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工业4.0系列专栏——工业4.0的6个认知误区,您占了几个?

—— 工业4.0系列谈之六

2015/8/17    来源:e-works    专家:朱铎先      
关键字:工业4.0  智能工厂  CPS  兰光创新  
本讲回顾了几个有关工业4.0的常见认知问题,希望有助于大家对工业4.0的进一步理解。
    工业4.0是兴起于德国、风靡全球的一次新技术革命。德国学术界和产业界普遍认为工业4.0概念是以智能制造为主导的第四次工业革命,旨在通过充分利用信息通讯技术和网络物理系统等手段,将制造业向智能化转型。
 
    虽然工业4.0愿景远大,技术尖端,涵盖的内容广泛,但对其主要概念理解起来也并不复杂,可简单归纳为“123”,即1个核心——CPS赛博物理系统,2个主题(智能工厂与智能生产),3项集成(纵向集成、端对端集成、横向集成),再外加“双领先的策略”。如果能正确理解这些概念,就能很好理解德国工业4.0的实质,可以很好地指导企业战略、战术的制定及实施。
 
    下面我们就一起梳理一下6个常见的认知误区,希望能起到抛砖引玉的效果,促进大家对工业4.0的进一步理解。
 
    一、CPS核心概念认识有偏差:Cyber非信息
 
    CPS是赛博物理系统(Cyber-Physical Systems)的缩写,是工业4.0的核心。目前,国内学界很多人将CPS翻译成信息物理系统,有些人将CPS理解成了信息化与工业化的结合,从严格意义上来说,这是不准确的。
图1 CPS在工业4.0中的位置
图1 CPS在工业4.0中的位置
 
    针对CPS的概念,笔者曾在2015年7月13日《人民邮电报》的《透视智能化转型之二•赛博物理系统:智能制造“炼金术”》一文中进行了重点阐述,下面再简单回顾一下,请大家参考。
 
    CPS是一个包含计算、网络和物理实体的复杂系统,通过3C(Computing、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,通过人机交互接口实现和物理进程的交互,使赛博空间以远程、可靠、实时、安全、智能化、协作的方式操控一个物理实体。在制造业中,通过CPS系统,将智能机器、存储系统和生产设施融入到整个生产系统中,并使人、机、料等能够相互独立地自动交换信息、触发动作和自主控制,实现一种智能的、高效的、个性化的、自组织的生产方式,推动制造业向智能化转型。
 
    Cyber是Cybernetics的字根,来源于希腊语,原意为掌舵术,包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的涵义。这个词最早用于科学术语是美国数学家、控制论创始人维纳在1948年出版的《控制论(Cybernetics)》。1954年,中国航天之父——钱学森先生在其名著《工程控制论(Engineering Cybernetics)》又再次使用了这个词。在钱学森的《工程控制论》英文版中,将“Cybernetics”明确定义为“机械和电机系统的控制和导航科学”。
 
    工业4.0北京研究会的研究人员经考察后发现,该词在社会学上得到了更早的应用。1834 年,著名的法国物理学家安培在对科学进行分类时(见《论科学的哲学》),就把管理国家的科学称为“控制论”(Cybernetique)。
 
    从以上的应用案例来看,Cyber的含义与“信息”二字无关,更接近于“控制”。至于这个单词如何翻译,兰光创新认为,既然美国人都没有合适的语言,尚且借助于希腊文,我们建议直接用音译“赛博”可能更好些,能较好地避免歧义。
 
    对于CPS,我们不能简单地理解为信息化系统与工业设备的简单相加。CPS系统是一个包含无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等科学在内的系统工程,它具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治等功能,是智能制造的核心与基础。 
 
    二、智能工厂:解释有疏漏
 
    “工业4.0”项目主要分为两大主题(也有人加上了智能物流、智能服务等,本文以2个主题为例进行阐述):
 
    一是“智能工厂”,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;
 
    二是“智能生产”,主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。
 
    在这里,兰光创新发现有些人对“智能工厂”的理解不全面。
 
    前面一句“智能化生产系统及过程”,是说除了包括智能化的机床、机器人等生产设施以外,还包括对生产过程的智能化管控系统,如果换成信息化术语,在车间层面就是智能化的MES制造执行系统。而后面一句:“以及网络分布式生产设施的实现”,是指将生产所用的生产设施(如机床、热处理设备、机器人、AGV、测量测试等各种数字化设备),进行互联互通、智能化的管理,实现信息技术与物理设施的深度融合,这是CPS系统在制造企业中的具体应用,是整个智能工厂的基础。
图2 工业4.0参考架构中不同角度的展示
图2 工业4.0参考架构中不同角度的展示
 
    从工业4.0白皮书的对“工业4.0参考架构”定义中,也可以看出,设备的互联互通及智能化管理,是工业4.0的重要组成部分。
 
    然而,在书籍或文章中,对智能工厂后半句进行阐述的很少。
 
    三、纵向集成:理解不全面
 
    有些人把纵向集成理解成了ERP、MES等信息系统之间的集成,这是不全面的。
 
    我们先从德国的定义上看。纵向集成的全称为“纵向集成和网络化制造系统”,其实质是“将各种不同层面的IT系统集成在一起(例如,执行器与传感器、控制、生产管理、制造和执行及企业计划等不同层面)”(摘自德国工业4.0战略计划实施建议),也就是说将企业内不同的IT系统、生产设施(以数控机床、机器人等数字化生产设备为主)进行全面的集成,目的是建立一个高度集成化的系统,为将来智能工厂中数字化、网络化、智能化、个性化制造提供支撑,其范围远超过信息化系统之间的集成。
 
    我们再从德国人的图上看:
图3 纵向集成和网络化制造系统
图3 纵向集成和网络化制造系统
 
    该图可理解为由三部分组成:
 
    左上角,在云丛之中有三个服务器,表示信息化系统以及信息化系统之间的集成关系,并说明将来这些系统有可能部署在云端,这点大家都能看出来。
 
    但在这个图的中央,用更大的篇幅展现了各种生产设备,并且用显眼的WIFI符号标明了这些设备是具有网络通讯功能的数字化设备。
 
    在图的右侧是一个计算机,表明这是信息化系统,而计算机内的设备之间用虚线连接起来,明显地告诉我们,这些设备之间具有通讯,甚至是采集、分析、决策、执行等功能,是一种网络化制造系统。
 
    因此,纵向集成可理解为三个层面:
 
    1、企业内部ERP/MES/DNC/MDC等信息化系统之间的深度集成;
 
    2、通过设备联网,将各种数字化设备建成网络化、集中管控的设备网络化管理系统;
 
    3、信息化系统与设备层之间,具有指令下发、状态反馈、动态调整等功能,体现信息技术与物理设备之间的深度集成。
 
    从以上分析看,纵向集成不能只从信息化系统方面进行解读。
 
    四、三项集成:顺序不对
 
    经常看到有些文章中说,工业4.0有三项集成:纵向、横向和端对端,说起来朗朗上口,但实质上出现了顺序不对的问题。兰光创新认为,“纵向、端对端、横向”的顺序不能错,正反两个方向说都可以,德国人倾向用“横向、端对端、纵向”,由大到小的顺序,这可能与工业4.0白皮书是个规划性的文件有关。中国人喜欢说成“纵向、端对端、横向”,是由小到大,由简单到复杂的顺序,符合我们循序渐进的传统思想。但,如果将“端对端”放到最前或者最后,从严格意义上来说都是有问题的。
图4 工业4.0的三项集成
图4 工业4.0的三项集成
 
    有关这三项集成的概念,我们已经在第二讲中进行了详细的解读,这里就不再赘述。
 
    简单地讲,纵向集成是一个企业内部的集成,包括企业内部信息化系统之间、信息化系统与生产设备之间的集成,是点的概念,是其他两个集成的基础;端对端是围绕产品生命周期企业间的集成,是产品价值链的集成,是线(或叫链)的概念;横向集成是以供应链为主线,企业间之间的集成,是社会化合作的重要基础,是生态圈、是网的概念,也是难度最大的集成。
 
    德国工业4.0战略中,希望通过以上三个集成,全面打通企业内部(信息化系统及生产设备)、企业之间、社会化的集成、协同,实现灵活、个性化、高效、社会化、智能化的生产。
 
    五、对工业4.0的认知:重硬轻软
 
    与一些学者和企业交流时,兰光创新发现普遍存在重硬件轻软件,重硬实力轻软实力的特点。很多人不远万里去德国机床展或者先进企业参观学习,回来后谈论最多的是德国的生产设备多么先进,机器人多么普及,而很少关注人家用的什么软件系统,信息技术和物理设备是如何深度融合的,几乎无人谈及那些企业在员工培训、人才培养、工作组织、企业管理、人文关怀等软实力方面的建设。
 
    一说到“2.0补课、3.0普及、4.0示范”,大家都认同,但仔细听听,更多地是聚焦在自动化设备的补课与普及,最典型的就是“机器换人”行动,而很少谈及如何“补上、普及2.0、3.0的软实力”。
 
    我们必须深刻地认识到,德美等发达工业国家已经走完了工业2.0、3.0的历程,他们200多年工业文明所沉淀下来的软实力,如严谨的态度、敬业的精神、团队合作、科学的企业管理、成熟的社会化协作等等,是我们所不具备的,是我们必须要“补上”、也必须要“普及”的。机床、机器人等硬件设施,只要有资金就可以快速补上,而这些无形的软实力,恰恰是我们转型升级过程中绕不过去的关键,是一个需要长期积累的过程,也是企业甚至国家最核心的竞争力。
 
    基于以上思考与研究,兰光创新在国内首次提出了“CPPS人机网三元战略”,就是呼吁大家要重视“人”在本次革命中的重要意义。CPPS是Cyber-Person-Physical System的缩写,Person指的是劳动者及其技能、素养、精神、组织、管理等。CPPS体现了以人为本,人与赛博、物理虚实两世界的融合、迭代发展,构建以赛博智能为目的的人机网三元战略。
图5 中国特色的CPPS人机网三元战略
图5 中国特色的CPPS人机网三元战略
 
    兰光创新认为,企业在制订工业4.0落地战略时,不仅要在先进技术、智能设备上有所突破,更应该发挥人力资源相对充沛的优势,充分发挥人的潜力,在人才培养、企业管理、创新能力等软实力方面快速提升,才能确保工业4.0在企业的成功落地,才能有胜出德美列强的机会!
 
    六、对工业4.0战略及两个领先的策略:认知不到位
 
    在交流过程中,兰光创新发现很多人不了解德国的“双领先策略”,只简单地认为工业4.0是一次工业革命,是德国为了提高自身竞争力的一种战略,从技术方面了解的多些。实际上,工业4.0战略的根本目标是“确保德国制造业的未来”,为实现这一根本目标,德国人还制订了“双领先策略”。
图6 德国工业4.0的“利箭”战略布局图
图6 德国工业4.0的“利箭”战略布局图
 
    第一个是“领先的供应商策略”。在工业4.0白皮书中,德国人说的很清楚:“领先的供应商策略是从设备供应商行业的视角专注于工业4.0 。德国的设备供应商为制造业提供世界领先的技术解决方案,并藉此成为工业4.0 产品全球领先的开发商、生产商和市场先导”。通过此策略,实现工业4.0软硬件及“系统的系统”的解决方案,形成事实上的全球标准,将中国等国家由竞争对手变为方案倾销市场,兵不血刃地占领,这也就是为什么德国西门子、SAP等方案供应商成为工业4.0的最大推手,也是为什么默克尔总理等政要不遗余力推广工业4.0的重要原因。
 
    第二个是“领先的市场策略”,强调将德国国内制造业作为主导市场加以培育,率先在德国国内制造企业加快推行“工业4.0”与实施CPS赛博物理系统,进一步壮大德国制造业。也就是说,用工业4.0的理念、技术手段等将德国国内企业武装起来,提升其生产效率与竞争力,确保在全球竞争中占据主动地位。在这个策略上,大家都可以理解。
 
    因此,兰光创新认为,我们在研究、学习工业4.0的时候,要有清醒的认识,工业4.0既是指导我们前行的指明灯,同时,也存在着一定的陷阱。我们不要感觉到德国的生产管理模式好,就不顾企业的实际情况,在短时间内购买大量的机器人等高端设备,中了德国人“领先的供应商战略”的“圈套”;还要记住,德国工业4.0是”确保德国制造业的未来”,并非适用于所有国家与所有企业,我们一定要将工业4.0的“确保德国制造业未来”战略目标,转化成“确保自己企业的未来”。着眼未来、立足当下,既要汲取德国工业4.0的精华,又不要死搬教条、盲目跟风,要以“中国制造2025”为宗旨,以“创新驱动、质量引导、绿色发展、结构优化、以人为本”为方针,扬长补短,制定适合自己企业的战略、战术,确保自己企业的未来!
 
    本讲回顾了几个有关工业4.0的常见认知问题,希望有助于大家对工业4.0的进一步理解。 
 
    至此,“工业4.0系列谈”6讲全部讲完了,感谢大家长期的支持与帮助。兰光创新将在适当的时候,推出“工业4.0之数字化车间实践”系列专栏,向大家汇报兰光创新是如何在深入理解工业4.0的基础上,结合中国企业实际情况与各行业特点,在数字化车间方面所进行的实践与探索,希望通过共同交流,共同促进工业4.0在中国的落地,共同促进中国智能制造的发展,欢迎大家的继续关注,谢谢!
责任编辑:王慧敏
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