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2005年，德國人工智能研究中心啟動(dòng)了公私合作的“智慧工廠KL”技術(shù)計(jì)劃，這是歐洲首個(gè)專門面向信息與通信技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的演示驗(yàn)證工廠。目的是支持創(chuàng)新自動(dòng)化技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用與傳播，并為科學(xué)與工業(yè)利用提供基地。“工業(yè)4.0”計(jì)劃提出后，“智慧工廠”計(jì)劃便作為“工業(yè)4.0”關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)化實(shí)踐的一個(gè)先鋒，通過幾個(gè)模塊化的試驗(yàn)工廠，相關(guān)的成熟技術(shù)和前沿研究結(jié)果能夠得以實(shí)施和評(píng)估。“智慧工廠”計(jì)劃的驗(yàn)證項(xiàng)目包括工廠尺度的集成類項(xiàng)目，代表了完整的生產(chǎn)過程；以及各種軟硬件開發(fā)類項(xiàng)目，如:定位系統(tǒng)；移動(dòng)操作單元；產(chǎn)品記憶；以服務(wù)為導(dǎo)向的控制概念；生產(chǎn)過程仿真。>>>接上一篇：《全面分析德國智慧工廠計(jì)劃》
智慧工廠中的智能生產(chǎn)
一，“智慧工廠”計(jì)劃驗(yàn)證項(xiàng)目
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——工業(yè)4.0：從愿景到現(xiàn)實(shí)
通過思科、FESTO、哈挺、博世、西門子等合作伙伴的共同努力，所開發(fā)的創(chuàng)新生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了工業(yè)4.0關(guān)鍵方面的實(shí)際應(yīng)用。在下篇中將具體描述該項(xiàng)目的架構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
“工業(yè)4.0：從愿景到現(xiàn)實(shí)”項(xiàng)目合作伙伴
——關(guān)鍵生產(chǎn)線
這條生產(chǎn)線由訂單拾取站、銑削加工站、自動(dòng)裝配站、人工工作臺(tái)組成，展現(xiàn)了能夠描繪第四次工業(yè)革命中心特征的三個(gè)范本：智能產(chǎn)品，通信機(jī)床（即智能機(jī)床），輔助操作員（即增強(qiáng)的操作員）。在下篇中將具體描述關(guān)鍵生產(chǎn)線的組成與運(yùn)行。
——混合工廠
這是一個(gè)具備完全功能的典型工業(yè)生產(chǎn)廠，其特別之處在于不同技術(shù)過程和組件的交互，以及智能技術(shù)的使用。功能電子組件（控制器、傳感器、執(zhí)行器）是柔性的且聯(lián)網(wǎng)的，系統(tǒng)內(nèi)和各層級(jí)控制的通信系統(tǒng)是無線連接的，加之模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使之達(dá)到了最佳的柔性：單個(gè)工藝步驟的重構(gòu)，以及將新模塊集成到整個(gè)系統(tǒng)中都變得簡單。該工廠是整個(gè)演示驗(yàn)證中心的核心，在這里，單個(gè)智能技術(shù)與整個(gè)功能的交互可以得到測(cè)試與體驗(yàn)。
“混合工廠”項(xiàng)目演示驗(yàn)證生產(chǎn)線
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——面向服務(wù)（維修）的移動(dòng)導(dǎo)航應(yīng)用
在工業(yè)應(yīng)用中使用定位系統(tǒng)是未來工廠的中心元素，該項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)基于可穿戴PC的導(dǎo)航程序，支持將服務(wù)人員無縫導(dǎo)航到錯(cuò)誤發(fā)生地點(diǎn)。除了在工廠系統(tǒng)中使用空間環(huán)境系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)突破還包括室內(nèi)外定位技術(shù)的組合使用。
——支持內(nèi)部后勤與生產(chǎn)控制的內(nèi)部定位系統(tǒng)
定位系統(tǒng)的重要性毫無疑問，在工業(yè)工廠柔性化進(jìn)程中，產(chǎn)品和生產(chǎn)方法的位置信息越來越重要。配備有射頻識(shí)別（RFID）閱讀器的工作小車收集可靠的位置數(shù)據(jù)，其運(yùn)動(dòng)方向基于嵌入地面的發(fā)射器。
定位系統(tǒng)
?。ㄈ┮苿?dòng)操作單元
——用于生產(chǎn)環(huán)境的控制面板
不同制造商實(shí)際使用的現(xiàn)場設(shè)備具有豐富的專有用戶界面，通過這種“萬能”操作單元，不同設(shè)備組件和現(xiàn)場設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)無線操作和檢測(cè)。
——用戶界面的自動(dòng)生成
面向平板電腦開發(fā)組合了智慧工廠空間模型的軟件，包括具有特定使用和功能模型的眾多現(xiàn)場設(shè)備。目標(biāo)是生成易學(xué)且可直觀使用的用戶界面。
——現(xiàn)場設(shè)備通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)參數(shù)化
藍(lán)牙等無線技術(shù)的普及，可以實(shí)現(xiàn)任何標(biāo)準(zhǔn)的和廉價(jià)的操作單元通過無線連接訪問不同制造商的現(xiàn)場設(shè)備。概念研究顯示移動(dòng)電話或者掌上電腦就適合現(xiàn)場設(shè)備的使用和參數(shù)化。
移動(dòng)操作單元
?。ㄋ模┊a(chǎn)品記憶
——智慧工廠移動(dòng)模塊
利用數(shù)字記憶，比如RFID芯片的形式，產(chǎn)品可以收集自身整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程的信息。這樣它們就能向用戶提供寶貴的信息，比如配料。因?yàn)橛辛诉@項(xiàng)技術(shù)，產(chǎn)品可以“了解”自己，引發(fā)優(yōu)化產(chǎn)品壽命周期的巨大可能性，從生產(chǎn)和物流開始，到客戶驗(yàn)收為止。項(xiàng)目開發(fā)的瀏覽器是一個(gè)數(shù)字產(chǎn)品放大器，可告知客戶產(chǎn)品價(jià)格和配料相容性。
?。ㄎ澹┮苑?wù)為導(dǎo)向的控制概念
——以服務(wù)為導(dǎo)向的工廠控制系統(tǒng)的以工藝為導(dǎo)向的規(guī)劃方法
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域使用以服務(wù)為導(dǎo)向的架構(gòu)范本，可能顯著減少集成與編程工作?；镜南敕ㄊ莿?chuàng)建一個(gè)統(tǒng)一的自動(dòng)化架構(gòu)，它由以服務(wù)為導(dǎo)向的架構(gòu)概念和技術(shù)組成，這樣的統(tǒng)一、透明通信架構(gòu)對(duì)于“物聯(lián)工廠”是重要基礎(chǔ)。在演示系統(tǒng)中，一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的現(xiàn)場設(shè)備連接得以實(shí)現(xiàn)，從而開發(fā)創(chuàng)新的、基于服務(wù)的控制概念。
工廠控制系統(tǒng)
?。┥a(chǎn)過程仿真
——數(shù)字工廠
數(shù)字工廠的絕大多數(shù)工具和概念都是全壽命周期的，提升企業(yè)所有過程的透明度。在智慧工廠的環(huán)境中，關(guān)注點(diǎn)在于將制造與產(chǎn)品開發(fā)連接起來，以及利用當(dāng)前操作數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品工藝仿真。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)
二、“智慧工廠”計(jì)劃參與的“工業(yè)4.0”平臺(tái)計(jì)劃項(xiàng)目
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CyPros研究計(jì)劃是德國教育與研究部最早支持的“工業(yè)4.0”項(xiàng)目之一，參與者包括弗勞恩霍夫研究所、德國人工智能研究中心、西門子、寶馬、Trumpf制造系統(tǒng)公司、Roehm公司、Wittenstein公司等。項(xiàng)目旨在開發(fā)并引入賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）的概念，顯著提升工業(yè)生產(chǎn)率和柔性。
CyPros計(jì)劃有三個(gè)目標(biāo)階段：
——開發(fā)參考架構(gòu)以及面向生產(chǎn)與物流系統(tǒng)的賽博物理系統(tǒng)模塊的典型譜系；
——為引入賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)提供廣泛的實(shí)踐、支持工具和平臺(tái)；
——賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)商業(yè)運(yùn)行的技術(shù)和方法基礎(chǔ)，以及它們?cè)谘菔竟S實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的實(shí)施。
“賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)”概念示意
Cypros計(jì)劃分為5個(gè)項(xiàng)目和52個(gè)子項(xiàng)目，分別是：參考架構(gòu)和技術(shù)基礎(chǔ)，包括11個(gè)子項(xiàng)目；規(guī)劃、控制和工藝設(shè)計(jì)，包括12個(gè)子項(xiàng)目；應(yīng)用策略和方法，包括4個(gè)子項(xiàng)目；技術(shù)實(shí)現(xiàn)和集成，包括22個(gè)子項(xiàng)目；生產(chǎn)管理，包括3個(gè)子項(xiàng)目。
目前，基于面向工業(yè)生產(chǎn)和物流系統(tǒng)研發(fā)賽博物理系統(tǒng)模塊的典型譜系，CyPros項(xiàng)目使用Scheer管理公司的BPaaS平臺(tái)開發(fā)了參考架構(gòu)。除了參考架構(gòu)的描繪方法，還執(zhí)行了場景和案例研究，突出了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、裝配與IT服務(wù)、商業(yè)過程以及戰(zhàn)略與商業(yè)模式。研究結(jié)果為面向工業(yè)4.0的企業(yè)架構(gòu)管理提供了基礎(chǔ)。
BPaaS解決方案
?。ǘ┟嫦蚬I(yè)4.0的自主
“面向工業(yè)4.0的自主—未來多維互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)、產(chǎn)品、服務(wù)”項(xiàng)目的優(yōu)先研究領(lǐng)域包括開發(fā)先進(jìn)的機(jī)床、服務(wù)機(jī)器人和其它系統(tǒng)，自主地處理復(fù)雜任務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)在德國經(jīng)濟(jì)與技術(shù)部的“下一代媒介”（新技術(shù)和泛在計(jì)算）和“自主”（基于仿真的自主系統(tǒng)）項(xiàng)目中支持了，適用于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和服務(wù)的語義技術(shù)也在經(jīng)濟(jì)與技術(shù)部的THESEUS項(xiàng)目中支持了。因此，“面向工業(yè)4.0的自主”獲得的4000萬歐元資金，主要是用于提升信息通信技術(shù)（ICT）和工業(yè)生產(chǎn)之間的智能交互，包括未來導(dǎo)向的生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)邏輯，未來導(dǎo)向的高級(jí)產(chǎn)品（包括服務(wù)機(jī)器人），以及未來導(dǎo)向的、知識(shí)密集型的電子服務(wù)。
?。ㄈ┯森h(huán)境激活的機(jī)-機(jī)通信實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約（RES-COM）
2011年6月啟動(dòng)的RES-COM項(xiàng)目由德國教育與研究部資助，DFKI、SAP、西門子等參與。項(xiàng)目旨在通過高度互連和集成的傳感器-執(zhí)行器系統(tǒng)，在“工業(yè)4.0”環(huán)境下實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)節(jié)約。項(xiàng)目建立了面向由環(huán)境激活的資源高效利用的原型場景，實(shí)現(xiàn)了資源消耗的智能測(cè)量和可視化。RES-COM采用了一個(gè)全新的核心技術(shù)，它基于主動(dòng)數(shù)字產(chǎn)品記憶和帶有嵌入傳感器和執(zhí)行器的軟件服務(wù)代理。
三、結(jié)束語
從“智慧工廠”計(jì)劃的驗(yàn)證項(xiàng)目可以看到，從2005年起，該計(jì)劃用了近10年的時(shí)間探索了智能生產(chǎn)線上的六大概念及其應(yīng)用，即“定位系統(tǒng)、移動(dòng)操作單元、產(chǎn)品記憶、以服務(wù)為導(dǎo)向的控制概念、生產(chǎn)過程仿真”，以及它們之間的數(shù)據(jù)交互與技術(shù)集成。在這個(gè)過程中，“工業(yè)4.0”的概念以及賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)的特征逐步形成，智慧工廠建設(shè)的關(guān)鍵和瓶頸得以總結(jié)。
沒有顛覆性的3D打印技術(shù)，沒有一夫當(dāng)關(guān)的機(jī)器人，沒有絢爛的新技術(shù)名詞，完全從人、機(jī)、物三者之間的互聯(lián)與互動(dòng)入手，實(shí)現(xiàn)機(jī)-機(jī)通信，機(jī)-物互聯(lián)，人-機(jī)互動(dòng)，將整個(gè)制造環(huán)境、設(shè)備和產(chǎn)品狀態(tài)變成了可感知、可更新、可預(yù)測(cè)的和可分析、可優(yōu)化、可控制的，提升人的決策水平和含金量，這就是“智慧工廠”計(jì)劃所演示驗(yàn)證的“工業(yè)4.0”。
我國已經(jīng)鋪開進(jìn)行智能制造示范生產(chǎn)線建設(shè)，到底為了什么建設(shè)、建設(shè)成什么樣子、利用什么現(xiàn)有技術(shù)建設(shè)、效果能夠集中體現(xiàn)在哪里、能否同步實(shí)現(xiàn)觀念和管理的轉(zhuǎn)變，是每一家躍躍欲試的企業(yè)應(yīng)該思考清楚的，德國人的百年工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)十年的先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)、加之10年的知識(shí)沉淀，其智慧工廠的建設(shè)方向和途徑對(duì)我們是一個(gè)比較有價(jià)值的借鑒。
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