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德国工业4.0、美国CPS计划、中国制造2025,这些国家战略的背后有一个共通点,那就是重视发展工业大数据和“信息物理系统”相关技术,并以此作为各自的工业4.0版本的创新驱动力。
美国辛辛那提大学特聘讲座教授、上海交通大学特聘讲座教授与先进产业技术研究院前瞻顾问李杰,曾先后受邀参与讨论德国“工业4.0国家战略”和美国“CPS计划”的制订。日前,他在上海接受了《解放周一》的独家专访。
制造业的新境界
“工业4.0是德国提出的口号,却是全球制造业共同的发展方向。”李杰的开场白,简洁明了。
工业4.0是德国联邦教研部与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的概念:继蒸汽机的应用、规模化生产和电子信息技术等三次工业革命后,人类将迎来以信息物理融合系统(CPS)为基础,以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。
工业4.0概念在欧洲乃至全球工业业务领域引发关注和认同,各国纷纷出台自己的工业4.0版本,其中包括美国的“CPS战略计划”、中国的“中国制造2025”。
在这位2014年美国国家科学基金会科技创新奖获得者看来,这些规划虽然冠以不同的名称,内容上也各有侧重,但其智能化转型的核心要义,都对各国现有的制造业提出了新的要求。
“现有的技术、原有的经验,都不足以支撑我们迈向工业4.0这个全新的时代。”李杰说。
新时代的新要求,就是必须能够解决“看不见的问题”。
“传统的制造系统中,存在着许多无法被定量、无法被决策者掌握的不确定因素。这些不确定因素既存在于制造过程中,也存在于制造过程之外的使用过程中。”
李杰认为,前三次工业革命主要解决的都是看得见的问题,如避免产品缺陷、避免加工失效、提升设备效率和可靠性、避免设备故障和安全问题等。这些问题在工业生产中由于可见、可测量,往往比较容易加以避免和解决。看不见的问题通常表现为设备的性能下降、零部件磨损、运行风险升高等。这些因素由于很难通过测量被定量化呈现,往往是工业生产智能不可控的风险,大部分看得见的问题都是这些看不见的因素积累到一定程度后造成的。
马航失联事件就给传统工业敲响了警钟。李杰说,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,飞机航线是固定的,一旦飞机偏离航线,发动机一定会有数据反映出来,这些数据应该被感知并且被记录和传递出去,但MH370没有这方面的数据。这说明罗罗公司在发动机的数据处理方面做得远远不够。“发动机公司不再只做发动机,还应提供安全控件、航管控件、飞航信息等服务,这就是工业4.0时代的要求。”
如果说马航事件是个极端案例,那么,日常的生产和生活中,“看不见的问题”实则随处可见。
比如,人们通常认为,设备可以在规定的维护时间或出现问题前,持续有效地工作,实则不然,看不见但时刻在发生的事实是,设备每分每秒都在损耗。但在很长的时间里,人们忽视了这一事实,或者知道这一事实却没办法解决,只能到了所谓的设备老化期就将整套设备报废。
再比如,一辆集装箱卡车有18个轮胎,以前什么时候换轮胎只能凭司机的经验来判断,或者到了一定的期限,18个轮胎一起换掉。但工业4.0时代,要求轮胎制造企业提供的不仅是物理状态的轮胎,还要有轮胎在使用过程中的实时状态。未来,司机可以通过仪表盘上的简单图示,精确地知道哪个轮胎需要作调整、维护或将其换掉,传统维护方式将从一门依靠经验判断的“艺术”变为一门可以精密掌握的“科学”。
只有解决了“看不见的问题”,制造才可能变得“无忧虑”,而“无忧虑的制造”正是工业4.0的目标。为达到这一境界,有赖于运用自动化手段,使控制器的软件能预测装备、设备的损耗状况,并及时加以调整。譬如一条生产线上有很多传感器,但传感器本身如果衰退了,设备只能在出了问题后才去处理;而具有“自省功能”的制造设备能让工人随时知道哪个传感器不稳定了。工业3.0时代的智能化是控制系统、控制器加上计算机;而工业4.0是能根据生产环境和设备状况随时作出调整的智能制造。
“工业4.0要求整个制造过程达到零故障、零忧虑、零意外、零污染,至少也要达到低忧虑、低污染,‘无忧虑的制造’是制造业的最高境界。”李杰说。
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