上海市科技功臣 全国优秀科技工作者 同济大学 张曙

智能工厂：工业4.0的标志

进入21世纪，互联网、新能源、新材料和生物技术正在以极快的速度形成巨大产业能力和市场，将使整个工业生产体系提升到一个新的水平，推动一场新的工业革命。德国提出“第四代工业—Industry 4.0”战略规划，旨在确保德国制造业的未来竞争力和引领世界工业发展潮流。

工业4.0的核心是智能制造，是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的互联网驱动的制造模式。智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术以及人工智能的基础上，通过感知、人机交互、决策、执行和反馈，实现产品设计过程、制造过程和企业管理及服务的智能化，是信息技术与制造技术的深度融合与集成。

智能化和自动化的最大区别在于知识的含量。智能制造是基于科学而非仅凭经验的制造。因此，智能制造包含物质的和非物质的处理过程，不仅具有完善生产加工过程和快捷响应的物料供应链，还需要有稳定且强有力的知识供应链和产学研联盟，源源不断地提供高素质人才和工业需要的创新成果，发展高附加值的新产品，促进产业不断转型升级。

智能制造是可持续发展的制造模式，它借助计算机建模仿真和信息通信技术的巨大潜力，优化产品的设计和制造过程，大幅度减少物质资源和能源的消耗和各种废弃物的产生，同时实现循环再用，减少排放，保护环境。

基于工业4.0 构思的智能工厂将由物理系统和虚拟的信息系统组成，称之为信息物理生产系统(Cyber Physics Production System—CPPS)。其特点是在产品设计阶段就进行虚拟的制造和产品的使用，反复优化产品的性能和制造过程，提高生产系统的效率和效益，减少资源的消耗，其框架结构如图1所示。

从图中可见，在智能工厂中，对应于进行物质生产的系统有一个虚拟的信息系统，它是物理系统的“灵魂”，控制和管理物理系统的生产和运作。物理系统与信息系统通过移动互联网和物联网协同交互。因此，这样的工厂不一定是在一个围墙里的实体车间。它可以借助网络利用分散在各地的社会闲置设备，无需“关心”设备的确切所在地，只要关心设备可用与否，它是分散网络化的“全球本地化(glocalized)”的工厂。

这种新的生产模式，必将导致新的商业模式、管理模式、企业组织模式以及人才需求的巨大变化。

智能工厂和物流之间的所有活动需要实时通信、交互和确认，即共同遵守的生产规则环境，共同完成由制造联盟顶层下达的任务。

图1：信息物理生产系统CPPS

物联网：智能工厂的基础

新一代信息和通信技术将充分运用到各行各业，即把传感器、感应器等智能装置嵌入到电网、交通、建筑、工厂、货物等各种物体和环境中，并且通过有线和无线网络加以连接，形成物联网。再通过超级计算机和云计算将物联网和互联网整合起来，实现生产活动与物理系统的整合，我国制造业当前面临资源环境和劳动力成本急剧上升的压力，成本优势日益丧失，必然要求加速迈向工业4.0描绘的数字化工厂和智能化制造的步伐，以摆脱困境。

事实上，我国信息通信技术的基础设施已经相当完善，阿里巴巴的成功令全世界刮目相看。但是在传统制造企业，信息化与工业化尚未很好融合，与互联网、物联网、大数据和云计等信息和通信技术恍如隔世，形成巨大的时代反差。

怎么办?不能照搬德国工业4.0。我们应该在完善工业2.0和3.0的同时，采取从上向下的策略，即充分利用现有互联网的基础设施，从关键细处着手，采取切实可行的措施，一点一滴地逐步迈向工业4.0，改变传统制造业的产品设计、制造和销售的模式，向互联网驱动的制造模式转型升级。

例如，在生产管理中推广二维码，通过“扫一扫”即可获取产品的原料从哪里来、经过哪些工序、各工序质量检测结果、订单和客户信息等。

又如，在工具是嵌入芯片，即可与机床数控系统和刀具预调仪相互通讯，储存刀具的规格、设定的尺寸、用于加工哪个零件、推荐的切削用量、在机床上使用的实际切削参数，当前加工了几个零件、还有多少剩余寿命等数据。

再如，操作者借助平板电脑或智能手机与机床数控系统交互和通信，获得机床运行状态的统计数据，已经加工多少零件，还要加工多少件，需要多少时间，每件的加工成本等。从云端下载各种APP应用，提高机床的运行效率和效益。

图2：沈阳机床集团迈向工业4.0的道路

数控设备：智能工厂的核心

构建智能工厂的前提是生产装备的智能化，才能实现人—机、机—机的交互和通信。数控机床就是智能化设备的典型代表。关键在于机床数控系统要从机床的坐标运动轨迹控制扩展而变成为工厂网络的一个节点，参与工厂的生产管理过程。

沈阳机床集团投入巨大的人力物力研制出我国第一台由机床制造商自主开发的数控系统i5。“i5”是智能化机床、网络化、信息化、工业化和集成化管理5个英文单词的第一个字母，它从诞生起就包含了网络和智能化的基因。

i5数控系统采用了基于PC的开放式平台，高速数字化总线将伺服系统、I/O节点、传感器和执行器连接在一起。采用了基于特征的编程技术、图形化的界面和精简的操作流程，具有“易操作、易上手”的特点。零件程序验证、加工仿真技术和加工任务管理保障了加工程序正确的执行。高精度的插补、高效的速度优化和高精度误差补偿技术确保了加工质量。图形化的故障辅助诊断模块，帮助维修人员快速定位故障源[8]。

更为突出的特点是i5和基于云制造概念的i平台的全面对接，使数控系统不仅是一台机床的控制器，而成为工厂信息化网络的一个节点。i平台是沈阳机床集团为全面转型为服务型制造企业信息化平台，而i5数控系统就是这个平台的智能化节点，依托i5数控系统提供的丰富接口，实现异地工厂车间和设备之间的双向数据交互，可为用户提供不同层次和规模的应用，如图2所示。

沈阳机床的“i5”和向制造服务的战略思考是对未来智能网络化制造和向制造服务业转型实践的探索，对我国制造业如何迈向工业4.0时代有所启迪，提供了如何借鉴德国经验为我所用的途径。