创造更强劲的未来报告: 物联网将怎样彻底变革工业生产

2015年02月04日 08:50 CEST

作者: Detlef Zühlke 教授、 Dominic Gorecky 博士和 Stefanie Fischer,德国研究中心的创新工厂系统部门

在全球化的压力之下,我们行业将在很长时间内面临来自全球各个市场的挑战,这些挑战包括更短的产品生命周期、高度个性化的产品和激烈的竞争。 这些挑战在当今移动电话市场已是很明显了。 虽然产品生命周期已经缩短到6至9个月,但是产品的功能和复杂性也在逐渐加深。

目前其它行业(比如汽车行业)也正在经历类似的发展。 随着产品变得越来越复杂,产品生命周期越来越短,计算机辅助技术(CAX)在产品持续优化和加速期中变得越来越重要。 在过去十年里,虽然计算机辅助技术逐渐发展,并在设计和计划阶段增强了产品的柔性,但是在实际制造阶段,类似的突破仍然有待实现。 一个高质量产品的可变性要与缩短的产品生命周期保持一致,就需要有一个灵活易变的产品结构,能够根据新产品需求而重新快速配置。 传统自动化无法实现这种程度的灵活性。 相反,由那些属于“物联网”的“网络物理系统”(CPS) 的智能设备组成的模块式工厂结构,是设计出可以处理并克服当前挑战的可行性产品方案的关键因素。

在过去十年里,信息和通讯技术(ICT)的出现和发展让我们已经见证日常生活根本性的变革。 计算机变得如此之小,好像它们将在几乎我们所有的技术设备里消失殆尽一般。 除此之外,信息得以在全世界网络中进行交流: 互联网。


当我们打算沿着这条途径走向未来的时候,我们会发现,几乎所有日常中的事物都会变成全球网络中的智能节点。 这个现象叫做“物联网”(IoT);物联网工业产品生产方式必定是大势所趋。 偏好电子技术和多层等级的工厂自动化生产世界将过渡到智能工厂网络,这类工厂日益受益于信息和通讯技术以及计算机科学技术的进步发展。 在德国,关于第四次工业革命,或者简称“工业4.0”的讨论已经开始了。

自从 2011 年 4 月这个术语被Kagermann/Lukas/Wahlster引进以来,各界对于它的兴趣也在持续增长(2011 - 参考文献 1)。 在由科学和商业界专家组成的工作组的大力推动下,关于德国工业发展的愿景已被提出并以建议的形式提供给联邦政府。 研究项目因此得以成立,预计在未来的几年里将为其注入大约 2 亿欧元的资金。 另外,德国工业协会的三个主要负责人(VDMA、ZVEI和 BitKom)已经共同努力创建了一个共享平台以促成所有工业 4.0 活动的合作。

这些行动主要通过媒体报道,收获了多方的广泛评论。 当然,真正的兴趣在于制造行业实现持续成功这一愿景。 德国是一个高科技国家,它的商品和产品设备制造业在国民生产总值(GDP)占据了很大比例。 下列部分介绍了预计在工业 4.0 愿景中可能出现的变革性挑战和变化。

工业 4.0 愿景

新技术环境的一个典型特点是向机电系统过渡。 电子器件将会成为未来产品中的一个基础组成部分,与此同时,硬件将会越来越标准化。 主要的功能特点将由软件创造。 通过这种方式,传统的机械原件转变成了机电系统。 因此可以通过力学器件、电子器件或者软件实现原来的机械功能。 因此,产品的设计、制造以及服务需要跨学科的团队合作,这个团队集合了由力学、电子学、软件学到通用工程学富有竞争力的人才。

智能物体 

工业 4.0 目标的关键驱动力量就是物联网(loT)。 在这个目标中,工厂所有的“物体”都会有一个唯一的IP地址,并且被整合到网络里。 为这种物体创造的科技术语叫做“实体虚拟系统”(CPS)(2012 - 参考文献 2)。 在未来的工厂里,传统的产品层次将会被分散的自我组织所替代,而这种组织是由CPS实现的。 工厂部门和产品过程将会变得非常独立和灵活,在产品快速转换和诸多选择的条件下,即使是最小订购数量的产品也能被生产出来。

这种机器对机器的通信让当个机器也能发出命令,比如说,运送原料或者使用特定制造服务的命令。 物体的语义存储器动态地控制着它的制造过程,因此允许分散大规模的生产批量最小为“1”。

许多这种智能原件可以移动,并且通过无线网络连接在一起,也就是说省去了许多极其重要的位置数据,它们在旧的硬连接系统下,只能通过“线路末端”传递给我们(表格 1 中有比较)。 这在工厂经营领域是极其重要的。 使用移动操作设备(比如说智能手机)的员工,再也不用总是固定待在一个特定的位置了。 使用者可以在某个商店里,也可能在咖啡馆里。 这种应用必须把员工现在的位置考虑进去,以便于决定某种功能在当前时刻是否能被支持。 为了解决这个困境,不仅需要类似于GPS的室内定位系统,而且还必须尽快建立设计实时适应相关环境的人机界面的新规则和方法,以便保证当前使用的硬件和操作软件可以分离。

图 1: 智能物体 —— 移动化、模块化和分散化。

新的通信架构

如今的工厂遵循着一套严格,多层等级的信息结构。 在上层,我们有比工厂控制系统(MES 和NC/PLC)等级更高的企业资源计划(ERP)系统;在下层,则是工厂的传感和致动器系统,也就是所谓的现场设备。 然而,近年来,这些层级都已渐渐地整合在一起;主要的系统集成已不在垂直方向,而在水平方向上产生了,CPS网络将必定需要一个新的架构方法。 具有稳固横向网络和微弱纵向通信特征的常见锥形结构将会被一个面向领域的网络结构所取代,理论上这个面向领域的网络结构能够让任意数量路线穿过工厂的所有信息层。

建立在物联网和网络物理系统原则上的工厂系统将会使当今可编程逻辑控制系统 (PLC) 变得多余,因为即使单个终端设备处在不同的层级,它们也能和其它任何设备进行通信。 流程逻辑的规范(也叫编排)将在网络中进行,而不是在专用控制部分中进行。

新的编程模型

现今,程序控制成为那些建立在有20年或者更久历史的规则和标准基础上的硬件结构中最重要的部分。 在自我组织网络物理系统的未来世界里,硬件和控制逻辑必须完全分开。 一些模型已经在这一领域出现了。 例如,服务导向架构 (SoA) 或者多智能体架构 (MAS)。

这两种方法都封装,提取了硬件的实用功能,并包含自我组织系统机制。 此外,一系列允许控制逻辑规范或者编排的编程模型已经存在了。 然而,未受过此类专业知识培训的工人上若要在车间实施这些方法会比较困难,因为这些方法需要高水平的计算机技术。 在这一方面,通过中层制造执行系统 (MES),将已经部分部署在工厂上层的此类架构模型迁移是一种可观的做法,但是这种做法也需要考虑参与人员的技术背景。

在当今产品计划和控制过程中,因为控制系统设计依赖机械和电气设计的效果,所以控制系统的设计往往安排在计划阶段的末尾。 逻辑控制编程要在控制终端被选中,且逻辑控制的连接方式已确定后才会开始。 类似于服务导向架构 (SoA) 这类抽象概念在解除与实施初期硬件的关系以及创造一个可重复使用的软件组件方面有着重要帮助。

建立一个新的工程工作流,对于为硬件提供所需的独立、功能性和自上而下的计划方法是非常必要的。 传统的计划领域必须更为集成,尤其是在早期计划阶段,以便能在后期计划过程中提供对中可能。 系统工程方法能在支持跨学科任务方面提供帮助,这已在航天技术部门得到了成功证明。

因此,由于计划结果的复杂性以及相关领域之间的相互关系,创造透明的呈现方式将极具挑战性。 这将需要设计出增量性、基于模型的工程策略的实用程序,同时也需要适当的模型语言、数据格式以及工具链。

未来智能工厂的目标是消除 CAX/PLM 环境和实际运作工厂之间的媒介障碍。 PLM工具需要有生成完整系统描述的能力,这种能力可以直接把对象转化成为可执行的控制服务。 同时,编码必须既能模拟虚拟工厂,又保证实际工厂的操作和设置。

标准

正如在基础模型中描述一样,只有在标准化的基础上,硬件和功能严格分离才能取得成功。 至少就信息技术方面而言,CPS系统元件的设计风格应该近似于乐高积木。 也就是说,这种元件必须能在标准化基础上,实现 ISO/OSI 7 层模型中所有层之间的数据交互。 至少1-4运输层已经依靠许多既定标准(比如多种IEEE 802.xx标准和互联网协议);以应用为基础的5-7层各自的标准只有在巨大的市场压力下才会得以实现。 很明显,对于把自己的产品做成可互换的“乐高积木”这样的想法,制造商没有任何兴趣。 如今关于工业无线网络领域(比如 ISA100)的标准流程或者设备规格描述语言(比如 FDT) 的讨论反映了其中利益的对抗与冲突。 所幸的是在 5-6 层有一个带 OPC UA 的可行性实施方案已被越来越多的生产商和用户接受。

安全性

未来工厂控制系统一个显著的特征是:在所有层使用基于IP的网络。 这使得由设备领域数据向更高层次企业资源计划 (ERP) 系统数据的导入得以顺利实现。 然而,开放协议的使用也让工厂处于遭受更强大网络攻击的危险。 超级工厂病毒和其他恶意软件(流氓软件)使得威胁确切存在。 只有当这种技术安全和信任的高标准来源于企业,一个以网络物理系统为基础的环境才能最终成功实现。 这不仅要求技术性的解决方案,可能更重要地是需要组织方法。 找到一个关于安全性问题的确切答案需要工业、科学研究和政府的提议,也将成为研发过程中主要话题。

即将来临的未来会是什么样呢?

预计大概在10到15年之内,工业4.0愿景将会出现在未来生产环境中。 就所有需要回答的问题和所有需要研究的工作而言,工业需要很长的时间才能普遍实施和接受这些全面的制造方案。

因此,适合愿景的第一要素和目标在它们运用到实际中之前,将历经一段进化的过程。 丰富且随时可用的信息和媒介障碍的缩小构成了足以创建多用途和透明生产环境的基础。 早已可用的自动识别技术能追踪数字世界的元素并把它们呈现出来。 像笔记本电脑、平板电脑或智能眼镜这样的移动设备可以提供来自商业和其他领域任意地方的企业知识库的即时渠道。 因而,能以全面准确的信息和作用为基础的决策和操作在智能辅助系统的支持下会进展得更快,图 2 中展示的就是智能辅助系统。

图 2: 近期产品中的移动设备和智能辅助系统。

作为独立制造商存在的示范和研究平台 —— SmartFactoryKL 技术项目 —— 通过发展和部署能有着灵活产品结构的解决方案,已经在工业4.0目标的实现上取得了巨大成功,其能很好地解决当前工业挑战。 在30多个工业合作伙伴构建的网络中,SmartFactoryKL 对创新信息和通讯技术以及它们在实际工业生产环境的应用进行了试验、研发。 在最新的一个项目中,主要工业合作伙伴共同努力,开发了一条全新的生产线(见图 3)。 这条生产线完全是模块式,并允许对新制造模块进行即插即用时的整合。 这个即插即用功能可以在由 SmartFactoryKL 和它的合作伙伴定义的一系列机械、电气和信息技术的标准的基础上得以实现。

图 3: 在 SmartFactoryKL 进行未来生产的示范工厂。

前景

没有一场技术革命是在仓促的情况下发动的。 通常多个技术领域的各自进步会推动每几十年一次革命性的剧变(技术推动型),同时这也是由新的市场需求(市场拉动型)带来的。 当前关于工业 4.0 的运动将很可能有一个持续几十年的相似进化过程。 值得确信的一点是,工业 4.0 给制造商和终端用户提供了一个他们都能成功适应的清晰愿景。 信息技术环境的科学见解和生产环境的需求紧密联系。 这要求传统意义上各自独立部门或学科进行跨学科或跨部门合作。

当然,人类才是这个演变过程中最重要的因素。 如果我们现在分析下前三次大革命,我们会发现:人类需求和生活标准很明显是这些变化最主要的推动力量。 当这些要求正好符合技术条件,它就会给多个领域带来创新的变革。 自第三次工业革命(通常也叫数字革命)以来,许多创新技术和政治改革已经对人们的生活方式产生了影响。 这些典型的例子包括冷战的结束、全球市场,特别是中国市场的开放,同时也包括技术的进步(例如,因特网和许多智能设备)。

人类不仅是技术进步重要的推动者,同时也是被推动的对象。 现代信息和通讯技术,以及全球化的背景使商业进程大幅加快。 给供应生产工厂和设备的报盘可以立刻发送到全世界,全球集团也可以立即成立,以便商讨解决方案。 陆海空更高效和更全面的物流系统能够在更短时间内把货物传送给顾客。 为了在全球竞争中取得成功,生产系统需要灵活快速转换的功能。 信息与通讯技术的进步可以实现这个需求。 在这个新系统环境中,人们将需要更快地计划、执行和操作。 只有那些能设法及时根据实际情况调整它们国民培训和教育模式的国家才能在全球市场中取得成功。

欧洲在这方面处极具优势。 欧洲在网络嵌入系统、语义科技和复杂的网络物理系统设计这些领域的研究处于领先地位。 因此,欧洲工业有实现技术上巨大飞跃和完美应对全球市场变化的绝佳机会。

参考文献

1. Kagermann, H.、Lukas, W.、 Wahlster, W. (2011)。 《Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur》 4. 《industriellen Revolution》,VDI-Nachrichten。
2. Geisberger, E.、 Broy, M. (2012)。 《Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems》, Acatech Studie,柏林。
3. Zuehlke, D. (2010)。 《SmartFactory – Towards a Factory-of-Things》,在: IFAC Annual Reviews in Control,第 34 卷,第 1 期,ISSN 1367-5788


【末】


Detlef Zühlke,工学博士教授、 名誉博士

Detlef Zühlke 是德国人工智能研究中心(DFKI-IFS)创新工厂系统部门的主管,该中心位于凯泽斯劳滕。 他也是 SmartFactoryKL 发起者和董事长,并是凯泽斯劳滕大学生产自动化学院的院长。

工学博士 Dominic Gorecky
Dominic Gorecky 是 DFKI-IFS 的高级研究员兼副总监。 他主要负责部门的科学管理和战略协调。

Stefanie Fischer,理科硕士
Stefanie Fischer 是 SmartFactory 的研究员兼传讯总监。 她协作多个不同的项目,并负责市场营销和中心的各类传讯工作。

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