在德国工业4.0工作组推荐的一个智能工厂示范点,人们可以看到一个类似科幻的生产制造场景,未来的工人不再是目前大家心目中的身着蓝色工衣,手持各种机械工具的形象,他们如同Google公司一些科技达人,穿着T恤,听着音乐就可以把手头上的生产制造工作完成了。能够实现以上场景的未来制造业,可以基于CPS的不断演进,将在工业4.0体系中得以实现。

工业4.0智能工厂 020.jpg        威廉.拉佐尼克在《车间的竞争优势》一书中明确指出了工业制造中车间的重要性,在工厂的现代管理体系中,工厂的现场管理也是重要的部分。因此,本节结合工厂的演变,解读CPS在未来制造业的重要地位。
        对于CPS和智能工厂,目前似乎存在很多混淆视听的说法,一方面学术界为了凸显CPS的价值,认为CPS可以利用到所有场景下去,另外一方面一些提供信息化解决方案的供应商,认为智能工厂的解决方案就是CPS的解决方案。以上两种看法都有问题,前者忽视了智能工厂还有其他非CPS系统的存在,后者则缩小了CPS可以帮助制造企业解决问题的范围。

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        我们可以看一个基于CPS的智能工厂示意图,在图中,工厂的CPS占据了一半的面积,但在CPS之外,还有诸如MES、CAD、ERP和PLM等应用系统,严格意义上讲,这些系统不属于CPS的一部分,它们是较为独立的一些系统体系。如果非要把系统包含为一体,或许工业4.0技术体系中的智能工厂才是最好的概念。
        作为第一次工业革命最大的成就,工厂是其中一个创造,由于有了工厂的存在,才有了工人的产生,生产制造才作为一种产业开始显现,工业革命才第一次有了核心的地方去不断创新,不断提升生产力,一次又一次的提升人类的生产效率。试想如果没有工厂的存在,第二次工业革命的流水线、第三次工业革命的数控设备等,将成为无本之木、无源之水,是难以在工业发展进程中出现的,也难以在人类生活中产生巨大影响,因此就谈不上什么工业革命了。

工业4.0智能工厂 024.jpg        在工业4.0体系中,传统的工厂将因为应用CPS等技术,成为了智能工厂,这将促使工厂内的生产力大大提升,其生产的柔性也将大大提高,一条生产线可以实现更多的产品型号的生产,从而最终实现大规模个性化生产的目的。因此,CPS在工厂的应用是智能工厂的一部分。
        当然,在制造企业的研发、制造、运营和营销等多个环节中,CPS仍然大有所为,例如,CPS还可以利用到供应链的管理中,通过原材料工厂的CPS应用,并跟工厂的CPS系统连接起来,可以实现网络化CPS系统,这就为智能产品的出现奠定了基础。

工业4.0智能工厂 025.jpg        对于产品来讲,其初期的形态是原材料,原材料被工厂采购回来之后,根据将来加工制造的需要,分别要进入不同的生产工厂或流水线,生产制造管理系统将根据生产计划安排,让工人或者物料系统把这些生产资料运送到具体的位置。传统的工厂一般是通过工人根据标签进行判断,安排这些生产资料进入相应的生产线去的,这种场景我们很容易在一家汽车生产车间看到。不过,在未来基于CPS的生产制造中,生产资料在进入生产体系之前就赋予了CPS能力,它一个具有智能的生产资料,它会进行自我描述,可以跟同样赋予了CPS能力的生产线进行对话,生产线可以根据对话的结果,智能化的安排相关生产制造计划。

工业4.0智能工厂 021.jpg        按照德国工业4.0体系所设想,智能产品将集成有动态数字存储器、感知和通信能力,承载着在其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息。在这样的情况下,智能产品具有三个方面的特征:
        智能产品是信息的载体,智能产品产品在整个完整的供应链和生命周期中都一直带有自身信息;
        智能产品是一个AGENT(中文可以翻译为代理,人工智能术语),智能产品将会影响其所在环境;
        智能产品具有自我监测能力,产品会对其自身状态和环境进行监测。

工业4.0智能工厂 028.jpg        对于智能产品的第一个特征来讲,拥有自我识别和描述的信息,是一个基本要求,同时还可以包含大量的生产或销售信息,当然,这些信息可以在生产过程中附加上去。例如,对于一个在生产制造流程中的智能产品来讲,智能产品自己可以对自己进行描述,例如,“我将在2015年2月10日生产,2015年2月14日出厂,并要求运送到清华大学东门。”
        在智能产品进入生产制造流程中的时候,该产品还会作为一个代理,对周围的环境进行感知和产生影响,例如,在生产线上的智能产品可以对智能生产线发出指令,“请握紧我的左边把柄。”

工业4.0智能工厂 030.jpg        智能产品还可以对自己不断进行监测,并根据自身状态和环境做出恰当的反应,例如,已经被某智能生产线加工了10多分钟的智能产品,可能会发出指令,“我已经被加工10分钟,请把我传送到下一个生产线环节。”

工业4.0智能工厂 027.jpg        以上描绘的智能产品具有的三个特征,是CPS赋予产品的功能,这也是CPS应用所产生的价值。在生产制造领域采用CPS,将给产品赋予大量的智能,结合到智能工厂拥有的智能设备、智能流水线和智能管理设备等,智能产品将跟他们产生大量的交互,从而使得智能产品在智能工厂实现所谓智能制造,这就是未来制造业的图景。

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