工业4.0概述

工业4.0概述2016-09-05目录1.发展背景2.解读工业4.03.工业4.0技术基础4.中国工业20255.汽车工业4.06.启示与总结工业发展历程三次工业革命使得人类发展进入了空前繁荣的时代，但也带来巨大的能源以与资源消耗、巨大的环境代价以及生态成本随着信息技术与工业技术的高度融合，资源、信息、物品和人力相互关联，网络、计算机技术、信息技术、软件与自动化技术深度交织，由此带来工业价值模型新的变革战略的提出初步概念2011年德国汉诺威工业博览会上，德国相关协会提出工业4.0的初步概念发展完善德机械设备制造联合会等协会牵头，德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下，成立“工业4.0工作组”进一步加强工业4.0的研究并向德国政府进行报告国家战略发展制造业是德国政府《高技术战略2020》确定的十大未来项目之一，“工业4.0”研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，已上升为国家战略正式提出2013年4月，德国政府于2013汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”中德合作2014年10月，李克强总理访德期间，中德签署了《中德合作行动纲要：共塑创新》，提出两国将开展工业生产的数字化（工业4.0）合作目前发展水平1750180018501900195020002050第一次工业革命第二次工业革命第三次工业革命现在目前仍然处于工业3.0阶段，工业4.0仅处于理论研究和小规模实验性实践阶段；第一、二次工业变革都经历了100年左右的时间，第三次工业革命目前已经持续了半个多世纪，保守预测工业3.0时代将持续到2050年；与工业3.0时代相比，工业4.0时代肯定有完全不同的特征，至于特征是什么，各人见解不尽相同。目前的认识是智能化和网络化，也有人认为是定制化。工业升级的动力德国——世界顶级工业强国，希望引领未来美国——金融危机，“再工业化”中国——亟需由制造大国转变为制造强国工业生产复杂化市场需求复杂化市场需求和工业生产越来越复杂，传统技术无法妥善解决，倒逼工业升级；工业4.0一定会在将来某个时间到来；工业4.0只会在市场需求和工业生产的复杂性发展到一定程度后才到来。目录1.发展背景2.解读工业4.03.工业4.0技术基础4.中国工业20255.汽车工业4.06.启示与总结总体概念定义工业4.0是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统——信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem)，推动制造业向智能化转型。一个网络信息物理融合系统（CPS）三个集成纵向集成横向集成端到端的集成两个主题智能工厂智能生产关联工业4.0战略目标是实现两个主题CPS、三个集成是实现智能工厂的前提条件人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间通过CPS实现横向、纵向和端对端的高度集成智能工厂智能生产工业4.0CPS纵向集成横向集成端到端集成工业4.0的基础-CPS人类互联网社交媒体智能建筑智能家居智能工厂智能车间智能电网服务型互联网商业网站互联网汽车及其他交通工具CPS系统平台信息物理系统（Cyber-PhysicalSystems，CPS），是将物理设备（各类传感器）连接到互联网上，让物理设备具备计算、通信、精确控制、远程协调、数据采集等功能，从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合CPS将资源、信息、物体以及人联系在一起，从而创造物联网及相关服务，并将生产工厂转变为一个智能环境，这是实现工业4.0的基础CPS单元物流管理质量管理采购管理销售管理生产计划设备维护异常监控统计分析CPS构架•物理层是CPS系统直接与物理世界交互的部分，CPS通过物理层感知环境，并通过物理层作用于环境改变环境。物理层由各种CPS单元组成，如工业机器人、物流车、射频识别系统、电子看板。物理层•网络层将物理层的大量异构CPS单元实现互联互通，并支持CPS单元之间的互操作。网络层由大量的中间件服务器组成的，各种功能、编码和硬件不兼容的设备，通过中间件服务器将异质信息转化为同质，无障碍地进行数据交换。网络层•应用层是面向用户的一体化平台，该层将网络层和物理层的信息封装成为不同的应用模块，使用户可以直接进行业务处理。应用层新一代无障碍网络人机交互提供监测数据接受控制指令CPS与物联网物联网物联网（Internetofthings）：通过各种信息传感设备，把需要监控、连接、互动的物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现智能化识别、跟踪、监控和管理CPS与物联网的区别物联网强调网络的联通作用，而CPS强调网络的虚拟作用。物联网主要用于获取各类事物的信息，以及对这些信息的处理和应用。CPS不仅要获取事物的信息，还能够实现现实世界与物理世界的相互作用。CPS就像镜子一样把现实世界与信息世界一一对应起来，形成一个相互作用的闭环系统。CPS与虚拟现实虚拟现实是采用数字技术模拟现实，而CPS强调的是虚拟控制现实。CPS是一个以通讯和计算为核心的集成的监控和协调行动的工程化物理系统，通过虚拟网络世界与现实物理世界的融合，将网络空间的高级计算能力运用于现实世界中，形成可自律操作的智能系统。Computation计算Control控制Communication通信3C协同CPS的基本核心是：虚拟世界与物理现实之间能够连接、互动和映射，虚拟世界可以控制物理世界，物理世界亦可以反馈到虚拟世界，二者之间可以互看见、互操作纵向集成和网络化的智能制造横跨价值链实现端到端集成通过价值网络实现横向集成三大集成纵向集成纵向集成就是解决车间（工厂）内部信息孤岛的集成，工业4.0所要追求的就是在车间内部实现所有环节信息无缝链接，这是所有智能化的基础欧盟“智能工厂”研发团队FRAME采用世界上最先进的创新型传感网络技术和人机交互技术，开发出具有自我意识、自我学习和自我适应能力的智能型自动控制系统。端到端集成围绕产品全生命周期价值链的集成，集成供应商（零件、原料、能源）、制造商（研发、设计、配送）、分销商（一级、二级、三级……）以及客户信息流、物流和资金流，在为客户提供更有价值的产品和服务同时，重构产业链各环节的价值体系•西门子的阿基米德计划——并购UGSPLMSoftware•设计与生产的业务流程集成并形成闭环循环1.并行流程－针对多学科多部门的并行流程2.信息交互－信息同源化的信息集成3.按设计制造－按客户和企业的需求制造4.产品仿真－产品全生命周期仿真5.缩短产品发布时间－缩短产品获得利润时间6.企业研发部门创新－遍布全球的创新网络横向集成横向集成是多条产业链上企业的资源整合，是为了实现各企业间的无缝合作，各公司各环节数据共享，由传统制造企业向跨界融合企业转变金融通讯物流公共服务原材料用户需求智囊、研究所智能工厂与智能生产工业4.0的最终目标是实现智能工厂与智能生产智能工厂和智能生产的标志是：生产流程智能化，生产设备动态适应个性化的产品需求应用价值八大价值满足用户的个性化需求灵活性优化决策资源生产率和效率通过新服务创造价值机遇应对劳动力的人口结构变化生活和工作的平衡高工资经济仍拥有竞争力18目录1.发展背景2.解读工业4.03.工业4.0技术基础4.中国工业20255.汽车工业4.06.启示与总结物联网国际电信联盟（ITU）对物联网定义：通过二维码识读设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。云计算中国网格计算、云计算专家刘鹏：云计算将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务”大数据麦肯锡全球研究所：一种规模大到在获取、存储、管理、分析方面大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据集合，具有海量的数据规模、快速的数据流转、多样的数据类型和价值密度低四大特征。人工智能人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能是对人的意识、思维的信息过程的模拟。人工智能不是人的智能，但能像人那样思考、也可能超过人的智能。3D打印3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目录1.发展背景2.解读工业4.03.工业4.0技术基础4.中国工业20255.汽车工业4.06.启示与总结中国制造现状不足1.自主创新能力不强；2.产品质量问题还比较突出；3.资源效率利用比较低，能耗比较高，污染比较严重；4.产业结构不是很合理，低端产品产能严重过剩，高端产品能力比较差；5.工业发展不平衡，处在没有总体完成工业2.0和工业3.0的状态。优势1.经过几十年的快速发展，我国制造业规模跃居世界第一位.2.在于“亚洲工厂”本身。部分低端经济活动的确由于工资增长从中国转移，却强化了以中国为中心的地区供应链。3.内需在不断扩大。面临的挑战发达国家正在进行“再工业化”运动东盟国家、印度和拉美国家则拥有更低的劳动力和资源成本。美国、德国、英国等发达国家纷纷提出以重振制造业为核心、以信息网络技术、数字化制造技术应用为重点，旨在依靠科技创新，抢占制造业新的制高点的“再工业化”战略人口红利消失劳动力供给减少国际金融危机，凸显实体经济的重要性中国的“世界工厂”面临双重挑战人力成本上升从事制造业意愿降低第一产业第二产业公共服务生产和市场服务个人消费服务基础服务中国制造业的互联网化信息服务通讯服务文化娱乐教育商品零售旅游医疗保健住宿/餐饮中介房地产金融批发服务物流工农支撑服务公共卫生/教育公益服务公共事务管理电力采矿业采集业畜牧业渔业农业林业燃气水利建筑业制造业互联网化阶段互联网化程度发展制造业是振兴中国经济的不二选择中国比世界上绝大多数国家更亟需通过互联网提升制造业水品总体规划中国制造2035中国制造2035中国制造2035中国制造2025中国制造2035中国制造2045世界强国强国领先地位强国中位制造业强国强国之列制造业大国总体规划：三十年，三步走“中国制造2025”是中国制造强国总体规划三个十年“三步走”战略的第一个十年的行动纲领。“中国制造2025”提出了加快制造业转型升级、提升增效的重大战略任务和重大政策举措，力争到2025年从制造大国迈入制造强国之列。中国制造2025-战略规划国家效益：20年3万亿美元GDP增量。企业效益：效率↑20%，成本↓20%，节能减排↓10%。核心关键创新驱动、智能转型网络化、数字化、智能化十大重点领域新一代信息技术高档数控机床和机器人航空航天装备海洋工程装备及高技术船舶先进轨道交通装备节能与新能源汽车电力装备新材料生物医药及高性能医疗器械农业机械装备五大工程国家制造业创新中心建设工程大力推进智能制造工业强基工程绿色发展工程高端装备创新工程2015年《中国制造2025》+“1+X”实施方案和规划体系+高端领域技术路线图的绿皮书已通过近期印发一条主线信息化与工业化深度融合智能制造互联网+中国制造2025-五大工程3、工业强基工程解决基础零部件、基础工艺、基础材料比较落后5、高端装备创新工程“核高基”、互联网、数控机床、大飞机等专项已经在做还要推进一些新的专项来启动，来提高整个装备制造业的水平。2、大力推进智能制造带动各个产业提高数字化水平和智能化水平。智能制造是新一轮科技革命的核心，也是制造业数字化、网络化、智能化的主攻方向。4、绿色发展工程破解环境和资源制约，节约资源，保护环境。特别提到节能减排降耗、提高资源利用率。发展的质量和效益已经成为中心任务。因为工业占我国整体能源消耗的73%。1、实施国家制造业创新中心建设工程要建设一批产学研用相结合的制造业创新中心:在现有研究院所、大学和企业基