智能制造与智能物流系统建设

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　　如今，智能制造被视为新一轮产业革命的核心，成为全球制造业的发展趋势。各国纷纷推出了相应的发展规划，以便搭上这次产业革命的快车。如，美国制定的“工业互联网”发展战略；德国提出的“工业4.0”。今年5月国务院发布的《中国制造2025》，被视为中国版“工业4.0”规划。以数字化、网络化、智能化为特征的智能制造被置于“中国制造2025”的核心位置。未来，无论是工厂还是物流，都将在自动化的基础上向智能化发展。这不仅是制造企业面临的重要课题，也对支撑生产的物流系统提出了巨大挑战。不仅要求单体设备是智能的，而且设备之间还要实现互联互通，满足智能生产和智能物流要求，进而打造智能工厂、实现智能制造。
　　在本期专题中，我们将为读者深入解读“智能制造”、“工业4.0”等概念，分析智能工厂、智能生产对物流系统的要求，以及如何实现智能物流。
　　一、工业4.0的主要特征
　　“工业4.0”由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院（acatech）、弗劳恩霍夫应用研究促进会（Fraunhofer，简称弗劳恩霍夫）、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，现已上升为德国国家战略。
　　“工业4.0”旨在提升德国制造业竞争力，使其在新一轮工业革命中占领先机。该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同。弗劳恩霍夫旗下7个制造领域的研究院全面参与相关研究，其中包括唯一一所以物流和供应链研究为核心的研究院――德国弗劳恩霍夫物流研究院（FraunhQfer IML，简称德国物流研究院）。
　　“工业4.0”是以移动互联网、物联网和大数据等新一代信息技术为驱动，以虚实融合系统（CPS）为基础，通过深度融合机、电、自动化、信息与通信技术以及企业管理流程，实现向智能化制造的升级转型。“工业4.0”主要具备以下特性：
　　实现低成本、个性化定制――在设计、采购、生产计划、制造及物流等环节考虑客户个性化的需求，在智能供应链、智能物流系统、智能工厂与智能制造的支持下实现小批量、多批次的客户化生产，通过效率最大化与资源消耗最小化创造利润。
　　灵活性――基于CPS的自组织网络可根据业务流程进行动态配置，实现灵活的作业流程与高柔性的制造工艺，同时打造适应性较强的动态物流与供应链体系，灵活应对客户的个行化需求与市场的动态变化。
　　资源利用率和设备生产效率――CPS在贯穿整个价值链的各个环节对制造与物流过程进行系统优化。这意味着在生产不停顿的情况下，系统能够对生产过程中的资源利用和能源消耗进行持续优化。
　　“工业4.0”的核心在于智能化，无论是信息技术与制造业的深度融合，还是数字化产品与服务模式的创新，其核心是智能制造与智能供应链。而新一轮产业变革的关键，就是打造智能制造产业与供应链体系。这种“自下而上”的新的生产模式革命，不但可节约技术创新的成本与时间，还有培育新市场的潜力与机会。
　　二、面向工业4.0的智能工厂、智能生产和智能物流
　　“工业4.0”主要可分为三大主题：
　　一是“智能工厂”：重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；
　　二是“智能生产”：主要研究智能生产管理、高柔性自动化产线、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用；
　　三是“智能物流”：主要通过传统互联网、物联网以及服务联网（SmarGervice），整合社会物流资源，充分发挥现有物流资源的效率，使需求方能快速获得服务匹配，得到智能物流支持。
　　未来，无论是工厂还是物流，都将在自动化的基础上向智能化发展。CPS要求系统在实体世界存在之前，首先在虚拟空间建立精准的数字模型，实现虚实融合，相辅相成。要实现智能化，首先通过智能产品与智能单元化物流技术完成数据与信息的实时采集，后经过数据的实时传输与处理，使其上升到服务联网层面，为工业4.0系统提供智能支持。
　　1 面向工业4.0的智能工厂
　　智能工厂是利用各种现代化的技术手段，实现工厂的办公、管理及生产自动化，达到加强及规范企业管理、减少工作失误、提高工作效率以及降低资源消耗的目的。智能工厂是构成工业4.0的核心元素。在智能工厂内不仅要求单体设备是智能的，而且要求工厂内的所有设施、设备与资源（机器、物流器具、原材料、产品等）实现互通互联，以满足智能生产和智能物流的要求。通过互联网等通信网络，使工厂内外的万物互联，形成全新的业务模式（图1）。
　　智能工厂是加快技术创新和模式创新的市场化的载体。从某种意义上说，工业4.0是用CPS系统对生产设备进行智能升级，使其可以智能地根据实时信息进行分析、判断、自我调整、自动驱动生产，构成一个具有自律分散型系统（ADS）的智能工厂，最终实现制造业的大规模、低成本定制化生产。
　　在建设智能工厂时，要重点关注模块化、数字化、自动化和智能化四大技术课题。其中，模块化是实现智能工厂规模化生产和客户需求个性化定制的前提条件，这需要主要零部件供应商向模块供应商转型，全程参与产品设计、供应模式选择以及单元化物流的规划。数字化，纵向看是实现工厂内各个层面，乃至每台设备数字化建模与互联互通；横向看，是打造从客户需求，到产品设计、供应商集成、制造以及物流服务的全流程供应链集成体系。智能化，制造企业应搭建一个虚实融合系统，根据客户个性化定制需求，首先实现虚拟的设计、制造与装配，再通过智能工厂完成生产制造过程，有效解决定制产品周期长、效率低、成本高的问题。由此，在智能工厂里企业可与客户实现零距离对话，客户也可通过多种方式参与到产品“智造”全过程中来。
　　2 面向工业4.0的智能生产
　　工业4.0时代，随着信息技术向制造业全面渗入，可实现对牛产要素的高灵活配置和大规模定制化生产，因此打破传统的生产流程、生产模式及管理方式。朱来是智能联网式生产的时代，不仅是单一工厂、而是企业多个工厂之间将通过联网构建起虚拟制造体系，为企业生产提供全面智能支持。而标准化、模块化和数字化的产品设计，是实现智能生产的前提。 　　德国汽车工业已率先引入低成本客户化定制的概念，产品设计实现了标准化与模块化，生产制造实现了全面信息化与深度自动化，基本达到了智能生产、智能装配、智能物流以及智能供应链管理。
　　以宝马3系为例，从325i到335i多个车型的发动机共用同一产线，绝大部分硬件是通用的，只是通过选配不同的电控和软件产品来实现发动机产品多样化，这种低成小、定制化生产的核心基础即是标准化为此，宝马能在不改变生产节拍的前提下，实现每台下线车型都能满足大规模定制的市场需求，即每一台宝马汽车都是根据客户化定制生产出来的。
　　工业4.0时代的制造企业不再自上而下地推动生产，而是从客户需求开始，实现订单、客户化设计，采购、物流、生产计划到生产的全流程拉式生产，并通过虚实融合实现各环节的互通互联。超前信息流与行行信息流是智能生产必不可少的物流信息手段。物未动、信先行；物移位，信相随。这种高效灵活的拉动生产方式也代表着制造业未来的发展方向。
　　3 面向工业4.0的智能物流
　　工业4.0时代，客户需求高度个性化，产品创新周期继续缩短，生产节拍不断加快，这些不仅是智能生产面临的重要课题，也是对支撑生产的物流系统提出的巨大挑战。
　　智能物流是工业4.0核心组成部分。在工业4.0智能工厂框架内，智能物流是联接供应、制造和客户的重要环节，也是构建未来智能工厂的基石。智能单元化物流技术、自动物流装备以及智能物流信息系统是打造智能物流的核心元素。
　　作为欧洲权威的物流规划和应用研究机构、工业4.0物流技术研发和应用研究的前沿阵地，德国物流研究院（FraunhoferIML）自主研发了inBin智能周转箱技术。通过在周转箱上加装感知与智能控制单元，实现了物流单元的智能化智能箱既能自主管理箱内的库存，又能向上级系统即时报告智能箱的状态，实现自动要货和补货的功能基于智能箱的输送系统可采用分散控制技术，智能箱不是被动单元，而是给输送系统发号施令的“主人”。在智能箱的指挥下，输送系统自动地将箱子送达几的地
　　另一方面，可以通过智能箱与智能物流设备（如穿梭车）集成，实现面向工业4.0的智能、高效、灵活的物流系统。早在2003年，德国物流研究院就率先研制出全球首台轻型高速穿梭车MultiShuttle，开启了高柔性自动化物流系统的新纪元。在MuItiShuttle的基础上，德国物流研究院于2011年研发出可在货架和地面行走的两栖穿梭车“魔浮”MultiShuttleMove，打通了物流与生产环节的传统壁垒（图2）。2014年又推出可自行攀爬的蜘蛛车RackRacer，打破了穿梭车技术的最后一个瓶颈――提升机对流量的限制。与传统穿梭小车不同的是，MultiShuttle Move每台小车都能独立“思考”。即在行走过程中，需要与哪些设备联网通信，遇到障碍物如何处理……都可以智能地独立解决。
　　三、工业4.0时代中国企业何去何从
　　改革开放30多年来，中国制造业生产总值已位列全球第一，中国制造业的快速增长有目共睹。虽然中国已成为制造业大国，却大而不强，与制造业强国相比有较大差距。要提升中国制造在世界市场上的影响力，必须全面提升中国制造业的综合能力。
　　尽管“中国制造”的产品遍布全球，但从全球产业链来看，中国制造大多处于增值链的低端，投入大，获利少。中国的资源环境正在发生根本性的变化，除了高能耗带来的环境恶化难以为继外，随着人工红利的消退，专业技能工人不足的问题常常见诸报端，劳动力成本持续上升使得在中国生产制造的吸引力不断下降。
　　为了更好地发展我国制造业，不应仅是扩大生产力，更重要的是从量到质的转变，让制造业朝着数字化、智能化的方向发展，这也是新一轮工业革命的核心，并将深刻影响全球制造业的生产模式和产业形态。为此，在当前国际制造业竞争加剧、传统优势不复存在的背景下，中国制造业向“智造”转型之路时不我待。
　　值得欣慰的是，被誉为“中国版工业4.0”的《中国制造2025》已正式出台，这意味着中国“工业4.0”时代即将到来。更可喜的是，中国企业在此方面已有实践先行者。
　　海尔打造的“智慧平台+互联工厂”准确诠释了德国工业4.0的精髓。业内人士认为，海尔的工业4.0模式，有可能掀起继福特、丰田精益生产盛行之后的第三次浪潮。海尔互联工厂，将碎片化、个性化的客户需求与智能化、模块化的制造体系高效对接，这是对“中国制造2025”的率先实践。这种创新的制造逻辑和生态体系给中国制造业的转型升级都带来启示。德国人的优势是严谨，中国文化的优势是灵活。海尔正在结合中德两国文化的优势，在工厂规划中充分发挥德国人严谨的优势，打造世界一流的智能工厂；同时发挥中国人在模式创新方面的特长，以创客与小微组织架构为基础，勇敢走出工业4.0的中国路。
　　对于工业4.0的转型升级模式，我们应该借鉴德国人在技术研发、标准化及流程建设方面的技术与经验。尤其是要学习德国人在工厂规划时坚持的顺向规划原则：即先明确业务流程，再选择合适的技术设备，设计好布局，最后确定出适合的建筑形态，以此保证工厂的流程顺畅、布局科学、人流物流合理、功能高效、园区整体美观和谐。
　　中国的工厂布局大都逃不出方方正正的格局，这也是中国文化的体现。然而，在工业4.0时代的客户化定制要求工厂按照物流流程规划布局，以便实现高效的生产物流配送与生产各个环节的自动化无缝对接。德国汽车总装厂的布局设计是工业4.0工厂的标杆，在此方面值得中国企业认真学习与借鉴（图3）。
　　工业4.0时期，一个国家的竞争力需要整体提升产业链综合实力，中国要打造自己的强势产业竞争力，需要提升所有参与者的协同能力，共同打造合理化流程，实现供应链协同最优。2015～2025年是中国制造企业的黄金十年，我国制造业信息化水平将得到快速提高，在此基础上抓好智能制造，不仅是《中国制造2025》规划的核心，也是解决我国制造业由大变强的根本路径。
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