工業(yè)4.0及智能制造剖析

1、,工業(yè)4.0 理念創(chuàng)新發(fā)展,Industry 4.0 Idea Innovation Development,2,目 錄,戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝,3,目 錄,戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝,4,人類工業(yè)史三次工業(yè)革命使得人類發(fā)展進(jìn)入了空前繁榮的時(shí)代 三次工業(yè)革命產(chǎn)生的弊端 巨大的能源以及資源消耗 巨大的環(huán)境代價(jià)以及生態(tài)成本 21世紀(jì)，人類面臨空前的全球能源與資源危機(jī)、全球生態(tài)與環(huán)境危機(jī)、全球氣候變化危機(jī)的多重挑戰(zhàn) 互聯(lián)網(wǎng)的高度發(fā)展 越來越多功能強(qiáng)大的、自主的微型電腦（嵌入式系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)

2、了與其他微型電腦和互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián) 物理世界和虛擬世界（網(wǎng)絡(luò)空間）以信息-物理系統(tǒng)（CPS）的形式實(shí)現(xiàn)了融合 由此引發(fā)了第四次工業(yè)革命綠色工業(yè)革命,“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，運(yùn)用信息物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的現(xiàn)代化。,發(fā)展背景,基本概念,背景一,5,德國(guó)政府正面臨著數(shù)十年來最嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)與金融危機(jī)的挑戰(zhàn) 經(jīng)濟(jì)與金融危機(jī)加速了全球的知識(shí)競(jìng)賽，人才、技術(shù)和市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)也將進(jìn)一步加劇 重大全球性挑戰(zhàn) 氣候變化 人口增長(zhǎng) 疾病擴(kuò)散 糧食供應(yīng) 化石原料與能源的有限性 工業(yè)基礎(chǔ)雄厚 德國(guó)是全球八大工業(yè)國(guó)之一，其制造業(yè)尤為發(fā)達(dá)，是德國(guó)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的重要拉動(dòng)力 德國(guó)機(jī)械工業(yè)高度現(xiàn)代

3、化、機(jī)械化、高效化 東方命脈 中國(guó)是德國(guó)出口增速最快的國(guó)家之一 過半數(shù)的德國(guó)企業(yè)視中國(guó)為全球范圍內(nèi)最為重要的三大市場(chǎng)之一 于2010年提出德國(guó)高技術(shù)戰(zhàn)略2020,發(fā)展背景,背景二,6,初步概念 2011年德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)（HANNOVER MESSE）上，德國(guó)相關(guān)協(xié)會(huì)提出工業(yè)4.0的初步概念 發(fā)展完善 德機(jī)械設(shè)備制造聯(lián)合會(huì)等協(xié)會(huì)牽頭，德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)下，成立“工業(yè)4.0工作組”進(jìn)一步加強(qiáng)工業(yè)4.0的研究并向德國(guó)政府進(jìn)行報(bào)告 國(guó)家戰(zhàn)略 發(fā)展制造業(yè)是德國(guó)政府高技術(shù)戰(zhàn)略2020確定的十大未來項(xiàng)目之一，“工業(yè)4.0”研究項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教研部與聯(lián)

4、邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手資助，已上升為國(guó)家戰(zhàn)略 正式提出 2013年4月，德國(guó)政府于2013漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出“工業(yè)4.0” 中德合作 2014年10月初，克強(qiáng)總理訪德期間，中德簽署了中德合作行動(dòng)綱要：共塑創(chuàng)新，提出兩國(guó)將開展工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化（工業(yè)4.0）合作,發(fā)展歷程,7,目 錄,戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝,8,總體概念,工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System) 相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)

5、型,總體概念,兩大主題,一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn) 二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用,9,技術(shù)基礎(chǔ),ICT是信息、通信和技術(shù)三個(gè)英文單詞的詞頭組合(Information Communication Technology，簡(jiǎn)稱ICT) 。它是信息技術(shù)與通信技術(shù)相融合而形成的一個(gè)新的概念和新的技術(shù)領(lǐng)域。 近二三十年來，德國(guó)制造業(yè)已成功地利用信息通信技術(shù)（ICT）實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的管理如今，大約90%的工業(yè)生產(chǎn)過程已應(yīng)用ICT技術(shù),ICT,物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）

6、是指通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。 目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。,物聯(lián)網(wǎng),10,技術(shù)基礎(chǔ),信息物理系統(tǒng)（CPS, Cyber-Physical Systems）是一個(gè)以通訊和計(jì)算為核心的集成的監(jiān)控和協(xié)調(diào)行動(dòng)的工程化物理系統(tǒng)，是計(jì)算、通訊和控制的融合，具備很高的可靠性、安全性和執(zhí)行效率。,信息物理系統(tǒng),CPS雛形：1948年Wiener在Cybernetics，or Control and Communication in the Animal and the Mac

7、hine一書所提出控制論以及我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森博士1954在Engineering Cybernetics一書中提出的“工程控制論” CPS官方正式提出來源于2007年美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)咨詢委員會(huì)報(bào)告,發(fā)展過程,11,工業(yè)4.0,12,三個(gè)特征,通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn)橫向集成,工程端到端數(shù)字集成 橫跨整個(gè)價(jià)值鏈,垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng),13,三個(gè)特征,通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成,把產(chǎn)品、機(jī)器、資源、人有機(jī)聯(lián)系在一起，各公司各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期和全制造流程的數(shù)字化 由大規(guī)模批量生產(chǎn)向大規(guī)模定制生產(chǎn)轉(zhuǎn)變 由集中生產(chǎn)向網(wǎng)絡(luò)化異地協(xié)同生產(chǎn)轉(zhuǎn)變 由傳統(tǒng)制造企業(yè)向跨界融合企業(yè)轉(zhuǎn)變 協(xié)同、分享,

8、14,三個(gè)特征,通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成,西門子的阿基米德計(jì)劃并購(gòu)UGS PLM Software 設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的業(yè)務(wù)流程集成并形成閉環(huán)循環(huán) 并行流程針對(duì)多學(xué)科多部門的并行流程 信息交互信息同源化的信息集成 按設(shè)計(jì)制造按客戶和企業(yè)的需求制造 產(chǎn)品仿真產(chǎn)品全生命周期仿真 縮短產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間縮短產(chǎn)品獲得利潤(rùn)時(shí)間 企業(yè)研發(fā)部門創(chuàng)新遍布全球的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò) 硬件與軟件的簡(jiǎn)單連接，信息的全方位集成,15,三個(gè)特征,工程端到數(shù)字端集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈,兩個(gè)特點(diǎn) 在所有終端實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的前提下所實(shí)現(xiàn)的基于價(jià)值鏈與不同公司之間的一種整合 客戶可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)參與和決策并自由配置各個(gè)功能組件 數(shù)字空間物理空間,16,三個(gè)特征,工程

9、端到數(shù)字端集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈,虛擬制造 數(shù)字化模型 計(jì)算機(jī)仿真 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM） Sutherland，終極顯示，1965 MIT林肯實(shí)驗(yàn)室，頭盔顯示，1966 NASA，火星探測(cè)虛擬環(huán)境，1985 3D打印,17,三個(gè)特征,工程端到數(shù)字端集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈,虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì) 虛擬產(chǎn)品性能分析 虛擬加工 虛擬裝配 虛擬測(cè)試 虛擬生產(chǎn)調(diào)度與仿真 連接物理空間與數(shù)字空間,18,三個(gè)特征,垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng),在智能工廠中，制造結(jié)構(gòu)將不是固定和事先定義好的，信息技術(shù)組合規(guī)則為不同情況自動(dòng)形成特定結(jié)構(gòu)。 確保調(diào)節(jié)器和傳感器通訊順暢 開發(fā)工廠模塊以及重新使用戰(zhàn)略 領(lǐng)導(dǎo)者和操作者需要接受

10、培訓(xùn),歐盟“智能工廠”研發(fā)團(tuán)隊(duì)FRAME采用世界上最先進(jìn)的創(chuàng)新型傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，開發(fā)出具有自我意識(shí)、自我學(xué)習(xí)和自我適應(yīng)能力的智能型自動(dòng)控制系統(tǒng)。,英飛凌對(duì)工廠進(jìn)行智能化改造，提供面向物聯(lián)網(wǎng)的半導(dǎo)體解決方案，在2014年6月推出“工業(yè)4.0 試點(diǎn)基地”項(xiàng)目，應(yīng)用于部分芯片生產(chǎn)。其智能卡與安全事業(yè)部全球總裁Stefan Hofschen認(rèn)為在工業(yè)4.0時(shí)代，安全市場(chǎng)也會(huì)增長(zhǎng)。,19,兩個(gè)戰(zhàn)略,20,八大關(guān)鍵,21,八大價(jià)值,22,目 錄,戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝,23,在中國(guó),挑戰(zhàn) 發(fā)達(dá)國(guó)家“去工業(yè)化”“再工業(yè)化” 東南亞、印度

11、等：廉價(jià)勞動(dòng)力 無人化生產(chǎn)社會(huì)的負(fù)面影響 工信部：信息化和工業(yè)化深度融合專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃（2013-2018） 保持經(jīng)濟(jì)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 實(shí)例：三一重工的智能工廠18號(hào)廠房，亞洲最大的總裝車間,24,目 錄,戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝,25,啟示發(fā)展,德國(guó)：工業(yè)4.0 注重硬件制造 中國(guó)：“工業(yè)化”與“信息化”融合 加強(qiáng)硬件制造能力 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：ansys、proe、ug 極端制造 加大投入 GE“1%定律”： 工業(yè)水平提高1%1.5%，收入水平提高25%40% 防止互聯(lián)網(wǎng)過熱,美國(guó)：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 注重軟件、網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù),26,啟示發(fā)展,建立知識(shí)體

12、系間的聯(lián)系 微創(chuàng)新對(duì)行業(yè)內(nèi)人員提出更高要求 科學(xué)技術(shù)與理念概念之間的相互促進(jìn) 信息技術(shù)時(shí)代向大數(shù)據(jù)時(shí)代的轉(zhuǎn)變,27,目 錄,戰(zhàn)略背景 解讀工業(yè)4.0 工業(yè)4.0中國(guó)版 啟示與發(fā)展 總結(jié) 分工 參考文獻(xiàn) 致謝,28,總 結(jié),多品種小批量智能產(chǎn)品的高精度卓越品質(zhì)生產(chǎn)是未來像德國(guó)一樣成功經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì) 80%制造創(chuàng)新基于信息通信技術(shù)，通過信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智慧工廠、綠色和城市生產(chǎn) 第四次工業(yè)革命將基于信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)服務(wù)，它將產(chǎn)生大量的大數(shù)據(jù)流，這些大數(shù)據(jù)能夠被搜集和分析用于指導(dǎo)高效高品質(zhì)生產(chǎn)； 基于信息物理系統(tǒng)的工業(yè)輔助系統(tǒng)能夠支持、幫助和培訓(xùn)智慧工廠的下一代工人； 多通道增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠允許個(gè)性化的工作流程和快速學(xué)習(xí)新產(chǎn)品工藝。,德國(guó)經(jīng)濟(jì)以其強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ)為特征，特別是它的機(jī)械與設(shè)備制造、汽車工業(yè)和能源工業(yè)。工業(yè)4.0的實(shí)施絕對(duì)是對(duì)未來發(fā)展的關(guān)鍵 Ernst Burgbacher 議會(huì)國(guó)務(wù)秘書，聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部部長(zhǎng) 物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)在制造業(yè)中擁有巨大的創(chuàng)新潛力，如果我們成功把基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)整合進(jìn)工業(yè)4.0，將極大地?cái)U(kuò)展這種潛力。 Johannes Helbig博士 工業(yè)-科學(xué)研究聯(lián)盟交流促進(jìn)組織成員 中國(guó)在沒有完成工業(yè)化（電氣化）