德國政府2014年重新發(fā)布“德國創(chuàng)新—高技術新戰(zhàn)略”，提出了六大任務：數(shù)字經(jīng)濟與社會，可持續(xù)商業(yè)與能源，雇傭創(chuàng)新世界，健康生活，智能移動性，民用安全。其中，由德國科學研究聯(lián)盟數(shù)字經(jīng)濟與社會促進組發(fā)起的“工業(yè)4.0”計劃，即是屬于“數(shù)字經(jīng)濟與社會”任務下的一項國家計劃，由政府牽頭，聚集了德國乃至世界最頂尖的工業(yè)企業(yè)以及研究機構，描繪了制造業(yè)的未來愿景。“智慧工廠”計劃作為德國已經(jīng)運行10年的制造演示驗證與研究平臺，率先參與了“工業(yè)4.0”的演示與研究，為其發(fā)展提供了重要支撐。
工業(yè)4.0圖景
一、智慧工廠計劃及其愿景
?。ㄒ唬┯媱?br /> “智慧工廠”計劃于2005年由歐盟、德國教育與研究部等部門和機構共同發(fā)起，參與者包括弗勞恩霍夫研究所以及西門子、博世、FESTO、哈挺、約翰·迪爾、思科等知名企業(yè)。“智慧工廠”計劃是一個獨立的制造演示驗證與研究平臺，創(chuàng)新的信息和通信技術及其應用在一個現(xiàn)實的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中進行測試和開發(fā)。“智慧工廠”計劃旨在將工廠自動化與復雜的信息技術集成，日常生活中的消費電子設備和應用將在工業(yè)中拓展傳統(tǒng)的加工方法，讓未來工廠的運行變得更柔性和更高效。
智慧工廠位于凱澤斯勞滕的德國人工智能研究中心，在這些工廠中，以直觀和可接近的方式演示著“工業(yè)4.0”的關鍵領域。智慧工廠的中央研究和驗證平臺是一個混合式驗證工廠，可以從一件到批量地生產(chǎn)定制化產(chǎn)品，功能電氣組件柔性聯(lián)網(wǎng)，無線通信系統(tǒng)運行在系統(tǒng)內(nèi)和全部控制層級中。
“智慧工廠”——試驗智能技術的演示驗證中心
?。ǘ┰妇?br /> 在全球化競爭、創(chuàng)新和產(chǎn)品壽命周期縮短、定制化的背景下，制造商必須將其工廠系統(tǒng)設計得更具柔性和適應性?，F(xiàn)代信息和通信技術帶來了機遇，如無線傳感器網(wǎng)路、語義產(chǎn)品記憶、移動交互和泛在網(wǎng)絡接入。隨著泛在計算和物聯(lián)網(wǎng)的普及，現(xiàn)代工廠正在朝智能環(huán)境發(fā)展，虛擬與現(xiàn)實世界之間的鴻溝越來越小。
通過賽博物理系統(tǒng)（CPS）將虛擬與現(xiàn)實世界融合，以及隨之而來的技術過程與商業(yè)過程的交融，通過“智慧工廠”概念得到了最好的詮釋。在生產(chǎn)系統(tǒng)中部署CPS是智慧工廠的本源，智慧工廠的產(chǎn)品、資源和工藝都由CPS表征，與經(jīng)典生產(chǎn)系統(tǒng)相比，它隨時都具備質(zhì)量、時間、資源和成本優(yōu)勢。智慧工廠根據(jù)可持續(xù)的和以服務為導向的商業(yè)實踐來設計，支持適應性、柔性、自適應能力和學習特性、容錯性以及風險管理。
通過基于CPS的生產(chǎn)系統(tǒng)柔性網(wǎng)絡，高級自動化在智慧工廠中成為標準，實時響應的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)可以讓生產(chǎn)過程得到根本優(yōu)化，生產(chǎn)可以根據(jù)自適應、自組織生產(chǎn)單元的全球網(wǎng)絡實現(xiàn)優(yōu)化。這在創(chuàng)新、成本和時間節(jié)省方面是一次生產(chǎn)革命，也建立了一個自下而上的生產(chǎn)價值創(chuàng)造模型，其聯(lián)網(wǎng)能力創(chuàng)造新的和更多的市場機遇。
“智慧工廠”概念示意
二、智慧工廠的內(nèi)核——物聯(lián)工廠
“智慧工廠”的內(nèi)核其實就是基于物聯(lián)網(wǎng)的“物聯(lián)工廠”（FoT）。日常環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)正在轉(zhuǎn)變?yōu)楣S環(huán)境的“物聯(lián)工廠”，其概念的內(nèi)核包括物聯(lián)網(wǎng)基礎技術、結(jié)構柔性、內(nèi)容集成、語義描述、全局標準化參考架構，精益技術和精益信息貫穿其中。物聯(lián)工廠主要涉及三個方面：架構、信息管理、用戶支持。
“物聯(lián)工廠”核心技術
?。ㄒ唬┘軜?br /> 新智能現(xiàn)場設備的加入以及分散自動化的提升，對減少集成工作的方法提出了需求。以服務為導向的架構（SOA）概念是一個強有力的將功能軟件模塊與大型IT系統(tǒng)集成的分散式方法，對于自動化技術的軟件架構是一個很好的補充，包括機電一體化功能集成和智能現(xiàn)場設備。研究主題包括從商務軟件到自動化領域的架構轉(zhuǎn)換、方法、協(xié)議和工具，以及工業(yè)現(xiàn)場設備中即插即用原則的實現(xiàn)。研究重點有以下兩個：通過即插即用技術實現(xiàn)設備集成；自動化中的以服務為導向的架構（SOA-AT）。
——通過即插即用技術實現(xiàn)設備集成。主要關注：物理與軟件接口的建模和標準化，提供數(shù)據(jù)以配置現(xiàn)場設備，面向生產(chǎn)環(huán)境的適當即插即用技術的開發(fā)與適配。
——自動化中的以服務為導向的架構。主要關注：面向自動化的、基于以服務為導向概念的統(tǒng)一通信模型構建，在自動化中應用SOA-AT的概念和方法開發(fā)，面向技術實施的技術評價和評估。
“物聯(lián)工廠”架構示意
（二）信息管理
在生產(chǎn)環(huán)境中互連的設備順利執(zhí)行功能以及自主行動的一個必要條件，是對數(shù)據(jù)和信息環(huán)境的清晰表達。自動化“金字塔”的所有層級都產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)和信息，它們都與各自的機器、工廠和設施連接，并且從外部不可見。由于基于生產(chǎn)的數(shù)據(jù)和信息的語義注釋是可視的、依環(huán)境提供的，這種環(huán)境敏感的自動化增加了柔性以及工廠的效率。研究重點有三個：物聯(lián)工廠中語義技術的重要性及其使用；通過環(huán)境敏感的自動化達到生產(chǎn)環(huán)境中柔性的新維度；工廠系統(tǒng)中用于優(yōu)化工藝的空間環(huán)境信息的使用架構。
——物聯(lián)工廠中語義技術的重要性及其使用。主要關注：在生產(chǎn)環(huán)境中識別并處理適當?shù)闹R源（知識獲?。划a(chǎn)品、工藝和工廠的語義描述；生產(chǎn)中服務的動態(tài)定位和自動編排。
——通過環(huán)境敏感的自動化達到生產(chǎn)環(huán)境中柔性的新維度。主要關注：將環(huán)境感知計算原則轉(zhuǎn)移到自動化中；構建統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和接口，以闡明動態(tài)工廠環(huán)境以及數(shù)據(jù)譜系的提取和建立。
——工廠系統(tǒng)中用于優(yōu)化工藝的空間環(huán)境信息的使用架構。主要關注：開發(fā)一種數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)空間環(huán)境信息的統(tǒng)一表達；形式描述的知識庫構構建，以解釋環(huán)境信息；實現(xiàn)來自不同環(huán)境源信息的集合與語義解釋的總體架構。
“物聯(lián)工廠”信息管理示意
?。ㄈ┯脩糁С?br /> 在物聯(lián)工廠，關注點在人員。未來的技術系統(tǒng)必須使自己適應人的能力，即useware工程（根據(jù)人的能力和需求進行技術設計），從信息學到工廠自動化領域的方法和工具都需要基于模型的用戶界面。這些模型、方法和工具的應用還包括工廠環(huán)境內(nèi)的機器移動操作和泛在用戶支持。研究重點有四個：基于模型的用戶界面開發(fā)；人機交互圖像驅(qū)動的用戶界面術語適配；與工業(yè)現(xiàn)場設備進行基于直觀任務的通信；工廠環(huán)境中的泛在用戶支持。
——基于模型的用戶界面開發(fā)。主要關注：將基于模型的用戶界面開發(fā)（MBUID）的原則從信息學到自動化技術的轉(zhuǎn)移；基于模型的連續(xù)架構和軟件工具鏈的開發(fā)；useware開發(fā)過程中的可用性范本形式化與集成。
——人機交互（HCI）圖像驅(qū)動的用戶界面術語適配。主要關注：以用戶和任務為中心的用戶界面術語生成；環(huán)境集成，以表達依賴用戶的相關信息；通過模型組成部分再利用減少開發(fā)時間。
——與工業(yè)現(xiàn)場設備進行基于直觀任務的通信。主要關注：現(xiàn)場設備的直觀識別；通信接口的自動配置；并行多用戶操作的實施；N:M通信鏈的安全操作。
——工廠環(huán)境中的泛在用戶支持。主要關注：實踐知識轉(zhuǎn)換為形式化知識模型（輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的構建）；開發(fā)與建檔過程的接合與標準化；基于移動、交互和環(huán)境的形式化實踐知識提供。
“物聯(lián)工廠”用戶支持示意
三、結(jié)束語
與我國在各行業(yè)優(yōu)勢企業(yè)中分散實施的“智能制造示范工程”不同，“智慧工廠”計劃統(tǒng)合德國乃至世界自動化領域軟硬件巨頭的力量，集中攻克相關基礎技術，進行集成演示驗證，繼而形成標準架構，實現(xiàn)統(tǒng)一的信息管理，并且特別重視“工業(yè)4.0”時代下提升人的工作能力。
同時，與我國在智能制造發(fā)展中偏重智能制造裝備和基礎器件不同，“智慧工廠”計劃瞄準未來“軟性制造”和“面向服務的制造”的發(fā)展趨勢，大力開發(fā)軟件技術或者軟硬結(jié)合的技術，這既是智能制造裝備的價值之所在，也是未來掌握先進制造業(yè)話語權的關鍵之一。
因此，在大力鼓吹“工業(yè)4.0”的同時，我國上至制造業(yè)主管部門，下至各行業(yè)，也還需要追溯本源，抓住問題的實質(zhì)和發(fā)展的關鍵。“智慧工廠”計劃就是反映德國“工業(yè)4.0”發(fā)展思路和技術途徑的一個鮮活案例。本文中篇和下篇還將陸續(xù)介紹該計劃的“重點項目”以及“工業(yè)4.0演示驗證”。>>>接下篇：《“智慧工廠”計劃的驗證項目》
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