Industry 4.0 Development and Application of Intelligent Manufacturing

Author：Guo-Jian Cheng, Li-Ting Liu, Xin-Jian Qiang, Ye Liu

Published in：2016 International Conference on Information System and Artificial Intelligence (ISAI)

Conference Location：Hong Kong, China

Cited times：30

Abstract

过去几年，工业和信息技术领域经历了深刻的变革，进入了工业4.0时代，将从嵌入式系统演变到网络物理系统（CPS）。制造业将通过互联网，整合内部和外部网络，朝着智能化方向发展。本文介绍工业4.0的发展，并以120的智慧信息技术（WIT120）为例介绍网络物理系统，然后通过数字工厂到智能工厂的例子介绍工业4.0在智能制造中的应用。最后分析工业4.0在未来的发展方向，为其在智能制造中的应用提供参考。

Introduction

互联网和工业的融合，能使制造业拥有对大规模数据收集、传输和处理的能力。工业4.0由德国人提出，实质是“互联网+制造业”，描述了制造业的未来—建立在互联网和基于信息技术的交互平台上，科学地整合越来越多的生产要素，变得更加自动化、网络化和智能化，个性化和定制化的制造将成为新常态。

2015年中国发布“中国制造2025”

Industry 4.0

工业4.0实质是基于CPS来实现智能工厂，其核心是生产的动态配置，指在生产之前或生产过程中能随时改变原始设计。在工业4.0的智能工厂中，固定生产线的概念已经消失，而是动态的模块化生产。

工业4.0有几个主要特性：互联、数据、集成和创新。此外，工业4.0的九大支柱技术包括：虚拟现实，人工智能，工业互联网，工业大数据，工业机器人，3D打印，云计算，知识工作自动化和工业网络安全。在未来，这九大支柱将生成大量的商业机会。

Cyber Physical System

工业4.0的核心是CPS的深度集成，CPS将虚拟空间和物理现实相连接，集成了计算、通信和存储，可以实时、可靠、安全、稳定和高效地运行。CPS地核心概念是3C，computation, communication和control，为了增加或扩展新功能，提供实时感知、动态控制和信息反馈等，通过计算过程和物理过程交互的反馈循环来实现现实世界和信息世界地协作和实时交互。下图是CPS 3C的协作过程。

CPS的应用非常丰富，通过智能设备获取现实物体的客观信息，对信息分析和智能处理的感知，以及特定应用业务逻辑的通信对象交互。例如，WIT120以“感知、知识、操作”为中心，完成了现实世界和信息世界的实时互操作。基于物联网技术，大量传感器被用于追踪实时的生命体征数据，并通过无线网络技术将其传输到医疗数据中心并建立电子文件。利用大规模的数据存储和处理平台，应用数据挖掘和知识发现理论对医学史数据进行建模和分析。它将通过云服务分析提供给医务人员实时追踪和历史数据作为参考治疗，或者为最终用户直接提供医疗护理计划。它使用CPS的相关技术建立了病人与医疗机构间的桥梁，逐步实现了信息综合。

Intelligent Manufacturing in Industry 4.0

A. 数字工厂到智能工厂

数字工厂以制造资源，生产运营和产品为核心，利用产品生命周期数据，仿真技术，虚拟现实技术，实验验证技术，使产品在生产台，生产单元，生产线和整个工厂全部的真实活动虚拟化。数字工厂集成了产品，流程和工厂模型数据库，通过先进的可视化，仿真和文档管理，提高了产品质量和生产过程的动态性能。

数字化是智能化的一部分，智能工厂在数字工厂的基础上，利用网络技术和监控技术，加强信息管理服务，提高生产过程的可控性，减少生产线的人工干预。数字工厂是智能工厂的最终结果，智能工厂是工业4.0的基础和立足点。

互联网与工业的融合是制造技术革命的一个突出特点，工业生产的模式将逐步走向智能化。工业4.0提出了基于通信和服务的智能工厂网络建设。物理系统和网络系统通过互联网和移动网络交互，那么工厂将不再仅仅是传统的物理生产车间，它可以通过网络运行和管理设备，实现能耗数据的采集，分析，处理，在线监控等功能。智能工厂通过中间件，云计算和服务连接到庞大的制造网络，基于网络智能物流构建完整的制造系统

B. 智能工厂应用示例

以汽车生产为例，目前的汽车生产主要是按照预先设计的工艺生产线生产，虽然也有一些混合生产模式，但在生产过程中，必定由许多机械生产线组成。因此，产品的设计难以实现多样化。由于生产线制造执行管理系统是由大量机械硬件限制的生产线组成，灵活性大大降低，而且它不能发挥更多的作用。同时，不同生产线上的工人位于不同的车间，他们无法掌握整个生产过程，他们只能在特定的固定工作中发挥作用，很难实时满足客户需求。

工业4.0的智能工厂提出了动态配置生产模式，它不再是固定生产线，而是模块化生产，它将它们动态地和有机地结合起来。生产模块可以算是一个CPS，汽车装配时自动穿梭在各生产模块间，接收必要的装配操作。如果它具有生产或零件供应瓶颈，则可以将生产模块安排在其他模型或生产资源的一部分中以继续生产。也就是说，每个模型都是自训练的，以便为动态装配操作选择合适的生产模块。在这种动态配置生产模式中，它可以发挥制造执行管理功能，可以动态管理设计，组装，测试整个生产过程，既保证了生产设备的运行效率，又可以产生广泛的多样化。宝马工厂在冲压，车身，涂层和装配四个主要车间全面实施了工业智能化。车身车间采用智能机器人和工业计算机控制技术，其能效显着提高。实现了节水30％，节能40％，减排20％。

C. 智能制造

工业4.0的智能制造在生产过程中通过互联，云计算，大数据实现了系统的垂直整合。整个工厂内部元素相互联系和协作，并进行个性化生产，调整产品生产力，节约资源。特斯拉表示在一定程度上符合工业4.0概念，它自己生产的汽车核心定位不是电动汽车，而是大型移动智能终端，它是人机交互的一种新方式，通过互联网终端使汽车的体验工具包含硬件，软件，内容和服务。特斯拉的成功不仅体现了能源技术的突破，也体现了其对互联网进军汽车制造的思考。这是一个全自动化的设施，除了转向柱和其他需要购买的小零件外，几乎可以完成从原材料到成品的整个生产过程，并且所有剩余部件都是自给自足的。仅在2015年下半年，特斯拉已向弗里蒙特市工厂投资约16亿美元。它的四个制造部门：冲压生产线，车身中心，油漆和装配中心在工作中心拥有150多个机器人。

智能制造的应用非常广泛。智能制造技术的内涵非常深刻。事实上，云计算，大数据分析，电子商务，移动应用，社交网络，企业网络和互联网行业技术都属于智能制造技术或其支持手段，可以说智能制造本身已经包含“互联网+制造业“。

Future of Industry 4.0

智能制造的未来表现在四个方面，它们是设备智能化，生产智能化，供应链管理智能化和能源管理智能化。智能工厂的每个生产过程都将清晰可见，高度透明。纵观全球，像之前提到的特斯拉一样，“智能产品+智能生产”企业也不多见，而特斯拉也只是工业4.0时代呼唤的企业原型。目前，工业4.0仍处于概念形成阶段，各国都按照自己的方式试图建立工业4.0标准。在德国，它被称为“i40”。在美国是“物联网”，在中国是“中国制造2025”。但无论名称如何，基本方向都是一致的，即通过新能源技术，物流技术和信息技术提升制造业水平，从而实现从生产到消费的第四次飞跃。在工业4.0的背景下，智能制造的未来不会停留在“智能”的水平，而是要真正实现“智能化”。智能制造系统实现自主学习，自主决策和持续优化。