深度解讀工業物聯網：工業4.0
一、工業自動化技術
最初的工廠自動化，起始于繼電器在生產設備中的應用：傳感器在感應自然信號后，會觸發繼電器“梯形邏輯”，并產生“開關”效應控制相應的機械裝置運作。這種控制過程被系統性地部署在生產設備的各個活動部件上，從而實現無需人工干預的自動化生產操作。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)出現并替代了繼電器和定時器。PLC的出現，并結合隨后出現的專用I / O網絡以及工業以太網，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機器人所替代。
(備注：1969年美國數字設備公司(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字運算操作的電子系統，轉為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、技術和算術運算等操作的命令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按照易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充功能的原則而設計。)
從通信技術的角度來看，工業自動化即是一種典型的M2M通信。在工業自動化中，傳感器、控制器(PLC)和執行器形成了緊耦合的控制信息環。傳感器將自然信號轉換成電子信號，并通過“I/O接口”傳送到可編程邏輯控制器(PLC)中，PLC根據配置好的邏輯規則計算出結果并將相應的電信號送向執行器，電信號決定了執行器的“開關”狀態，從而操控相連機械部件的運作。
通過PLC對傳感器和執行器的信號進行關聯，形成了“采集-計算-操控”的信息環路。
在生產設備上，大量的電子器件構成無數的信息環，系統性地部署在各個機械零部件之上，從而構建出一個又一個精密、復雜、內部相互協調的生產系統。
這種“嵌入式”的信號連接方式，在結構設計上靈活且有效，各個領域都可以根據應用的實際需要，搭建出一套相當復雜的生產系統。
在這樣的生產自動化系統中，傳感器和執行器的信號輸入輸出，往往都采用企業私有的標準。
在PLC的電路系統中，需要針對各類生產工具專門開發設備驅動。如果需要搭建一個復雜、涉及很多種類電子器件和工業設備的生產系統，那么嵌入式開發的工作量會十分巨大。而要想做一些系統優化，改變系統的一部分設計、或替換一些部件，亦會是一項浩大工程。
信息系統和生產設備緊耦合、不開放的狀態，限制了傳統自動化系統的發展升級。這種系統特征便是傳統工業的“硬件式設計模式”。
二、從工業3.0到工業4.0
在“工業3.0”時代，自動化系統已經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。
生產過程中產生的大量傳感信息，在自動化系統內計算使用，也在系統中“稍縱即逝”的消亡。外部系統既無法知道自動化系統運作時的健康狀態，也無法根據產量情況調整生產進度(控制自動化系統運行)，甚至改變生產計劃。
不管是為了更好的運營維護，還是為了商業需要做排產計劃，自動化生產系統和其他商業管理系統都有對接互通的需求和必要。所以，制造業提出了CPS的概念。對于CPS，制造業領域中有一種比較簡單的理解：即是通過網絡連接嵌入式系統和各類行業信息系統，實現許多個應用軟件對許多個硬件設備進行聯合監測、控制的大系統。
CPS系統最大的變革之處，就是使得工業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網模式。
CPS會將“工業3.0”引向“工業4.0”。
三、工業4.0
德國工業4.0的核心內容，可以采用“一個網絡”、“兩個主題”、“三項集成”、“四個階段”來表述。
1. CPS-一個網絡
“工業4.0”在自動化的基礎上，一方面通過CPS聯接嵌入式的生產系統，另一方面使得企業內外的各類生產管理系統之間也能夠交互信息(通信協議的標準化)，實現全部生產環節的信息互聯。
產品中的要素(使用方式和流程、場景)和構件(軟件平臺、操作系統、零部件、耗材)具有標準的一致性，但要素和構件的組合是千變萬化、各式各樣的(具有語義化特性)。在未來的工業生產中，將由上層應用軟件通過CPS網絡調用信息化工具(應用系統、算法工具等)，指揮操作機械設備，并實現各類生產行為的協同。
2. 工業4.0的“集成”
在工業4.0平臺中，通過CPS實現三類“集成”(縱向集成、橫向集成、端到端集成)來實現工業領域各類系統的適配，打通系統和設備之間的信息數據。
(1) 縱向集成
企業內部有許多部門各司其職、明確分工，信息系統也是如此。在工業領域，現代化的企業往往有很多信息管理系統，雖然可能負責技術運營的部門是一個(IT部門)，但是這些系統各自負責不同的管理領域和生產服務環節。在工業3.0的企業運作中，各信息系統各歸其主(部門)，它們之間原本并不需要直接互通信息，所以在信息技術層面通常不具備傳遞數據的條件：彼此的接口標準不統一、數據形態各異。
然而，要實現企業內部的智能制造，信息互通是一種必須。排產管理系統在排產時(安排生產計劃)，可能會希望“看看”采購系統中的原材料訂購情況;采購系統在采購前，可以評估一下銷售系統中的客戶質量反饋來挑選供應商;銷售系統在接到訂單后，肯定需要盡快通知物流系統，爭取給客戶早一點送貨上門;測試系統則迫不及待地想通知設計系統：昨天對零部件結構優化的設計非常成功，可以去通知生產系統按照新圖紙投產了。
智能的基礎是信息的緊密互通。
所以，企業必須面對日益增多的“信息孤島”，讓這些系統從“互不相干”轉變為相互交流。工業4.0最重要的目標，就是通過CPS的標準化架構，來實現各類信息系統的互聯。用一種通用的“語言”，讓系統之間可以“對話”。
從工業4.0的結構圖來看，“縱向集成”有兩個方面：生產系統(以車間和設備為主，包括了傳感器、執行器)和各種應用、管理的信息系統進行互聯;各信息系統之間的互聯。
“縱向集成”實現了企業內全系統之間的(數字化)信息互通。
(2) 橫向集成
在企業之外的產業鏈上，企業也各有分工，每個企業會負責產業鏈中一個一個的獨立環節。每個企業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，使得企業和企業之間可以共享信息，在產業上下游之間形成一條完整的信息鏈：產品的設計、測試、制造、銷售、物流、售后、增值服務，環節中的每一個企業組織，都可以根據產業鏈上的信息調配資源、優化方案、減少庫存、提升技術、迎合市場、縮短生產周期。
企業和企業之間“親密”對話，能夠增加相互之間的契合程度，減少商業合作中的矛盾和摩擦。企業如果能夠熟知產業鏈全量的業務信息，就可以統籌綜效、創造更多價值。
在工業4.0的構架中，整個制造行業可以看成是一個“虛擬的大工廠”，而這家大工廠中的每一個企業，都可以看成是一個“員工”，“員工”各司其職，履行職責角色、完成環節分工。
當然，他的工作內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)，而是根據在上下游工序(Work Flow)中的“員工(企業)”提供的信息，動態、靈活地進行生產。
橫向集成，如果由工業巨頭來推動，則可以輻射到大量的產業鏈上的中小企業。大型工業企業周邊往往會聚集大量的中小企業，這些企業自身在技術和驅動力上都難以推動工業4.0的落地。如果有巨頭型企業力推“橫向集成”，則可以從外部刺激，并引領中小企業向前發展。這正是工業4.0最希望實現的目標之一。
(3) 端到端的數字化集成
“端到端”的概念并不是指“兩頭(端)聯接”，而是指所有涉及的系統和設備都在網絡中，這是工業4.0希望實現的最終理想。端到端集成的實現，需要企業內外的各類系統都接入CPS網絡，通過不斷的縱向和橫向集成，最終實現商業價值鏈在CPS中的貫穿。
這種貫穿是將“商業交付(不僅是指產品，也可以是服務)”中涉及的所有環節都聯接在整體開放的CPS系統中，圍繞著產品和服務的全生命周期進行信息交互和價值創造。
當用戶在訂單管理系統(或CRM系統)里面下了一個批次的產品訂單-->產品管理/設計系統(例如PDM系統-Product Data Management，產品數據管理)便會交出產品圖紙和其他生產信息-->生產管理系統(例如ERP系統、APS系統)根據產品信息著手協調資源、計劃生產-->MES(Manufacturing Execution System，制造執行系統)則根據排產計劃通過PLC模塊(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)控制車間內的設備進行生產制造。從制造流程中可以看出，從獲得訂單到制造產品，需要企業內的所有系統實現“縱向集成”。
然而，生產企業可能是負責“組裝”的企業，企業的生產過程是對產品各部件的組合裝配。產品中所包含的許多原材料和零部件并不是該企業生產的，企業就需要從其他企業那邊購買或預訂。所以，在收到客戶訂單后，企業會根據制造需求，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。
在生產供應鏈中，上下游企業都需要控制生產周期、優化排產計劃，所以在它們之間需要將訂單系統進行對接，保證產品設計圖紙的同步，以及實現在排產計劃上的協同。企業各系統間的“橫向集成”，使得各自的智能決策系統，可以通過相互間“對話”來實現生產協同，根據彼此的需要進行商業交付。
“端到端集成”既包括了“縱向集成”，也包括了“橫向集成”。它使得所有生產環節都實現了數字化、信息化，并相互連通、能夠對話，形成這種“有機”的產業生態。整個產業猶如一個“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、組裝制造、配送、售后服務這一系列的工作。
在這三種集成中，縱向集成是企業內部的資源整合，橫向集成是企業之間的能力協同;端到端則是在前兩者實現的基礎之上，面向產品和服務流程的融會貫通。通過全面的集成，提升相關系統之間的配合度，實施傳遞信息，提高生產效率。
3. 智能工廠和智能生產-兩個主題
智能工廠是聚焦于生產車間的高度信息化系統。在車間內、企業內先通過CPS實現“縱向集成”，通過信息采集、計算、操控，實現全面的生產自動化(不過這仍舊是工業3.0的狀態)。
然后，企業進一步通過CPS實現的“橫向集成”，企業的各類信息系統可以通過和其他企業的系統對話，來調整自己的生產計劃，優化資源利用，改進生產環境等。同時，工廠還能自主完成預測性維護、軟件版本管理、系統升級、能源供應等一系列的資產、資源管理工作。
智能生產是一種服務過程，圍繞著個性化、創造性的市場需求。當某個領域的制造業實現了“端到端集成”后，即所有上下游企業都實現了互聯，形成了產業生態。首先，用戶可以通過相應的客戶端，設計自己的產品(外觀、功能、結構)，雖然用戶可能并不是設計領域的專業人士。
當然，用戶也可以直接提出需求，由系統設計并模擬出產品形態，供用戶決策。其次，用戶也可以參與產品制造，自己遠程操作3D打印給產品制作一個專屬的“手工”的Logo，再由智能工廠將Logo貼附到定制產品上。
最后，用戶在產品使用過程中的相關數據和用戶的體驗反饋會回到產品管理系統，成為下一次(定制)服務的質量、特性依據。智能生產，不再按照固定流程、大批量生產的模式，而是提供單件或小批量的個性化生產服務。
這當中可能涉及的設計圖紙修改、生產流程變化、排產計劃調整、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。
四、工業物聯網的四個發展階段
1. 智能的感知控制階段(感知)
各類傳感系統嵌入在設備中，或者貼附在設備上，實時地采集生產數據。
2. 全面的互聯互通階段(連接和平臺)
通過各種通信手段：無線通信接入、組網技術、工業總線、CPS系統、互聯網等，將各類生產信息匯聚到開放的信息平臺(例如工業4.0平臺)。
3. 深度的數據應用階段(計算和智能)
利用云計算、邊緣計算、大數據等相關技術，一方面對數據進行清洗、建模、分析和優化，另一方面將行業知識凝煉在行業軟件(分析工具、計算工具、專業功能模塊)中，以此支持多源異構數據和機械設備的深度開發應用。于此，(工業領域的)行業技術和信息技術已經實現了技術的“組合進化”。
4. 創新的服務模式階段(服務)
技術的“組合進化”將引發新的商業模式：服務業創新。定制、增值、運營、租賃、咨詢、設計、教育，更多的商業價值將在這些服務中體現。工業領域的企業將不只關心產品的生產，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”的工業發展模式，即以大量的生產數據作為信息化的基礎，通過網絡和軟件不斷增加功能，并擴大覆蓋范圍，最終實現全領域的開放連接，相互服務。
那些具備大量生產數據的企業(工業巨頭)，非常適合這樣的發展模式。它們相比較互聯網企業，具有一定的先發優勢。巨頭型工業企業，往往擁有某些領域內完整、大量的生產數據，而且這些數據具有(業務)多樣性、(技術)復雜性等特性①。通過CPS連接，企業能夠把這些“既有共性、又有個性”的數據裝進云計算系統，搭建起專業性極強的工業物聯網平臺，再實現大數據分析和智能應用。由于擁有“底層數據”，使得工業巨頭在平臺構建和生態營造方面很有底氣，但這種模式或許也會耽誤它們向互聯網的開放性進一步邁進，影響四階段中的最后一步：“服務創新”。
(①注釋：“平臺服務商的生命力是否強大，取決于入駐企業的多樣性。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-服務業革命開啟服務業文明》-許永碩)
德國的工業4.0不僅是一次技術革命，更是一場“社會革命”，激勵全社會參與技術發展②，意圖實現兩個國家戰略目標(雙重戰略)：成為領先的供應商并主導市場。
(②注釋：工業4.O將在制造領域的所有要素和資源之間，實現更高層次的“社會-技術互動”水平。換一句通俗的話來說，即是“社會文明的再進一步”。)
【本文是51CTO專欄作者王峰的原創文章，轉載請聯系作者本人獲取授權】
