工業(yè)4.0的浪潮即將來(lái)臨，新興的技術(shù)將滲透到工業(yè)的各個(gè)方面。這將形成一個(gè)靈活度高，具有個(gè)性化、智能化的生產(chǎn)模式。工業(yè)要實(shí)現(xiàn)向智能方向的轉(zhuǎn)型，就離不開(kāi)信息通信技術(shù)的支撐。
工業(yè)4.0即是ICT和CPS的結(jié)合
“工業(yè)4.0”最終需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是制造業(yè)向智能化的方向轉(zhuǎn)型;“智能”思想是“工業(yè)4.0”的核心。“工業(yè)4.0”主要可以分為兩大部分，第 一部分是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)。第二部分是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī) 互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等。
工業(yè)4.0對(duì)于移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)不是一個(gè)陌生的字眼，它與“兩化融合”息息相關(guān)。在4G的發(fā)展乃至下一代移動(dòng)通信5G的研究中，移動(dòng)通信領(lǐng)域已經(jīng)接觸到類似的概念;而對(duì)工業(yè)4.0的實(shí)踐反過(guò)來(lái)有助于移動(dòng)通信自身的創(chuàng)新和發(fā)展。
德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)“工業(yè)4.0”概念的一個(gè)比較統(tǒng)一的闡釋是繼機(jī)械化、電氣化和信息技術(shù)之后，以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。主要是指 通過(guò)信息通信技術(shù)(ICT)和信息物理系統(tǒng)(CPS)的結(jié)合，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，最終建立一個(gè)高度 靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)生產(chǎn)模式。
ICT技術(shù)，即為信息通信技術(shù)。最近幾年，ICT技術(shù)飛速發(fā)展，各種新的概念、技術(shù)不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域、行業(yè)中，并發(fā)揮著巨大的作 用。信息物理系統(tǒng)(CPS)包括智能機(jī)器、儲(chǔ)存系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施，各個(gè)部分能夠相互獨(dú)立地自動(dòng)交換信息、觸發(fā)動(dòng)作和控制。而物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)以及數(shù)據(jù)網(wǎng)是“工 業(yè)4.0”的基礎(chǔ)。
多個(gè)ICT技術(shù)耦合工業(yè)4.0
在推動(dòng)工業(yè)4.0的發(fā)展進(jìn)程中，CPS面臨了各種問(wèn)題，其中與信息通信技術(shù)相關(guān)的主要可以歸納為如下幾個(gè)問(wèn)題：1.異構(gòu)異質(zhì)融合問(wèn)題，2.海量性問(wèn)題，3.實(shí)時(shí)性問(wèn)題。針對(duì)這些方面的問(wèn)題，有一些相關(guān)的ICT技術(shù)可以對(duì)它們進(jìn)行解決或改善。
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合(異構(gòu)異質(zhì)融合問(wèn)題)
在工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備間的相互通信，網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)異質(zhì)是需要首先考慮到的問(wèn)題。異構(gòu)性是指要求不同類型的無(wú)線技術(shù)(如 Internet，WSN等)可以進(jìn)行互聯(lián)互通，并且保證服務(wù)質(zhì)量。異質(zhì)性是指要求不同公司生產(chǎn)的、不同功能的硬件不兼容的設(shè)備在沒(méi)有彼此差異的情況下進(jìn) 行互聯(lián)互通。由于整個(gè)工業(yè)環(huán)境是由很多具有通信、計(jì)算、精確決策控制設(shè)備組成的智能網(wǎng)絡(luò)，可知整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)也具有高度的復(fù)雜性。
CPS在不同的服務(wù)領(lǐng)域需要得到不同的通信模式支持，這需要ICT提供相應(yīng)的不同制式的通信模式，實(shí)現(xiàn)大范圍嵌入式設(shè)備之間的互聯(lián)以及向虛擬世 界互聯(lián)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)間的融合與協(xié)同，對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分離的、局部的優(yōu)勢(shì)能力與資源進(jìn)行有序整合，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在、無(wú)所不能的一種智能網(wǎng)絡(luò)。在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，每 一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都具備自路由的功能，形成一個(gè)自組織、自管理、自修復(fù)、自我平衡的智能網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)設(shè)備因?yàn)楫悩?gòu)異質(zhì)的融合可以相互之間進(jìn)行良好的通信交流，在 不同的網(wǎng)絡(luò)共存的情況下，還可以整合與優(yōu)化資源配置，利用性能更好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)更高效的資源利用。
大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等服務(wù)的提供(海量性問(wèn)題)
在工業(yè)4.0的大環(huán)境下，工業(yè)企業(yè)的信息化水平越來(lái)越高，信息數(shù)據(jù)量也越來(lái)越多，各種設(shè)備儀器產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對(duì)信息處理的要求也提高了。現(xiàn)在新興的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算這類ICT技術(shù)剛好可以解決數(shù)據(jù)海量性的問(wèn)題。
大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義不在于掌握龐大的數(shù)據(jù)信息，其重點(diǎn)在于對(duì)數(shù)據(jù)的“加工能力”，對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化的處理，是之能轉(zhuǎn)化成有用的信息。在 工業(yè)環(huán)境中建立一個(gè)大數(shù)據(jù)的平臺(tái)，這樣能提高工廠對(duì)不同設(shè)備收集的海量信息進(jìn)行及時(shí)的處理，增加信息系統(tǒng)的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)消化能力，對(duì)工業(yè)4.0的發(fā)展是 很有作用的。而且大數(shù)據(jù)最能迎合工業(yè)4.0需求的地方不僅僅是它的“大”，更關(guān)鍵的是在于它的數(shù)據(jù)的整合分析和利用。這也很好的突出了工業(yè)4.0智能化的 方向。
云計(jì)算是一種商業(yè)計(jì)算模型，它將計(jì)算任務(wù)分布在大量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的資源池上，使各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計(jì)算力、存儲(chǔ)空間和各種軟件服務(wù)。我們可以像使用水電資源一樣使用云計(jì)算提供的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，解決了在數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)空間不能滿足工業(yè)環(huán)境的需要的問(wèn)題。
短距離低時(shí)延技術(shù)(實(shí)時(shí)性問(wèn)題)
由于移動(dòng)設(shè)備的接入會(huì)造成設(shè)備狀態(tài)隨機(jī)變化，所以需要對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重組，這對(duì)計(jì)算過(guò)程的時(shí)間確定性和并行性要求很高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求也非常高。目前有如下一些方法可以滿足這些需求：
采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行通信，并結(jié)合先應(yīng)式路由協(xié)議來(lái)降低路由請(qǐng)求的延遲。其優(yōu)勢(shì)有：即時(shí)通信、容易部署、節(jié)省能量或帶寬資源、自組織能力與容錯(cuò)性強(qiáng)、具有自愈能力、組網(wǎng)成本低等。
在新的空口設(shè)計(jì)Soft Defined Air Interface (SDAI)方面進(jìn)行積極創(chuàng)新，其核心是能夠面向業(yè)務(wù)和內(nèi)容，自適應(yīng)地調(diào)整或重組幀結(jié)構(gòu)、雙工模式、多址方案、波形和調(diào)制編碼等流程模塊，以達(dá)到性能和資 源配置的多重最優(yōu)化。該方面目前也是5G的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
還可以部署專用于短距離通信的傳輸技術(shù)，比較有代表性的是ZigBee。作為一種新興的短距離、低速率無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。
通過(guò)ICT技術(shù)中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署及通信方式創(chuàng)新、新型空口協(xié)議設(shè)計(jì)以及低成本低功率實(shí)時(shí)通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0對(duì)短距離低時(shí)延的需求。
移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)承載工業(yè)4.0
工業(yè)4.0將引入大量具有互通信能力的物理組件，需要通過(guò)承載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域和跨地區(qū)的智能制造，同時(shí)還對(duì)安全可靠性具有較高的要求。而移動(dòng)通 信網(wǎng)絡(luò)因其具有覆蓋范圍廣、基礎(chǔ)設(shè)施豐富、可靠度高的優(yōu)勢(shì)，有可能成為工業(yè)4.0的主要承載網(wǎng)絡(luò)之一。此外，工業(yè)4.0對(duì)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的需要，也與下 一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展思路相吻合。
創(chuàng)新的ICT技術(shù)是工業(yè)4.0穩(wěn)步發(fā)展的基石。在其“助力”下，智能制造即使需要在廣大區(qū)域里面解決各種紛雜的需求也不再是不可解決的難題。
世界各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展科技融合，企圖占據(jù)未來(lái)工業(yè)制高點(diǎn)。德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家先后在先進(jìn)制造和先進(jìn)工作上布局，而中國(guó)在工業(yè)4.0的浪潮中想抓住機(jī)遇，離不開(kāi)信息通信技術(shù)的支撐。通過(guò)融合信息通信技術(shù)，未來(lái)社會(huì)的工業(yè)智能化一定能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
（作者系北京郵電大學(xué)教授、網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張平 北京郵電大學(xué)副教授、博士張治）
相關(guān)資料
工業(yè)4.0(Industry 4.0)首次提出是在2011年的漢諾威工博會(huì)上。在德國(guó)政府推出的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中，工業(yè)4.0被列為十大未來(lái)項(xiàng)目之一。2014年10月，李 克強(qiáng)總理訪德期間，中德雙方共同發(fā)表了《中德合作行動(dòng)綱要：攻速創(chuàng)新》，宣布兩國(guó)將開(kāi)展“工業(yè)4.0”合作。
美國(guó)也越來(lái)越重視工業(yè)發(fā)展。2009年年初，為在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中贏得主動(dòng)權(quán)，美國(guó)開(kāi)始調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，同年12月公布《重振美國(guó)制造業(yè)框架》，2011年6月和2012年2月相繼啟動(dòng)《先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃》和《先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》，實(shí)施“再工業(yè)化”。
日本政府則極端重視高端制造業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模編制技術(shù)戰(zhàn)略圖。首先，日本于2009年3月出臺(tái)了信息技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，以促進(jìn)IT技術(shù)在醫(yī)療、行政 等領(lǐng)域的應(yīng)用;其次，政府加大了開(kāi)發(fā)企業(yè)3D打印機(jī)等尖端技術(shù)的財(cái)政投入。2014年，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省繼續(xù)把3D打印機(jī)列為優(yōu)先政策扶持對(duì)象，計(jì)劃當(dāng)年投資 45億日元。
可以看出，如今各國(guó)政府都十分重視工業(yè)發(fā)展。工業(yè)革命4.0，簡(jiǎn)單說(shuō)即是利用信息通信技術(shù)，將更為龐大的機(jī)器群連接起來(lái)，讓機(jī)器之間自相控制，自行優(yōu)化，智能生產(chǎn)，大大減少?gòu)氖轮貜?fù)勞動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)工作的人力數(shù)量，使生產(chǎn)質(zhì)量和效率提升到一個(gè)新階段。