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德国的工业4.0与美国的CPS

2014年09月21日

    德国在2013年汉诺威工业博览会上正式提出了工业4.0的概念。他们认为,18世纪引入机械制造设备的工业是1.0时代,20世纪初的电气化与自动化是2.0时代,20世纪70年代开始的信息化是3.0时代,现在正在进入工业4.0时代,即实体物理世界和虚拟网络世界融合的时代。但是德国业界对工业4.0的响应者不多,原因之一是所谓虚拟网络-实体物理系统(Cyber- Physical System,CPS)融合的主要思想,美国早在若干年前就提出来了。
    20131212日,美国白宫召开了第一次CPS成员会议。他们要讨论的事情,与德国的工业4.0其实是一样的内容。虽然德国先提出了概念,但他们刚刚起步、着手转型,而美国一直在做以CPS为概念的先进制造。对于CPS的概念,可以用日常生活中常见事物来解释。正如人们在facebook里建立的各种关系,在物理世界里是不可见的,但却可以得出这个人的生活社群、行为习惯、过往经历等等。同样,任何产品都有虚拟和实体两个世界(譬如苹果手机是实体,但是APPs是虚体),如何将虚拟世界里的关系透明化,正是工业4.0时代需要做的产品。未来产品例如机床、飞机、汽车等都应该会有实与虚的价值接合。这样的道理,是德国人提出概念的依据,但是美国已经自2001年开始积累大量和工业界合作建立成功案例。需要强调的是,德国提出的工业4.0和美国的CPS,核心要义就是制造业能基于数据分析的转型。
   传统制造的5M系统
    传统的制造可以描述为一个5M系统,它包含了材料(Material,特性和功能)、机器(Machine,精度和加工能力)、方法(Methods,效率和产能)、测量(Measurement,探测和改进)以及建模(Modeling,预测、优化和防范)。增量制造,通俗叫3D打印,也是运用集成的5M方法来生产产品的一个新范例,当然它的生产范围现阶段限于特定的低产量或者定制领域(比如国防或者医疗)的应用产品上。
    为使制造商更具竞争力,将先进的计算和信息物理融合系统结合起来,以适应或者利用最近的大数据环境是今天的制造业所需要的。随着智能传感器技术,如RFID技术的发展,收集数据已经变得很简单,但仍然存在的问题是,这些器件及数据是否在正确时间、为正确的目的、提供了正确的信息。除非数据被处理后可为需要者提供内容和意义,否则这些数据也是无用的。单纯将传感器连接到设备上或者将一台设备与另一台进行连接,是不会给用户提供足以做出更好决策所需信息的。
   制造信息系统的6C功能
    制造信息系统的基本定义可以用6C功能来进一步强化说明,它包含连接(Connection,传感器和网络)、云(Cloud,任何时间及需求的数据)、虚拟网络(Cyber,模式与记忆)、内容(Content,相关性和含义)、社群(Community,分享和交际)与客制化(customization,个性化服务与价值)。现有的制造系统需要对制造设备本身的以及制造过程中产生的数据进行更深入的分析。
    现在讲大数据的很多,但讲工业大数据的很少。工业大数据是由一个产品制造流程或者一个工业体系带出来的数据,健康管理、地震救治、银行运营等都会带来大数据,但是很少落地,不被人感觉到。工业4.0时代要做的产品,不光要有功能,还要有价值,而价值是通过处理数据得来的。有了这些,工业大数据就可以落地,产生实用价值。
   马航失联事件给工业界的警示
    从事工业信息化的人都很关心马航失联事件,因为它反映出在发动机的设计制造方面还有很大的改进空间。马航MH370使用的是罗罗公司(英国飞机发动机制造商罗尔斯罗伊斯公司)的发动机。一般来说,飞机起飞之后到稳定飞行,最后再到达目的地,它的方向是固定的。偏离航道,一定有各种信息反映出来,异常偏移甚至有目的偏离的信息,肯定是可以被感知并且被记录和传递出来的。但是MH370并没有这方面的数据。这也就提示,罗罗公司等发动机生产商提供的服务还是有很大的改进空间。
    其实,近十年来很多航空公司都在转型。比如GE(通用电气)旗下的飞机发动机公司(GEAircraft Engine),在2005年将公司名称改为“GE航空”(GEAviation)。改名代表着转型。原来的发动机公司只做发动机,现在改为航空公司,就意味着他们还可以提供安全控件、航管控件、飞航信息等等服务,服务的空间更大了。有了这些服务之后,GE卖的已经不是或者不只是发动机,而是卖航空管理。由此可以认为,罗罗发动机在MH370这起事故中的表现,说明了它在数据处理方面可以做得更好。发动机生产商从过去单纯的发动装置提供者转变为航空信息管理服务提供者,这从一个侧面反映了当今制造业转型的趋势。可以用蛋黄蛋白的形象比喻来试图说明制造业和相关衍生服务业的关系,这个比喻也可以用在这里,如果说发动机是蛋黄的话,其他周边的服务就是蛋白。只做发动机,就是只赚一个蛋黄的钱,而延伸出去的服务,包括维修信息、航管信息等服务附加上去,在方便用户的同时就可以赚到更多的蛋白的钱。这种基于数据分析的延伸性服务,其实正是当前工业发展的大趋势。
   工业4.0考验中国制造业转型力
    工业4.0概念提出后,中国很多人也在想怎么做。这次的工业转型对中国产业界来说挑战还是比较大的,因为工业4.0完全是要求有自己的东西,特别在软件方面,这就要求对制造过程有更深入的了解,在此基础上实现制造业装备的设计、控制、智能化与信息技术的结合。所以有很大的挑战。  工业4.0时代已经从单纯的围绕产品的产销,变为了一整套的基于数据的服务。它的本质是基于工业物联网所提供的数据进行的分析,找出新的拓展空间和新的服务内容。
    德国、美国现在都已经在这么做了,中国现在该怎么做?中国是制造大国,有很多产品在国际上已经有很大的份额,但都是红海里面的产品。而在主要基于顾客价值的蓝海里面,中国占有的份额很少。现在要转型该怎么转?从现状来看,德国称得上是一个高端制造的大国。但他们卖的也都是蛋黄,都是产品。现在德国人在反思,为什么他们的产品只有功能的价值,没有服务的价值。反思的结果他们提出用工业4.0来变革他们制造业的方向。其核心,就是预测性制造和主控式创新,都是在制造的不可见部分着力。
    预测性制造,是要弄明白设备的运行状况,通过设备的情况来做适时的维修和恰当的生产。主控式创新,就是为了找到拓展空间,找到用现有的数据可以创造的新服务。工业4.0是德国提出的新的口号,也是全球制造业下一步的方向。中国的制造业要迎头赶上的话,也是需要用主控式创新的思维方式,预测性制造的制造方式,来重新思考如何转型。把做蛋黄的经验转移到做蛋白上,这样,中国制造业就一定会有更好的未来。

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