工业4.0背景下八大新兴技术分析与展望

　　“工业4.0”是2012年德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界在三位德国教授倡议的基础上推动形成的。在随后的2013年德国联邦政府将“工业4.0”上升为国家级战略,并正式发布了《实施工业4.0战略规划建议》白皮书,旨在确保德国在工业界综合实力的领先地位。

　　简要来说,“工业4.0”战略旨在建立一个信息物理融合系统网络,通过有线/无线等方式将所有生产企业的自动化设备、客户需求、物流仓储、生产管理、各类软件等产业链所有环节纳入其中,使工业生产实现动态监测、自我调整、人机互动并以最优生产方式完成生产实践。与此先关的八大技术正在赋予新的意义。

　　1.工业大数据的应用

　　过去,企业做什么,客户就要什么;现在是客户要什么,企业就做什么,同时客户获取信息的渠道变得很广,且需求也越来越多样化。那么,企业该如何精准的满足这些客户多样化的需求呢?中国机械工业联合会顾问朱森第告诉记者,互联网就可以帮助企业做到这一点,就如大数据。企业可以通过挖掘过去若干年的数据,分析出未来会有怎样的趋势及市场需求,进而了解自己的企业现在应该做什么。

　　大数据,是实现德国“工业4.0”、构建数字工厂的基础,如果没有大数据,企业无法及时了解最新的市场走向及客户需求,更不用说跟随时代的发展建设数字工厂了。在这里,为了使我国的制造企业快速实现数字工厂的搭建,我们一起来谈谈工业上大数据的应用及实现数字工厂的最佳方法。

　　在此,也许有人会疑惑,工业大数据与其他行业的大数据有何不同?中国西电集团公司总经理张雅林告诉记者,工业大数据及其他行业的大数据没什么区别,只是重点应用的领域不同罢了。制造业的大数据重点使用在创新与流程再造上,同时在制造过程中及对客户的总体服务上也会提供帮助。举个简单例子,企业要研发新产品,首先就得通过大数据看客户得反映,服务这块也是如此。而其他行业的大数据,就如电子商务,更多地是运用在销售端上,销售人员可以通过客户的购买及浏览记录数据,分析出顾客的爱好及最近的购买倾向等信息,便于销售人员更好的销售产品。

　　为了使制造业的同仁们能更好地运用工业大数据,以下就把制造业企业对大数据的应用案例分享于大家,希望对大家有所帮助。

　　2.工业云的应用

　　过去,制造业只是一个环节,但随着互联网和工业的融合,它的含义发生了巨大变化。因为它可以打破并重构工业生产的全生命周期,使产品的设计、研发、生产制造、营销、服务形成闭环,彻底改变工业的生产模式。如今,互联网正在进一步向制造业的每个环节渗透,网络协同制造的工业云也随着出现。

　　所谓工业云,其与电子商务等其他行业运用的云没有什么区别,只是用在不同领域有不同的称呼而已。不过,据贸易软件有限公司全球副总裁黄晓峰介绍,国内没有真正意义上的商务云,就如国内一些企业商务平台,其运行模式看似完美,但背后有上千名技术、市场和销售人员在服务。在黄晓峰眼里,这并不是真正的云,真正的云不需要企业招聘如此多的市场和销售人员服务,只需部分技术人员去开发更多的新应用,以服务客户。

　　目前,国外的云发展较快,给很多企业带来了便利;在国内,很多企业如今都是借助其他专业的云平台来管理企业内部员工和外部供应商,因为企业要做自己的云,需花费大量的成本且需要很长一段时间才能看到效益,有的企业甚至看不到效益在何方,因为他们不了解云真正的意义及应用,同时由于这些企业的专业强项并不在构建云平台上,所以很难利用云平台来管理企业或挖掘出新应用服务客户,因此很多大型的制造企业往往都是采用借助的方式来实现协同办公等事项。

　　3.物联开启制造新时代

　　两化融合的物联网意义是互联互通,工业4.0战略的物联网意义是万物融合,从互联互通到万物融合是一个长期的过程。不过,无论是两化融合策略下推进建设的数字工厂,还是工业4.0所倡导的智能工厂,都离不开物联网技术的支撑而独行。车联网,则是近期制造领域物联网呼声最高的案例,以下通过车联网的部分案例或可看到物联网在数字工厂或智能工厂的缩影。

　　车联网:全世界呼声最高

　　车联网,关乎客户最需要的贴心服务。其作用在于通过信息的融合,构造共享的大数据。通过大数据的分析获得实时道路交通状况、车辆状况的正确“语义”。目前,根据车联网的技术分类,可分为车内网、车际网,及车上互联网。

　　车内网车内网主要是总线通讯技术构造,感知范围0--200米。在车内网的建设中,传感器的作用是最大的。试举几例说明问题。

　　ADAS是车内的关键零部件,它是安装于车上各式各样的传感器,用以研究摄像头、雷达等的性能要求。通过研究,做出性能调整及集成。如国际上对汽车防撞雷达可归纳为长、中、短3种距离的雷达,这3种雷达主要应用于自适应巡航系统、预碰撞安全系统,及盲区检测系统。而随着数字波速技术的发展,通过数字波速赋形便可将3种模式的雷达集成为1种雷达,如目前多模电子扫描雷达正成为最新的防撞雷达模式。

　　同时,利用ADAS收集车内外的环境数据,可在第一时间对车内外的静、动态物体辨识、侦测与追踪并做技术上的处理,从而能够让驾驶者在最快的时间察觉可能发生的危险。此外安装在车辆上的其他传感器也可获得车辆的速度、加速度、车轮转速、发动机转速、线加速度、角加速度等;同时对于温度、湿度、照度等都有感知。

　　汽车线控技术也是车联网着重考虑的要素。其主要是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号,通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。而车联网的线控技术对于油门控制、制动控制、转向控制是侧重关注。此外,通过对汽车动力学所涉及的诸多器件的物联网技术改进,可对驾驶指引、危险报警等进行主客观评价。

　　车际网车际网主要是通过射频技术构造,感知范围300-1000米。车际网关注的是车路协同的技术。车联网于其中的技术应用主要表现在自动引导驾驶,改进安全性、节能驾驶等。安装在道路上的传感器也会获得诸如道路交通流量、道路交通突发事件,信号灯的位置及状态等,用以协助汽车安全行驶。

　　车上互联网车上互联网由宽带无线通讯技术构造。车上互联网对于驾驶辅助,诸如根据实时路况智能选择行车路线,协助预定目的地车位、饭店等,道路交通突发事件实时播报等方面所做工作较多。同时,车上互联网也可用于分时租赁、物流管理方面。

　　车上互联网的热议话题是车辆控制,而自动驾驶则是最大胆的想法。如2008年,上海科委承担起无人驾驶智能电动汽车项目,2011年顺利结题。在模拟的复杂环境中进行演示,无人工干预跑完全程。其成功之处在于通过建立无人驾驶车研究平台,现实环境感知,全局路径规划,局部路径规划及底盘控制等功能的集成。通过“物联—感知”,从而使汽车具备“思考—行动”的能力。

　　无独有偶,2014年谷歌的无人车走得更远。4月27日,谷歌宣布,开始在城市街道试验自动驾驶汽车。之前,已经在加州进行了数千英里的试验。而谷歌的案例也说明,未来依赖雷达、视频、激光等传感器和地图信息数据库来进行无人驾驶,将为汽车业发展翻开新的一页。

　　当然,车联网技术的应用还有许多方面正待破题。尤其是受汽车行驶安全理念的制约,信息的选择及定量化评估,信息的定量化评价、人机交互技术的研究、复杂大系统的安全保障都将是是制约并深刻影响车联网发展的重要因素。好在,在路上的汽车有着企业及其用户寄托的最美好的市场共赢前景!

　　4.工业4.0与PLM

　　工业4.0是完整的工业体系,它是国家行为,也是国家体系。而工业4.0实施的边界条件,是数字化体系,数字化体系就是基于PLM的产品设计、工艺和制造。因此,PLM涉及方案阶段、工程研制阶段、批生产阶段、服务和销售阶段等全生命周期过程。目前,随着中国制造企业信息化的快速发展,对于PLM的应用也逐渐向深层次渗透。这正如金航数码科技有限公司副总经理宁振波所说,“PLM在中国制造企业的使用并未随着信息技术的发展而向前后端延伸,但大多数企业仅仅做了PDM应用在工程研制和批生产阶段应用,成熟的全面应用PLM技术并将其前延到方案设计,向后延伸至综合保障阶段还需要很长的路要走。。”

　　5.虚拟赢得市场

　　德国为什么会提出工业4.0?答案是新技术使制造企业的生产形态发生重大变化。变化在于:过去的工业生产过程都是线性的,而现在的新型生产呈现出复杂的网络化特征。

　　在全球竞争的环境下,制造企业必须要有更加灵活的制造和生产。如近期国内提出在民航研制前,有必要听取驾驶员的意见。而在生产制造的前期,因网络技术的突破也使得制造企业可以直接关注客户需求,网络平台上客户的创意正成为企业生产的重要组成部分。诸多因素决定,产品的生产前期就须满足客户需求,而解决这样的问题,借助网络技术支撑的虚拟制造被推上了市场的前沿。

　　6.机器人“元年”的真正意义

　　中国制造企业使用工业机器人已经有20余年的历史了。但由于人口红利的持续存在,它一直处于不温不火的状态。但到了2013年,这种情况有了逆转,机器人大规模地进入国内制造企业。2014年中国也成为机器人的全球第一大市场。所以,2014也被称为中国工业机器人“元年”。“元年”背后的指向,并非单纯的是“机器换人”,而意味着中国的制造业有了深刻的、不可逆转的变革。在新一轮的工业革命来到时,在中国制造业转型升级过程中,机器人的广泛使用,将根本性地改变世人对“中国制造”的刻板印象。

　　很多人把2014年称为“中国工业机器人元年”。这是很有道理的。从销售量来看,中国是全球增长最快的机器人市场,已经超过日本,成为全球第一大机器人市场。而且,中国在制造领域中的工业机器人的应用,还有巨大的提升空间。以机器人密度而论,国际每万名工人拥有机器人台数平均为55台,韩国为347台,日本为339台,德国为251台,美国为135台,2013年已增至23台。

　　可以预见,未来几年中,工业机器人的浪潮会向中国制造业全方位袭来。有人把这种现象归因为:一是“人口红利”的消失,用工成本的上涨导致的劳动力市场倒逼来工业机器人的快速替代;二是由于技术成熟导致的工业机器人价格的大幅下降;三是国家政策对工业机器人的大力扶持。

　　7.融入智能制造

　　目前,工业机器人也到了一个转型升级换代的时候。过去50年的发展,工业机器人是作为高端设备而发展起来,以后,它将朝着非生物人工智能的方向发展。这与现在方兴未艾的“智能制造”、工业4.0这些制造新理念一拍即合。可以预见,工业机器人将在未来仍然会扮演着骨干的角色。

　　现代化的汽车生产制造不仅要满足批量化、自动化的要求,而且也要具备可配置的、灵活的、能传递信息的、可变化的生产单元。以前一条生产线只能生产一种车型,现在则要求一条生产线上要同时并线生产五六种甚至更多的车型。在这个单元里,机器人也被要求可以编程,并与操控单元通讯,为适应生产要能根据程序更换各种工具及改变生产节拍。

　　长安福特的车身的焊装生产线上有超过500台机器人,它们分别为福克斯、蒙迪欧、翼博等车型提供全部的高效率的焊装工作,在一条生产线可以完成六种车型的生产,它们使用的工具是根据编程要求而可以改变的。正是有这样的基础才能够保证有工厂下一个不同车型订单,产线能够按时、按质、按量生产出来。

　　无独有偶,在宝马铁西工厂处处可见机器人在不知疲倦的运转和工作,它们的工作精准,高效,似乎永远也不会停下来。宝马把生产流程切分成非常细小的片段,每个片段都遵循严格的顺序加工,片段之间用自动化传动机制联系起来。它们还充分利用厂房空间,变传统的地面运输为空中运输,在铁西工厂的车间里,整个运输分楼上楼下三层,将每个工位紧密衔接在一起。

　　据工厂的工作人员介绍,整个工厂各处布满了数不清的物联网传感器,它们在收集着各种生产数据和参数,同时,每台机器人背后都是有一套复杂的生产编程软件及设备控制的工业电脑,所有这些组成了一个看不见的高度复杂的电子网络体系。因此,铁西工厂物流得以智能化,生产线得以高度柔性化。目前,在铁西工厂可以生产BMWX1,BMW3系标准轴距和长轴距,3个车型全部实现并线生产。不仅如此,3个车型都可以接受个性化定制生产,这对生产方式及作为其支撑的机器人提出了更高的要求。

　　如果说第一次和第二次工业革命重点是扩大产能、提高效率、保证质量,那么第三次工业革命更多的是智能化生产及快速的反应,这与上两次工业革命带来的制造模式完全不一样。

　　在第三次工业革命中,机器人将改变制造模式,它不是简单地提高质量降低成本或者是提高效率,最本质的改变是对人工重大的替代,完成人无法胜任的非常态下的工作,并极大满足个性化的需求。与其说这是机器人肩上的使命,勿宁说这人类在数百年的工业化过程中,终于“培养”出了可以替代自已的助手,并通过它,让自已的智能得以延伸。

　　对中国而言,机器人的“元年”,标志着中国制造转型升级的一次美好开始。它的影响,人们现在尚无法准确预估,但是可以肯定的是,今后的中国制造肯定会以更加美丽的面貌出现在世人面前。

　　8.3D打印:打印美好明天

　　从近代社会的发展看,任何新兴产业的兴起与技术的革新都是首先从学术界的争论和舆论界的热炒开始。对于3D打印的作用,目前尚存在一些争论。有人认为3D打印是“雷声大,雨点小”,但雷打一分钟,可能是小雨,雷打十分钟,可能是中雨,雷打一小时,雨水肯定是小不了。争论本身就是一种证明,证明人们意识到了这一新技术的价值,以及新的制造方式将对现代工业产生的巨大影响。Wohlers报告显示过去26年来全球3D打印技术领域复合年均增长27%,2013年更达到34.9%,有人估计这个数字会在2014年高达60%以上。

　　2014年,人们对3D打印技术的关注达到了空前的程度。这其中,除了媒体的炒作外,还有核心技术专利保护的到期使3D打印得到了广泛的普及,更重要的是,3D打印在制造业各领域的成功案例令人惊叹。国内外不时有3D打印的“杰出表现”被媒体呈现在人们眼前。全世界各大媒体对3D打印技术的报道就从未间断过且越来越热,航空航天、军工、能源、医疗、文化创意甚至食品、服装等大众消费品领域的应用报道几乎是逐月倍增。

　　同时,大量的社会精英、各国政府都不断对这一新技术发声,IBM、微软、谷歌等跨国公司的相继高调进入。3D打印技术所引起的已经不仅仅是制造业本身的变革,甚至将对整个工业文明都将带来影响且比想象中的更深入、更宽广。

　　“中国制造”的电商契机

　　当比尔盖茨提出,“21世纪要么电子商务,要么无商可务”的大胆预言后,一个属于电子商务的时代已经拉开序幕。今天,每年的“双11”都成为中国电商竞争白热化的纪念日。据相关机构的最新数据显示,到2015年,我国电子商务交易额预计有望超过18万亿。由此,网络经济与电子商务相融合的新的商业模式逐渐渗透到社会经济的各个环节,并打造出新的经济平台,新的业态。中国电子商务创新推进联盟秘书长徐经纬指出,未来,没有电子商务这个词汇,所有的商务行为都在互联网环境下进行,商务形式电子化已是常态。

　　与工业4.0息息相关

　　目前,我国制造业的电子商务大都以消费类产品为主,而在工业4.0的体系中,电子商务是其中的销售与服务环节。因此,在网络经济与电子商务的逐渐深度融合的过程中,传统的制造模式已发生了根本的改变。在传统制造模式下,企业销售是销售库存,也就是企业先生产出产品进行储存再进行销售,这种方式是以产定销。现在,电子商务可以对市场进行快速的反馈,并将产业链上、下游企业串联起来。企业可以快速的依据市场需求进行设计、制造也就是以销定产。如海尔,其制造的很多产品可以通过电子商务,将客户个性化需求整合。在设计与制造阶段,通互联组织全球化的系统设计,并在全球进行采购,最终进行制造。

　　目前,在很多设计型与工程型制造企业中,都在采取全球化的设计模式,将全球最优秀的设计工程师进行网络签约,招入麾下。在这种模式下,企业的设计已不简单的局限在企业内部,而是调动了全球的资源为企业服务,增加了产品设计的优势,更大的提升了产品的价值。

　　徐经纬表示:工业电子商务的发展,要满足小批量多批次的生产需求。在工业4.0的标准下,大批量的产品生产已经逐渐消失,人们的需求越来越趋于个性化。这种需求必然产生C2B电子商务模式,即消费者对企业。他解释到,无论是工业4.0还是数字化工厂,最基本的要求是要满足需求而设计、制造,企业要以市场需求为导向。电子商务正是企业的市场前端,通过前端连通市场得到反馈,通过网络进行全流程采购、设计、生产。在以销定产的趋势下,中国的制造企业再也无法在围墙内自娱自乐,要保持良好而持续的发展,关注客户需求进而制造产品、完善服务是赢得客户的关键所在。企业要意识到客户需求即市场,电子商务正是企业与用户之间的沟通平台。目前,电子商务正在中国制造业大范围推广之中。

　　理性对待电子商务

　　2014年,中国制造业有大量的制造型企业,开始了电子商务的研究与实施,这样的企业如雨后春笋般破土而出。对于中国制造企业大胆探索电子商务的态度与行动,徐经纬指出,企业在发展电子商务时容易出现盲目跟风现象,电子商务模式有待完善。在狂热的现状中,企业还需要多一些理性,要根据企业实际状况,弄清企业需要的电子商务模式,一定要让电子商务匹配企业业务的发展需要。

　　导致企业电子商务失败的主要原因是对电子商务的模式的混淆清晰。他解释说,电子商务分为使用电子商务与建立电子商务两个层次,电子商务的初期模式是使用电子商务也就是消费类电子商务B2C“商对客”模式,如阿里巴巴、京东等电子商务平台都可助推企业拓宽传统的销售渠道。但在工业体系中,消费类电子商务模式是不可行的。工业类电子商务模式被很多业内人士称之为产业电子商务,也可以称为B2B电子商务,是指企业对企业之间的营销关系,它将企业内部网,通过B2B网站与客户紧密结合起来,通过网络的快速反应,为客户提供更好的服务,从而促进企业的业务发展。它与B2C的电子商务模式是截然不同的。

　　他表示,企业一定要明晰电子商务模式。首先,电子商务模式一定是商务化的,它是以商务以及实现商务目的为出发点。其次企业要充分利用电子商务自身扁平化、快捷化、精准化的特质,良好的与业务进行匹配。同时,企业要在涉及大数据、云计算、物联网等新兴技术的电子商务平台上,与供应链企业进行无缝对接。当然这也是电子商务发展的必然趋势。

　　找准企业切入点

　　在电子商务突飞猛进的发展下,传统制造企业面临着资源和环境的困境,以及过高的劳动力成本。如何发挥电子商务的作用,拓宽企业商品销售流通渠道,改变产品生产方式,推动企业转型、升级,这值得每个企业深入思考。徐经纬指出,每个企业都需要电子商务,电子商务将成为一种环境与业态,企业找准切入点才是关键。

　　2014年大批制造企业进入电子商务领域,开始电子商务工作部署与实施。主要存在两种方式,一种方式是企业加入到行业的电子商务平台中,进行产品销售,拓宽了企业产品的销售途径。第二种方式是企业自建电子商务平台,在企业所处行业,将产业链中的供、需链进行衔接与整合。如在整个钢铁行业产能过剩,市场疲软的环境下,江苏沙钢集团,这家全国最大的民营钢铁企业通过自身自有的电子商务平台,扩展的销售渠道,产品行销海外,正是因为电子商务对外的销售出口,让今年的市场份额较2013年递增了30%。在增加企业自身盈利的情况下,还带动了处于同一产业链上的其他企业产生盈利。

　　他解释到,在钢铁行业,产业链涉及上游的原材料采购,如铁矿石的采购,在铁矿石的采购过程中又涉及到进口、运输等诸多环节。原材料进入钢铁企业中进行冶炼、生产,生产出的产成品会进入到下游的销售环节,最终由中间商销售到客户手中。传统产业链模式下,产业链的下游环节中,钢铁制造企业与终端客户之间存在中间商——钢铁贸易商。所以,钢铁制造企业的客户是钢铁贸易商而不是最终的终端用户。

　　钢铁贸易商的存在说明,在产业链上,钢铁制造企业与最终用户信息的不对称,虽然中间商可以帮助企业解决资金、物流等问题,但也给本就利润不高的钢铁行业加重了负担,对制造企业与最终客户也没有太多好处可言。现在,在电子商务模式下,钢铁企业完全可以绕过中间商,企业可以将物流委托于第三方物流公司,这些专业公司凭借专业优势可以为钢铁企业提供更好的服务。当钢铁企业直接面对最终客户时,信息是实时对称的,也让管理与销售扁平化、快捷化。在这种环境中,企业的生产与销售成本会降低,终端客户自然也是受益的。

　　沙钢这样的电子商务实例说明,全产业链模式的电子商务也就是全程式电子商务,可以带动钢铁链整个环节的采购、生产、销售以及在线供应链金融的快速发展。徐经纬表示,目前,在在线供应链金融这方面,银行和企业之间的信用借贷,办理时间最快三分钟就可完成,这让企业的财务流更加快捷与透明。

　　电子商务最大的特点是将整个社会的各种资源进行有效地调配与组合,为产业链以及企业创造巨大的效益。站在企业角度,消费类电子商务模式比较简单,也较容易实现。企业引入消费类电子商务,可以打破企业从采购到销售的单一性。这种电子商务模式并不涉及生产与制造环节,只涉及采购与销售,而且它与生态链的关系较松散,与上、下游的关系也相对独立。产业链的电子商务模式相对复杂,它要求企业从采购、设计、制造、销售、服务等整个流程与产业链紧密配合,企业初试电子商务这种模式需要高成本的投入,实现也较困难。

　　生态链竞争趋势

　　针对2014年电子商务的发展趋势,徐经纬表示,一方面中国制造业各行业的龙头企业将对产业链进行整体驱动。电子商务将会形成带动产业链、供应链整体驱动的态势,成为巨大的驱动力。以各行业的龙头企业为核心形成若干个电子商务的骨干网络。另外,电子商务将与多元素集成创新,集成多种商业要素。如,电子商务与金融相结合产生的供应链金融;与物流相结合形成电子商务物流配送的实体网络;与工业设计相结合、与产业链等相结合都会产生新的生态环境。因此,电子商务的多元化集成已经成为必然趋势。

　　在这种趋势下,企业通过多元化电子商务的互通互联,让各种资源共享,有效的而快速的进行配制,使得电子商务,也就是骨干化电子商务,形成良性的生态圈。在未来,企业竞争不是单独的平台、企业的竞争,而是整个产业链的竞争,也是电子商务的生态圈的竞争。