工業(yè)40學(xué)習(xí)及感悟一、背景及定義第一次工虹命瀕科菟汽墨斕驪舫1誼沒(méi)苗的出既.ASiiAT.蒸油代"'第HlilkM命伴曲號(hào)呈于殯盼工前.即的炒哽生楸史畫(huà).ASdS入了大皿生產(chǎn)卻疏永瓶反第一次工虹命瀕科菟汽墨斕驪舫1誼沒(méi)苗的出既.ASiiAT.蒸油代"'第HlilkM命伴曲號(hào)呈于殯盼工前.即的炒哽生楸史畫(huà).ASdS入了大皿生產(chǎn)卻疏永瓶反.電F&機(jī)械化寺電氣佬簫三次nt革年■伽自動(dòng)化15世汜未￡哇!圮機(jī)IS在噂子技札H*機(jī)暴人RJITHt木的A.對(duì)使用頗＜Tb姓率.硬大規(guī)際生尸白郭源邛iff—拉提高理化今A9字化WW^Tfl年代第四次H業(yè)革命呈于大教據(jù)瞰河（傳喝盤(pán)\K；■&的順在生十中為歡廈用自毗j首陽(yáng)第三次工業(yè)年布30第二^工^命迎第一次工業(yè)革瓠口時(shí)間蜷如上圖，第一次工業(yè)革命以蒸汽機(jī)的發(fā)明為基礎(chǔ)，代表了機(jī)器第一次可以代替人力完成必要的生產(chǎn)任務(wù)，從此手工業(yè)從農(nóng)業(yè)分離出來(lái)，正式進(jìn)化為工業(yè)；第二次工業(yè)革命以電力的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，用電力驅(qū)動(dòng)機(jī)器取代蒸汽動(dòng)力，從此產(chǎn)生了工業(yè)流水線的大規(guī)模生產(chǎn)，也代表了一種新型的高效的生產(chǎn)模式；第三次工業(yè)革命以PLC的發(fā)明和發(fā)展為基礎(chǔ)，代表了自動(dòng)化在工業(yè)生產(chǎn)制造中的重大作用，第三次工業(yè)革命提高了加工精度與產(chǎn)品的質(zhì)量。自第三次工業(yè)革命后，工業(yè)制造的關(guān)注點(diǎn)大部分在于對(duì)于生產(chǎn)流程和產(chǎn)品質(zhì)量的控制以及最優(yōu)化。而隨著時(shí)代的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等計(jì)算機(jī)新技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)界越來(lái)越需要機(jī)器進(jìn)行自我認(rèn)知與自我學(xué)習(xí)，工廠的管理也逐漸從操作人員的管理向機(jī)器數(shù)據(jù)的管理轉(zhuǎn)變，因此，工業(yè)4.0的概念就應(yīng)運(yùn)而生了。工業(yè)4.0是社會(huì)需求和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。一方面，人們對(duì)生產(chǎn)多樣化和人性化的需求越來(lái)越高，統(tǒng)一的生產(chǎn)線大批量同質(zhì)化的產(chǎn)品越來(lái)越不符合人們的需求，越來(lái)越多的買(mǎi)家或者消費(fèi)者開(kāi)始參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中去，生產(chǎn)產(chǎn)品的柔性化，產(chǎn)品質(zhì)量的柔性化已經(jīng)越來(lái)越得到重視。同一時(shí)間，在產(chǎn)品同質(zhì)化甚至質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，服務(wù)正逐漸走向舞臺(tái)的中心。依照客戶的人性化需求提供個(gè)性化的服務(wù)，為產(chǎn)品做全壽命周期的管理，智能生產(chǎn)與智能維護(hù)也需要進(jìn)行一次工業(yè)的變革。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)及計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展也為工業(yè)4.0的產(chǎn)生打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高精度的傳感器與多功能控制器、采集器的開(kāi)發(fā)使得人們與機(jī)器的交流成為可能，機(jī)器的每一個(gè)動(dòng)作與形態(tài)都能被量化為一條條二進(jìn)制碼。云計(jì)算與分布式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，又為海量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算提供了可能，機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的飛速發(fā)展正成為工業(yè)數(shù)據(jù)分析的核心。可以說(shuō)，在硬件基礎(chǔ)與軟件基礎(chǔ)之上，工業(yè)4.0的提出才更具有現(xiàn)實(shí)意義。簡(jiǎn)言之，工業(yè)4.0就是工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化，是指利用物聯(lián)信息系統(tǒng)將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷(xiāo)售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達(dá)到快速、有效、個(gè)人化的產(chǎn)品供應(yīng)。其技術(shù)基礎(chǔ)就是物聯(lián)網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)體系統(tǒng)。其核心就是智能制造，精髓是智能工廠，精益生產(chǎn)是智能制造的基石，工業(yè)機(jī)器人是最佳助手，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化是必要條件，軟件和工業(yè)大數(shù)據(jù)是關(guān)鍵大腦。二、特點(diǎn)信息與交流在工業(yè)4.0的時(shí)代，機(jī)床/機(jī)臺(tái)、設(shè)備、產(chǎn)品仍然是關(guān)注的中心。但機(jī)器的表現(xiàn)，產(chǎn)品的健康狀況已不再由人工決定或評(píng)估，物聯(lián)網(wǎng)下生產(chǎn)流程及產(chǎn)品使用的狀況理論上都可以轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，人為的因表將被降至最低。工業(yè)信息化下生產(chǎn)流程的透明度將得到提高，產(chǎn)品的可追溯性也成為可能。同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)分析與挖掘，可將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表征機(jī)器行為及健康狀況的信息，這些從數(shù)據(jù)中獲得的信息可為性能維護(hù)、生產(chǎn)管理、設(shè)計(jì)等提供決策支持，進(jìn)一步幫助提升質(zhì)量與生產(chǎn)率。有效的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化方法還可使生產(chǎn)設(shè)備具備自我學(xué)習(xí)與自我認(rèn)知的能力，人工經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)可轉(zhuǎn)化為智能的數(shù)字化的分析算法。更進(jìn)一步，機(jī)器在充分了解自身的運(yùn)行狀態(tài)與健康狀況的基礎(chǔ)上，可根據(jù)自己行為的趨勢(shì)對(duì)未來(lái)自身的表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。機(jī)器的自我認(rèn)知與自我預(yù)測(cè)可使自身得到及時(shí)的預(yù)見(jiàn)性的維護(hù)與改善，整個(gè)生產(chǎn)制造將更加智能。如果“信息”使得生產(chǎn)制造更加智能，那么“交流”就使得工業(yè).0時(shí)代下的生產(chǎn)制造更具網(wǎng)絡(luò)化。這里的交流可以是機(jī)器與機(jī)器之間的交流，也可以是生產(chǎn)制造同維修、供位鏈、銷(xiāo)售、設(shè)計(jì)等之間的交流。在工業(yè)4.0中，機(jī)臺(tái)是核心，但并不是全部，對(duì)單個(gè)機(jī)器單個(gè)部件的數(shù)據(jù)分析可以擴(kuò)展至整臺(tái)機(jī)器乃至整個(gè)生產(chǎn)線、整個(gè)工廠；機(jī)臺(tái)生產(chǎn)制造中產(chǎn)生的重要信息同樣可以和物流、人資、設(shè)計(jì)、維護(hù)等形成信息共享和交流。至此，一個(gè)以機(jī)臺(tái)為中心、網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)生態(tài)圈就形成了，在這樣一個(gè)生態(tài)圈的內(nèi)部，機(jī)器、數(shù)據(jù)、人員將形成一個(gè)完整的閉環(huán)，各個(gè)之前獨(dú)立的部門(mén)也在信息流下被結(jié)合到一起。網(wǎng)絡(luò)化下，每一臺(tái)機(jī)器就是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，機(jī)器與機(jī)器之間可以互相交流比較各自獲取的信息，工廠中不同職能的部門(mén)也是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，部門(mén)與部門(mén)之間的合作在工業(yè)4.0的環(huán)境下也變得更加便利和高效。信息物理系統(tǒng)信息物理系統(tǒng)在工業(yè)4.0中占有很重要的地位。所謂信息物理系統(tǒng)，是一個(gè)將物理實(shí)體與虛擬網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的系統(tǒng)。而根據(jù)對(duì)信息物理系統(tǒng)的定義，實(shí)體系統(tǒng)主要指自然或人工制造的符合物理原理的系統(tǒng)，其隨著時(shí)間不斷運(yùn)行；信息系統(tǒng)指通過(guò)計(jì)算、交互及控制組成的虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是離散的、邏輯化的；信息物理系統(tǒng)就是在任何層面上將實(shí)體與虛擬緊密結(jié)合，實(shí)體的行為可由虛擬系統(tǒng)觀測(cè)，虛擬系統(tǒng)同樣可以指導(dǎo)控制實(shí)體的行為。研究表明，信息物理系統(tǒng)具有5個(gè)層次的架構(gòu)，層層遞進(jìn)。第一層，連接(Connection):通過(guò)傳感器和通訊技術(shù)，為物理實(shí)體系統(tǒng)與虛擬信息系統(tǒng)建立連接。這也是目前物聯(lián)網(wǎng)的主要內(nèi)容。機(jī)器的行為，包括動(dòng)作，工況，加工精度，健康狀態(tài)等等都是通過(guò)控制器及傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的語(yǔ)言，在通過(guò)無(wú)線、以太網(wǎng)、射頻等技術(shù)從機(jī)器中傳輸出來(lái)。這樣，機(jī)器的行為就可由不同種類(lèi)的數(shù)據(jù)集的變化所表達(dá)，因此數(shù)據(jù)的獲取與傳輸在這一層次中顯得十分重要。第二層，轉(zhuǎn)換(Conversion)：將從機(jī)器實(shí)體中獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)換為表征機(jī)器狀態(tài)的信息。從機(jī)器中獲取的數(shù)據(jù)種類(lèi)多，數(shù)量大，每時(shí)每刻都在不斷增長(zhǎng)，但機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)器物理結(jié)構(gòu)上隨時(shí)間的改變卻隱藏在海量的數(shù)據(jù)之中。這就需要通過(guò)信息融合的方法，將海量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息，表明現(xiàn)階段機(jī)器的行為及健康狀況，甚至對(duì)機(jī)器的未來(lái)表現(xiàn)做出預(yù)測(cè)。這一層中，實(shí)體系統(tǒng)外在表現(xiàn)背后的原理將進(jìn)一步認(rèn)知。第三層，虛擬(Cyber)：所有機(jī)器的信息匯聚在一起形成虛擬的網(wǎng)絡(luò)空間。不同種類(lèi)，不同時(shí)間段內(nèi)機(jī)器中產(chǎn)生的信息交匯在一起，形成龐大的網(wǎng)絡(luò)，信息與信息之間不斷地交互，更多的趨勢(shì)與關(guān)系將被發(fā)現(xiàn)與歸納。在這一層中，縱向上，單個(gè)機(jī)器可以追蹤其自身隨時(shí)間的變化，橫向上，同一型號(hào)的機(jī)器，或不同種類(lèi)的機(jī)器可以進(jìn)行相互的比較和分析。機(jī)器與自身，機(jī)器與機(jī)器在相互交流中將產(chǎn)生更多的信息和知識(shí)。第四層，認(rèn)知(Cognition)：使用者獲取虛擬網(wǎng)絡(luò)空間中計(jì)算分析出的關(guān)于實(shí)體系統(tǒng)的結(jié)果，并做出決策。這一層中，人的角色被考慮進(jìn)來(lái)，上兩層中計(jì)算分析的結(jié)果以正確的形式在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間傳遞給需要的人員，并輔助他們進(jìn)行決策的制定。一方面，工廠中不同的人員對(duì)機(jī)器中產(chǎn)生的信息結(jié)果都有不同的需求，例如，操作員需要關(guān)心對(duì)機(jī)器的操作是否恰當(dāng)，是否有停機(jī)的危險(xiǎn)；維修人員關(guān)心機(jī)器的運(yùn)行是否穩(wěn)定，是否需要進(jìn)行提前維護(hù)；生產(chǎn)主管關(guān)心生產(chǎn)線的效率如何，機(jī)器的產(chǎn)能能否得到保證。信息的可視化即人機(jī)界面的設(shè)計(jì)就需要滿足這些需求，信息的即時(shí)推送也同樣重要，這樣，不同的員工就會(huì)及時(shí)得到相關(guān)信息，了解機(jī)器實(shí)時(shí)狀態(tài)。另一方面，在獲得相應(yīng)的信息后，人員需要給出針對(duì)性的對(duì)策，維護(hù)機(jī)器正常運(yùn)行，提升生產(chǎn)效率，認(rèn)知層面需要給出這樣的決策支持。第五層，配置(Configure)：信息系統(tǒng)對(duì)物理實(shí)體系統(tǒng)提供反饋和控制，管理、改進(jìn)實(shí)體系統(tǒng)。數(shù)據(jù)、信息由實(shí)體系統(tǒng)中來(lái)，最后還是要回到實(shí)體系統(tǒng)中去，在這樣一個(gè)閉環(huán)中，虛擬端與物理端真正結(jié)合在一起。機(jī)器在自學(xué)習(xí)和自演化中變得更加靈活，可滿足不同的需求并快速反應(yīng)。而且，通過(guò)對(duì)實(shí)體系統(tǒng)的控制和優(yōu)化，可以將機(jī)器運(yùn)行時(shí)發(fā)生的問(wèn)題逐漸避免，將風(fēng)險(xiǎn)降低，同時(shí)，結(jié)合工廠內(nèi)其他部門(mén)，提升設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-銷(xiāo)售-維護(hù)生產(chǎn)鏈的協(xié)同能力，為工廠帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)利益。這樣，通過(guò)5個(gè)層次，工廠依次從監(jiān)控、認(rèn)知、分析到解決、避免，在工業(yè).0下完成新的變革。信息物理系統(tǒng)為工廠在實(shí)體之外創(chuàng)造了另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬空間，利用數(shù)據(jù)的分析與交互，提升了工廠管理與運(yùn)作。同時(shí)，信息物理系統(tǒng)還將之前相對(duì)獨(dú)立的生產(chǎn)，物流，銷(xiāo)售等不同的職能系統(tǒng)緊密地結(jié)合在一起，大大提升了對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)能力，更能滿足現(xiàn)階段的需求，達(dá)成以服務(wù)為中心的生產(chǎn)制造體系。信息物理系統(tǒng)的存在，也使得工廠脫離了地域的限制，在信息網(wǎng)絡(luò)中獲得更多的交流與合作。在工業(yè)4.0的時(shí)代，工廠可實(shí)現(xiàn)自我感知，比較，預(yù)測(cè)，甚至自適應(yīng)，從而創(chuàng)造出更大的價(jià)值。三、公司發(fā)展與工業(yè)4.0結(jié)合實(shí)例工業(yè)4.0屬于一個(gè)剛剛興起的概念，想要實(shí)現(xiàn)還是需要很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展。但對(duì)于中國(guó)企業(yè)或者我們公司來(lái)說(shuō)，我們現(xiàn)在還存在著工業(yè)2.0、工業(yè)3.0并存的現(xiàn)象，想要實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0，就需要在部分系統(tǒng)、部分零部件進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局。如把部分系統(tǒng)模塊化，不僅僅可以使設(shè)計(jì)從大量重復(fù)性設(shè)計(jì)工作中解脫，甚至可以完成不同列車(chē)、不同項(xiàng)目之間相同系統(tǒng)、相同部件的替換。同時(shí)在進(jìn)行模塊化的生產(chǎn)制造時(shí)，可以通過(guò)流水線完成大批量同質(zhì)化的產(chǎn)品，大大提升生產(chǎn)線的效率，降低生產(chǎn)、設(shè)計(jì)成本。設(shè)計(jì)、采購(gòu)、生產(chǎn)一體化在公司現(xiàn)有流程機(jī)制中，設(shè)計(jì)、采購(gòu)、生產(chǎn)各自有自己的一套流程。它們之間通過(guò)員工去聯(lián)系起來(lái)。例如，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在設(shè)計(jì)出了一個(gè)東西，需要車(chē)間生產(chǎn)，那么就需要采購(gòu)部門(mén)采購(gòu)相關(guān)的原材料；這時(shí)，這就需要各個(gè)職能部門(mén)與生產(chǎn)部門(mén)之間建立連接。設(shè)計(jì)人員需要把相關(guān)采購(gòu)規(guī)范、采購(gòu)清單、BOM表等連接到公共網(wǎng)絡(luò)中去，采購(gòu)則可以從網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)獲取相關(guān)信息，完成采購(gòu)工作。同樣的，生產(chǎn)部門(mén)也可以從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中調(diào)出制造圖紙。而工業(yè)4.0就是把所有的信息進(jìn)行交互，從而促進(jìn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)更加高效、便利。智能列車(chē)項(xiàng)目智能列車(chē)項(xiàng)目旨在在公司現(xiàn)有的平臺(tái)基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的最先進(jìn)的物理信息系統(tǒng)方案、數(shù)據(jù)融合技術(shù)和數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的整車(chē)、關(guān)鍵系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)及長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)公司所有車(chē)型和所有平臺(tái)產(chǎn)品的信息化和智能化。它的實(shí)現(xiàn)需要以智能化列車(chē)平臺(tái)和產(chǎn)品大數(shù)據(jù)中心及其服務(wù)平臺(tái)為核心，兩大平臺(tái)體系同時(shí)推進(jìn)、交叉發(fā)展，從而為公司從產(chǎn)品轉(zhuǎn)向產(chǎn)品+服務(wù)的戰(zhàn)略打好基礎(chǔ)。它通過(guò)對(duì)列車(chē)各個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)、部件，例如牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、門(mén)控系統(tǒng)等的升級(jí)，并利用現(xiàn)有傳感器技術(shù)，把系統(tǒng)、部件的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)和監(jiān)控信息通過(guò)列車(chē)以太網(wǎng)傳輸?shù)杰?chē)載智能中心，再通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)或者WIFI系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面服務(wù)中心。地面服務(wù)中心將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和大數(shù)據(jù)挖掘，將車(chē)輛的數(shù)據(jù)以及分析挖掘結(jié)果進(jìn)行推送，參與車(chē)輛故障觸發(fā)一故障監(jiān)控一故障處理一故障跟蹤的全流程管理，從而提高所有車(chē)型車(chē)輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控水平和車(chē)輛狀態(tài)評(píng)估能力，提高運(yùn)維體系及其人員對(duì)車(chē)輛故障的響應(yīng)速度和處理能力。通過(guò)挖掘結(jié)果反向推送檢修建議，優(yōu)化車(chē)輛的運(yùn)維決策。同時(shí)也可以通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，預(yù)測(cè)故障的發(fā)生，從而大幅度提高運(yùn)維效率。

，采購(gòu)、合同、.眼苦甘洲-列生遠(yuǎn)琨狀志監(jiān)控+我障握舛聯(lián)禎?遠(yuǎn)再婀排尚?大劾據(jù)勿折摺惺■故障翅皿!與說(shuō).聚苜理■預(yù)剖痢余*配缺垣時(shí)廈?，采購(gòu)、合同、.眼苦甘洲-列生遠(yuǎn)琨狀志監(jiān)控+我障握舛聯(lián)禎?遠(yuǎn)再婀排尚?大劾據(jù)勿折摺惺■故障翅皿!與說(shuō).聚苜理■預(yù)剖痢余*配缺垣時(shí)廈?運(yùn)用H圈?車(chē)的■設(shè)笛管理?工畢管涅?物曰皆淫實(shí)時(shí)益空故璋勒孤健康管理在工業(yè)4.0的環(huán)境下，機(jī)器的利用將更加智能。不同數(shù)據(jù)于信息的交互可以幫助利用已知的已觀測(cè)的數(shù)據(jù)了解未知的知識(shí)，通過(guò)智能分析的手段，還可在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新的關(guān)聯(lián)、分類(lèi)和模式，從而產(chǎn)生出額外的價(jià)值。雖然工業(yè)4.0的前景十分美好，但實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0必定是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。它需要強(qiáng)大的硬件支撐，完成數(shù)據(jù)的采集獲取、連接傳輸、計(jì)算分析、呈現(xiàn)推送等功能，硬件投入成本相當(dāng)高昂。同時(shí)，基于硬件平臺(tái)上的智能采集、分析算法的開(kāi)發(fā)同樣是一個(gè)挑戰(zhàn)。沒(méi)有分析法的支撐，采集的數(shù)據(jù)依然不能被轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)有幫助的有用的信息。面對(duì)不同種類(lèi)的數(shù)據(jù)形式，不同