【導讀】工業(yè)的發(fā)展關系著人類的發(fā)展和社會的進步。工業(yè)經過不斷地發(fā)展已經進入了工業(yè)4.0。第一次工業(yè)革命到如今的第四次革命，記載著工業(yè)的整個發(fā)展史。本文就帶領大家一起去探秘工業(yè)4.0的起源和關鍵。
1、什么是工業(yè)4.0？
1) 工業(yè)4.0起源
“工業(yè)4.0”研究項目由德國政府資助，在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學術界和產業(yè)界的建議和推動下形成，并已上升為國家級戰(zhàn)略。其目的是為了提高德國工業(yè)的競爭力，在新一輪工業(yè)革命中占領先機。“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System)相結合的手段，將制造業(yè)向智能化轉型。
圖1 工業(yè)革命的四個階段
2) 工業(yè)4.0的三個設想：
產品：集成有動態(tài)數(shù)字存儲器、感知和通信能力，承載著在其整個供應鏈和生命周期中所需的必需信息
設施：由整個生產價值鏈集成，可實現(xiàn)自組織
管理：能夠根據(jù)當前的狀況靈活決定生產過程
3) 工業(yè)4.0具有哪些核心特征？
通過價值網絡實現(xiàn)橫向集成
工程端到端，數(shù)字集成橫跨整個價值鏈
垂直集成和網絡化的制造系統(tǒng)
圖2 工業(yè)4.0下產品三大特征
產品是信息載體：產品在整個的供應鏈和生命周期中都一直帶有自身信息
產品是一個agent：產品會影響其所在環(huán)境
產品具有自監(jiān)測功能：產品會對其自身狀態(tài)和環(huán)境進行監(jiān)測
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5) 工業(yè)4.0的關鍵——信息物理融合系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)：
CPS是一種由嵌入式系統(tǒng)和網絡組成，計算進程和物理進程緊密結合，具備自我感知、自我判斷、自我調節(jié)、自我控制能力的下一代智能系統(tǒng)。CPS中，計算和通信嵌入物理進程中，并與之深度交互，使得物理系統(tǒng)具有新的性能。
Cyber——計算，通控制，離散的，邏輯型的，切換的
Physical——自然的或者信和人工的系統(tǒng)，按連續(xù)時間進行操控
信息物理融合系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)是物理進程與計算進程的融合，是計算、通信和控制的深度融合。
圖3 智能交通CPS
6)工業(yè)4.0的兩大主題：
智能工廠：重點研究智能化生產系統(tǒng)及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現(xiàn)。
各個工廠將具備統(tǒng)一的機械、電器和通信標準。以物聯(lián)網和服務互聯(lián)網為基礎，配備有感測器、無線和RFID通信技術的智能制造設備可以對生產過程進行智能化監(jiān)控。由此，智能工廠能夠自行運轉，且工廠間零件與機器可以相互交流。
智能生產：主要涉及整個企業(yè)的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產過程中的應用等。
它把制造自動化的概念更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化。與傳統(tǒng)的制造相比，智能生產具有自組織和超柔性、自律能力、學習能力和自維護能力、人機一體化、虛擬實現(xiàn)等特征。
“工業(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產業(yè)鏈分工將被重組。
當前，中國的制造業(yè)面臨十分嚴峻的考驗。長期以來，高投入、高消耗、高污染的生產模式已無法延續(xù)。為了提升競爭力，保持可持續(xù)發(fā)展，必須采用信息物流系統(tǒng)（CPS）、物聯(lián)網與服務網技術，向智能、綠色和高效的智能工廠轉型升級。新一代智能工廠系統(tǒng)要求傳統(tǒng)的工業(yè)自動化技術必須向新一代信息與通信技術開放。自動化技術應該轉換其研究聚焦點，從在各個獨立的學科（如分散系統(tǒng)或通信）開展?jié)u近的局部改善性研究，走向整體系統(tǒng)功能的再工程化研究。
未來工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢：
多品種小批量智能產品的高精度卓越品質生產是未來像德國一樣成功經濟的發(fā)展趨勢。
80%制造創(chuàng)新基于信息通信技術，通過信息通信技術實現(xiàn)了智慧工廠、綠色和城市生產。
第四次工業(yè)革命將基于信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網和互聯(lián)服務，它將產生大量的大數(shù)據(jù)流，這些大數(shù)據(jù)能夠被搜集和分析用于指導高效高品質生產。
基于信息物理系統(tǒng)的工業(yè)輔助系統(tǒng)能夠支持、幫助和培訓智慧工廠的下一代工人。
多通道增強現(xiàn)實系統(tǒng)能夠允許個性化的工作流程和快速學習新產品工藝。
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