智慧工廠：工業4.0核心載體 制造業升級之路
http://www.debgrams.com 2015-05-26 10:37
國務院正式頒發《中國制造2025》規劃。“中國制造2025”與工業4.0強調的智能化信息化方向與發展戰略基本一致，新一輪的制造業變革逐步來臨。
智慧工廠：工業4.0核心載體，制造業升級之路。
智慧工廠，也稱數字化工廠（DF），是指以產品全生命周期的相關數據為基礎，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。數字化工廠主要解決產品設計和產品制造之間的“鴻溝”，實現產品生命周期中的設計，制造、裝配、物流等各個方面的功能，降低設計到生產制造之間的不確定性，在虛擬環境下將生產制造過程壓縮和提前，并得以評估與檢驗，從而縮短產品設計到生產的轉化的時間，并且提高產品的可靠性與成功率。與一般工廠相比，數字化工廠強調的是生產計劃數字化，大量使用計算機各種輔助技術，如CAD、CAM、CIM等等，相對固定，由上而下。
智慧工廠的基本設想是制造的產品集成有動態數字存儲器、感知和通信能力，承載著整個供應鏈和生命周期中所需的各種信息；整個生產價值鏈中所集成的生產設施能夠實現自組織，以及能夠根據當前的狀況靈活地決定生產過程。智慧工廠將建立“數字企業平臺”，通過開放接口將虛擬環境與基礎架構融為一體，從而構成信息物理融合系統(CPS)，生產自動化系統將升級為信息物理融合生產系統(cyberphysicalproductionsystem，CPPS)。
工業4.0將由集中式控制向分散式增強型控制基本模式轉變。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組，將使人類從“自動化生產”進入“智能化生產、綠色生產、都市化生產”。信息物理融合系統(CPS)是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統，是計算進程和物理進程的統一體，包含了無處不在的環境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等系統工程，使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能。智能的網絡世界與物理世界融合產生的CPS亦稱“工業物聯網”。
從中國制造到中國智造，這是工業4.0的大時代！工業流程中使用物聯網及其服務，從而產生了創新的工廠系統——智慧工廠。完全不同于傳統的工廠自動化系統，智能工廠采用面向服務的體系架構，具體體系架構如上圖所示。從圖中可以看出，對應于傳統自動化系統的現場級，智慧工廠使用物聯網技術；對應于控制級，智慧工廠采用CPPS信息物理融合生產系統；對應的監控管理級連接到安全可靠和可信的云網絡主干網，智慧工廠采用服務互聯網提供的服務。
智能工廠：帶來制造業長期競爭力的提升。
互聯網激活傳統工業，保持制造業長期競爭力的必由之路：與前三次工業革命相比，我們認為工業4.0最大的進步在于利用互聯網激活了傳統工業過程，使工廠設備“能說話、能思考”，同時實現三大功能：最大程度地降低制造業對勞動力的依賴、將流通成本降到最低、最大程度滿足用戶個性化需求。從長期來看，工業4.0時代，對于智能工廠的投入將遠超過一般工業，但項目盈利能力也將顯著提高，并且資本投入越大、斜率越陡峭，即投資的邊際回報率越高。我們認為，無論在何種經濟體，工業4.0都將是制造業發展不可繞開的必由之路，是未來世界制造業最大的一波“浪潮”。
我們認為，相對于傳統制造組織形式，工業4.0智能工廠對于制造業長期競爭力提升主要體現在三個方面：降低對勞動力的依賴、降低倉儲物流成本，以及滿足用戶個性化需求。
1）降低制造業對勞動力的依賴：德國重視“工業4.0”的另一個原因是老齡化帶來的勞動力不足。德國人口的老齡化程度在全球排名第二，僅次于日本，許多德國制造公司年輕員工的數量在不斷減少，已經出現熟練勞動力短缺的現象。且德國的人工成本非常高，一個典型制造業企業的人工成本要占到25%到30%。對于我國來說，未來隨著人口紅利的消失，勞動力供給減少、人工成本上升和新一代勞動力制造業就業意愿的下降，制造業的國際競爭力面臨巨大制約。而工業4.0時代高度網絡化、自動化的智慧工廠，能最大程度地降低制造業對勞動力的依賴，降低勞動成本，大幅提升制造業長期競爭力。
2）降低物流成本：智能物流是工業4.0核心組成部分，是降低社會倉儲物流成本的終極方案：在工業4.0的智能工廠框架中，智能物流倉儲位于后端，是連接制造端和客戶端的核心環節。自動化物流倉儲是運用軟件技術、互聯網技術、自動分揀技術、光導分揀、RFID、聲控技術等先進的科技手段和設備對物品的進出、庫存、分揀、包裝、配送及其信息進行有效的計劃、執行和控制的物流活動。典型的物流與倉儲自動化系統主要包括：自動化立體倉儲系統、自動輸送系統（包括移動機器人系統AGVS）、自動識別系統和自動分揀系統，以及機器人作業系統的其他輔助系統等。相對于傳統的物流倉儲設施，自動化物流倉儲系統的優勢主要體現在對勞動力成本的節約、對租金成本的節約、管理效率的提升等方面。我們估算自動化倉儲在保證同等儲存能力的條件下，可至少節約70%以上的土地和80%以上的勞動力。自動化倉儲系統能夠最大程度提升倉儲管理的準確性，以及識別、分揀、進出貨的處理速度，降低存貨周轉率，適應電商、生鮮配送等現代快速物流的需求。
3）滿足用戶個性化需求：進入信息時代、互聯網時代以來，產品生命周期越來越短，節奏越來越快，對資源利用的要求越來越高，用戶的個性化需求快速釋放，導致制造業大批量生產的模式慢慢被摒棄，柔性化的實時的動態響應需求越來越多。正因為人們對個性化需求的日益增強，當條件具備時，此前為提高生產效率、降低產品成本的規模化、復制化生產方式也將隨之發生改變——工業4.0時代，個性化產品將以高效率的批量化方式生產。“個性化”是精耕細作、靈活創意的代名詞，“規模化”曾經意味著大批量、重復生產，智能制造就是讓“個性化”和“規模化”這對工業生產中的矛盾相融合的生產方式，互聯網則能夠讓制造鏈條上的各個環節更加緊密、高效協作。
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