近两年,中国“网络热词榜”上最引人注目的是“工业4.0”和“互联网+”。“互联网+”我们都知道,它是内涵外延很深的概念。“互联网+”可以是“互联网+金融”、“互联网+零售”、“互联网电子商务”等。但是,你肯定不知道“互联网+制造”就是工业4.0。
“工业4.0”在德国汉诺威工业博览会上提出以后就迅速火遍全球,中国作为世界上最大的制造业国家自然会深受影响。工业4.0的进步在于利用互联网激活了传统工业过程,使工厂设备“能说话、能思考”,同时实现三大功能:较大程度地降低制造业对劳动力的依赖、较大程度满足用户个性化需求,将流通成本降到较低。
与德国不同,现在的中国社会是一个制造业和互联网平行发展的国家,制造业占据了世界第一的规模,而互联网经济也领先欧洲几乎与美国平分天下。中国国情与德国不同,互联网行业已经处于世界领跑地位,探索符合中国国情的发展道路而不是跟风,才能真正把握住工业4.0的机会实现弯道超车。也许,这才是中国政府推出“互联网+”的根本原因。
仿真技术,是以计算机和专用物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验的一门综合性技术。其影响已由最初的航空、航天、核工业等少数领域,逐渐扩大到机械制造、电力、交通、医疗、教育等国民经济各领域。
在工业产品实物化前,利用仿真技术可以对设计思想、产品潜在性能、军事价值、使用效能和适应性等方方面面进行研究和评估,从而极大地减少了研制风险和周期,降低研制产品。
曾有仿真设计总工在接受媒体采访时表示:“在设计产品方案之初,首先建立产品的数字化样机(而非物理样机),然后在计算机上,运用不同的仿真分析软件,模拟产品的性能属性,最大限度缩短产品开发时间,优化产品性能,减少物理样机的问题,从而提高设计的效率。”
比如,过去设计一台汽车,要经过反复的碰撞试验,在碰撞中毁掉数辆真车,研发时间动辄几年,而有了仿真技术,只要在软件中输入数据,各种碰撞结果就能迅速计算出来。仿真技术的最大功用在于将人们平时所思所想,在一个虚拟的世界里进行“重现”。
作为工业生产中的重要环节,产品设计的创新能力一定程度上决定了产品的市场反映。产品设计的新颖与否,主要取决于产品设计师的才能。可设计师的才能是需要一定空间才会得到施展的。而仿真技术的快速发展,就为产品设计师提供了极大的施展空间,为他们插上了想象的翅膀。
目前,仿真技术成为任何复杂系统特别是高科技产业不可替代的分析、研究、设计、评价、决策、训练的重要手段,更是中国从制造业大国向制造业强国转变的重要技术手段。有数据显示,中国每年仿真技术软硬件投入费用在30亿至50亿元。
世界上一些大型企业也广泛地将仿真技术应用到工业智能制造的各个环节,对企业提高开发效率,加强数据采集、分析、处理能力,减少决策失误,降低企业风险起到了重要的作用。
美国波音公司设计和制造波音777时,采用仿真技术,当设计师带上头盔显示器后,就能进入虚拟飞机中,审视飞机的各项性能,由概念设计到仿真定型后直接生成成功试飞的产品,研制周期缩短一半,经费节省数亿美元。总部位于英国的Virtalis使用虚拟现实技术,让制造商们可以真实感知处于施工阶段的工程,比如潜艇或公寓大楼。像英国BAE、利兰汽车和劳斯莱斯这些公司都曾用仿真技术现实系统提高产品制造质量,减少误差,避免返工。英国BAE公司的DeanBrown表示:“毫不夸张地说,人们可以‘行走’在正处于创建中的建筑里,准确排查每一处。”
仿真技术还在军事制造方面发挥巨大作用。最新的飞行模拟器采用全新的电子仪器,高速率大数据运算的计算机,精确的追踪设备以及高品质的图形模拟器,为飞行经验较少的飞行新手提供身临其境的飞行教学与训练,以便于他们能在受控的环境下练就一身过硬的本领和一手精细的技术,为提高飞行员的战斗水平起到了很大的作用。正因为如此,美国把仿真技术列为国防技术领域中一项重要技术,甚至把仿真环境列为现代局部战争的七大需求之一。目前,已有不少国家把仿真技术视为国防工业的优先发展技术并上升到国家战略。
智能制造是一项长期系统的过程,不能一蹴而就;要在考虑企业效益(指质量、成本、交货期)的前提下,用投入产出经济学理论审视实施智能制造。
中国装备工业现阶段还在于加强科学化、信息化管理,距离智能化尚有很长一段过程;智能制造发展需要全方位人才。
沈烈初先生根据学习与调查实践,归纳德国工业4.0的主要内容:即1.0为机械化;2.0为电气化、半自动化;3.0为信息化,即高度自动化、少人化;而4.0就是数字化、网络化及智能化了,即虚拟实体系统CPS(cyberphysicalSystem),也有人翻译为信息物理系统。
沈烈初认为,首先要认识我国国情。我国制造业水平不同于德国,推进我国智能制造发展,工业4.0可作为参考而不能简单复制,必须通过实践和总结找到属于我们自己的成功之路。
智能化首先需要高度信息化
沈烈初说,工业3.0是信息化、高度自动化、少人化,而工业4.0应该是高度信息化(即数字化、网络化) 智能化,构成CPS系统。“三化”发展呈序列顺序进步,高度信息化向智能化过渡,这一过程需要很长时间完成。
他非常形象地描述到,数字化是将物体特征或工艺过程转化为数字描述或数学模型。网络可以看作为信息高速公路,沈烈初说,没有信息的网络,类似没有汽车的高速公路。没有网络,信息就无法高速传递,互联互通。信息化即是数字化和网络化的融合,包括信息获取、信息传递、信息处理、信息再生和信息利用。所谓物联网,就是人或物这样的实体用数字描述,通过互联网进行物与物、物与人、人与物、人与人四维互联互通。
辨别信息化(数字化、网络化)与智能化最简便的办法是:前者是管理的开环系统,后者是管理的闭环系统。智能化是在信息化基础上实现系统的自组织、自记忆、自诊断、自决策、自适应,使系统在更佳或最优情况下运行,因而需要建立大量的数据库,建立各类数学模型或专家系统,而且信息必须是实时采集、加工、通信和处理。由此可以看到,智能化的发展是一个漫长、不断改进与完善,进而发展的过程,不是一蹴而就的,更不是通过实施一两个专项就可以变身为智能制造了。
“中国制造2025”中的十大高端装备都要求定位在数字化、网络化及智能化之上,这就要求同时也要使其生产、制造过程实现“三化”管理。
在沈烈初看来,智能制造的“三化”即数字化、网络化、智能化;而制造过程的“三化”,实际上应该是两个领域,提供产品制造的装备和制造过程。首先是装备的“三化”,其次是制造过程的“三化”,这两个概念有很大不同,既有联系又有区别。智能制造即产品制造过程的“三化”,是建立在提供装备的“三化”基础上,有这样的“智能体”作为前提,才能实现智能制造。装备的“三化”水平,在较大程度上决定了各行业“三化”的水平以及实现的难易程度。
沈烈初同时强调,单机制造构成不了生产力,只有成套才能真正发挥生产力的作用,因而装备单机实行“三化”过程中,要注意通讯接口,可与上下游设备互联互通、信息交换及时、共享。对于成套设备来源于不同企业的,如何“三化”更加重要。
辩证看待实体制造和虚拟制造
沈烈初说,我用一生获得的经验教训是,就技术论技术,很难真正推进技术进步与发展。虚拟设计、虚拟制造是一种手段,是为实体设计、实体制造服务的。信息技术发展到现在,有可能用计算机推演千百种方案进行比较,取得最佳方案后,再变为实体设计与实体制造,开发出新产品,再验证修正完善。这就可以大大缩短研发周期,节约研发资金。新产品定型后,再用计算机推演得出最佳制造过程,从而安排实体制造的工艺及生产。尽管这样,也有一个不断完善的过程,因为研发与制造过程受多种内外因素的干扰,在这里仍然需要有经验的设计师、工程师、制造工艺师决策和干预,这样才能做出好的产品,才能保质量、降成本、缩短生产周期。
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