙渊员怨猿圆要冤袁男袁江苏如皋人袁同济大学现代制造技术研究所名誉所长袁教授尧博士生导师袁主要研究方向为制造战略和机床设计遥窑员窑圆园员源年愿月摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇机械设计与制造工程摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇粤早怎援圆园员源第源猿卷第愿期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇酝葬糟澡蚤灶藻阅藻泽蚤早灶葬灶凿酝葬灶怎枣葬糟贼怎则蚤灶早耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇灾燥造援源猿晕燥援愿

.com.cn. All Rights Reserved.风电冤构成悦孕杂模式的智能电网袁以及各行各业和不同领域的悦孕杂构成的未来数字化智能城市如图圆所示遥

图圆摇基于互联网和物联网的智慧城市摇摇我国也已经开始在北京尧上海尧天津等地开展野智慧城市冶的局部试点工作袁将基础设施尧资源环境尧市政管理尧医疗保障尧经济和产业以及社会民生通过互联网和物联网连接在一起遥可以预计袁不久的将来袁新一代信息和通信技术将充分运用到各行各业袁即把传感器尧感应器等智能装置嵌入到电网尧交通尧建筑尧工厂尧货物等各种物体和环境中袁并且通过有线和无线网络加以连接袁形成物联网袁再通过超级计算机和云计算将物联网和互联网整合起来袁实现人类社会活动与物理系统的整合遥如图猿所示遥

图猿摇基于悦孕杂模式的社会架构猿摇明天的制造业院智能工厂工业源援园是一个产业的技术转型袁是产业的变革遥工业源援园提出的智能制造是面向产品全生命周期袁实现泛在感知条件下的信息化制造遥智能制造技术是在现代传感技术尧网络技术尧自动化技术以及人工智能的基础上袁通过感知尧人机交互尧决策尧执行和反馈袁实现产品设计过程尧制造过程和企业管理及服务的智能化袁是信息技术与制造技术的深度融合与集成遥智能化和自动化的最大区别在于知识的含量遥智能制造是基于科学而非仅凭经验的制造袁科学知识是智能化的基础遥因此袁智能制造包含物质的和非物质的处理过程袁不仅具有完善和快捷响应的物料供应链袁还需要有稳定且强有力的知识供应链和产学研联盟袁源源不断地提供高素质人才和工业需要的创新成果袁发展高附加值的新产品袁促进产业不断转型升级遥智能制造是可持续发展的制造模式袁它借助计算机建模仿真和信息通信技术的巨大潜力袁优化产品的设计和制造过程袁大幅度减少物质资源和能源的消耗以及各种废弃物的产生袁同时实现循环再用袁减少排放袁保护环境遥基于工业源援园构思的智能工厂将由物理系统和虚拟的信息系统组成袁称之为信息物理生产系统渊悦赠遭藻则孕澡赠泽蚤糟泽孕则燥凿怎糟贼蚤燥灶杂赠泽贼藻皂袁悦孕孕杂冤袁是为明天制造业勾画的蓝图袁其框架结构如图源所示遥

图源摇信息物理生产系统悦孕孕杂摇摇从图中可见袁对应于进行物质生产的系统有一个虚拟的信息系统袁它是物理系统的野灵魂冶袁控制和管理物理系统的生产和运作遥物理系统与信息系统通过移动互联网和物联网协同交互遥因此袁这样的工厂不一定是在一个围墙里的实体车间遥它可以借助网络利用分散在各地的社会闲置设备袁无需野关心冶设备的确切所在地袁只要关心设备可用与否袁它是野全球本地化冶的工厂遥就好像在淘宝网上购物袁并不需要知道实体商店在哪里袁下了订单袁宝贝就会快递到家遥窑圆窑圆园员源年第源猿卷摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇机械设计与制造工程摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

.com.cn. All Rights Reserved.这种新的生产模式袁必将导致新的商业模式尧管理模式尧企业组织模式以及人才需求的巨大变化遥首先是产品设计与生产的分离遥今天袁大到飞机尧小到手机大多已经是异地设计和生产的遥关键是如何借助信息技术和网络将其进一步组织得更有效尧更节约资源遥工业源援园提出以通信和服务为基础构建网络化智能工厂的设想袁如图缘所示遥

图缘摇网络化的智能工厂摇摇从图中可见袁智能工厂的生产环境由智能产品尧智能设备尧宜人的工作环境尧高素质的劳动者和智能能源供应组成袁他们相互之间进行企业内的通信袁包括生产数据采集尧工况分析尧制造决策等遥若干智能工厂通过中间件尧云计算和服务连接成庞大的制造网络袁借助基于物流网的智能物流构建完整的制造体系遥因此袁生产优势不仅是在特定生产条件下一次性体现袁也以实现多家工厂尧多个生产单元所形成的全球网络环境下的生产集合体的最优化为目标遥智能工厂和物流之间的所有活动需要实时通信尧交互和确认袁即共同遵守规则环境袁共同完成由顶层下达的任务遥建立这样分散的尧网络化的智能工厂体系需要有一定的基础袁应具有以下缘个要素条件院渊员冤智能生产和产品袁以先进的信息物理融合的设备生产高附加值的软硬结合的智能产品遥渊圆冤真实的企业环境袁当前企业转型升级的途径和规划遥渊猿冤宏观和微观经济环境袁主要是产业政策和市场需求遥渊源冤人的因素袁体现为新一代的管理人员尧市场营销人员尧技术人员和工人遥渊缘冤技术因素袁主要体现为网络和通信基础设施的安全性和可靠性袁智能生产技术等遥上述缘方面的要素条件如图远所示

遥图远摇智能化工厂的构成要素条件摇摇不同信息物理融合系统之间能够协同运作的决定性因素如下院渊员冤不同应用程序的信息必须在语义上是兼容的袁才有可能进行相互通信遥渊圆冤具有实时传感器和执行器嵌入式系统的物理环境遥渊猿冤通过网络嵌入不同的野系统中的系统冶遥渊源冤所有的系统具有自适应性和局部的自主权以及合作与分布式控制系统遥渊缘冤广泛的人机合作和协同遥

源摇智能工厂示范项目咱源暂工业源援园项目建立了一个智能工厂的示范项目遥它以液体产品渊如洗涤液冤生产为例袁包括液体制备和液体灌装两部分袁不同的液体产品由不同组分混合配制而成袁灌装后需要用不同颜色的瓶盖和标签袁表明是谁的订货尧发送到哪里袁如图苑所示遥

图苑摇工业源援园示范项目摇摇从图中可见袁整个生产系统有无线网络覆盖袁广泛采用射频识别遥智能装备的控制模式和人机窑猿窑圆园员源年第愿期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇张曙院工业源援园和智能制造

.com.cn. All Rights Reserved.界面将会有很大的变化袁宰蚤云蚤宽带尧蓝牙近距通信等网络性能的提高袁基于平板电脑尧手机和穿戴设备等基于网络的移动控制方式会越来越普及遥与时俱进的触摸屏和多点触控的图形化人机界面将逐步取代按钮尧开关尧鼠标和键盘遥人们袁特别是年轻人已经习惯智能电子消费产品的操作方式袁能够快速做出反应袁切换屏幕袁上传或下载数据袁从而大大丰富了人机交互的内容袁同时明显降低误操作率遥在智能工厂运行中袁以比特表征的信息比原子组成的物质更加重要遥机器不仅是生产工具和设备袁更是工厂信息网络的节点遥机器不仅延伸人的体力袁也延伸了人的脑力袁能够识别工件尧与人交互袁按照人编制的控制程序工作遥机器与机器渊物与物冤之间也能够相互进行通信袁感知相关设备和环境的变化袁协同完成加工任务袁构成基于物联网的智能化车间遥

缘摇离我们有多远钥智能工厂远在天边袁近在眼前遥大家都争先恐后抢占制高点遥一切并非天方夜谭袁今天已经开始咱缘暂遥例如袁宁夏小巨人机床公司是智能化信息管理的先行者袁除从产品设计到制造过程尧从订单到客户管理全面数据集成外袁还有一个智能生产中心将生产排产系统与加工设备的控制系统尧现场终端和刀具室联系在一起袁保证生产过程的协调运行遥图愿所示是机床装配车间里的装配信息终端遥从这一信息平台上可以查阅装配任务尧零部件供应情况尧产品装配精度等所有信息遥

图愿摇宁夏小巨人的车间终端摇摇智能工厂将改变制造业的工作环境袁使操作者远离危险遥图怨所示是美国一家汽车公司的车身焊接生产线上袁戴着工作手套的工人正在借助平板电脑对难以接近的机器人进行远距操控

遥图怨摇借助平板电脑操控机器人摇摇智能管理和智能服务是智能制造的重要组成部分遥工厂不仅是在围墙和大楼里袁而且是野空中在线冶袁不管你身处何处袁都好像在办公室和车间一样袁与你的同事和客户保持密切联系袁调阅各种文件和档案袁处理各种生产问题遥智能服务不仅局限于远程故障诊断尧互联网技术服务和支持袁还引发了新的商业模式遥例如袁德国大众汽车公司在总部附近有山有水风景秀丽的地方建了一个汽车综合城渊粤怎贼燥泽贼葬凿贼冤袁这是包括新车展示和交付尧汽车博物馆和生产线参观尧五星级酒店尧培训等集源杂服务尧休闲和旅游为一体的智能服务新模式遥

远摇未来制造院云制造咱远暂制造业已经进入大数据时代袁智能制造需要高性能的计算机和网络基础设施袁传统的设备控制和信息处理方式已经不能满足需要袁基于云计算的云制造已经指日可待遥云计算提供计算资源的共享池渊网络尧服务器尧应用程序和存储冤袁本地计算机安装杂悦粤阅粤数据采集和监控系统后袁可将数据发送给云进行处理尧存储和分配袁并在需要时从云接收指令遥一群机器人的云端控制概念如图员园所示遥最后应该指出袁互联网和移动通信的广泛应用袁必将导致工业结构尧经济结构和社会结构从垂直向扁平转变袁从集中向分散转变遥对制造业而言袁越来越多的微小企业通过互联网组成可与大企业对抗的社区或联盟袁他们可能是智能化工厂的先锋队遥窑源窑圆园员源年第源猿卷摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇机械设计与制造工程摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇