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【专访】德国工程院院士安德尔教授揭秘如何实现工业4.0
2015年06月27日 13:25 来源:《中国汽车报》网 作者:胡轶坤
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  在德国工业4.0之旅中,最令考察团成员盼望的环节是拜访达姆施塔特工业大学机械工程系产品数据处理研究所的海纳·安德尔教授。

  达姆施塔特工业大学(以下简称达姆工大)成立于1877年,曾被爱因斯坦赞誉为“一所杰出的理工学院”,是德国人心中的“传统理工三强”。其机械工程系产品数据处理研究所(DIK)成立于1993年,是最早开始从事机械制造信息化研究的德国高校院系之一,该系的研究成果在机械制造领域及产品研发设计过程中具有巨大的理论研究意义与实际应用价值。

  作为德国工程院院士、工业4.0及数字工厂和计算机辅助设计领域的顶尖专家及德国工业4.0组织的重要顾问,安德尔教授接受了《中国汽车报》记者的独家专访,权威解析了实现工业4.0的路线图。

  专访人物: 德国工业4.0组织顾问、德国工程院院士、达姆施塔特工业大学机械系院长——安德尔

 

安德尔教授与考察团合影

  零部件要成为信息的载体

  《中国汽车报》:德国工业4.0的概念已经席卷中国,但很多人对此不太清楚,作为工业4.0方面的顶级专家,请概述一下到底什么是工业4.0。

  安德尔:工业4.0是第四次工业革命, 是组织和引导控制贯穿产品生命周期的整体价值链的一个新阶段。它的基础就是信息物理系统(CPS),其内部拥有现代控制系统、嵌入式系统软件并且每个信息物理系统都拥有一个IP地址。从而,未来的产品和生产装置将具有交流能力,且可灵活地互联。

  工业4.0和智能(SMART)服务世界是面向未来的项目。SMART是智能的、具有思考能力的、灵活的意思。转化到创新产品上去,就是通过智能将逻辑(例如嵌入式系统)集成于产品之中,再给其一个IT地址,产品就能联网,且具有交流能力和控制行为。

  智能产品愈来愈重要, 通过工业4.0未来项目和智能服务世界未来项目, 它的研发还会得到加强。

  《中国汽车报》:工业4.0就是要形成一个智能的系统,这个智能系统是如何实现的?包括什么?

  安德尔:传统的生产方式是通过功能整合创造价值,从机械到机电到自适应材料系统;而现在是要通过信息物理系统(CPS)创造价值,包括嵌入系统、智能传感器、智能系统 ( 智能传感器和执行器 )、信息物理系统、信息物理生产系统(CPPS)。这个系统能够进行状态监测、结构监测、远程对话、远程控制,是一个具有通信能力的自我调节控制系统。在此基础上,最终将实现5类新事物,智能产品、智能物流、智能电网、智能工厂、智能城市。

 

工业4.0框架

  《中国汽车报》:该如何理解信息物理系统(CPS)这个概念?

  安德尔:工业4.0的框架中,有一个维度是产品、现场设备、控制设备、工作站、加工中心、企业等都实现互联,一直到互联的外部世界。比如,做一个CAD的3D模型,要生产出真实的产品,需要加工机中有一个3D模型,让产品与机器之间产生交互,为实现这个交互就需要CPS。CPS包含两层意思,其一是物理系统的信息化,即运用计算机抽象化概念和接口来定义物理子系统,其二是信息的物理化,即使用软件和网络组件的抽象化方式和接口方式,来描述物理系统的实时性。

  《中国汽车报》:我们在智能工厂看到,被生产的产品的零部件上都有信息识别码,这和您上述说到的CPS及产品模型有什么关系吗?

  安德尔:在工业4.0的生产中,零部件要成为信息的载体。先是建立产品数据模型,描述产品生命周期的所有信息,即从一个新产品的创意到大规模生产这个产品过程的信息,该模型已通过ISO 10303的标准化认证,以避免不同IT系统异质性带来的问题。然后,建立零部件数据模型,描述零部件生命周期相关所有信息,即零从零部件的制作材料到它被生产、处理或回收的过程信息。

  零部件数据模型可作为工业4.0的一个重要基础,因为其自身携带信息,这些信息按一定结构模式被定义。通过这些信息可以提供关于零部件的“个人情况”,在此基础上可以识别、定位、访问、联网,能追踪每个零部件、物流体系的状态。

  安全的工业4.0才能被社会接受

  《中国汽车报》:当每个设备都有身份,每个零部件都有身份的时候,他们能互联互通、数据共享、高度协作。这其中是否存在风险?

  安德尔:德国科学顾问委员会认为,“新的安全文化才能缔造出可信的,适应性强的以及被社会普遍接受的工业4.0系统”。安全文化是一个综合概念,可以理解为安全和可靠,在应用层面有可靠和安全的工业4.0进程,在系统层面有可靠和安全的信息物理系统。实物要安全,比如机床要可靠、坚实;数据要安全,有加密,能署名,能防伪;服务要安全,有可控的使用权限,严格保密,能进行使用者身份验证。

  《中国汽车报》:企业将如何实现工业4.0?

  安德尔:我们确定了一个分5步走的方案,可以对企业提供帮助。首先,要了解企业的一般信息;然后,以通讯和联网为基础,对产业进行价值分析,确认新商业模式;再根据具体企业的情况,灵活制定应用方案;第四步是确定实施策略,即实施路线图,包括联网方式、识别和通讯基础设施的规格、技术选择(如网络服务)、实施、安全等;最后,进行实施。

  现在,达姆工大正针对15家企业进行了项目调查,最后得出5个项目应用。其中最关键的一点是零部件如何作为信息的载体,进行统一的数据管理。在这个生产过程中,要实现无纸化的质检过程、实施生产控制、状态和能源监控、灵活智能的工厂辅助系统。未来,可以通过WEB服务,远程控制生产,比如在异国控制、使用3D打印设备。

  未来工业将从卖产品到卖服务

  《中国汽车报》:在实现了工业4.0之后,未来的工业会是什么样子?

  安德尔:现在我们是通过生产与供应链实现价值创造,而未来是要通过数据来驱动价值创造,企业将提供的将不仅是产品,还有数据服务;现在的生产是集中计划控制的模式,未来将去中心化,既是分散的,又通过网络联在一起;现在的产品是在基础款上变种实现多样性、个性化,而未来则是通过客户互动实现产品的个性化与定制化;现在企业有库存,而未来可以按需制造;过去企业的差异是体现在产品质量上,未来则体现在产品的个性化、质量及服务上,最终是在卖服务,这将导致商业模式的变化。

  未来我们工作的世界,将进一步信息化,移动数码影设备,比如智能手机等将用于生产的应用技术,会有基于互联网的服务,例如远程故障诊断;还将进一步数字化,共享大数据并对其进行分析,有个性化的MRO软件,能进行产品的早期故障检测,进行预防性维护和保养;在生产上具有灵活性,能将权力下放和联网,时刻监测机器状态,进行远程诊断和远程控制。

  德国政府用招投标的方式资助工业4.0项目

  《中国汽车报》:目前,德国的工业4.0战略已经上升到了国家层面,都有哪些机构、企业参与其中?是否会进行国际合作?

  安德尔:工业4.0是包括组织管理、机器、人等一整套管理系统的体系,工业界的专家共同绘制了工业4.0实现的路线图,2015年4月14日《工业4.0的实施建议》正式出版,由3家机构共同发起,正式上升到了国家层面。由于有部级单位的介入,德国很多地方都积极投入其中,其涵盖面很宽泛。工业4.0不仅局限于德国自身,而是抱有国际的开放心态,现在在欧洲范围内开展,与美国工业互联网机构合作,与中国签署了备忘录,与日本、韩国也有合作。达姆工大是工业4.0报告的最主要参与单位。

  特别要说的是,工业4.0只是个愿景,每家企业都有自主权决定如何进入工业4.0,技术日新月异,未来到底会发展成什么样,谁也不能准确预测。

  德国境内的示范工厂

  《中国汽车报》:请讲一下在德国,为了实现工业4.0,政府、企业与研究院所之间是什么关系,政府处于什么角色,用什么手段促进全社会一起实现目标。

  安德尔:在今年4月之前,由3家协会做了工业4.0的引领性研究,只有协会成员才能参与到其中,现在上升到了国家层面,由两个部委领衔,相当于扩大了参与范围。政府出钱鼓励做相关项目,是以招投标的形式。企业和专家学者可以组成团队提出项目,用招标的形式提出需求,想参与的人(比如研发传感器、安全等)组成团队投标,经过委员会评估,中标的拿到资助。如果是企业中标,项目的一半经费将得到资助;如果是研究机构,项目将被全部资助。

  汽车是实现工业4.0的最大催化剂 

  《中国汽车报》:德国实现工业 4.0 将分几步走,每个阶段的目标是什么?

  安德尔:短期目标是实现工厂自动化;中期目标为3~5年,实现ERP系统在工厂中的使用,加强分散式控制而非目前传统的集中控制,实现企业横向、纵向、端对端集成及网络化;长期目标为5 年以上,加强安全性考量,安全性是工业4.0成功的重要因素,即人们获取的数据必须可信,同时必须具有安全防盗功能,可以免遭外部的窃取或损害,如黑客攻击、间谍。

  《中国汽车报》:德国是在实现了工业1.0、2.0、3.0的基础上提出工业4.0的,现在实现工业4.0的最大挑战是什么?

  安德尔:最大的挑战是要让员工和社会都接受互联互通的网络,学会应用;如何把理论上的技术转为现实的运用并且使之透明化;要加大研发力度,使得机器之间可以智能的交流和沟通;人类必须要能掌控系统和机器,知道它们在做什么,人类必须要能对工作的全局一目了然;ERP 系统及其它软件只能作为一个辅助的工具来运用。

  《中国汽车报》:是否因为德国是个汽车强国,而首先要在汽车产业实现工业4.0?汽车产业是否是实现工业4.0最适合的载体?

  安德尔:事实上,工业4.0并非在汽车界首先提出的 ,但汽车行业有个最大的话题是自动驾驶,引入了很多工业4.0相关理论,在生产过程中也引入很多工业4.0的东西。汽车工业发展离不开生产、交互、自动化、网络,这些东西结合在一起的时候,我们可以看到一辆车不仅是一辆车,而是个移动热点。现在德国汽车工业是4.0最大的催化剂。

  《中国汽车报》:中国已经提出了《中国制造2025》战略,与工业4.0异曲同工。您认为,以中国当前的工业基础,实现工业4.0的可能性有多大?工业4.0是会拉平发达国家与发展中国家的差距,还是会拉大?

  安德尔:这对中国来说不困难,中国会达到德国的高度,就在不久的将来。来德国学习先进技术的学生很多。对于能否实现工业4.0,不同的人有不同的看法,即便在德国也是要靠自动性和自觉性。在全世界范围内,不排除某个企业愿意加入,自动调动人的积极性。我惟一担心的是人的教育水平问题,达不到工业4.0要求,则很多工作做不了。工业4.0会催生很多新的行业,比如大数据分析,这将体现行业和人的主动性的区别。

  注:PPT图由达姆施塔特工业大学提供

责任编辑:朱瑾
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