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工业4.0之父独家解读 |【重磅】还原工业4.0
作者: 佚名 2018-01-26 12:47 【知识自动化】

 工业4.0的前世

工业4.0源自德国对2008年金融危机的一个应激式反应,当时整个欧洲大陆都在寻找改善经济的机会。对于德国而言,一个重要的结论就是,德国必须形成更加柔性与灵活的生产链条,坚定不移地转向大规模定制以适应动态的外部环节。

而整个世界正好能够感受和预见到数字转型对制造环境的巨大影响,这就是工业4.0扑面而来。前三次工业革命浪潮分别是机械化、电气化和IT技术。而现在是第二波数字化浪潮,大大拓展了人们感知、理解、执行和学习的能力,从而酝酿着第四次工业革命。

德国工业4.0也是通过几个阶段而不断发展,可以分为四个阶段。德国国家科学和工程院(acatech)发展和完善了“工业4.0”这个概念。随后,科学界、工业界的联合体与政治家一起,向联邦政府建议在几个特定的领域培育数字化。

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图1 德国工业4.0平台的发展

最终德国政府非常认同这个描述,并且将工业4.0从一个战略项目,最终确立为国家级的工业4.0平台(第二个工业4.0平台)。通过联合产学研政各家力量,协调各种国家战略,也与其他国家之间的战略对接,并形成专业的知识交换平台。

工业4.0是一个德国提出来的概念,不同国家面临同样的数字化大潮可以采用不同的名字和内涵。因此,所有的国家都能够相互学习,但每一个国家都需要去发展适合自己经济结构和需求的概念。

工业4.0的潜力

工业4.0有着各种巨大的可能,比如,它可以使得单件生产成为可能,充分满足个别用户的定制需求。在工业4.0的世界,商业环境和工艺流程的动态结合,这使得即使在最后一刻需求发生变化的时候,生产仍然成为可能。与此同时,在整个供应链上,当个别供应商出现问题的时候,整个工厂仍然可以保持充分的柔性。

而终端用户也呈现出连接的状态,其巨大的透明性,可以贯穿整个制造流程之中,这使得商业决策可以大大优化。这就会产生许多不同的价值和全新的商业模式——尤其对于中小企业和新创公司,它们很容易在全流程的价值服务中找到自己的位置。

工业4.0还致力于解决资源短缺、能源效率低下、城市生产和人口变化所带来的挑战。由于工业4.0可以在整个价值链上优化资源效率,它可以充分考虑到人口变化和社会因素,从而形成有效的组织。而作为工业价值链上重要的一环——智能服务,作为相辅相成的补充概念,可以使得制造业的环节,更加广泛地向外延伸。

未来世界的形式是CPS

在未来,各种设备、库房和产线都以赛博物理系统CPS的形式出现,形成一个全球化的网络。

在制造环境中,这些CPS系统包含了智能机器、自动化仓储、自适应产线等。它们自主交换信息,实现各自独立的自动执行和控制,使得生产、工艺、物料和供应链,可以在全生命周期内得到系统性地优化。

根据德国国家科学和工程院(acatech)的定义,赛博物理系统CPS正在成为未来全球化网络世界的一部分。在这里,产品、设备和零部件都通过各种不同功能的嵌入式系统和软件,进行交互。借助于传感器强大的感知力量,这些系统可以处理物理世界产生的数据,并将其转化为基于网络的服务。反过来,这些数据将通过执行器反作用在物理系统上。通过这个CPS系统,物理实体与数字空间紧密结合,从而形成一个由物联网、数据中心和务联网所组成的世界。

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图2 物联网和务联网

CPS可以看成是工业4.0的起点。在CPS的世界上,数字孪生(digital twins)可以被创建、执行和交互。数字孪生是实体系统、流程或者产品在CPS的数字映射,并且随着实际运行时间而逐渐发展。工业4.0中的所有对象,都包含一个资产管理壳,可以对应一个数字孪生。而当数字孪生发生变化时,潜在风险和缺陷就会被检测、识别,从而实现早期修复。此外,真实系统的实际运行规律,也会被进行虚拟化处理,实现预先检查,甚至整个生产流程都可以在基于云的物联网平台上进行模拟。许多企业先行的实践者,已经接受了这个概念并在项目中使用。

实施工业4.0的两大法宝

如何能够高度抽象地统一不同企业、组织的共同行动?这就是需要建立一个顶层框架。德国工业4.0的顶层设计,就是工业4.0参考框架RAMI。这是一个三维模型,它定义了“层、流、级”三个维度,分别是生产层(Layers)、生命周期价值流、系统层级(Levels)。而在每一个维度上,都有相应的技术指南和标准。

根据相对应的虚拟数字映射和技术功能描述,与RAMI相呼应的还有一个重要的支撑概念:“管理壳”。 “管理壳”可以是一个或多个生产组件,但必须能够跟RAMI所定义的三个维度上的要素之一相呼应,并且需要满足相关技术标准。借助于管理壳,确定设备资产的数据、功能和安全需求就变得非常容易,无需重复定义,而且可以确保相互连接。因此,管理壳和RAMI都是实施工业4.0的重要保障。

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图3 管理壳的定义

2017年10月20日在法兰克福开展的“管理壳日”是工业4.0平台走向工作标准化的一个重要步骤。

此外,RAMI是国际间进行合作、形成相互映射的参考架构的基础。目前跟工业互联网联盟的架构IIRA已经开始合作,与其他国家如中国和日本也有交流合作。

颠覆性的平台经济

工业4.0与平台经济密切相关,最重要的关联点就是智能工厂。在智能工厂中,整个生产流程和供应链都是虚拟的,而且高度柔性化,最极端的批量为1件产品。而这些都是由单独的个人订单所驱动。在智能工厂可以广泛地生产智能产品,后者是高度互联的物理实体、设备和机器,从而产生大量的数据。通过有意义的分析、解读、连接和补充,这些数据可以重新定义,成为“智能数据”。

基于这一点,企业不仅仅可以有效地控制、维护和提升智能产品,而且可以生成知识,从而作为“智能服务”的基础。实际上,智能服务是全新的、定制化的服务,并且基于数据驱动的商务模式,从而提供了更多商业化的机会。

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图4 数字生态系统

要提供智能服务,所有的机器、设施和工厂都必须通过数字化平台连接到物联网上,而这个数字化平台就会逐渐演化成一个生态系统。这个生态系统有一个基本原则,那就是“即插即用”。通过数字服务平台,一个公司的服务就可以模块化,与第三方的各种服务平台有机结合,共同对外来满足用户的各种实时需求。

在平台经济或者服务驱动的商业模式下,一家一家的提供商和其产品就不再是重点。所有的重心都转移到用户的个性化需求上。从工业生产的实例来看,一个压缩机不再是出售空压机,而是将“提供压缩空气”当作一种服务。这就打破了既有的商业模式,代表了一种新的范式转换。高品质的产品供应商,将转向基于产品服务系统或者智能服务系统。

中小企业的挑战

乍看起来,中小企业可以更好更快地实施工业4.0,因为他们对于业务的理解往往更加清晰,便于实施。但事实上,这是一个巨大的挑战,尤其是对于中小企业,因为他们往往缺少足够的领导力、优秀的雇员和良好的财务结构,来识别急需优化的领域,以及实施路径。

要实现从产品销售到“服务为基础”的商业模式,要向将其增值的价值链部分进行数字化,中小企业都面临巨大的挑战。为此,德国政府实施了一系列的资助项目,来提高中小企业对工业4.0的认识,并且确保他们能跟专业人才相衔接。

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图5 工业4.0的人才培训路径图

有很多方法可以推动工业4.0的实现。每家公司都可以采用不同方法、不同工具来实施。德国国家科学和工程院今年发布了一个工业4.0成熟度指数,将成熟度视为一个六级层级的模型。

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图6 工业4.0进阶六步法

与此同时,《工业4.0成熟度指数》将企业结构分解为资源、信息系统、文化和组织结构四个结构领域。每一结构领域都包含两个指导原则和必要能力。这些能力用于实现各个发展等级,并为制造型企业向敏捷型组织的转型提供基础。

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图7 企业结构四个领域

该模型在一些中小企业,例如德国的Harting公司,已经实际得到了验证。

数字化需要全社会介入

数字化不能被认为只是精英的事情:整个社会都需要介入。在德国,业界已经联合起来形成一个 “工作4.0”的工作组;在韩国,政府则致力于成为“世界上最数字化的社会”;日本也发布了“社会5.0”概念。每一种业务都需要重新考虑工作地点、流程、组织领导风格。对每一个国家,这都是一个极具挑战的开始,需要工业界、官员和科学家一起来努力。我们需要在一个全新的教育理念下,建立领先的数字化能力,让有能力的专家用得其所,从而真正能够推动一个全新的制造范式。


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