工業(yè)4.0：智能工業(yè)

德國期望成為基于互聯(lián)網的高端工業(yè)生產技術的主導市場，并將其作為《高科技戰(zhàn)略2020》的一部分。實現(xiàn)這一目標的代表性項目，也就是被稱為工業(yè)4.0的智能工業(yè)項目，它將引領工業(yè)領域，開創(chuàng)分散型生產的新時代。

智能工業(yè)或者工業(yè)4.0,是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系統(tǒng)（CPS）發(fā)展的技術進化。作為未來第四次工業(yè)革命的代表，工業(yè)4.0不斷向實現(xiàn)物體、數據以及服務等無縫連接的互聯(lián)網（物聯(lián)網、數據網和服務互聯(lián)網）的方向發(fā)展。

同時，分散型智能利用代表了生產制造過程的虛擬世界與現(xiàn)實世界之間的交互關系，在構建智能物體網絡中發(fā)揮重要作用。

工業(yè)4.0體現(xiàn)了生產模式從集中型到分散型的范式轉變,正是因為有了讓傳統(tǒng)生產過程理論發(fā)生顛覆的技術進步，這一切才成為可能。未來，工業(yè)生產機械不再只是“加工”產品，取而代之的是，產品通過通信向機械傳達如何采取正確操作。

工業(yè)4.0通過將嵌入式系統(tǒng)生產技術與智能生產過程相結合，將給工業(yè)領域、生產價值鏈、業(yè)務模式帶來根本性變革（如智能工廠），從而開創(chuàng)一條通往新技術時代的道路。

1工業(yè)4.0進化過程

1.1工業(yè)革命1.0

18世紀末期始于英國的第一次工業(yè)革命，19世紀中葉結束。這次工業(yè)革命的結果是機械生產代替了手工勞動，經濟社會從以農業(yè)、手工業(yè)為基礎轉型到了以工業(yè)及機械制造帶動經濟發(fā)展的模式。

1.2工業(yè)革命2.0

第二次工業(yè)領域大變革發(fā)生在20世紀初期，批量工業(yè)生產開始的階段。通過零部件生產與產品裝配的成功分離，開創(chuàng)了產品批量生產的新模式。20世紀70年代以后，隨著電子工程和信息技術充實到工業(yè)過程之中，實現(xiàn)了生產的最優(yōu)化和自動化。

1.3工業(yè)革命3.0

第三次工業(yè)革命始于第二次工業(yè)革命過程中發(fā)生的生產過程高度自動化。自此，機械能夠逐步替代人類作業(yè)。

1.4工業(yè)革命4.0

未來10年，第四次工業(yè)革命將步入分散化生產的新時代。工業(yè)4.0通過決定生產制造過程等的網絡技術，07實現(xiàn)實時管理。

2CPS

cps連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實世界，使智能物體通信以及相互作用，創(chuàng)造一個真正的網絡世界。

CPS體現(xiàn)了當前嵌入式系統(tǒng)的進一步進化。與互聯(lián)網或者網上可捜集的數據、服務一起，嵌入式系統(tǒng)也是構成CPS的要素之一。

CPS可提供構建物聯(lián)網的基礎部分，并且與服務互聯(lián)網一體化，實現(xiàn)工業(yè)4.0。這些技術被稱為實現(xiàn)技術，培育更加廣泛的基于創(chuàng)新型應用或過程的新現(xiàn)實空間，淡化現(xiàn)實世界與虛擬空間的界限。實現(xiàn)技術就像互聯(lián)網使得個人通信以及相互作用的關系發(fā)生變革一樣，將給我們與物理現(xiàn)實世界之間的相互作用關系帶來根本性變化。

基于高性能軟件的嵌入式系統(tǒng)與融合在數字網絡中的專業(yè)用戶接口之間，發(fā)生的相互作用，將誕生全新的系統(tǒng)功能性世界。舉一個簡單的例子，智能手機囊括許多應用和服務，已經遠遠超出設備本身通話功能。

由于全新的劃時代應用和服務的提供商將不斷涌現(xiàn)，漸漸形成新價值鏈，所以，CPS也將對現(xiàn)有業(yè)務與市場模式帶來范式轉變。汽車工業(yè)、能源經濟，還有包括諸如工業(yè)4.0的

生產技術的各個工業(yè)部門，將同步因這些新價值鏈發(fā)生巨變。

未來，CPS將以以往人類無法想象的形式，對人類安全、效率、生活舒適度、提升健康水平等做出貢獻。同時，CPS也將對解決人口結構變化、自然資源不足、可持續(xù)發(fā)展以及能源結構變化等帶來的問題，發(fā)揮關鍵性的作用。

3德國2020年主要CPS市場

德國將推進工業(yè)4.0項目作為國家戰(zhàn)略的一個重要環(huán)節(jié),就是在2020年讓德國成為CPS的主要市場。與其他大多數工業(yè)發(fā)達國家完全不同的是，在推進工業(yè)進程的同時，德國一直維持穩(wěn)定的制造業(yè)勞動力。

要聯(lián)通現(xiàn)實世界與虛擬空間，從生產設備、工業(yè)產品到內置存儲裝置、通信功能、廣播傳感器、智能軟件系統(tǒng)的日常用品等，所有物品都要實現(xiàn)數字化。

現(xiàn)實世界與虛擬空間的界限越來越模糊，物聯(lián)網正在快速發(fā)展。德國發(fā)達的嵌入式系統(tǒng)、CPS的有關經驗，將為德國工業(yè)弓領第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）提供極好的機遇。

4CPS進程

德國是嵌入式系統(tǒng)、移動通信網絡等cps相關領域的全球市場領袖。德國教育與研究部（BMBF）委托德國科學技術工程院牽頭的CPS進程項目的目的是，確立綜合的CPS研究議程，提升工業(yè)技術的國家競爭力，鞏固德國作為主要市場及提供商的全球地位，在此基礎上實現(xiàn)德國技術革命。圖1所示給出了CPS各層的理想模式。

圖1CPS各層的理想模式圖

CPS進程列舉了當前至2025年間四個主要應用領域：

能源：智能電網中的CPS；

機動性：網絡化的機動性中的CPS:

健康：遠程治療以及遠程診斷中的CPS；

工業(yè)（智能工廠）:工業(yè)以及自動化生產中的CPS。

5CPS2025——未來

cps應對社會面臨的主要問題的同時，對涵蓋自動化、生產技術、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫(yī)療等眾多工業(yè)部門、應用領域，具有非常重要的意義。因CPS而實現(xiàn)的許多應用，將產生新附加價值鏈和業(yè)務模式。CPS不僅可以降低實際成本，提高能源、時間等的效率，還能降低CO2排放水平，在保護環(huán)境上發(fā)揮重大作用。

僅從制造業(yè)來看，CPS就可帶來驚人的效率提升。CPS實時地統(tǒng)籌處理制造、工業(yè)鏈以及各個顧客的要求，實現(xiàn)智能工廠圖2所示是CPS服務互聯(lián)網的模式圖。

圖2CPS服務互聯(lián)網的模式圖

6智能工廠：自動化制造業(yè)的未來

CPS連接了虛擬空間與物理現(xiàn)實世界，技術過程與業(yè)務過程也因此得到融合，從而開創(chuàng)新工業(yè)時代。最能夠準確表達新工業(yè)時代的就是工業(yè)4.0項目倡導的智能工廠概念，智能工廠是通過在生產系統(tǒng)中配備CPS來實現(xiàn)的。相對于傳統(tǒng)生產系統(tǒng)，智能工廠的產品、資源及處理過程因CPS的存在,將具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節(jié)約中也頗具優(yōu)勢。

智能工廠按照重視可持續(xù)性的服務中心的業(yè)務來設計,因此，服從性、靈活性、自適應以及學習等特征、容錯能力,甚至風險管理都是其中不可或缺的要素。

智能工廠的裝備將實現(xiàn)高級自動化，主要是由基于自動觀察生產過程的CPS的生產系統(tǒng)的靈活網絡來實現(xiàn)的。通過可實時應對的靈活的生產系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)生產過程的徹底優(yōu)化。同時，生產優(yōu)勢不僅僅是在特定生產條件下一次性體現(xiàn),也可以實現(xiàn)多家工廠多個生產單元所形成的世界級網絡的最優(yōu)化。

這就意味著，創(chuàng)新技術、成本與時間的節(jié)約，擁有培育新市場機會的網絡容量的“自下而上”型生產模式中的革命。

智能工廠的生產相對于傳統(tǒng)制造工業(yè)有如下優(yōu)勢：

由CPS形成最優(yōu)化的生產過程：智能工廠的“單元”決定其活動范圍、設定選項以及生產條件，可與其他單元進行獨立的無線通信。

理想的生產系統(tǒng)，智能編輯產品特性、成本、物流管理、安全、信賴性、時間以及可持續(xù)性等要素，為每個顧客進行最優(yōu)化的產品制造。

為了讓機械服從人類的作業(yè)周期，可對人工進行定制調整。圖3所示是一種工業(yè)4.0智能工廠通道示意圖。

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