【導(dǎo)讀】工業(yè)的發(fā)展關(guān)系著人類的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。工業(yè)經(jīng)過不斷地發(fā)展已經(jīng)進(jìn)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(gè)發(fā)展史。本文就帶領(lǐng)大家一起去探秘工業(yè)4.0的起源和關(guān)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(xiàng)目由德國(guó)政府資助，在德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下形成，并已上升為國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略。其目的是為了提高德國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)。“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。
圖1 工業(yè)革命的四個(gè)階段
2) 工業(yè)4.0的三個(gè)設(shè)想：
產(chǎn)品：集成有動(dòng)態(tài)數(shù)字存儲(chǔ)器、感知和通信能力，承載著在其整個(gè)供應(yīng)鏈和生命周期中所需的必需信息
設(shè)施：由整個(gè)生產(chǎn)價(jià)值鏈集成，可實(shí)現(xiàn)自組織
管理：能夠根據(jù)當(dāng)前的狀況靈活決定生產(chǎn)過程
3) 工業(yè)4.0具有哪些核心特征？
通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成
工程端到端，數(shù)字集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈
垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng)
圖2 工業(yè)4.0下產(chǎn)品三大特征
產(chǎn)品是信息載體：產(chǎn)品在整個(gè)的供應(yīng)鏈和生命周期中都一直帶有自身信息
產(chǎn)品是一個(gè)agent：產(chǎn)品會(huì)影響其所在環(huán)境
產(chǎn)品具有自監(jiān)測(cè)功能：產(chǎn)品會(huì)對(duì)其自身狀態(tài)和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)
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5) 工業(yè)4.0的關(guān)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(wǎng)絡(luò)組成，計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程緊密結(jié)合，具備自我感知、自我判斷、自我調(diào)節(jié)、自我控制能力的下一代智能系統(tǒng)。CPS中，計(jì)算和通信嵌入物理進(jìn)程中，并與之深度交互，使得物理系統(tǒng)具有新的性能。
Cyber——計(jì)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(shí)間進(jìn)行操控
信息物理融合系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)是物理進(jìn)程與計(jì)算進(jìn)程的融合，是計(jì)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(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)。
各個(gè)工廠將具備統(tǒng)一的機(jī)械、電器和通信標(biāo)準(zhǔn)。以物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，配備有感測(cè)器、無(wú)線和RFID通信技術(shù)的智能制造設(shè)備可以對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行智能化監(jiān)控。由此，智能工廠能夠自行運(yùn)轉(zhuǎn)，且工廠間零件與機(jī)器可以相互交流。
智能生產(chǎn)：主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。
它把制造自動(dòng)化的概念更新，擴(kuò)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(chǎn)具有自組織和超柔性、自律能力、學(xué)習(xí)能力和自維護(hù)能力、人機(jī)一體化、虛擬實(shí)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(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng)造新價(jià)值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。
當(dāng)前，中國(guó)的制造業(yè)面臨十分嚴(yán)峻的考驗(yàn)。長(zhǎng)期以來，高投入、高消耗、高污染的生產(chǎn)模式已無(wú)法延續(xù)。為了提升競(jìng)爭(zhēng)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(wǎng)與服務(wù)網(wǎng)技術(shù)，向智能、綠色和高效的智能工廠轉(zhuǎn)型升級(jí)。新一代智能工廠系統(tǒng)要求傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)必須向新一代信息與通信技術(shù)開放。自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)該轉(zhuǎn)換其研究聚焦點(diǎn)，從在各個(gè)獨(dú)立的學(xué)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(shì)：
多品種小批量智能產(chǎn)品的高精度卓越品質(zhì)生產(chǎn)是未來像德國(guó)一樣成功經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。
80%制造創(chuàng)新基于信息通信技術(shù)，通過信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智慧工廠、綠色和城市生產(chǎn)。
第四次工業(yè)革命將基于信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)服務(wù)，它將產(chǎn)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(dǎo)高效高品質(zhì)生產(chǎn)。
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(xùn)智慧工廠的下一代工人。
多通道增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠允許個(gè)性化的工作流程和快速學(xué)習(xí)新產(chǎn)品工藝。
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