【深度解读⼯业物联⽹】：⼯业4.0
导读：⼀⼆三四，讲清楚⼯业4.0
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⼀、⼯业⾃动化技术
最初的⼯⼚⾃动化，起始于继电器在⽣产设备中的应⽤：传感器在感应⾃然信号后，会触发继电器“梯形逻辑”，并产
⽣“开关”效应控制相应的机械装置运作。这种控制过程被系统性地部署在⽣产设备的各个活动部件上，从⽽实现⽆需⼈⼯⼲预的⾃动化⽣产操作。除了继电器以外，可以启停设备的还有定时器。 （备注: 继电器，⼀种电控制器件, 当输⼊电流的变化达到规定要求时，就会“接通或阻断”输出电流）
⽽后，可编程逻辑控制器（PLC）出现并替代了继电器和定时器。PLC的出现，并结合随后出现的专⽤I / O⽹络以及⼯业以太⽹，使得⼯⼚的⾃动化程度获得飞速的提升。⾄此，原本车间⼯位上的⼯⼈被⼀个个的机器臂和⼯业机器⼈所替代。
（备注：1969年美国数字设备公司（DEC），研制出了世界上第⼀台可编程控制器PDP-14，并应⽤于通⽤的汽车⾃动⽣产线上。国际电⼯委员会IEC对PLC的定义：可编程控制器是⼀种数字运算操作的电⼦
系统，转为在⼯业环境下应⽤⽽设计。它采⽤可编程序的存储器，⽤来在其内部存储执⾏逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输⼊和输出，控制各种类型的机械或⽣产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按照易于与⼯业控制系统联成⼀个整体，易于扩充功能的原则⽽设计。）
从通信技术的⾓度来看，⼯业⾃动化即是⼀种典型的M2M通信。在⼯业⾃动化中，传感器、控制器（PLC）和执⾏器形成了紧耦合的控制信息环。传感器将⾃然信号转换成电⼦信号，并通过“I/O接⼝”传送到可编程逻辑控制器（PLC） 中，PLC根据配置好的逻辑规则计算出结果并将相应的电信号送向执⾏器，电信号决定了执⾏器的“开关”状态，从⽽操控相连机械部件的运作。
通过PLC对传感器和执⾏器的信号进⾏关联，形成了“采集-计算-操控”的信息环路。
在⽣产设备上，⼤量的电⼦器件构成⽆数的信息环，系统性地部署在各个机械零部件之上，从⽽构建出⼀个⼜⼀个精密、复杂、内部相互协调的⽣产系统。
这种“嵌⼊式”的信号连接⽅式，在结构设计上灵活且有效，各个领域都可以根据应⽤的实际需要，搭建出⼀套相当复杂的⽣产系统。
在这样的⽣产⾃动化系统中，传感器和执⾏器的信号输⼊输出，往往都采⽤企业私有的标准。 在PLC的电路系统中，需要针对各类⽣产⼯具专门开发设备驱动。如果需要搭建⼀个复杂、涉及很多种类电⼦器件和⼯业设备的⽣产系统，那么嵌⼊式开发的⼯作量会⼗分巨⼤。⽽要想做⼀些系统优化，改变系统的⼀部分设计、或替换⼀些部件，亦会是⼀项浩⼤⼯程。
信息系统和⽣产设备紧耦合、不开放的状态，限制了传统⾃动化系统的发展升级。这种系统特征便是传统⼯业的“硬件式设计模式”。
⼆、从⼯业3.0到⼯业4.0
在“⼯业3.0”时代，⾃动化系统已经具有了相当⾼的复杂性和精密度，但依附于设备上的信息控制系统是“⾃然封闭”的，⼤量嵌⼊式器件模块并没有预留对外的信号接⼝。
⽣产过程中产⽣的⼤量传感信息，在⾃动化系统内计算使⽤，也在系统中“稍纵即逝”的消亡。外部系统既⽆法知道⾃动化系统运作时的健康状态，也⽆法根据产量情况调整⽣产进度（控制⾃动化系统运⾏），甚⾄改变⽣产计划。
不管是为了更好的运营维护，还是为了商业需要做排产计划，⾃动化⽣产系统和其他商业管理系统都有对接互通的需求和必要。所以，制造业提出了CPS的概念。对于CPS，制造业领域中有⼀种⽐较简
单的理解：即是通过⽹络连接嵌⼊式系统和各类⾏业信息系统，实现许多个应⽤软件对许多个硬件设备进⾏联合监测、控制的⼤系统。
CPS系统最⼤的变⾰之处，就是使得⼯业的信息通信⽅式从原本⼀对⼀的信息隧道模式，变成了多对多的互联⽹模式。
CPS系统最⼤的变⾰之处，就是使得⼯业的信息通信⽅式从原本⼀对⼀的信息隧道模式，变成了多对多的互联⽹模式。CPS会将“⼯业3.0”引向“⼯业4.0”。
三、⼯业4.0
德国⼯业4.0的核⼼内容，可以采⽤“⼀个⽹络”、“两个主题”、“三项集成”、“四个阶段”来表述。
1、CPS-⼀个⽹络
“⼯业4.0”在⾃动化的基础上，⼀⽅⾯通过CPS联接嵌⼊式的⽣产系统，另⼀⽅⾯使得企业内外的各类⽣产管理系统之间也能够交互信息（通信协议的标准化），实现全部⽣产环节的信息互联。红脊长蝽
产品中的要素（使⽤⽅式和流程、场景）和构件（软件平台、操作系统、零部件、耗材）具有标准的⼀致性，但要素和构件的组合是千变万化、各式各样的（具有语义化特性）。在未来的⼯业⽣产中，
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将由上层应⽤软件通过CPS⽹络调⽤信息化⼯具（应⽤系统、算法⼯具等），指挥操作机械设备，并实现各类⽣产⾏为的协同。
2、⼯业4.0的“集成”
在⼯业4.0平台中，通过CPS实现三类“集成”（纵向集成、横向集成、端到端集成）来实现⼯业领域各类系统的适配，打通系统和设备之间的信息数据。
（1）纵向集成
企业内部有许多部门各司其职、明确分⼯，信息系统也是如此。在⼯业领域，现代化的企业往往有很多信息管理系统，虽然可能负责技术运营的部门是⼀个（IT部门），但是这些系统各⾃负责不同的管理领域和⽣产服务环节。在⼯业3.0的企业运作中，各信息系统各归其主（部门），它们之间原本并不需要直接互通信息，所以在信息技术层⾯通常不具备传递数据的条件：彼此的接⼝标准不统⼀、数据形态各异。
然⽽，要实现企业内部的智能制造，信息互通是⼀种必须。排产管理系统在排产时（安排⽣产计划），可能会希望“看看”采购系统中的原材料订购情况；采购系统在采购前，可以评估⼀下销售系统中的客户质量反馈来挑选供应商；销售系统在接到订单后，肯定需要尽快通知物流系统，争取给客户
早⼀点送货上门；测试系统则迫不及待地想通知设计系统：昨天对零部件结构优化的设计⾮常成功，可以去通知⽣产系统按照新图纸投产了。
rcct智能的基础是信息的紧密互通。
所以，企业必须⾯对⽇益增多的“信息孤岛”，让这些系统从“互不相⼲”转变为相互交流。⼯业4.0最重要的⽬标，就是通过CPS的标准化架构，来实现各类信息系统的互联。⽤⼀种通⽤的“语⾔”，让系统之间可以“对话”。
从⼯业4.0的结构图来看，“纵向集成”有两个⽅⾯：⽣产系统（以车间和设备为主，包括了传感器、执⾏器）和各种应⽤、管理的信息系统进⾏互联；各信息系统之间的互联。
“纵向集成”实现了企业内全系统之间的（数字化）信息互通。
（2）横向集成
在企业之外的产业链上，企业也各有分⼯，每个企业会负责产业链中⼀个⼀个的独⽴环节。每个企业必须负责好⾃⼰的那部分⼯作，这同样需要将信息“上传下达”。
横向集成，使得企业和企业之间可以共享信息，在产业上下游之间形成⼀条完整的信息链：产品的设
计、测试、制造、销售、物流、售后、增值服务，环节中的每⼀个企业组织，都可以根据产业链上的信息调配资源、优化⽅案、减少库存、提升技术、迎合市场、缩短⽣产周期。
企业和企业之间“亲密”对话，能够增加相互之间的契合程度，减少商业合作中的⽭盾和摩擦。企业如果能够熟知产业链
企业和企业之间“亲密”对话，能够增加相互之间的契合程度，减少商业合作中的⽭盾和摩擦。企业如果能够熟知产业链全量的业务信息，就可以统筹综效、创造更多价值。
在⼯业4.0的构架中，整个制造⾏业可以看成是⼀个“虚拟的⼤⼯⼚”，⽽这家⼤⼯⼚中的每⼀个企业，都可以看成是⼀
个“员⼯”，“员⼯”各司其职，履⾏职责⾓⾊、完成环节分⼯。
当然，他的⼯作内容不再像原本流⽔线上那样完全固定不变（机械的重复劳动），⽽是根据在上下游⼯序（Work Flow）中的“员⼯（企业）”提供的信息，动态、灵活地进⾏⽣产。
横向集成，如果由⼯业巨头来推动，则可以辐射到⼤量的产业链上的中⼩企业。⼤型⼯业企业周边往往会聚集⼤量的中⼩企业，这些企业⾃⾝在技术和驱动⼒上都难以推动⼯业4.0的落地。如果有巨头型企业⼒推“横向集成”，则可以从外部刺激，并引领中⼩企业向前发展。这正是⼯业4.0最希望实现的⽬
标之⼀。
（3）端到端的数字化集成
“端到端”的概念并不是指“两头（端）联接”，⽽是指所有涉及的系统和设备都在⽹络中，这是⼯业4.0希望实现的最终理想。端到端集成的实现，需要企业内外的各类系统都接⼊CPS⽹络，通过不断的纵向和横向集成，最终实现商业价值链在CPS中的贯穿。
这种贯穿是将“商业交付（不仅是指产品，也可以是服务）”中涉及的所有环节都联接在整体开放的CPS系统中，围绕着产品和服务的全⽣命周期进⾏信息交互和价值创造。
当⽤户在订单管理系统（或CRM系统）⾥⾯下了⼀个批次的产品订单-->产品管理/设计系统（例如PDM系统-Product Data Management，产品数据管理）便会交出产品图纸和其他⽣产信息-->⽣产管理系统（例如ERP系统、APS系统）根据产品信息着⼿协调资源、计划⽣产-->MES（Manufacturing Execution System，制造执⾏系统）则根据排产计划通过PLC模块（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制车间内的设备进⾏⽣产制造。从制造流程中可以看出，从获得订单到制造产品，需要企业内的所有系统实现“纵向集成”。
然⽽，⽣产企业可能是负责“组装”的企业，企业的⽣产过程是对产品各部件的组合装配。产品中所包
含的许多原材料和零部件并不是该企业⽣产的，企业就需要从其他企业那边购买或预订。所以，在收到客户订单后，企业会根据制造需求，进⼀步地将需求分拆和细化，向其他供应商购买原材料、向上游⼚家新预订⼀批零件、向仓库查询备货情况并安排出库。
在⽣产供应链中，上下游企业都需要控制⽣产周期、优化排产计划，所以在它们之间需要将订单系统进⾏对接，保证产品设计图纸的同步，以及实现在排产计划上的协同。企业各系统间的“横向集成”，使得各⾃的智能决策系统，可以通过相互间“对话”来实现⽣产协同，根据彼此的需要进⾏商业交付。
“端到端集成”既包括了“纵向集成”，也包括了“横向集成”。它使得所有⽣产环节都实现了数字化、信息化，并相互连通、能够对话，形成这种“有机”的产业⽣态。整个产业犹如⼀个“虚拟化⼤⼯⼚”，可以将“⼈”⼲预的需求降⾄最低，甚⾄消除，⾃主⾃动地完成订购、设计、排产、组装制造、配送、售后服务这⼀系列的⼯作。
在这三种集成中，纵向集成是企业内部的资源整合，横向集成是企业之间的能⼒协同；端到端则是在前两者实现的基础之上，⾯向产品和服务流程的融会贯通。通过全⾯的集成，提升相关系统之间的配合度，实施传递信息，提⾼⽣产效率。
3、智能⼯⼚和智能⽣产-两个主题
智能⼯⼚是聚焦于⽣产车间的⾼度信息化系统。在车间内、企业内先通过CPS实现“纵向集成”，通过信息采集、计算、操控，实现全⾯的⽣产⾃动化（不过这仍旧是⼯业3.0的状态）。
道教法术然后，企业进⼀步通过CPS实现的“横向集成”，企业的各类信息系统可以通过和其他企业的系统对话，来调整⾃⼰的⽣产计划，优化资源利⽤，改进⽣产环境等。同时，⼯⼚还能⾃主完成预测性维护、软件版本管理、系统升级、能源供应等⼀系列的资产、资源管理⼯作。
智能⽣产是⼀种服务过程，围绕着个性化、创造性的市场需求。当某个领域的制造业实现了“端到端集成”后，即所有上下游企业都实现了互联，形成了产业⽣态。⾸先，⽤户可以通过相应的客户端，设计⾃⼰的产品（外观、功能、结
下游企业都实现了互联，形成了产业⽣态。⾸先，⽤户可以通过相应的客户端，设计⾃⼰的产品（外观、功能、结构），虽然⽤户可能并不是设计领域的专业⼈⼠。
当然，⽤户也可以直接提出需求，由系统设计并模拟出产品形态，供⽤户决策。其次，⽤户也可以参与产品制造，⾃⼰远程操作3D打印给产品制作⼀个专属的“⼿⼯”的Logo，再由智能⼯⼚将Logo贴附到定制产品上。
最后，⽤户在产品使⽤过程中的相关数据和⽤户的体验反馈会回到产品管理系统，成为下⼀次（定制）
服务的质量、特性依据。智能⽣产，不再按照固定流程、⼤批量⽣产的模式，⽽是提供单件或⼩批量的个性化⽣产服务。
这当中可能涉及的设计图纸修改、⽣产流程变化、排产计划调整、以及和⽤户的亲善对话，都不再需要“⼈”的参与，因为它是“智能”的⽣产。
四、⼯业互联⽹的四个发展阶段
1、智能的感知控制阶段（感知）
各类传感系统嵌⼊在设备中，或者贴附在设备上，实时地采集⽣产数据。
2、全⾯的互联互通阶段（连接和平台）盾构机过站
通过各种通信⼿段：⽆线通信接⼊、组⽹技术、⼯业总线、CPS系统、互联⽹等，将各类⽣产信息汇聚到开放的信息平台（例如⼯业4.0平台）。
3、深度的数据应⽤阶段（计算和智能）
利⽤云计算、边缘计算、⼤数据等相关技术，⼀⽅⾯对数据进⾏清洗、建模、分析和优化，另⼀⽅⾯
将⾏业知识凝炼在⾏业软件（分析⼯具、计算⼯具、专业功能模块）中，以此⽀持多源异构数据和机械设备的深度开发应⽤。于此，（⼯业领域的）⾏业技术和信息技术已经实现了技术的“组合进化”。
4、创新的服务模式阶段（服务）
技术的“组合进化”将引发新的商业模式：服务业创新。定制、增值、运营、租赁、咨询、设计、教育，更多的商业价值将在这些服务中体现。⼯业领域的企业将不只关⼼产品的⽣产，还会钻营使⽤的过程，通过服务帮助⽤户“增值”。
这四个阶段，代表着⼀种“⾃下⽽上”的⼯业发展模式，即以⼤量的⽣产数据作为信息化的基础，通过⽹络和软件不断增加功能，并扩⼤覆盖范围，最终实现全领域的开放连接，相互服务。
那些具备⼤量⽣产数据的企业（⼯业巨头），⾮常适合这样的发展模式。它们相⽐较互联⽹企业，具有⼀定的先发优势。巨头型⼯业企业，往往拥有某些领域内完整、⼤量的⽣产数据，⽽且这些数据具有（业务）多样性、（技术）复杂性等特性①。通过CPS连接，企业能够把这些“既有共性、⼜有个性”的数据装进云计算系统，搭建起专业性极强的⼯业物联⽹平台，再实现⼤数据分析和智能应⽤。由于拥有“底层数据”，使得⼯业巨头在平台构建和⽣态营造⽅⾯很有底⽓，但这种模式或许也会耽误它们向互联⽹的开放性进⼀步迈进，影响四阶段中的最后⼀步：“服务创新”。
（①注释：“平台服务商的⽣命⼒是否强⼤，取决于⼊驻企业的多样性。多样性会提⾼竞争⼒，多样性也是复杂性的⼀⽅⾯。”-《中国制造新起点-服务业⾰命开启服务业⽂明》-许永硕）
德国的⼯业4.0不仅是⼀次技术⾰命，更是⼀场“社会⾰命”，激励全社会参与技术发展②，意图实现两个国家战略⽬标（双重战略）：成为领先的供应商并主导市场。
（②注释：⼯业4.O将在制造领域的所有要素和资源之间，实现更⾼层次的“社会-技术互动”⽔平。换⼀句通俗的话来说，即是“社会⽂明的再进⼀步”。
