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智慧工厂：中国制造业探索实践 [:1704011769]
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智慧工厂：中国制造业探索实践 2.3.3 德国“工业4.0”计划
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德国“工业4.0”已经超越美国“第三次工业革命”和3D打印概念，成为工业界最热点的话题。“工业4.0”愿景中描绘的第四次工业革命实质上就是打造基于信息物理系统的“智能制造”模式，实现物联网、数据和服务联网。
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1.计划概述
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“工业4.0”计划是德国2012年3月正式启动的“高技术2020战略行动计划”列出的十大“未来计划”之一，参与者包括代表德国教育与研究部的德国国家科学与工程院、德国人工智能研究中心、弗劳恩霍夫研究所、“‘东威斯特法伦-利普’智能技术系统”尖端研究组、“智能工厂”计划，以及西门子、博世、FESTO、TRUMPF、SAP等德国领先的工业和软件企业。
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目前，德国建立了“工业4.0平台”，由德国信息技术/通讯和新媒体协会（BITKOM）、德国机械设备制造业联合会（VDMA）以及德国电气和电子工业联合会（ZVEI）3个专业协会共同建立秘书处，为关键的优先主题制订研发路线图。这3个协会在2013年初进行了“工业4.0前景”调查，对278家企业的调查显示，47%的企业已经积极参与“工业4.0”计划，18%的企业参加了对该计划的研究，12%的企业则已经开始实施“工业4.0”计划。
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“工业4.0”计划已经从德国“高技术2020战略行动计划”处获得2亿欧元投资，启动了包括信息物理生产系统、信息通信技术2020、工业4.0自动化等至少45个研究项目，2012年启动的“‘东威斯特法伦-利普’智能技术系统”尖端研究组是其中最大的项目。此外，在“高技术2020战略”框架下开展的“信息通信技术（ICT）2020——创新研究”计划以及“智能服务——基于网络的商业服务”计划都与“工业4.0”密切相关。
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2.要点分析
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德国“工业4.0”计划的要点可以概括为：建设一个网络、研究三大主题、实现三项集成、实施八项计划。软件密集型嵌入式系统是德国的强项，在“工业4.0”中继续作为发展的一个核心，信息物理系统就衍生自网络化嵌入式系统，并将最终前进到物联网、数据和服务互联网，这也是“工业4.0”的一个愿景。能够表现“工业4.0”的中心特征的3个范本是智能产品、智能机床和增强的操作员。
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总的来看，“工业4.0”计划的核心就是通过信息物理系统网络实现人、设备与产品的实时连通、相互识别和有效交流，从而构建一个高度灵活的个性化、数字化的智能制造模式。在这种模式下，生产由集中向分散转变，规模效应不再是工业生产的关键因素；产品由趋同向个性转变，未来产品都将完全按照个人意愿进行生产，极端情况下将成为自动化、个性化单件制造；用户由部分参与向全程参与转变，用户不仅出现在生产流程的两端，而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。
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德国学术界和工业界将制造业领域的技术渐进性进步描述为工业革命的四个阶段，即“工业4.0”的进化历程。在未来，基于信息物理系统的智能化将使人类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。产品全生命周期和全制造流程的数字化以及基于信息通信技术的模块化集成，将形成一个高度柔性、定制化、数字化的产品与服务的生产模式，即实现“工业4.0”。
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信息物理系统是物联网的基础，而物联网与服务互联网的结合使“工业4.0”成为可能。在2009年的“嵌入式系统国家路线图”中，信息物理系统将最终走向物联网、数据和服务互联网。“CPS综合研究议程”计划确认了2025年前信息物理系统的4个重大研究领域：能源、移动性、健康和工业（见图2-4）。ICT是所有未来互联网需求领域的创新动力，“ICT 2020——创新研究”计划特别注重复杂系统的ICT、新业务过程和生产方法以及物联网和服务互联网，有关软件系统和知识处理的研究分为以下3类：
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1）嵌入式系统，尤其是与电子器件、通信技术和微系统技术相联系的软件密集型嵌入式系统。
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2）电网应用和基础设施的仿真现实，虚拟/增强现实和环境智能，面向高性能计算的仿真、信息后勤和软件开发。
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3）通过语言和媒体技术、实现人-机交互，类生物的信息处理，服务机器人及其可用性。
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图2-4 CPS综合研究议程
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3.“智能工厂”计划
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“智能工厂”计划是一个独立的制造演示验证与研究平台，在一个现实的工业生产环境中测试、开发创新的信息、通信技术及其应用。“智能工厂”计划旨在将工厂自动化与复杂的信息技术集成，日常生活中的消费电子设备和应用将在工业中拓展传统的加工方法，让未来工厂的运行变得更柔性、更高效。
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“智能工厂”计划由欧盟、德国教育与研究部机构等共同发起，参与者包括弗劳恩霍夫研究所以及西门子、博世、FESTO、哈挺、约翰·迪尔、思科等知名企业。“智能工厂”位于凯泽斯劳滕的德国人工智能研究中心，在这些工厂中，以直观和可接近的方式演示着“工业4.0”的关键方面。该计划的中央研究和验证平台是一个混合式验证工厂，可以从一件到批量地生产定制化产品，其中，功能电气组件柔性联网，无线通信系统运行在系统内和全部控制层级中。
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（1）愿景
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在全球化竞争、创新和产品生命周期缩短、定制化的背景下，制造商必须将工厂系统设计得更具柔性和适应性。现代信息和通信技术带来了机遇，如无线传感器网络、语义产品记忆、移动交互和泛在网络接入。随着泛在计算和物联网的普及，现代工厂正在朝智能环境发展，虚拟世界与现实世界间的鸿沟越来越小。
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通过CPS将虚拟世界与现实世界融合，以及随之而来的技术过程与商业过程的交融也通过“智能工厂”概念得到了最好的诠释。在生产系统中部署CPS是智能工厂的本源，智能工厂的产品、资源和工艺都由CPS表征，与经典生产系统相比，它随时都具备质量、时间、资源和成本优势。智能工厂根据可持续的和以服务为导向的商业实践来设计，支持适应性、柔性、自适应能力、学习特性、容错性以及风险管理。
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通过基于CPS的生产系统柔性网络，高级自动化在智能工厂中成为标准，实时响应的柔性生产系统可以让生产过程得到根本优化，生产可以根据自适应、自组织生产单元的全球网络实现优化。这在创新、成本和时间节省方面是一次生产革命，也建立了一个自下而上的生产价值创造模型，其联网能力能创造新的和更多的市场机遇。工业4.0智能工厂流水线如图2-5所示。
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