終于有人把智能制造與工業(yè)4.0講明白了

01智能制造與工業(yè)4.0智能制造在國際上尚無公認(rèn)的定義，通常被認(rèn)為是新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合。智能制造的概念始于20世紀(jì)80年代末，紐約大學(xué)教授和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授出版了ManufacturingIntelligence一書，首次提出智能制造的概念，并指出智能制造的目的是通過集成知識(shí)工程，制造軟件系統(tǒng)、機(jī)器視覺和機(jī)器控制，對(duì)制造技術(shù)人員的技能和專家知識(shí)進(jìn)行建模，以使智能機(jī)器在沒有人工干預(yù)的情況下進(jìn)行小批量生產(chǎn)。隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，智能制造也不斷被賦予新的意義，目標(biāo)變得更加宏大。我國是制造業(yè)大國，制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，當(dāng)前我國制造業(yè)面臨著提高生產(chǎn)制造效率、節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略任務(wù)。《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》指出：推進(jìn)智能制造，能夠有效縮短產(chǎn)品研制周期，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低運(yùn)營成本和資源能源消耗，加快發(fā)展智能制造，對(duì)于提高制造業(yè)供給結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和靈活性、培育經(jīng)濟(jì)增長新動(dòng)能都具有十分重要的意義。制造業(yè)從傳統(tǒng)模式向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變，從粗放型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變，從高污染、高能耗向綠色制造轉(zhuǎn)變，從生產(chǎn)型向“生產(chǎn)+服務(wù)”型轉(zhuǎn)變。在此轉(zhuǎn)變過程中，智能制造是重要手段。智能制造較為普適的定義是：面向產(chǎn)品的全生命周期，以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以制造系統(tǒng)為載體，在其關(guān)鍵環(huán)節(jié)或過程，具有一定自主感知、學(xué)習(xí)、分析、決策、通信與協(xié)調(diào)控制能力，能動(dòng)態(tài)適應(yīng)制造環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)某些優(yōu)化目標(biāo)。上述定義對(duì)智能制造提出了明確的目標(biāo)和期望—高效率、低成本和高質(zhì)量，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)路徑提出了方法論的指導(dǎo)。強(qiáng)調(diào)自主感知，通過萬物互聯(lián)，連接一切可數(shù)字化的事物，利用數(shù)據(jù)和算法獲得智能。智能制造不僅要采用新型制造技術(shù)和裝備，還要將快速發(fā)展的信息通信技術(shù)滲透到工廠，在制造領(lǐng)域構(gòu)建信息物理系統(tǒng)（CyberPhysicalSystem，CPS），改變制造業(yè)的生產(chǎn)組織方式和人際關(guān)系，帶來研發(fā)制造方式和商業(yè)模式的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。工業(yè)4.0是基于工業(yè)發(fā)展的不同階段做出的劃分。按照目前的共識(shí)，工業(yè)1.0是蒸汽機(jī)時(shí)代，工業(yè)2.0是電氣化時(shí)代，工業(yè)3.0是信息化時(shí)代，工業(yè)4.0是利用信息技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代，也就是智能化時(shí)代。這個(gè)概念最早由德國政府提出，并在2013年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出。隨著新一輪技術(shù)浪潮的到來以及國際科技競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，作為工業(yè)化強(qiáng)國，德國敏銳地感覺到新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)，為此及時(shí)制定并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新戰(zhàn)略，其目的是提高德國工業(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自推出以后，迅速在全球范圍內(nèi)引發(fā)了新一輪的工業(yè)轉(zhuǎn)型競(jìng)賽。德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，工業(yè)4.0概念是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，旨在通過信息通信技術(shù)和信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，推動(dòng)制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。德國主要從以下幾個(gè)方面采取措施，推進(jìn)工業(yè)4.0。建立指導(dǎo)框架，2013年以來，德國陸續(xù)出臺(tái)了一系列指導(dǎo)性規(guī)劃框架，如《數(shù)字化行動(dòng)議程（2014—2017）》《高技術(shù)戰(zhàn)略2025》，支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。推進(jìn)數(shù)字化進(jìn)程，數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)條件，通過嵌入式處理器、傳感器和通信模塊，把各要素聯(lián)系在一起，使得產(chǎn)品和不同的生產(chǎn)設(shè)備能夠互聯(lián)互通并交換信息，未來智能工廠能夠自行優(yōu)化并控制生產(chǎn)過程。工業(yè)4.0還將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工廠、消費(fèi)者、產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)，從而重構(gòu)整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)方式。它的本質(zhì)是以萬物互聯(lián)為基礎(chǔ)，通過物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)，將傳統(tǒng)工廠關(guān)注的制造環(huán)節(jié)向前端設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)以及后端服務(wù)環(huán)節(jié)不斷延伸。打造標(biāo)準(zhǔn)，把不同產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域以及環(huán)節(jié)之間的隔閡打通，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵術(shù)語、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)等語義統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。正是通過標(biāo)準(zhǔn)的推廣和應(yīng)用，技術(shù)創(chuàng)新得以迅速擴(kuò)散，并提升生產(chǎn)力。此外，還包括完善人才培養(yǎng)，強(qiáng)化創(chuàng)新合作等。為了更廣泛地指導(dǎo)不同行業(yè)開展工業(yè)4.0實(shí)踐，2015年德國提出了工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（ReferenceArchitectureModelIndustrie4.0，RAMI4.0），對(duì)工業(yè)4.0理念進(jìn)行了進(jìn)一步的明確和闡述。RAMI4.0采用三維模型表達(dá)工業(yè)4.0的空間，從3個(gè)維度進(jìn)行描述，每個(gè)維度均不同程度地對(duì)已有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了擴(kuò)展和延伸，如圖1-1所示。▲圖1-1工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（經(jīng)德國工業(yè)4.0組織授權(quán)引用）第一個(gè)維度（橫軸）功能層，參考了IEC62264企業(yè)信息集成標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到運(yùn)營管理系統(tǒng)的層級(jí)劃分，界定了企業(yè)控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等的集成化標(biāo)準(zhǔn)。RAMI4.0在其基礎(chǔ)上，在底層增加了“產(chǎn)品”，在頂層增加了“跨企業(yè)互聯(lián)”，由個(gè)體工廠拓展至連接世界，從而體現(xiàn)工業(yè)4.0針對(duì)產(chǎn)品服務(wù)和企業(yè)協(xié)同的要求，形成“產(chǎn)品-現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備-控制與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)-車間-工廠-企業(yè)-跨企業(yè)互聯(lián)”的完整鏈條。第二個(gè)維度（橫軸）為生命周期和價(jià)值鏈，參照IEC62890標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)的從虛擬原型到實(shí)物制造的產(chǎn)品全生命周期理念，描述了產(chǎn)品、機(jī)械裝備和工廠的生命周期與增值過程緊密結(jié)合在一起的過程。第三個(gè)維度（縱軸）是信息物理系統(tǒng)的核心功能，資產(chǎn)處于底層，可以是機(jī)器、設(shè)備、零部件及人等各種實(shí)體對(duì)象，連同其上層集成一起被用來對(duì)各種資產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化的虛擬表達(dá)；通信層用于處理通信協(xié)議；信息層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；功能層是企業(yè)運(yùn)營管理的集成化平臺(tái)；業(yè)務(wù)層是指各類商業(yè)模式和業(yè)務(wù)流程，體現(xiàn)制造企業(yè)的各類業(yè)務(wù)活動(dòng)。資產(chǎn)構(gòu)成工業(yè)4.0基本單元（物理的/非物理的）的實(shí)體部分，RAMI4.0提出資產(chǎn)管理殼（AdministrativeShell）的概念，每個(gè)實(shí)體資產(chǎn)在數(shù)字空間均有對(duì)應(yīng)的管理殼（即數(shù)字映射），管理殼構(gòu)成工業(yè)4.0基本單元的虛擬部分，實(shí)體通過管理殼接入工業(yè)4.0體系。02OT與IT融合之路長期以來，操作運(yùn)營技術(shù)（OperationTechnology，OT）和信息技術(shù)（InformationTechno-logy，IT）是相互隔離的，各自有著不同的目標(biāo)，沿著不同的路徑發(fā)展，彼此之間的鴻溝阻礙了工廠充分利用已掌握且尚未發(fā)掘的重要信息。關(guān)于OT與IT融合的爭(zhēng)論一直不斷，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是圍繞概念，要求澄清OT和IT的概念、界線；二是在公司組織和規(guī)劃實(shí)施層面，由哪個(gè)部門組織牽頭，在多大范圍內(nèi)實(shí)施融合，預(yù)期產(chǎn)生什么收益。維基百科對(duì)OT的定義如下：專門用于直接監(jiān)控或控制物理設(shè)備（諸如閥門、泵等）來檢測(cè)物理過程，或使物理過程發(fā)生變化的硬件和軟件。例如現(xiàn)場(chǎng)控制、檢測(cè)相關(guān)的技術(shù)，包括可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SupervisoryControlAndDataAcquisition，SCADA），以及各種儀器儀表、傳感器、機(jī)器設(shè)備等，也包括背后隱含的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝與知識(shí)。OT直接面對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的物理設(shè)備和過程，保證其安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，首要目標(biāo)是保質(zhì)保量完成產(chǎn)品生產(chǎn)，長期以來采用專用的系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和軟件。從這個(gè)意義上，與IT相比，OT的開放性和標(biāo)準(zhǔn)化有待改善和提升。IT主要指用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)，它應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)來設(shè)計(jì)、開發(fā)、安裝和實(shí)施信息系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。IT代表了計(jì)算機(jī)業(yè)，例如計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)庫等，像企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（EnterpriseResourcePlanning，ERP）、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（ProductLifecycleManagement，PLM）、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)（CustomerRelationshipManagement，CRM）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SupplyChainManagement，SCM）等常用的企業(yè)運(yùn)營管理系統(tǒng)，均屬于IT范疇。圖1-2列舉了常見的OT與IT?！鴪D1-2OT與IT界定完概念，再來看公司組織、規(guī)劃、實(shí)施層面，即在多大范圍內(nèi)實(shí)施融合，預(yù)期產(chǎn)生什么收益。對(duì)效率、質(zhì)量與成本等方面的關(guān)注，倒逼企業(yè)開始升級(jí)改造，企業(yè)IT運(yùn)營管理系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工藝過程數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)有著強(qiáng)烈的需求，制造系統(tǒng)進(jìn)行信息化升級(jí)，OT和IT由分開的兩條路徑逐漸走向融合。OT和IT融合并非易事，OT和IT在企業(yè)中完全是兩撥人，彼此的知識(shí)面、看待問題的思維差別很大。OT人員偏好PLC、DCS、SCADA、HMI、RTU、數(shù)據(jù)采集以及嵌入式計(jì)算技術(shù)，而IT人員擅長互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，非常熟悉快速擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)、基于Web的部署和諸如SQL、Java、大數(shù)據(jù)等技術(shù)。舉個(gè)例子，OT部門收到IT部門的通知，將升級(jí)網(wǎng)絡(luò)并在工廠中實(shí)現(xiàn)全新的網(wǎng)絡(luò)安全措施，OT部門需要配合其工作。當(dāng)IT人員看到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上裝了WindowsXP系統(tǒng)，并且還要繼續(xù)使用兩三年，他們會(huì)覺得不可思議并建議立即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，而OT部門表示這臺(tái)設(shè)備不能升級(jí)，因?yàn)樵O(shè)備上安裝了軟件許可證，并且軟件不支持新的操作系統(tǒng)。OT技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，更強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性與可靠性，對(duì)于運(yùn)行中的系統(tǒng)，OT人員傾向于系統(tǒng)保持更長時(shí)間不做變更。而IT專注于數(shù)字環(huán)境，主要考慮數(shù)據(jù)處理速度、系統(tǒng)可靠性和安全性等問題，IT必須接受快速創(chuàng)新和變革，以跟上技術(shù)的不斷發(fā)展。再舉個(gè)例子，IT部門有專門的系統(tǒng)運(yùn)維團(tuán)隊(duì)，在企業(yè)里屬于基礎(chǔ)設(shè)施支撐團(tuán)隊(duì)，離業(yè)務(wù)本身有一定距離，系統(tǒng)運(yùn)維團(tuán)隊(duì)承接需求時(shí)，通常只需對(duì)方說明安裝什么操作系統(tǒng)，要什么數(shù)據(jù)庫，是否必須安裝殺毒軟件、部署企業(yè)策略以及IT系統(tǒng)歸屬網(wǎng)絡(luò)等。突然某一天老板要求生產(chǎn)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)也歸屬系統(tǒng)運(yùn)維團(tuán)隊(duì)，于是現(xiàn)場(chǎng)反饋的問題如工業(yè)組態(tài)軟件無法連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、PLC網(wǎng)絡(luò)無法連接遠(yuǎn)程I/O站等問題也要運(yùn)維團(tuán)隊(duì)去處理。對(duì)傳統(tǒng)IT運(yùn)維來說，一下子丈二和尚摸不著頭腦，怎一個(gè)苦字了得。即使存在這些差異，在智能制造和工業(yè)4.0時(shí)代，IT與OT融合也是必經(jīng)之路，這依賴于在業(yè)務(wù)層面和技術(shù)層面進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)和組織設(shè)計(jì)乃至重組。通過提升各自的能力，從而形成一種真正具有顛覆性的技術(shù)，這正是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮作用的地方，它是OT與IT融合的具體實(shí)現(xiàn)。技術(shù)方面，OT與IT融合仍面臨著一些實(shí)際問題。首先是數(shù)據(jù)的傳輸接口與標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一問題，OT常用現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)（也在嘗試標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)），對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性（毫秒級(jí)或微秒級(jí)）和傳輸確定性要求很高，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)投秳?dòng)，而IT通常是非實(shí)時(shí)的，秒級(jí)響應(yīng)就足夠了，網(wǎng)絡(luò)主要采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，OT與IT融合首先要解決網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通的問題。其次，以一座中等規(guī)模的典型工廠為例，它通常擁有多臺(tái)購置于不同時(shí)期、來自不同供應(yīng)商的設(shè)備，而不同供應(yīng)商的自動(dòng)化水平、軟硬件平臺(tái)以及通信協(xié)議均不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的收集、整合以及場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)化非常困難，有些設(shè)備制造商甚至將數(shù)據(jù)分析洞見作為增值服務(wù)，工廠須付費(fèi)才可使用，這進(jìn)一步阻礙了數(shù)據(jù)的獲取。除了差異性之外，出于工藝保密性以及安全隔離性方面的考慮，很多OT系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮對(duì)數(shù)據(jù)開放，有些制造現(xiàn)場(chǎng)在沒有IT系統(tǒng)參與時(shí)也運(yùn)營得很好，迫切性并非想象的那么高，此時(shí)需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和企業(yè)長遠(yuǎn)戰(zhàn)略，只有對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的價(jià)值有了充分認(rèn)識(shí)，才能下決心推動(dòng)OT與IT融合。03企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個(gè)更大的議題，新冠疫情加速了社會(huì)數(shù)字化的進(jìn)程。什么是數(shù)字化轉(zhuǎn)型？有些人認(rèn)為把線下活動(dòng)通過互聯(lián)網(wǎng)搬到線上，就是數(shù)字化轉(zhuǎn)型了。這個(gè)認(rèn)知過于粗淺。有些人將數(shù)字化轉(zhuǎn)型理解為一種管理理念和數(shù)字化意識(shí)。這樣說雖然沒錯(cuò)，但比較抽象。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是指利用現(xiàn)代技術(shù)和通信手段，改變企業(yè)為客戶創(chuàng)造價(jià)值的方式。它將數(shù)字化技術(shù)融入企業(yè)產(chǎn)品、服務(wù)和流程當(dāng)中，涉及核心業(yè)務(wù)流程、員工以及與上下游供應(yīng)商合作伙伴交流方式的變革。數(shù)字化轉(zhuǎn)型至少有3個(gè)層次。一是信息的數(shù)字化，例如模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從手工記賬變?yōu)閃ord文檔，本質(zhì)上是將信息以二進(jìn)制數(shù)字化的形式進(jìn)行讀寫、存儲(chǔ)和傳遞。二是數(shù)字化提升流程效率或流程數(shù)字化，例如企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)和倉庫管理系統(tǒng)等都是將工作流程進(jìn)行數(shù)字化，從而提升工作協(xié)同效率、資源利用效率，為企業(yè)創(chuàng)造信息化價(jià)值。在這兩個(gè)階段，企業(yè)業(yè)務(wù)模式可能未發(fā)生根本性變化，例如一個(gè)汽車制造企業(yè)，它雖然實(shí)現(xiàn)了信息化，但仍然以銷售汽車為主。三是數(shù)字化轉(zhuǎn)型，著力于實(shí)現(xiàn)“業(yè)務(wù)的數(shù)字化”，使公司獲得新的商業(yè)模式和核心競(jìng)爭(zhēng)力。例如借助數(shù)字化技術(shù)，汽車銷售商可能變?yōu)橐云嚍檩d體的出行服務(wù)商。大型工程機(jī)械企業(yè)為尋求新的利潤增長點(diǎn)，提供裝備租賃服務(wù)，利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控裝備的運(yùn)行狀況和位置，確保租賃服務(wù)模式安全有效。在此之前，企業(yè)需要投入大量人力管理租賃設(shè)備。進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的原因是多方面的，這其中有來自市場(chǎng)、監(jiān)管的壓力等。市場(chǎng)瞬息萬變，包括已經(jīng)存在的或即將到來的壓力，企業(yè)為應(yīng)對(duì)這種變化和競(jìng)爭(zhēng)，需要不斷提升內(nèi)部流程效率、加速產(chǎn)品創(chuàng)新并提供增值服務(wù)，形成持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于研發(fā)制造企業(yè)，雖然數(shù)字化轉(zhuǎn)型以數(shù)字化技術(shù)為支撐，但數(shù)字化技術(shù)本身不是目標(biāo)，它的本質(zhì)是業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型，而業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型須以企業(yè)戰(zhàn)略為主導(dǎo)，是戰(zhàn)略主導(dǎo)下的業(yè)務(wù)變革。數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)以客戶需求為指引，以組織變革、流程優(yōu)化、人員能力為保障，由企業(yè)文化和環(huán)境機(jī)遇來促成。它是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能助力的研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)營和服務(wù)改善，是OT和IT的融合，是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G通信等，均屬于數(shù)字化技術(shù)。圖1-3反映了這種層級(jí)關(guān)系。▲圖1-3數(shù)字化轉(zhuǎn)型體系2020年9月，國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)正式印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)國有