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工业4.0的特征:以互联网和 物联网为 双向驱动
发布时间:2018-12-12 09:27 发布作者:新北仪 浏览次数:

落后的人力劳动已经无法满足现代化制造业的需求,一些发达国 家 很早就 开始投入自动化技术去提升生产力。使 得最近几十年以来,随着各种产品的信息化、数字化和网络化,制造业 本身的生产结构也变得更复杂、更精细、更自动。生产线 和生产设备内部的 信息流量,以及管理工作的数据剧增,以往的自动化系 统在信息处理能力、效率和规模上都已经难以满足 制造业 的 更高需求。新一代 信息技术的 应用在一定程度上解决了这一难题。

当今,全球正在出现以互联网为代表的新一轮工业革命创新浪潮。而变革的核心也是互联网等新一代 信息技术的应用。当新的形态开始注入制造业领域时,一个全新的 挑战也随之开始,那就是让制造业由机械化、电气化、数字化,转向网络化、数 据化和智能制造的挑战。

(一)规律: 从工业化到智能化的演变

      传统工业化的技术特征是利用机械化、电气化和自动化,实现大规模生产和批量销售。在当前复杂的国际竞争中和 中国环境下,为提升 中国制造业在全球产业价值链中的地位,解决制造业大而不强的问题,必须从传统 生产 方式向智能化生产方式转变。

 

 

图1 工业化的发展规律

 

       现代 工业化的 技术特征,除了物理系统(机械化、电气化、自动化)之外,还要通过融合信息系统(计算机化、信息化、网络化),最终实现信 息物理系统(智能化)。“工业4.0”时代,中国制造业向智能化发展,存在着巨大 的空间和潜力。目前,中国 正处在工业化 的 发展进程之中,经济的崛 起必定首先依托制造业。新一轮工业革命在带来诸多挑战的同时, 也将为中国新 一轮制造业发展提供许多难得“契机”。因为,历史经验表明,每 一次工业革命都为后发国 家成功实现赶超 提供“契机”,英、德、美、日等都是通过把握工业革命的机遇而成功 的。就中国制造业转型升级 而言,新一轮 工 业革命将会同样带来赶超发展的“契机”。

       以前,中国制造业技术 含量不高,一直处于国际产 业价值链的低端环节。 工业和信息化深度融合有效地为制造业的网络化、智能化发展奠定了殷实的基础。毫无疑问,“工业4.0”时代,新一轮工业革命 将更快速地 带动两化深度融合。信息技术  向制造业全面嵌入,将打 破传统的生产 流程、生产模式和管理方式。生产制造过程与 业务管理系统的深度集成,将实现对生产要素的高度灵活配置,实现大规模定制生产。从而,将有力推动传统制造业加快转型升级的步伐。

(二)规律:内、外部 的网络 协同

       “工业4.0”定义了制造商、供应商乃 至开发商之间 的网络 协 同结构,主要 目的是实现市场与研发的协同、研 发与生产的协同、管理与通信的协同,从而形成一个完整的制造网络,由多个制造企业或参与者组成,它们相互交换商品和 信息,共同执行业 务流程。企业、 价值链和 产品生 命周 期这三个维度贯穿于各个价值链中的制 造参与者之 间。 居 于上方的是管理职能,下方是制造职能。

       同时“智能工厂”的“智能生产”,重点研究 智能化生产系统及 过程,以及网络化分布式生产设施的实现,其核 心 就是在整个工业生产过程中的应用中,通过信息物理系统(CPS),利用物联网的技术、软件技术和通信技术,加强信息管理和服务,提 高生产过程的可控性,从而实现研发、生产、制造 工艺及工业控制等全方位 的信息覆盖,全面控制各种信息,确保 各个生产制造环节都能 处 于最优状态。从而引 导制造业向智能化转型。

1.内部 网络协同制造

       对于一个制造业企业来说,其内部的信息是以制造为核心的,包括生产管理、物流管理、质量管理、设备管理、人员及工时管  理等和生产相 关的各个要素。传统的制造管理是以单个车间/工厂为管理单位,管理的重点是生产,管理的范围 是制造业内部。

       但是,随着信息技术的进步,很多制造型企 业在发展的不同时 期,根据管理的不同时期的需求,不断地开发了不同的系统,并在企业内部逐步使用,如库存管理系统、生产管理系统、质量管理系统、产品生命周期管理系统、供应量管理系统系统等等。不同的系统来实现不同的功能, 有些系统采用自主开发或不同供应商的系统所组成。 随着企业的发展,要求不同的生 产元素管理之 间的协同性,以避免 制造过程中的信 息孤岛,因此对各个系统之间的接口和兼容性的需求越来越高,即各个系统之间的内部协 同越来越重要。

       尤其是,随着对于制造的敏捷性及精益制造的要求不断提高,靠人工 导入 导出信息已经不能满足制造业信息化的需 求,这就要求在不同系统之间进行网络协同,做到实时的信息传递与共享。

2.外部网络协同制造

       未来制造业中,每个工厂是独立 运作 的模式,每个工厂 都有独立运行的生产管理系统,或者采用一套生产管理系统来管理所有的工厂的操作。但是随着企业的 发展,企业设置有不同的生产基地及多 个工厂,工厂之间往往需要互相调度,合 理地利用人力、设备、物料等资源,企业中每个工 厂之间 的信息的流量越 来越多,实时性的要 求越来越高,同时每个工厂的数据量和执行的速度的要求也越来越高。这就 要求不同工厂之间能够做 到网 络协同,确保实时的信息传递与共享。

       在全球 化与互联网时代, 协同不仅仅是组织内部的 协作,而 且往往要 涉及到产业链上、下游组织之 间的协作。一方面,通过网络协同,消费者与制造业企业共同进行产品设计与 研发,满足个性化定制需求;另一方面,通过网络协同,配置原材料、资本、设备等生产资源,组 织动态的生产制造。缩短产品研发周期,满足差异化市场需求。

       “工业4.0”中 的横向集成代 表生产系统的结合,这是一个全产业链的集成。以往的工厂生产中,产品或零 部件生产只是一个独立过程,之 间没有任何联系,没有 进一步的逻辑控制。外部的网络协同制造使得一个工厂根据自己的生产能力和生产档期,只生 产某一 个产品的一部分,外部的物流、外 部 工厂的生产,包 括销售等整个的全产业链能够联系起来。这样一来,就实现了价值链上的横向产业融合。

(三)未来制造业:缩短工期、降低成本、提高效率、满足定制、减少能耗

       随着信息技术和互联 网、电子商务的普及,制造业市场竞争的新要求出现了变化。一方面,要求制造业企业能够不断地基 于网络获取信息,及时、动态地对市场需 求做出快速反应;另一方面,要求制造业企业能够动态地 将各种资源集成与共享,合理利用各种资源。互联制造能够快速 响应市场变化,通过制  造企业快速重组、动态协同来 快速配置制造资源,提高产品质量的同时,减少产品投放市场所需的时间,增加市场份额。同时,还能够分担基础设施建设费用、设备投资费用等,减少经营风险。制造资源的整合已经突破了企  业和国家的界限,正在变得可以基于互联网从全球范 围内寻求资源,物流、资金流、信息流在全球经  济一体化及互联网的 支持下将突 破区域限制而动态流动,世界将进入一个全球互联 制造时 代。 

       作为一个未来的 潮流,工 厂 将通过互联网和物联网,实现内、外服务的网络化, 向着互联工厂 的趋势发展。随之而来,采集并分析生产车间的各 种信息,向消费者进 行反馈,从工厂采集的信息作为大数据通过解析,能够 开拓更多的、新的商业机会。经由硬件从车间采 集的海量数据如何处理,也将在很大程度上决定服务、解决方案的价值。也就是说,互联制造模式下,制造业企业 将不再自上而下地集中控制生产,不 再从事单独的设计与研发 环节,或者单独的生产与制造环节,或者单独的营销与服务环节。而是从顾客需求开始,到接受产品订单、寻求合作生产、采购原材料或零部件、共同 进行产品设计、生产组装,整个环节都 通过互联网联接起来并进行 实时通信,从而确保最终产品满足大规模客户的 个性化定制需求。

       无处不在的互联网和便捷的物流系 统,使得产品的研发、设计、生产、销售 和服务等 流程未必一定在一个企业、甚至在一个国家内独立完成,而有可能被分解、外包、众包到不同企业,甚至各国各地。未来, 一 个 企业竞争力的强弱不在于拥有多少资源和 多少核心技术,而是信息数据分析能力、资源整合能力、国际化资源能力。 

       这种生产制造的灵活程度代表着制 造业未来的发展  方向,将使企业面对客户的需求变化时,能迅速、轻松地做出响应,并保证其生产具 有竞争 力,满足大规模客户的个性化定制需求,企业本身将实现从单纯制造向“制造+服务”的转型升级。

       无界限、全民化、信息化、传播速度快是互联网的特征。制造业的各个环节通过应用互联网技术,将数字信 息与物理现实社会之间的联系可视化,将生 产工艺与管理流程全面融合,实现“互联网+”协同制造。这样一来,可以一 边设计研发、一边采购原 材料零部件、一边组织生产制造、一边开展市场营销,从而降低了运营成本、提 升了生产效率、缩短了产品生产周期,也减少了能源使用。

 

图2 智能制 造的优势

 

       通过互联网和物联网技术,把处于制造企业与相关的零配件配套企业及用户的 采购、生产、销售、运输等业务在网络 平台上进行资源整合,不仅有助于促进业务流程的直接化和 透明化,还将提高效率、减少交易成本。

       可以说,互联网和物联网影响了人类社会,并对社会发展起了很 大的推动作用,是 如今社会面临的各种变革的最大根源。未来制造业将 通过互联网和物联网技术手段让制造业价值 链上的各个环节更加紧密联系、高效协作, 使得个性化产品能够以高效率的批 量化方式生产,实现所谓的“大规模定制”。未来制造业的智能制造 也将使制造业 的产品形态、设计和制造过程、管理方法和组织结构、制造模式、商务模式发生重大甚至革命性变革,并带动人类 生活方式的大变革。