德国工业40概况及研究计划.docx

1、德国工业40概况及研究计划德国工业4.0概述大纲一、工业4.0的背景1.历史回顾2.人类社会的工业化进程3.工业4.0提出的原因二、工业4.0的概念三、工业4.0的目标任务1工业4.0的根本目标2工业4.0的任务四、工业4.0的内涵1工业化与互联网2工业4.0战略的互联网与工业相融合3.工业4.0的核心基础信息物理系统知识点汇总原理和观点K01：工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。K02：工业4.0是运用信息物理系统(, )，实现设计、采购、制造、销售等生产信息的数据化、网络化、智能化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。K03：工业4.0也可以表述为信息化加上工业化，即两化融合。

2、两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合， 是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。K04：工业4.0的根本目标是对智能工厂实行标准化。K05：工业4.0的首要任务是提升价值附加链，拓展新的商业模式，其重要任务是提出整体方案，解决安全、隐私及知识保护等问题。K06：工业4.0的核心基础是信息物理系统，其实质是物理进程与信息的反馈，即物理对象与互联网融合。正文一、工业4.0的背景1.历史回顾“工业4.0（ 4.0）”一词于2011年首次提出。“工业4.0”的提出者是德国人工智能研究中心（）的和科学总监 教授。2013年德国

3、乌尔里希森德勒编著出版了工业4.0一书，正式开启了德国工业4.0时代，在全球引起了巨大反响。工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。德国政府于2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”研究项目，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。工业4.0的地位是国家级战略，推动者是德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界。该项目由德国联邦教育及研究部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元，旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴，其技术基础是网络实体系统及物联网。

4、“工业4.0”战略已上升为德国的国家级战略，并得到德国科研机构和产业界的广泛认同。2013年底，德国电气电子和信息技术协会发布了德国工业4.0标准化路线图，德国弗劳恩霍夫协会在其下属67个生产领域的研究所引入工业4.0概念。德国西门子公司已经将工业4.0概念引入其工业软件开发和生产控制系统。2.人类社会的工业化进程究竟什么是“工业4.0”呢？ 为什么是“4.0”？ 而不是“3.0”“2.0”“1.0”呢？首先需要了解一下人类社会的工业化进程。工业化始于18世纪末机械制造设备的引进，那时像纺织机这样的机器彻底改变了货物的生产方式。第一次工业革命也就是工业1.0，创造了机器工厂的“蒸汽机”时代。1

5、784年出现了第一台机械织布机标志着工业1.0的诞生；继第一次工业革命后的第二次工业革命大约开始于20世纪初，在劳动分工的基础上，采用电力驱动产品的大规模生产。工业2.0，将人类带入分工明 确、大批量生产的流水线模式和“电气时代”；到了20世纪的五六十年代，信息化的浪潮席卷全世界，第三次工业革命的标志性事件是基于半导体技术的硅材料的信息化的运用，即晶体管的发明，进一步提高了生产的自动化水平，引领了至今的信息化革命，第三次工业革命引入了电子与信息技术，从而使制造过程不断实现自动化，并一直延续到现在。那么几十年过去了，第四波的工业革命浪潮是否来临呢，它的基础和特征又是什么呢？随着德国工业4.0项目

6、的隆重推出，工业革命已经进入到了第四个阶段，其特征就是智能化。第一次工业革命，以英国1784年蒸汽机的发明为标志，延续时间86年。第二次工业革命，以美国1870年发电机的发明为标志，延续时间99年。第三次工业革命，以美国1960年半导体晶体管的发明为标志，直到现在并还会延续20年左右。第四次工业革命，以德国2013年工业4.0研究项目的推出为标志，预计将延续30到40年。3.工业4.0提出的原因德国政府提出工业4.0的原因是什么呢？其内部原因是，德国本来就是制造业强国，需要保持并提高自己的优势。这种优势体现在两个方面，一个是技术水平处在较高的水平，二是高效率的创新体系。工业4.0计划提出的外部

7、原因主要有两个，一是美国等发达国家的“再工业化”带来的刺激，二是以中国为首的新兴国家的崛起使得德国产品在国际市场上的地位受到挑战。因此工业4.0的提出并不完全是德国制造业领先的体现，也是被竞争对手逼出来的应对计划。二、工业4.0的概念德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统信息物理系统（ )相结合的手段，将制造业向智能化转型。也就是，运用信息物理系统(, )，实现设计、采购、制造、销售等生产信息的数据化、网络化、智能化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。“工业4.0”概念包含了由

8、集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。从另一个角度来看，工业4.0也可以表述为信息化加上工业化，即两化融合。两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合，是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。信息化与工业化主要在技术、产品、业务、产业四个方面进行融合。也就是说，两化融合包括技术融合、产品融合、业务融合、产业衍生四个方面，从而产生工业4.

9、0的革命性的变化。图中展示了工业化与信息化的融合形式，以生产商作为图中的核心要素，那么左边就是客户，作为设计者可以直接参与产品的设计，那么右端客户作为生产者，也可以通过一定的形式介入到产品的制造全过程，最终我们的产品买给客户。那么生产商和客户直接是怎样的联系方式呢？生产商以客户为中心，提供全套的计划、生产、服务流程，与现在的规模化生产的区别是客户全程参与了设计、生产与销售，因此客户得到的产品是个性化的产品，这就是工业4.0的价值观。三、工业4.0的目标任务1.工业4.0的根本目标工业4.0的根本目标是对智能工厂实行标准化，工厂的标准化主要做到以下四方面：围绕智能工厂生态链上各个环节制定合作机制

10、；通过在生产过程中推行标准来优化生产流程制；制定工业4.0时代的游戏规则；推广标准化到国际市场，在未来的工业制造业处于领先地位。可见，工厂的标准化完全实现了工业4.0的目标。2.工业4.0的任务工业4.0的首要任务是要提升价值附加链，要拓展新的商业模式。工业4.0的重要任务是提出整体方案，解决安全、隐私及知识保护等问题。为了完成以上任务，需要开展的实施策略即：政府需要支持研究项目；对于企业而言，需要工人进行再培训；此外，需要信息化融入工业化，因此需要建设良好的信息及通讯环境。只有这样，才有可能完成工业4.0提出的任务。四、工业4.0的内涵工业4.0最核心的即一个网络信息物理系统。三大集成包括：

11、纵向集成、横向集成、端到端集成。四大主题是：智能制造、智能工厂、智能物流、智能服务。工业4.0的八项计划包括：标准化和参考架构、复杂系统管理、工业宽带基础、安全和保障、工作的组织和设计、培训与再教育、监督框架、资源利用效率。以下将具体展开工业4.0的内涵。1.工业化与互联网工业化的互联网引入了物联网的概念，物联网建立了物理对象之间的信息关联。图中显示了物联网的发展与工业化的结合。其中红线代表1个计算机对多个用户，绿线代表1个计算机对1个用户，蓝线代表物联网实现的智能工厂的要求。可见，随着信息量的剧增，对物联网的要求也逐渐增加。即嵌入式计算机、中央计算机、智能手机、智能卡等都需要物联。物联网及服

12、务互联网能够创造一个包含全部生产过程的网络，将工厂转变成为一个智能环境。从工业角度来看，互联网+可以看做是互联网与工业融合的一种形式。如图所示，左边的纵坐标是工业产业链，横坐标是生产制造流程，绿色方块的融合效果显示，颜色越深表明融合效果越好。从生产制造角度看，互联网对工业的融合目前主要在供应链、营销这两个方面。比如营销方面，我们从互联网淘宝上可以买到很多东西，这对于互联网的提供者来说，就是一个营销的过程。生产商可以从网上买到很多的原材料，因此这两个方面正是互联网发展的高峰，很多互联网企业在这些方面得到了充分的发展。图中显示制造部分互联网介入的程度较低，这也是今后整个制造业进行革命性生产的重要领

13、域。互联网正在加快向企业服务和研发环节渗透，包括制造服务化、个性化定制、众包设计、众筹融资等模式。此外，互联网还要进一步向企业制造环节渗透，如网络协同制造、工业云等模式初露端倪。最终互联网将打通工业生产的全生命周期，实现融合发展，彻底改变现有的生产范式，这将会是互联网+时代的一个重要应用领域。2.工业4.0战略的互联网与工业相融合工业4.0战略的互联网与工业相融合的图中显示，上层的网络是服务互联网，底层的互联网称之为物联网，硬件上包含了传感器、执行器、控制器和移动设备，主要建立了物理对象之间的信息互联。那么底层的物联网与上层的服务互联网如何与工业产品的全制造过程相结合呢？两边的大数据流向何处呢

14、？首先智能物料通过应用程序平台把底层物联网的信息以及来自服务互联网的信息流通到智能物料的平台上，进行智能物料的采购和管理。最重要的中间部分就是智能工厂，它通过应用程序平台，把顶层的服务互联网的信息和底层的物理设备之间生产所相关的数据信息收集、采纳、分析、决策，然后实现一个智能化的生产过程。第三部分服务互联网的信息和底层物联网的信息通过另一类应用程序平台转变到智能产品的内涵上，例如包括产品的生产日期、生产设备、组合材料等，对其进行身份标记，在随后的售后服务中，我们可以清醒地知道该类产品的智能属性，其身份信息将会贯穿产品的使用全过程。那么互联网+的应用领域有哪些呢？服务业方面主要形式为消费互联网，

15、这是目前应用最为广泛的一种形式。随着互联网技术与工业的相融合，将会产生工业互联网，其所涵盖的产品应用对象和应用信息都来自于工业生产的全过程。将互联网应用于农业会产生农业互联网，它将会包含每种农产品自身的某种属性。右图中显示了互联网在未来智能化应用中的一些领域，如智能工业、智能物流、智能交通、智能电网、智能医疗、智能农业、智能家居以及许多我们尚未发现的领域。可以看到，目前来说，智能工业将是目前互联网+的下一轮应用热点。3.工业4.0的核心基础信息物理系统从工业4.0的角度而言，其最核心最基础的是一个网络信息物理系统，其在工业4.0架构中的重要程度我们可以从图中得到一些体会。信息物理系统是最底部的

16、核心层，上面依次是通讯信息平台、制造执行系统、企业资源计划系统。上层的是企业资源计划，该计划简称，包含了绿色农业、工业监控、公共安全等领域。中层的制造执行系统主要包含了实时数据库、关系数据库和多媒体数据库等。这些领域的应用信息通过各种手段，如局域网、3G网络及其他网络形式接入到我们的信息通信平台，如路由器，底层的信息物理系统就是物理对象之间的信息传输，也需要接入到信息通信平台层，可见这些信息物理系统包含了麦克风、汽车、机床、测试设备等等，它是制造最底层的物理实体，因此它包含的信息合在一起称之为信息物理系统。那么，信息物理系统有哪些特征呢？首先信息物理系统是下一代的智能系统，此外它也是计算进程和

17、物理进程的统一体，信息物理系统通过人机交互接口实现与物理进程的交互，是计算、通信与控制的统一体。它可以使用网络化空间以远程、可靠、实时、安全、协作的方式操控一个物理对象。信息物理系统涵盖的技术包括：环境感知、嵌入式计算、网络通信、网络控制等。信息物理系统特征是海量运算。信息物理系统的功能是实现物理对象具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等。信息物理系统的实质是物理进程与信息的反馈，即物理对象与互联网融合。信息物理系统涵盖了环境感知技术、嵌入式计算技术、网络通信技术、网络控制技术等。其最大的特征是海量运算，毕竟用于生产制造的物理实体过多，如果对于每一台设备或装置的所有生产信息都加以汇总的话，

18、那么它的数据量是巨大的，其计算量可以称为云计算。那么信息物理系统要实现的功能有哪些呢？它要实现物理对象具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等多项功能，即具有智能化。信息物理系统的实质是物理进程与信息的反馈，即物理对象与互联网融合。由此可见，信息物理系统从大的方面而言，是工业化加信息化，是工业化与信息化的结合，信息化以工业化作为载体的一个集中体现。信息物理系统的作用主要分为四类：首先是将网络空间的高级计算能力有效运用于物理对象中。其次可以改变人类与物理世界的交互方式，实现制造中物质生产力与能源、材料和信息的高度融合。第三，有利于采集、分析、控制生产过程的每一个细节数据，实现“智能工厂”和“智

19、能制造”。第四，智能工厂可以自主管理、自行调整，最优配置有限的资源，降低成本、提高效率。图中显示了信息物理系统工作的类型，左边显示了物理系统，右边是信息系统，那么我们所有的设备、工厂包括制造的方法所提供的大量数据最终要通过移动互联网和物联网协同交互，最终构成信息物理系统。信息物理系统触发了工业自动化模式的转变，图中展示出了其相互关联，底层是物理对象，中间是云，上层是服务。指系统中的物理对象和响应的虚拟对象通过泛在信息网络进行通讯。包括算法和服务，服务的动态集成和服务提供商，跨越边界进行信息交流。包括3D建模，仿真建模，文档，关系，工作条件等数据，能够通过可变信息网络在任何地方和任何时间进行搜索

20、。物理对象指在生产关系中的人和自动化模块，具有智能化、自我解释、自我意识、自我诊断、交互评估的能力通过这样一种算法，最终完成信息物理系统的功能实现。德国工业4.0研究计划大纲一、工业4.0的关键技术1.集成2.智能工厂与智能制造二、工业4.0的本质与架构体系1.工业4.0的本质2.工业4.0的模式3.工业4.0的架构体系三、工业4.0的新技术和案例1.工业4.0的新技术2.工业4.0的解决方案3.工业4.0的案例四、工业4.0的愿景及意义1.工业4.0的愿景2.工业4.0的意义3.工业4.0的总结知识点汇总原理和观点K01：集成包括：横向、纵向和端对端的高度集成，是实现工业4.0的重点也是难点

21、。K02：智能工厂包含三个要素：产品、设施、管理，而信息物理系统是智能工厂和智能制造的关键基础。智能制造的基本流程：状态感知、实时分析、自主决策、精准执行。K03：工业4.0的模式是动态配置的生产方式，其本质是智能工厂。K04：工业4.0的架构体系包括：自动调节、设备提供信息、机器与业务集成、基于统一协议的互连、基于社区的知识经验分享、随时随地获取信息。K05：智能企业三大支柱包含：智能工厂、智能产品和智能服务。K06：工业4.0的愿景包括解放生产力，推动社会进步；能够满足用户的个性化需求；较低成本的定制产品生产；高灵活性的制造流程；根据实时数据进行决策优化。正文一、工业4.0的关键技术1.集

22、成工业4.0将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联，从而实现横向、纵向和端对端的高度集成，集成是实现工业4.0的重点也是难点。“纵向集成”发生在工厂内部，即解决信息孤岛的问题，解决信息网络与物理设备之间的联通问题，这是所有智能化的基础。端到端集成贯穿整个价值链的工程化数字集成，涉及到产业链。端对端集成是基于价值链的、不同公司之间的一种整合，这将最大限度地实现个性化定制。所谓端到端就是围绕产品全生命周期，流程从一个端头（点）到另外一个端头（点），中间是连贯的，不会出现局部流程、片段流程，没有断点。“

23、横向集成”是通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合，跨越多条产业链，最大范畴的集成。横向集成主要实现企业与企业之间、企业与售出产品之间（如车联网）的协同，将企业内部的业务信息向企业以外的供应商、经销商、用户进行延伸，实现人与人、人与系统、人与设备之间的集成，从而形成一个智能的虚拟企业网络。纵向集成是一个垂直化的集成，网络化参与制造，图中上半部分是横向集成的描述，可以看到人与各种设备之间形成了一个集成。图中的下半部分是跨越整个价值链的端到端的集成，包括产品的设计和研发，产品的生产、制造过程，产品以及服务等方面。横向集成很可能会产生在传统的产业边界内无法创造的价值，横向集成的优势也是工业4.0

24、的最大贡献。2.智能工厂与智能制造工业4.0最核心的基础是智能工厂（有时也称为“智慧工厂”）和智能制造。工业4.0提出的智能制造的概念在图中可以得到体现，即把生产制造、供应链、工程技术、物联网和服务互联网结合在一起，将很多信息流和数据流结合在一起，通过智能工厂完成产品智能化的生产全过程。在工业4.0战略中提到的连接万物、感知环境中的人、机器设备、产品、用户、信息，是将生产环境中的一切事物、物体、人的静态信息及动态信息进行融合和感知、传递交换，从而达到协同工作的场景，实现智能制造、智能工厂的目标。智能工厂包含三个要素：产品、设施、管理。产品是指集成有感知能力的传感器、有数据存储能力的存储器、有通

25、信能力的发射器，生产信息和身份信息永远保存；设施是指由整个生产的价值链有机集成；智能管理最大的特点是要能够自主决策。目前的工业领域中自主决策是比较弱的一部分。智能工厂是未来智能基础设施的关键组成部分，那么它与智能制造的基础是什么呢？他们主要是通过信息物理系统构建智能工厂，并采用动态配置的方式实现智能制造。多品种、小批量生产客户定制产品的工厂称之为智能工厂，其与环境是友好的，实行绿色制造，污染小、资源效益高、可持续发展。智能工厂与社会的关系也是友好的，离家近、工作宜人化的现代工厂，交通拥堵的问题也能得到部分改善。那么智能工厂引起的社会和环境之间的关系又是怎样的呢？它必须是符合信息物理高度融合的生

26、产系统，即社会与环境之间通过智能工厂提供的智能产品之间的关系仍然是友好的。那么信息物理系统对智能工厂和智能制造的重要影响有哪些呢？图中所示，底层是物联网，上层是服务互联网，中间是智能工厂。智能物料通过数个智能工厂生产处智能产品。在智能工厂中，智能机床之间需要物联网实现通讯，通过信息物理系统与外部的服务网云安全网络连接，完成大数据的存储和云计算。智能工厂是基于云安全的网络，也就是说其必须通过服务网络将数据传送到整个互联网，在互联网中进行云计算，然后通过云计算的结果下传到智能工厂进行相应的生产。智能工厂是由许多智能装备构成的，包括控制和信息系统，智能制造装备是由许多智能部件和其他相关基本部件构成。

27、智能制造的基本流程包括状态感知，即准确感知企业、车间、设备、系统的实时运行状态；实时分析，即对获取的实时运行状态数据进行快速、准确的加工、识别、处理；自主决策，即根据数据分析的结果，按照制定的规则，自动做出判断和选择；精准执行，即执行决策，对设备状态、车间、生产线的计划做出调整。智能工厂与智能车间由、和智能车间的构成。其中，企业资源计划主要是一种集成企业管理理念、业务流程、基础数据、人力物理、计算机硬件和软件于一体的企业资源管理平台。即面向制造行业进行物质资源、资金资源和信息资源集成一体化管理的企业信息管理系统。是下一代的制造业系统和资源计划软件，跳出了传统企业的边界，从供应链的角度去优化企业

28、的资源，成为企业在信息时代生存、发展的基石。的优点主要有缩短周转的时间，物流与资金流的集成，加强物料和生产计划，模拟不同市场状况对生产计划、能力需求计划、物料采购计划和储运等工作的影响，增强企业对经营环境改变的快速反应能力，实现管理层对信息的实时和在线查询，为企业决策提供更加准确、及时的财务报告，及时提供各种管理报告、分析数据等。是一种制造执行系统，主要适用于整个制造业，制造全过程的数据采集和管理。的问世弥补了两者之间的空白，成为连接和生产现场的桥梁。最重要的特点是实时性，实时反映生产现状，通过网络采集实时数据。并根据的数据会对生产进行指导，对生产中可能会发生的问题进行预判，保证生产的有序性。

29、的优势包括整个制造业都可以应用，准确追踪产品历史，灵活控制产品流程，发生紧急情况快速反应，建立有序，高效的生产，分析产品不良原因，提升品质，即时、准确地收集并反馈制造现场信息，分析并发现现场问题，有助于即时解决。除此之外，智能车间还需要系统与智能工厂进行连接。是一种多媒体子系统，它能够满足终端客户更新颖、更多样化多媒体业务的需求。的主要特征有接入无关、统一策略控制、安全机制、业务提供能力和归属地控制。能够实现生产过程的优化，数据的共享，提高生产效率，减少人员，降低成本。的优势包括与无缝对接，数据共享即时、准确的收集并反馈制造现场信息，高级计划排程，优化生产顺序降低制造成本，实现对物料、产品、质

30、量级及4M全面追溯，仓库采用发料模式及信息智能化物料流动，通过技术，实现与制造设备联机，通过、实现快速1分钟转产，设备联机电子看板即时监控生产资料，自动分析数据发现问题现场解决，全面优化生产过程，并实现可追溯性，科学备件管理模式，提升备件利用率、延长使用寿命，自动生产相关报表，实现无纸化作业。智能工厂的布局主要涉及硬件相关的设备控制硬件无关的抽象服务，每一个底层的信息物理系统都对应相应的硬件。智能车间的布局主要基于无线、传感器和服务的架构。不同设备通过传感器感知生产信息、通过感知产品信息，无线通讯将获得的生产和产品数据发送到后台，并由后台提供决策服务。此外，还存在一种以人为中心的、基于信息物理

31、系统的智能工厂辅助服务系统，其具有以下特征：基于上下文的自适应故障诊断工具，基于肢体动作的物理辅助，移动式个性化自适应的辅助导航系统，多模式的人机交互，基于虚拟现实/增强现实的复杂工作流程辅助管理工具，基于位置的维护和规划辅助工具，面向智能工厂的精确室内定位，这是智能工厂的另外一个特征，如果机器人对于产品无法及时进行定位，那么就会严重影响下一道生产工序的实现。此外，智能工厂的增强现实技术，智能工厂的智能机器人技术，未来的机器人将不再被固定在安全工作地点，而是与人一起协同工作。智能工厂的智能装配案例构思如下，在机器人头部安装立体相机，在手臂靠近物体的地方安装3D摄像头。机器人将利用左手内部天线从

32、产品内存中读取尺寸、重量和特点，同时机器人能够从信息物理系统中获得产品装配说明书。图中展示了基于生产线上每台设备的运行状况数据自动采集，通过专家系统与故障树实现生产设备的故障预警功能。对状态信息进行数据挖掘分析，实现设备运动状态综合判断和预警，避免其故障的产生，提高生产效率。二、工业4.0的本质与架构体系1.工业4.0的本质工业4.0的本质是智能工厂，智能工厂具有的特点在于人、机器和资源能够通过工业互联网进行通信，产品记录生产信息、物流信息、使用信息、寿命信息等。而且用户可以参与产品的设计、生产、销售等过程，厂家可以根据生产流程的每个细节实现动态化、精细化管理，能够生产具有个性化的产品。由此可见，工业4.0的落脚点是制造业本身，是工业化基础上的信息化，它将大量地采用先进的信息技术，如大数据、云计算等，但这些技术仅仅只是工业4.0所借助的技术手段。2.工业4.0的模式工业4.