解讀工業(yè)4.0與智能制造

1、 解讀工業(yè)4.0 理念創(chuàng)新發(fā)展Industry 4.0 Idea Innovation Development 目 錄 戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝2人類工業(yè)史三次工業(yè)革命使得人類發(fā)展進(jìn)入了空前繁榮的時(shí)代三次工業(yè)革命產(chǎn)生的弊端巨大的能源以及資源消耗巨大的環(huán)境代價(jià)以及生態(tài)成本21世紀(jì)，人類面臨空前的全球能源與資源危機(jī)、全球生態(tài)與環(huán)境危機(jī)、全球氣候變化危機(jī)的多重挑戰(zhàn)互聯(lián)網(wǎng)的高度發(fā)展越來(lái)越多功能強(qiáng)大的、自主的微型電腦（嵌入式系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了與其他微型電腦和互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)物理世界和虛擬世界（網(wǎng)絡(luò)空間）以信息-物理系統(tǒng)（CPS）的形式實(shí)現(xiàn)了融合由此引發(fā)了第

2、四次工業(yè)革命綠色工業(yè)革命“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，運(yùn)用信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的現(xiàn)代化。發(fā)展背景基本概念背景一3德國(guó)政府正面臨著數(shù)十年來(lái)最嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)與金融危機(jī)的挑戰(zhàn)經(jīng)濟(jì)與金融危機(jī)加速了全球的知識(shí)競(jìng)賽，人才、技術(shù)和市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)也將進(jìn)一步加劇重大全球性挑戰(zhàn)氣候變化人口增長(zhǎng)疾病擴(kuò)散糧食供應(yīng)化石原料與能源的有限性工業(yè)基礎(chǔ)雄厚德國(guó)是全球八大工業(yè)國(guó)之一，其制造業(yè)尤為發(fā)達(dá)，是德國(guó)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的重要拉動(dòng)力德國(guó)機(jī)械工業(yè)高度現(xiàn)代化、機(jī)械化、高效化東方命脈中國(guó)是德國(guó)出口增速最快的國(guó)家之一過(guò)半數(shù)的德國(guó)企業(yè)視中國(guó)為全球范圍內(nèi)最為重要的三大市場(chǎng)之一于2010年提出德國(guó)高技術(shù)戰(zhàn)略202

3、0發(fā)展背景背景二4初步概念2011年德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)（HANNOVER MESSE）上，德國(guó)相關(guān)協(xié)會(huì)提出工業(yè)4.0的初步概念發(fā)展完善德機(jī)械設(shè)備制造聯(lián)合會(huì)等協(xié)會(huì)牽頭，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，成立“工業(yè)4.0工作組”進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)4.0的研究并向德國(guó)政府進(jìn)行報(bào)告國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展制造業(yè)是德國(guó)政府高技術(shù)戰(zhàn)略2020確定的十大未來(lái)項(xiàng)目之一，“工業(yè)4.0”研究項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手資助，已上升為國(guó)家戰(zhàn)略正式提出2013年4月，德國(guó)政府于2013漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出“工業(yè)4.0”中德合作今年10月初，克強(qiáng)總理訪德期間，中德簽署了中德合

4、作行動(dòng)綱要：共塑創(chuàng)新，提出兩國(guó)將開展工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化（工業(yè)4.0）合作發(fā)展歷程5目 錄 戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝6總體概念工業(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(guò)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)型總體概念兩大主題一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)二是“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(guò)程中的應(yīng)用智能工廠智能生

5、產(chǎn)工業(yè)4.07技術(shù)基礎(chǔ)ICT是信息、通信和技術(shù)三個(gè)英文單詞的詞頭組合(Information Communication Technology，簡(jiǎn)稱ICT) 。它是信息技術(shù)與通信技術(shù)相融合而形成的一個(gè)新的概念和新的技術(shù)領(lǐng)域。近二三十年來(lái)，德國(guó)制造業(yè)已成功地利用信息通信技術(shù)（ICT）實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的管理如今，大約90%的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程已應(yīng)用ICT技術(shù)ICT物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）是指通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。物聯(lián)

6、網(wǎng)8技術(shù)基礎(chǔ)信息物理系統(tǒng)（CPS, Cyber-Physical Systems）是一個(gè)以通訊和計(jì)算為核心的集成的監(jiān)控和協(xié)調(diào)行動(dòng)的工程化物理系統(tǒng)，是計(jì)算、通訊和控制的融合，具備很高的可靠性、安全性和執(zhí)行效率。信息物理系統(tǒng)CPS雛形：1948年Wiener在Cybernetics，or Control and Communication in the Animal and the Machine一書所提出控制論以及我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森博士1954在Engineering Cybernetics一書中提出的“工程控制論”CPS官方正式提出來(lái)源于2007年美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)咨詢委員會(huì)報(bào)告發(fā)展過(guò)程910

7、工業(yè)4.0三個(gè)特征兩大戰(zhàn)略八大關(guān)鍵八大價(jià)值三個(gè)特征通過(guò)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)11三個(gè)特征 通過(guò)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成12把產(chǎn)品、機(jī)器、資源、人有機(jī)聯(lián)系在一起，各公司各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期和全制造流程的數(shù)字化由大規(guī)模批量生產(chǎn)向大規(guī)模定制生產(chǎn)轉(zhuǎn)變由集中生產(chǎn)向網(wǎng)絡(luò)化異地協(xié)同生產(chǎn)轉(zhuǎn)變由傳統(tǒng)制造企業(yè)向跨界融合企業(yè)轉(zhuǎn)變協(xié)同、分享三個(gè)特征 通過(guò)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成13西門子的阿基米德計(jì)劃并購(gòu)UGS PLM Software設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的業(yè)務(wù)流程集成并形成閉環(huán)循環(huán)并行流程針對(duì)多學(xué)科多部門的并行流程信息交互信息同源化的信息集成按設(shè)計(jì)制造按客戶和企業(yè)

8、的需求制造產(chǎn)品仿真產(chǎn)品全生命周期仿真縮短產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間縮短產(chǎn)品獲得利潤(rùn)時(shí)間企業(yè)研發(fā)部門創(chuàng)新遍布全球的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)硬件與軟件的簡(jiǎn)單連接，信息的全方位集成三個(gè)特征 工程端到數(shù)字端集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈14兩個(gè)特點(diǎn)在所有終端實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的前提下所實(shí)現(xiàn)的基于價(jià)值鏈與不同公司之間的一種整合客戶可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)參與和決策并自由配置各個(gè)功能組件數(shù)字空間物理空間三個(gè)特征 工程端到數(shù)字端集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈15虛擬制造數(shù)字化模型計(jì)算機(jī)仿真產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）Sutherland，終極顯示，1965MIT林肯實(shí)驗(yàn)室，頭盔顯示，1966NASA，火星探測(cè)虛擬環(huán)境，19853D打印三個(gè)特征 工程端到數(shù)字端集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈16虛擬現(xiàn)實(shí)

9、虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛擬產(chǎn)品性能分析虛擬加工虛擬裝配虛擬測(cè)試虛擬生產(chǎn)調(diào)度與仿真連接物理空間與數(shù)字空間三個(gè)特征 垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng)17 在智能工廠中，制造結(jié)構(gòu)將不是固定和事先定義好的，信息技術(shù)組合規(guī)則為不同情況自動(dòng)形成特定結(jié)構(gòu)。確保調(diào)節(jié)器和傳感器通訊順暢開發(fā)工廠模塊以及重新使用戰(zhàn)略領(lǐng)導(dǎo)者和操作者需要接受培訓(xùn)歐盟“智能工廠”研發(fā)團(tuán)隊(duì)FRAME采用世界上最先進(jìn)的創(chuàng)新型傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，開發(fā)出具有自我意識(shí)、自我學(xué)習(xí)和自我適應(yīng)能力的智能型自動(dòng)控制系統(tǒng)。英飛凌對(duì)工廠進(jìn)行智能化改造，提供面向物聯(lián)網(wǎng)的半導(dǎo)體解決方案，在2014年6月推出“工業(yè)4.0 試點(diǎn)基地”項(xiàng)目，應(yīng)用于部分芯片生產(chǎn)。其智能卡與安全

10、事業(yè)部全球總裁Stefan Hofschen認(rèn)為在工業(yè)4.0時(shí)代，安全市場(chǎng)也會(huì)增長(zhǎng)。兩個(gè)戰(zhàn)略需要加強(qiáng)制造技術(shù)和信息技術(shù)的融合，依靠物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為向工業(yè)4.0邁進(jìn)的部分戰(zhàn)略，使用技術(shù)來(lái)創(chuàng)造新價(jià)值網(wǎng)絡(luò)。把現(xiàn)存的大規(guī)模任務(wù)和中小企業(yè)同步整合在新的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)中。要求在不同廠址的商務(wù)間的緊密聯(lián)系，并且需要不同企業(yè)間的密切合作。領(lǐng)先的供應(yīng)商戰(zhàn)略領(lǐng)先的市場(chǎng)戰(zhàn)略18八大關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)的管理安全和安保一套綜合的工業(yè)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施工作的組織和設(shè)計(jì)培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展監(jiān)管框架資源效率19八大價(jià)值工業(yè)4.0滿足用戶的個(gè)性化需求靈活性優(yōu)化決策資源生產(chǎn)率和效率通過(guò)新服務(wù)創(chuàng)造價(jià)值機(jī)遇應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力的人口結(jié)構(gòu)變化生活

11、和工作的平衡高工資經(jīng)濟(jì)仍擁有競(jìng)爭(zhēng)力20目 錄 戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝2122在中國(guó)挑戰(zhàn)發(fā)達(dá)國(guó)家“去工業(yè)化”“再工業(yè)化”東南亞、印度等：廉價(jià)勞動(dòng)力無(wú)人化生產(chǎn)社會(huì)的負(fù)面影響工信部：信息化和工業(yè)化深度融合專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃（2013-2018）保持經(jīng)濟(jì)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)實(shí)例：三一重工的智能工廠18號(hào)廠房，亞洲最大的總裝車間挑戰(zhàn)機(jī)遇目 錄 戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝2324啟示發(fā)展德國(guó)：工業(yè)4.0注重硬件制造中國(guó)：“工業(yè)化”與“信息化”融合加強(qiáng)硬件制造能力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：ansys、proe、ug極端制

12、造加大投入GE“1%定律”：工業(yè)水平提高1%1.5%，收入水平提高25%40%防止互聯(lián)網(wǎng)過(guò)熱美國(guó)：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)注重軟件、網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)25啟示發(fā)展 建立知識(shí)體系間的聯(lián)系 微創(chuàng)新對(duì)行業(yè)內(nèi)人員提出更高要求 科學(xué)技術(shù)與理念概念之間的相互促進(jìn) 信息技術(shù)時(shí)代向大數(shù)據(jù)時(shí)代的轉(zhuǎn)變目 錄 戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝26總 結(jié)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(lái)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(guò)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)

13、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。德國(guó)經(jīng)濟(jì)以其強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ)為特征，特別是它的機(jī)械與設(shè)備制造、汽車工業(yè)和能源工業(yè)。工業(yè)4.0的實(shí)施絕對(duì)是對(duì)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵Ernst Burgbacher議會(huì)國(guó)務(wù)秘書，聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部部長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)在制造業(yè)中擁有巨大的創(chuàng)新潛力，如果我們成功把基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)整合進(jìn)工業(yè)4.0，將極大地?cái)U(kuò)展這種潛力。Johannes Helbig博士 工業(yè)-科學(xué)研究聯(lián)盟交流促進(jìn)組織成員中國(guó)在沒(méi)有完成工業(yè)化（電氣化）的情況下，就進(jìn)入了信息化時(shí)代，

14、所以，德國(guó)“工業(yè)4.0”對(duì)中國(guó)的啟示是，通過(guò)兩化融合的手段促進(jìn)制造業(yè)繼續(xù)向更高的水平發(fā)展。周濟(jì) 中國(guó)工程院院士27分工說(shuō)明28 參考文獻(xiàn)291. 把握德國(guó)制造業(yè)的未來(lái)實(shí)施“工業(yè)4.0”攻略的建議， 德國(guó)聯(lián)邦教育研究部工業(yè)4.0工作組，2013年9月2. 保障德國(guó)制造業(yè)的未來(lái)關(guān)于實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議，工業(yè)和信息化部國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心，2013年10月3. 德國(guó)2020高科技戰(zhàn)略：創(chuàng)意創(chuàng)新增長(zhǎng)，科技導(dǎo)報(bào)，2011,29（8）4. 德國(guó)的工業(yè)4.0路線圖，建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2014,27（2）5. 工業(yè)4.0：智能工業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013,126. 工業(yè)4.0：智能化工廠與生產(chǎn)，化工管理，2013,117. 工業(yè)4.0和智能制造，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014,43（8）8. 虛擬制造研究進(jìn)展與展望，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004,09 9. 虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展展望，山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2002,0310. WAHLSTER, Wolfgang. From Industry 1.