本文來源：物聯(lián)江湖

本文作者：王一鳴

一，工業(yè)自動化技術(shù)

最初的工廠自動化，起始于繼電器在生產(chǎn)設備中的應用：傳感器在感應自然信號后，會觸發(fā)繼電器“梯形邏輯”，并產(chǎn)生“開關(guān)”效應控制相應的機械裝置運作。這種控制過程被系統(tǒng)性地部署在生產(chǎn)設備的各個活動部件上，從而實現(xiàn)無需人工干預的自動化生產(chǎn)操作。除了繼電器以外，可以啟停設備的還有定時器。

（備注: 繼電器，一種電控制器件, 當輸入電流的變化達到規(guī)定要求時，就會“接通或阻斷”輸出電流）

而后，可編程邏輯控制器（PLC）出現(xiàn)并替代了繼電器和定時器。PLC的出現(xiàn)，并結(jié)合隨后出現(xiàn)的專用I / O網(wǎng)絡以及工業(yè)以太網(wǎng)，使得工廠的自動化程度獲得飛速的提升。至此，原本車間工位上的工人被一個個的機器臂和工業(yè)機器人所替代。

（備注：1969年美國數(shù)字設備公司（DEC），研制出了世界上第一臺可編程控制器PDP-14，并應用于通用的汽車自動生產(chǎn)線上。國際電工委員會IEC對PLC的定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、技術(shù)和算術(shù)運算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設備，都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充功能的原則而設計。）

從通信技術(shù)的角度來看，工業(yè)自動化即是一種典型的M2M通信。在工業(yè)自動化中，傳感器、控制器（PLC）和執(zhí)行器形成了緊耦合的控制信息環(huán)。傳感器將自然信號轉(zhuǎn)換成電子信號，并通過“I/O接口”傳送到可編程邏輯控制器（PLC）中，PLC根據(jù)配置好的邏輯規(guī)則計算出結(jié)果并將相應的電信號送向執(zhí)行器，電信號決定了執(zhí)行器的“開關(guān)”狀態(tài)，從而操控相連機械部件的運作。

通過PLC對傳感器和執(zhí)行器的信號進行關(guān)聯(lián)，形成了“采集-計算-操控”的信息環(huán)路。

在生產(chǎn)設備上，大量的電子器件構(gòu)成無數(shù)的信息環(huán)，系統(tǒng)性地部署在各個機械零部件之上，從而構(gòu)建出一個又一個精密、復雜、內(nèi)部相互協(xié)調(diào)的生產(chǎn)系統(tǒng)。

這種“嵌入式”的信號連接方式，在結(jié)構(gòu)設計上靈活且有效，各個領(lǐng)域都可以根據(jù)應用的實際需要，搭建出一套相當復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)。

在這樣的生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中，傳感器和執(zhí)行器的信號輸入輸出，往往都采用企業(yè)私有的標準。

在PLC的電路系統(tǒng)中，需要針對各類生產(chǎn)工具專門開發(fā)設備驅(qū)動。如果需要搭建一個復雜、涉及很多種類電子器件和工業(yè)設備的生產(chǎn)系統(tǒng)，那么嵌入式開發(fā)的工作量會十分巨大。而要想做一些系統(tǒng)優(yōu)化，改變系統(tǒng)的一部分設計、或替換一些部件，亦會是一項浩大工程。

信息系統(tǒng)和生產(chǎn)設備緊耦合、不開放的狀態(tài)，限制了傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的發(fā)展升級。這種系統(tǒng)特征便是傳統(tǒng)工業(yè)的“硬件式設計模式”。

二，從工業(yè)3.0到工業(yè)4.0

在“工業(yè)3.0”時代，自動化系統(tǒng)已經(jīng)具有了相當高的復雜性和精密度，但依附于設備上的信息控制系統(tǒng)是“自然封閉”的，大量嵌入式器件模塊并沒有預留對外的信號接口。

生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量傳感信息，在自動化系統(tǒng)內(nèi)計算使用，也在系統(tǒng)中“稍縱即逝”的消亡。外部系統(tǒng)既無法知道自動化系統(tǒng)運作時的健康狀態(tài)，也無法根據(jù)產(chǎn)量情況調(diào)整生產(chǎn)進度（控制自動化系統(tǒng)運行），甚至改變生產(chǎn)計劃。

不管是為了更好的運營維護，還是為了商業(yè)需要做排產(chǎn)計劃，自動化生產(chǎn)系統(tǒng)和其他商業(yè)管理系統(tǒng)都有對接互通的需求和必要。所以，制造業(yè)提出了CPS的概念。對于CPS，制造業(yè)領(lǐng)域中有一種比較簡單的理解：即是通過網(wǎng)絡連接嵌入式系統(tǒng)和各類行業(yè)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)許多個應用軟件對許多個硬件設備進行聯(lián)合監(jiān)測、控制的大系統(tǒng)。

CPS系統(tǒng)最大的變革之處，就是使得工業(yè)的信息通信方式從原本一對一的信息隧道模式，變成了多對多的互聯(lián)網(wǎng)模式。

CPS會將“工業(yè)3.0”引向“工業(yè)4.0”。

三、工業(yè)4.0

德國工業(yè)4.0的核心內(nèi)容，可以采用“一個網(wǎng)絡”、“兩個主題”、“三項集成”、“四個階段”來表述。

1、CPS-一個網(wǎng)絡

“工業(yè)4.0”在自動化的基礎(chǔ)上，一方面通過CPS聯(lián)接嵌入式的生產(chǎn)系統(tǒng)，另一方面使得企業(yè)內(nèi)外的各類生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間也能夠交互信息（通信協(xié)議的標準化），實現(xiàn)全部生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息互聯(lián)。

產(chǎn)品中的要素（使用方式和流程、場景）和構(gòu)件（軟件平臺、操作系統(tǒng)、零部件、耗材）具有標準的一致性，但要素和構(gòu)件的組合是千變?nèi)f化、各式各樣的（具有語義化特性）。在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，將由上層應用軟件通過CPS網(wǎng)絡調(diào)用信息化工具（應用系統(tǒng)、算法工具等），指揮操作機械設備，并實現(xiàn)各類生產(chǎn)行為的協(xié)同。

2、工業(yè)4.0的“集成”

在工業(yè)4.0平臺中，通過CPS實現(xiàn)三類“集成”（縱向集成、橫向集成、端到端集成）來實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域各類系統(tǒng)的適配，打通系統(tǒng)和設備之間的信息數(shù)據(jù)。

（1）縱向集成

企業(yè)內(nèi)部有許多部門各司其職、明確分工，信息系統(tǒng)也是如此。在工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)代化的企業(yè)往往有很多信息管理系統(tǒng)，雖然可能負責技術(shù)運營的部門是一個（IT部門），但是這些系統(tǒng)各自負責不同的管理領(lǐng)域和生產(chǎn)服務環(huán)節(jié)。在工業(yè)3.0的企業(yè)運作中，各信息系統(tǒng)各歸其主（部門），它們之間原本并不需要直接互通信息，所以在信息技術(shù)層面通常不具備傳遞數(shù)據(jù)的條件：彼此的接口標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)形態(tài)各異。

然而，要實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的智能制造，信息互通是一種必須。排產(chǎn)管理系統(tǒng)在排產(chǎn)時（安排生產(chǎn)計劃），可能會希望“看看”采購系統(tǒng)中的原材料訂購情況；采購系統(tǒng)在采購前，可以評估一下銷售系統(tǒng)中的客戶質(zhì)量反饋來挑選供應商；銷售系統(tǒng)在接到訂單后，肯定需要盡快通知物流系統(tǒng)，爭取給客戶早一點送貨上門；測試系統(tǒng)則迫不及待地想通知設計系統(tǒng)：昨天對零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設計非常成功，可以去通知生產(chǎn)系統(tǒng)按照新圖紙投產(chǎn)了。

智能的基礎(chǔ)是信息的緊密互通。

所以，企業(yè)必須面對日益增多的“信息孤島”，讓這些系統(tǒng)從“互不相干”轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷ソ涣鳌９I(yè)4.0最重要的目標，就是通過CPS的標準化架構(gòu)，來實現(xiàn)各類信息系統(tǒng)的互聯(lián)。用一種通用的“語言”，讓系統(tǒng)之間可以“對話”。

從工業(yè)4.0的結(jié)構(gòu)圖來看，“縱向集成”有兩個方面：生產(chǎn)系統(tǒng)（以車間和設備為主，包括了傳感器、執(zhí)行器）和各種應用、管理的信息系統(tǒng)進行互聯(lián)；各信息系統(tǒng)之間的互聯(lián)。

“縱向集成”實現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)全系統(tǒng)之間的（數(shù)字化）信息互通。

（2）橫向集成

在企業(yè)之外的產(chǎn)業(yè)鏈上，企業(yè)也各有分工，每個企業(yè)會負責產(chǎn)業(yè)鏈中一個一個的獨立環(huán)節(jié)。每個企業(yè)必須負責好自己的那部分工作，這同樣需要將信息“上傳下達”。

橫向集成，使得企業(yè)和企業(yè)之間可以共享信息，在產(chǎn)業(yè)上下游之間形成一條完整的信息鏈：產(chǎn)品的設計、測試、制造、銷售、物流、售后、增值服務，環(huán)節(jié)中的每一個企業(yè)組織，都可以根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈上的信息調(diào)配資源、優(yōu)化方案、減少庫存、提升技術(shù)、迎合市場、縮短生產(chǎn)周期。

企業(yè)和企業(yè)之間“親密”對話，能夠增加相互之間的契合程度，減少商業(yè)合作中的矛盾和摩擦。企業(yè)如果能夠熟知產(chǎn)業(yè)鏈全量的業(yè)務信息，就可以統(tǒng)籌綜效、創(chuàng)造更多價值。

在工業(yè)4.0的構(gòu)架中，整個制造行業(yè)可以看成是一個“虛擬的大工廠”，而這家大工廠中的每一個企業(yè)，都可以看成是一個“員工”，“員工”各司其職，履行職責角色、完成環(huán)節(jié)分工。

當然，他的工作內(nèi)容不再像原本流水線上那樣完全固定不變（機械的重復勞動），而是根據(jù)在上下游工序（Work Flow）中的“員工（企業(yè)）”提供的信息，動態(tài)、靈活地進行生產(chǎn)。

橫向集成，如果由工業(yè)巨頭來推動，則可以輻射到大量的產(chǎn)業(yè)鏈上的中小企業(yè)。大型工業(yè)企業(yè)周邊往往會聚集大量的中小企業(yè)，這些企業(yè)自身在技術(shù)和驅(qū)動力上都難以推動工業(yè)4.0的落地。如果有巨頭型企業(yè)力推“橫向集成”，則可以從外部刺激，并引領(lǐng)中小企業(yè)向前發(fā)展。這正是工業(yè)4.0最希望實現(xiàn)的目標之一。

（3）端到端的數(shù)字化集成

“端到端”的概念并不是指“兩頭（端）聯(lián)接”，而是指所有涉及的系統(tǒng)和設備都在網(wǎng)絡中，這是工業(yè)4.0希望實現(xiàn)的最終理想。端到端集成的實現(xiàn)，需要企業(yè)內(nèi)外的各類系統(tǒng)都接入CPS網(wǎng)絡，通過不斷的縱向和橫向集成，最終實現(xiàn)商業(yè)價值鏈在CPS中的貫穿。

這種貫穿是將“商業(yè)交付（不僅是指產(chǎn)品，也可以是服務）”中涉及的所有環(huán)節(jié)都聯(lián)接在整體開放的CPS系統(tǒng)中，圍繞著產(chǎn)品和服務的全生命周期進行信息交互和價值創(chuàng)造。

當用戶在訂單管理系統(tǒng)（或CRM系統(tǒng)）里面下了一個批次的產(chǎn)品訂單-->產(chǎn)品管理/設計系統(tǒng)（例如PDM系統(tǒng)-Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）便會交出產(chǎn)品圖紙和其他生產(chǎn)信息-->生產(chǎn)管理系統(tǒng)（例如ERP系統(tǒng)、APS系統(tǒng)）根據(jù)產(chǎn)品信息著手協(xié)調(diào)資源、計劃生產(chǎn)-->MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）則根據(jù)排產(chǎn)計劃通過PLC模塊（Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器）控制車間內(nèi)的設備進行生產(chǎn)制造。從制造流程中可以看出，從獲得訂單到制造產(chǎn)品，需要企業(yè)內(nèi)的所有系統(tǒng)實現(xiàn)“縱向集成”。

然而，生產(chǎn)企業(yè)可能是負責“組裝”的企業(yè)，企業(yè)的生產(chǎn)過程是對產(chǎn)品各部件的組合裝配。產(chǎn)品中所包含的許多原材料和零部件并不是該企業(yè)生產(chǎn)的，企業(yè)就需要從其他企業(yè)那邊購買或預訂。所以，在收到客戶訂單后，企業(yè)會根據(jù)制造需求，進一步地將需求分拆和細化，向其他供應商購買原材料、向上游廠家新預訂一批零件、向倉庫查詢備貨情況并安排出庫。

在生產(chǎn)供應鏈中，上下游企業(yè)都需要控制生產(chǎn)周期、優(yōu)化排產(chǎn)計劃，所以在它們之間需要將訂單系統(tǒng)進行對接，保證產(chǎn)品設計圖紙的同步，以及實現(xiàn)在排產(chǎn)計劃上的協(xié)同。企業(yè)各系統(tǒng)間的“橫向集成”，使得各自的智能決策系統(tǒng)，可以通過相互間“對話”來實現(xiàn)生產(chǎn)協(xié)同，根據(jù)彼此的需要進行商業(yè)交付。

“端到端集成”既包括了“縱向集成”，也包括了“橫向集成”。它使得所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)都實現(xiàn)了數(shù)字化、信息化，并相互連通、能夠?qū)υ挘纬蛇@種“有機”的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。整個產(chǎn)業(yè)猶如一個“虛擬化大工廠”，可以將“人”干預的需求降至最低，甚至消除，自主自動地完成訂購、設計、排產(chǎn)、組裝制造、配送、售后服務這一系列的工作。

在這三種集成中，縱向集成是企業(yè)內(nèi)部的資源整合，橫向集成是企業(yè)之間的能力協(xié)同；端到端則是在前兩者實現(xiàn)的基礎(chǔ)之上，面向產(chǎn)品和服務流程的融會貫通。通過全面的集成，提升相關(guān)系統(tǒng)之間的配合度，實施傳遞信息，提高生產(chǎn)效率。

3、智能工廠和智能生產(chǎn)-兩個主題

智能工廠是聚焦于生產(chǎn)車間的高度信息化系統(tǒng)。在車間內(nèi)、企業(yè)內(nèi)先通過CPS實現(xiàn)“縱向集成”，通過信息采集、計算、操控，實現(xiàn)全面的生產(chǎn)自動化（不過這仍舊是工業(yè)3.0的狀態(tài)）。

然后，企業(yè)進一步通過CPS實現(xiàn)的“橫向集成”，企業(yè)的各類信息系統(tǒng)可以通過和其他企業(yè)的系統(tǒng)對話，來調(diào)整自己的生產(chǎn)計劃，優(yōu)化資源利用，改進生產(chǎn)環(huán)境等。同時，工廠還能自主完成預測性維護、軟件版本管理、系統(tǒng)升級、能源供應等一系列的資產(chǎn)、資源管理工作。

智能生產(chǎn)是一種服務過程，圍繞著個性化、創(chuàng)造性的市場需求。當某個領(lǐng)域的制造業(yè)實現(xiàn)了“端到端集成”后，即所有上下游企業(yè)都實現(xiàn)了互聯(lián)，形成了產(chǎn)業(yè)生態(tài)。首先，用戶可以通過相應的客戶端，設計自己的產(chǎn)品（外觀、功能、結(jié)構(gòu)），雖然用戶可能并不是設計領(lǐng)域的專業(yè)人士。

當然，用戶也可以直接提出需求，由系統(tǒng)設計并模擬出產(chǎn)品形態(tài)，供用戶決策。其次，用戶也可以參與產(chǎn)品制造，自己遠程操作3D打印給產(chǎn)品制作一個專屬的“手工”的Logo，再由智能工廠將Logo貼附到定制產(chǎn)品上。

最后，用戶在產(chǎn)品使用過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)和用戶的體驗反饋會回到產(chǎn)品管理系統(tǒng)，成為下一次（定制）服務的質(zhì)量、特性依據(jù)。智能生產(chǎn)，不再按照固定流程、大批量生產(chǎn)的模式，而是提供單件或小批量的個性化生產(chǎn)服務。

這當中可能涉及的設計圖紙修改、生產(chǎn)流程變化、排產(chǎn)計劃調(diào)整、以及和用戶的親善對話，都不再需要“人”的參與，因為它是“智能”的生產(chǎn)。

四、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的四個發(fā)展階段

1、智能的感知控制階段（感知）

各類傳感系統(tǒng)嵌入在設備中，或者貼附在設備上，實時地采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2、全面的互聯(lián)互通階段（連接和平臺）

通過各種通信手段：無線通信接入、組網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)總線、CPS系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)等，將各類生產(chǎn)信息匯聚到開放的信息平臺（例如工業(yè)4.0平臺）。

3、深度的數(shù)據(jù)應用階段（計算和智能）

利用云計算、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，一方面對數(shù)據(jù)進行清洗、建模、分析和優(yōu)化，另一方面將行業(yè)知識凝煉在行業(yè)軟件（分析工具、計算工具、專業(yè)功能模塊）中，以此支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)和機械設備的深度開發(fā)應用。于此，（工業(yè)領(lǐng)域的）行業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了技術(shù)的“組合進化”。

4、創(chuàng)新的服務模式階段（服務）

技術(shù)的“組合進化”將引發(fā)新的商業(yè)模式：服務業(yè)創(chuàng)新。定制、增值、運營、租賃、咨詢、設計、教育，更多的商業(yè)價值將在這些服務中體現(xiàn)。工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)將不只關(guān)心產(chǎn)品的生產(chǎn)，還會鉆營使用的過程，通過服務幫助用戶“增值”。

這四個階段，代表著一種“自下而上”的工業(yè)發(fā)展模式，即以大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為信息化的基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡和軟件不斷增加功能，并擴大覆蓋范圍，最終實現(xiàn)全領(lǐng)域的開放連接，相互服務。

那些具備大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的企業(yè)（工業(yè)巨頭），非常適合這樣的發(fā)展模式。它們相比較互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，具有一定的先發(fā)優(yōu)勢。巨頭型工業(yè)企業(yè)，往往擁有某些領(lǐng)域內(nèi)完整、大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)具有（業(yè)務）多樣性、（技術(shù)）復雜性等特性①。通過CPS連接，企業(yè)能夠把這些“既有共性、又有個性”的數(shù)據(jù)裝進云計算系統(tǒng)，搭建起專業(yè)性極強的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，再實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析和智能應用。由于擁有“底層數(shù)據(jù)”，使得工業(yè)巨頭在平臺構(gòu)建和生態(tài)營造方面很有底氣，但這種模式或許也會耽誤它們向互聯(lián)網(wǎng)的開放性進一步邁進，影響四階段中的最后一步：“服務創(chuàng)新”。

（①注釋：“平臺服務商的生命力是否強大，取決于入駐企業(yè)的多樣性。多樣性會提高競爭力，多樣性也是復雜性的一方面。”-《中國制造新起點-服務業(yè)革命開啟服務業(yè)文明》-許永碩）

德國的工業(yè)4.0不僅是一次技術(shù)革命，更是一場“社會革命”，激勵全社會參與技術(shù)發(fā)展②，意圖實現(xiàn)兩個國家戰(zhàn)略目標（雙重戰(zhàn)略）：成為領(lǐng)先的供應商并主導市場。

（②注釋：工業(yè)4.O將在制造領(lǐng)域的所有要素和資源之間，實現(xiàn)更高層次的“社會-技術(shù)互動”水平。換一句通俗的話來說，即是“社會文明的再進一步”。）