工业4.0与知识型工作自动化的调研报告.doc

工业4.0与知识型工作自动化的调研报告摘要：工业4.0，是从嵌入式系统向信息物理融合系统(CPS)发展的技术进化。作为未来第四次工业革命的代表，工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网(物联网、数据网和服务互联网)的方向发展。文中首先介绍了知识型工作自动化的概念，其次介绍了工业4.0的进化过程，提出了CPS的概念及其功能，同时分析了工业4.0的缺陷及实施困境。关键词:工业4.0;智能工业;CPS;知识型工作自动化； （一）知识型工作自动化 桂卫华院士所做的关于流程工业自动化的报告引发了我对于知识型工作自动化方面的兴趣，以下主要对知识型工作自动化进行初步概括。世界著名的麦肯锡研究所发表了一项162页的研究报告“Disruptive technologies : Advances that will transform life , business , and the global economy”，2013年5月27日参考消息报道了这一研究成果，发表了一篇名为“12种颠覆性技术驱动未来经济”的文章，这12种技术都具有广泛的潜在影响并有可能造成重大经济影响。这12种技术是：移动互联网、知识型工作的自动化、物联网、云计算、高级机器人、全自动和几乎全自动的年辆、下代基因组学、能源储存、3D打印、高级材料、高级油气勘探和采集技术、可再生能源。其中“知识型工作自动化”位列第二，到2025年其经济规模将达到5.2-6.7万亿美元。 知识型工作自动化的核心技术是人工智能，1997 年，IBM的“深蓝”首次击败了等级分排名世界第一的国际象棋棋手卡斯帕罗夫，成为了知识型工作自动化的一个重要里程碑；美国科学家经过长达18年的努力，构建了一个无法被击败的西洋跳棋人工智能程序切努克（Chinook）；2011年IBM的超级电脑“沃森”在智力竞赛中，战胜了美国智力竞赛节目危险边缘的两位冠军选手肯詹宁斯和布拉德鲁特。这些都是在国际上具有很高影响力的知识型工作自动化的代表。在欧美也有若干实用的专家系统，实现了知识型工作的自动化。未来由于知识型工作自动化的产生，更多的自动化方向的人才将转入技术服务方向。（二）工业4.0 智能工业或者工业4.0，是从嵌人式系统向信息物理融合系统(CPS)发展的技术进化。作为未来第四次工业革命的代表，工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网(物联网、数据网和服务互联网)的方向发展。同时，分散型智能利用代表了生产制造过程的虚拟世界与现实世界之间的交互关系，在构建智能物体网络中发挥重要作用。 工业4.0体现了生产模式从集中型到分散型的范式转变，正是因为有了让传统生产过程理论发生颠覆的技术进步，这一切才成为可能。未来，工业生产机械不再只是“加工”产品，取而代之的是，产品通过通信向机械传达如何采取正确操作。 工业4.0通过将嵌人式系统生产技术与智能生产过程相结合，将给工业领域、生产价值链、业务模式带来根本性变革(如智能工厂)，从而开创一条通往新技术时代的道路。1工业4.0进化过程（1）工业革命1.0 18世纪末期始于英国的第一次工业革命，19世纪中叶结束。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业及机械制造带动经济发展的模式。（2）工业革命2.0 第二次工业领域大变革发生在20世纪初期，批量工业生产开始的阶段。通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的新模式。20世纪70年代以后，随着电子工程和信息技术充实到工业过程之中，实现了生产的最优化和自动化。（3）工业革命3.0 第三次工业革命始于第二次工业革命过程中发生的生产过程高度自动化。自此，机械能够逐步替代人类作业。（4）工业革命4.0 未来10年，第四次工业革命将步人分散化生产的新时代。工业4.0通过决定生产制造过程等的网络技术，实现实时管理。2 CPS CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，使智能物体通信以及相互作用，创造一个真正的网络世界。 CPS体现了当前嵌人式系统的进一步进化。与互联网或者网上可搜集的数据、服务一起，嵌人式系统也是构成CPS的要素之一。 CPS可提供构建物联网的基础部分，并且与服务互联网一体化，实现工业4.0。这些技术被称为实现技术，培育更加广泛的基于创新型应用或过程的新现实空间，淡化现实世界与虚拟空间的界限。实现技术就像互联网使得个人通信以及相互作用的关系发生变革一样，将给我们与物理现实世界之间的相互作用关系带来根本性变化。 基于高性能软件的嵌人式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间，发生的相互作用，将诞生全新的系统功能性世界。举一个简单的例子，智能手机囊括许多应用和服务，已经远远超出设备本身通话功能。 由于全新的划时代应用和服务的提供商将不断涌现，渐渐形成新价值链，所以，CPS也将对现有业务与市场模式带来范式转变。汽车工业、能源经济，还有包括诸如工业4.0的生产技术的各个工业部门，将同步因这些新价值链发生巨变。 未来，CPS将以以往人类无法想象的形式，对人类安全、效率、生活舒适度、提升健康水平等做出贡献。同时，CPS也将对解决人口结构变化、自然资源不足、可持续发展以及能源结构变化等带来的问题，发挥关键性的作用。3智能工厂:自动化制造业的未来 CPS连接了虚拟空间与物理现实世界，技术过程与业务过程也因此得到融合，从而开创新工业时代。最能够准确表达新工业时代的就是工业4.0项目倡导的智能工厂概念，智能工厂是通过在生产系统中配备CPS来实现的。相对于传统生产系统，智能工厂的产品、资源及处理过程因CPS的存在，将具有非常高水平的实时性，同时在资源、成本节约中也颇具优势。 智能工厂按照重视可持续性的服务中心的业务来设计，因此，服从性、灵活性、自适应以及学习等特征、容错能力，甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。 智能工厂的装备将实现高级自动化，主要是由基于自动观察生产过程的CPS的生产系统的灵活网络来实现的。通过可实时应对的灵活的生产系统，能够实现生产过程的彻底优化。同时，生产优势不仅仅是在特定生产条件下一次性体现，也可以实现多家工厂多个生产单元所形成的世界级网络的最优化。 这就意味着，创新技术、成本与时间的节约，拥有培育新市场机会的网络容量的“自下而上”型生产模式中的革命。 智能工厂的生产相对于传统制造工业育如下优势: 由CPS形成最优化的生产过程:智能工厂的“单元”决定其活动范围、设定选项以及生产条件，可与其他单元进行独立的无线通信。 理想的生产系统，智能编辑产品特性、成本、物流管理、安全、信赖性、时间以及可持续性等要素，为每个顾客进行最优化的产品制造。 为了让机械服从人类的作业周期，可对人工进行定制调整。4工业4.0的缺陷 工业4.0实现的关键问题还在于如何能确保网络安全，如何防止网络间谍、黑客等网络犯罪所造成的侵害，以及是否应该普及到所有行业等等。这些都是避不开的话题，具体来说有以下几个层面二（1）.安全和保密问题。这就要求必须满足两个条件:一是确保生产设施和产品本身对人或环境不造成任何危险;二是防止数据被滥用和未经授权的访问。因此，当务之急是必须妥善处理好保密安全问题。在工业4.0中，以往的界限都将消失，生产性信息技术、销售物流、零部件产业、商业信息技术等领域都将链接到一起。数字世界和现实世界日益融合，网络安全挑战却越发严峻。就德国高科技工业而言，特别是机械设备制造业的中小企业，采取有力措施应对经济间谍行为对它们的存亡至关重要。面对非法攻击，云端数据也应得到更强有力的安全保障。 （2）标准化和参考架构的构建。在漫长的信息化发展进程中，企业发展前期很难在可持续发展的信息化规划下构建信息系统，通常情况是对需求迫切的部门，先在相对独立的业务流程中开发出一套信息系统，这导致出现很多信息孤岛。由于缺乏国内统一标准的硬件和基础软件支撑，故工业软件被不同技术规范的执行平台所“绑定”。目前，国内软件产业规模受到极大限制，国内相关软件技术的资源整合进程与信息技术的发展总趋势还存在较大的落差。我国制造业走向集成化兼容化的生产，在软件方面还需依赖进口。但是，随着工厂与工厂内外的很多事物和服务连接起来，通信手段及数据格式等很多事物必须有统一IT架构，制定共同标准，而且需要一个参照架构来为这些标准提供描述并促进标准的实现。（3）复杂系统的管理。随着生产系统与其他系统连接起来，整个系统变得复杂，管理变得越来越困难。制造系统正在日益变得复杂，适当的计划、描述和说明模型(模块化)可以为这些复杂系统提供管理基础。工程师们应该为了发展这些模型而进行更多的模块化研究，包括方法创新和工具应用。 5工业4.0的实施困境主要有:(1)实施“工业4.0”不一定都能减少人员，短期成本可能要增加，因此要思考实现“工业4.0”如何减少成本。 (2)即使感觉自己的企业上“工业4.0的时机成熟了，但也要考虑管理流程梳理+系统实施的同步推进。 (3)实现数据采集是“工业4.0前端基础部分，关键是把数据采集上来干什么用?有些企业花200300万上软件以为就是实现“工业4.0”了，其实只是起一个信息采集的作用，充其量是信息系统或模块集成，离智慧生产的概念还差之甚远，如果花很大代价采集数据而又没用好就得不偿失。 (4)精益生产管理需要展示和控制生产过程并按价值链进行分析与优化，但有些企业数据的很大部分目前还没应用起来，或者数据的质量不高，不足以进行系统优化，即每个工序的效率高，但不代表整体最优，这都是需要改进的地方。 (5)我国部分企业曾自己开发了智能化的一些应用，推行过精益生产，对设备监控、成本控制都有考虑，但数据采集方面有很大的短板。 (6)信息化的关键要素是人，人的观念要先转变过来。大家说德国制造企业很先进，但个人感觉除汽车工业生产很先进以外，其他产品生产可能跟中国差不多，为什么中国企业做不好?是因为中国大部分的企业老板短视，不愿意为未来投资。中国推行企业信息化、智慧工厂，往往需要国家的政策、资源的支持才愿意行动。另外，“工业4.0在企业推行下去会对员工自主、自律管理产生作用，关键是员工是