當前，工業(yè)發(fā)展正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)：一方面顧客的需求越來越高，既希望產(chǎn)品更新穎、具有個性化、物美價廉，又要求出貨周期越短越好。另一方面，產(chǎn)品制造的原料卻日益貧乏，可持續(xù)發(fā)展的要求越來越迫切。為應對這些挑戰(zhàn)，研究機構(gòu)和企業(yè)都將未來發(fā)展的目光聚焦于數(shù)字制造，通過物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)服務和數(shù)據(jù)實現(xiàn)真實世界和虛擬世界的連接，滿足制造需求。
未來，機器、零部件、商品和交通工具都會含有內(nèi)嵌式系統(tǒng)，而微型計算機、傳感器、制動器之間也會相互連接。這些都為生產(chǎn)革命的又一次騰飛奠定了基礎(chǔ)，為迎接工業(yè)4.0的到來做好了準備。
工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化變革
數(shù)字化變革將推動智能制造的發(fā)展。那么，智能制造會如何在下一代生產(chǎn)中發(fā)揮作用?未來，從銑床到焊接機器人，所有的機器都會通過網(wǎng)絡(luò)相互連接。每個工件也都會有各自的嵌入式系統(tǒng)來存儲信息，如客戶想要的工件形狀及成品信息。這些工件能識別并定位原始部件，它們不僅熟悉必要的生產(chǎn)進程，還與機床網(wǎng)聯(lián)，能夠與其它工件協(xié)作決定什么時候開始一個生產(chǎn)步驟。未來，當某個特定環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，整個生產(chǎn)線將不會因此停滯。相反，相關(guān)的工件和生產(chǎn)機器將重新調(diào)整處理順序，保障生產(chǎn)線的正常運行。這是一個“自我管理”的適應性制造過程，不再需要人工的全程干預，但仍保證在人的總體管控之下。
為了使智能生產(chǎn)平穩(wěn)運行，參與的工作人員和機器人需要不斷地上傳他們手頭的操作信息，比如“磨損的零件大概還能支撐多久”等實時情況。通過這些信息，工廠里發(fā)生的一切都會在虛擬現(xiàn)實中被模擬出來。專家們把這種真實世界與虛擬世界的聯(lián)系稱之為“信息物理系統(tǒng)(CPS，cyber-physical system)”。經(jīng)濟發(fā)展有望從工業(yè)的數(shù)字化變革中獲得以下利好：一方面，未來工廠的靈活運轉(zhuǎn)將實現(xiàn)按需制造，即根據(jù)顧客的具體需求進行生產(chǎn)制造。另一方面，運行的生產(chǎn)線在任何時候加入新機器都不會對正常的生產(chǎn)產(chǎn)生影響。屆時，機器利用率得到提高，資源消耗將減少，次品率也會降低。
什么是“設(shè)備適配器”
實現(xiàn)智能工廠的另一個重要前提是機器之間、機器與更高水準的計算機系統(tǒng)之間，以及機器、零部件和生產(chǎn)工人之間訊息的傳遞。然而，鑒于不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備使用的數(shù)據(jù)接口和協(xié)議不同，現(xiàn)有設(shè)備間的信息傳遞受到阻礙。為此弗勞恩霍夫機床研究中心與開姆尼茨加工機械和成型技術(shù)研究所(IWU)的專家們研發(fā)了一款工業(yè)數(shù)據(jù)接口——“設(shè)備適配器(Plant Adapter)”用于解決該問題。“設(shè)備適配器”是一種軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，可以解決一般情況下機器與生產(chǎn)制造過程中其它部件的連接問題。“設(shè)備適配器”廣泛地收集生產(chǎn)制造及機器相關(guān)的信息，為其在獨立的平臺上顯示和處理做準備。“數(shù)據(jù)作為一種資源將會越來越受重視。” IWU數(shù)字化制造牽頭人Tino Langer博士解釋道：“需要新的方法進一步提升制造環(huán)境中數(shù)據(jù)的價值。”
未來的汽車制造是什么樣的
工業(yè)研究部門正合力推進“自助工廠”的實現(xiàn)。弗勞恩霍夫協(xié)會會長Reimund Neugebauer教授指出：“弗勞恩霍夫在生產(chǎn)制造、工程機械、物流、嵌入式系統(tǒng)、信息安全及通信技術(shù)方面經(jīng)驗頗豐。我們可以為未來的生產(chǎn)制造打下重要基礎(chǔ)，為智能化網(wǎng)聯(lián)化的生產(chǎn)制造提供解決方案。這樣，我們就能不斷為德國創(chuàng)造價值。”目前，研究人員正通過多個項目探索未來工廠的建設(shè)，包括靈活生產(chǎn)的設(shè)計，人在智能制造中發(fā)揮的作用以及企業(yè)如何控制其數(shù)據(jù)。弗勞恩霍夫的專家們不僅致力于為工業(yè)4.0的發(fā)展提供重要支撐，而且正在制定智能制造的宏觀概念。例如，弗勞恩霍夫制造工程和自動化研究所(IPA)正在和斯圖加特大學、工業(yè)領(lǐng)域的同事一起參與ARENA2036項目，致力于重新設(shè)計未來汽車制造的發(fā)展以及整個生產(chǎn)制造的價值創(chuàng)造鏈。IPA負責人Thomas Bauernhansl教授解釋說：“我們正在調(diào)查汽車制造領(lǐng)域的一個全新概念，即無周期無生產(chǎn)線制造，通過連接輕量進程和觸覺機器人形成高效可調(diào)整的物流系統(tǒng)。同時，我們還在推動直觀的可配置信息交換系統(tǒng)的建成。”
如何提高工廠的應變力
要想實現(xiàn)創(chuàng)新周期更短和產(chǎn)品定制化，不僅需要靈活的生產(chǎn)線，還需要工廠具備迅速將生產(chǎn)線調(diào)整到生產(chǎn)新產(chǎn)品的能力。弗勞恩霍夫光電子、系統(tǒng)技術(shù)和圖像開發(fā)研究院(IOSB)副主任Ing. Olaf Sauer博士認為，“工業(yè)4.0 IT架構(gòu)面臨的一大挑戰(zhàn)就是應變能力，舉例來說，生產(chǎn)新產(chǎn)品時可能要面對新設(shè)備或新程序的加入，或者是整個生產(chǎn)體系的變化。”在“SecurePLUGandWORK”項目中，科學界和企業(yè)界正合力將智能工廠連接起來。他們的想法是：類似于電腦的USB接口，任何部分都會識別出變化并自動反應。
下一代生產(chǎn)革命的人才需求
未來，人們想在智能工廠找到自身的定位，就需要新的人機接口，即智能設(shè)備。這些移動設(shè)備裝有多種傳感器，并通過無線網(wǎng)絡(luò)相互連接。例如，可以將一款只有杯墊大小的Coaster®移動設(shè)備運用在物流中，該設(shè)備不僅有照相功能和展示功能，還能通過多種接口與其它機器交流。不過，這類移動動設(shè)備的實際功能由其運行的應用程序決定。例如，Coaster®借助運行的應用程序可以顯示機器的能耗、運行時間和機器錯誤信息。為了向生產(chǎn)工人實時反映生產(chǎn)過程的信息，弗勞恩霍夫制造工藝研究所(IPT)正從以用戶為核心的視角設(shè)計一款軟件平臺“oculavis”。oculavis可以和終端設(shè)備的應用程序一起使用，如智慧眼鏡或平板電腦，這樣就能最優(yōu)化地控制工人的流向和輸出的信息流。在博世匈牙利工廠，oculavis使用智慧眼鏡幫助從未受過訓練的員工在短時間里實現(xiàn)了復雜程序的安裝。今年五月，IPT將和一家初創(chuàng)企業(yè)加強該程序的性能并推動其商業(yè)化。
工業(yè)數(shù)據(jù)空間保障信息安全
數(shù)字化在帶來變革的同時也會引發(fā)一些風險。在所有組件都互相網(wǎng)聯(lián)的情況下，如何保障信息不受越權(quán)存取的侵擾?企業(yè)又如何保證對數(shù)據(jù)的掌控權(quán)?為此，弗勞恩霍夫和德國聯(lián)邦政府及企業(yè)聯(lián)盟代表共同研發(fā)出國際化、開放并且安全的數(shù)據(jù)空間——工業(yè)數(shù)據(jù)空間(the Industrial Data Space)。在這個空間，企業(yè)可以在受保護的區(qū)域內(nèi)依據(jù)自定義的規(guī)則交換數(shù)據(jù)，既不用放棄對自身數(shù)據(jù)的掌控權(quán)，又確保了數(shù)據(jù)的安全。
歐洲能否從第四次工業(yè)革命中獲利?答案是肯定的。根據(jù)羅蘭貝格代表德國工業(yè)聯(lián)盟(BDI，Bundesverband der Deutschen Industrie)開展的調(diào)研結(jié)果顯示，制造業(yè)的數(shù)字化變革將給歐盟帶來巨大的機遇。到2025年，歐盟工業(yè)生產(chǎn)總值將實現(xiàn)1.25萬億歐元的增長。如果邁向工業(yè)4.0的進程取得了實效性進展，僅德國就會實現(xiàn)高達4250億歐元的額外增加值。然而，網(wǎng)聯(lián)化、高效的生產(chǎn)及新型商業(yè)模式也承擔著某些風險：如果德國工業(yè)失去其在價值創(chuàng)造方面的領(lǐng)導地位，將承受多達2200億歐元額外增加值方面的經(jīng)濟損失。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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