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隨著虛擬世界中生成的信息流入實際生產(chǎn)過程，全新的生產(chǎn)環(huán)境由此誕生。在智能工廠，由機器構(gòu)成的團體將自行組織，供應鏈將自動相互協(xié)調(diào)，半成品可將下一道工序所需數(shù)據(jù)發(fā)送給負責將其變成商品的機器。在所有這些發(fā)展中，西門子都將扮演重要角色。

從計算機到生產(chǎn)線，新技術(shù)不斷縮短從虛擬設(shè)計到實際生產(chǎn)的周期。

歐洲和美國打算大幅提升工業(yè)產(chǎn)值。德國媒體大肆報道制造業(yè)的下一個發(fā)展階段，稱之為朝著智能工廠演進的根本性變革，甚至宣稱第四次工業(yè)革命即將到來。18世紀，蒸汽機的發(fā)明和手工業(yè)的機械化掀起了*次工業(yè)革命。20世紀初，批量生產(chǎn)技術(shù)的運用拉開了第二次工業(yè)革命的大幕。過去幾十年來，面向自動化生產(chǎn)工藝的電子系統(tǒng)和計算機技術(shù)開創(chuàng)了第三次工業(yè)革命。那么，我們是否瀕臨第四次工業(yè)革命——Industry 4.0的邊緣呢？對此，西門子公司戰(zhàn)略主管Peter Herweck顯得更為冷靜，“這一變革時期可能持續(xù)20年左右，從今天的觀點看，其結(jié)果將是革命性的，但其中將涉及到許多個發(fā)展階段。”

雖然如此，專家認為，相比于如今的工廠，未來的生產(chǎn)工廠的智能化程度將高得多。這樣的智能將通過使用微型化處理器、存儲裝置、傳感器和發(fā)送器來實現(xiàn)，這些裝置將被嵌入幾乎所有機器、半成品和材料以及用于組織數(shù)據(jù)流的智能工具和新型軟件中。所有這些創(chuàng)新將使產(chǎn)品和機器能夠相互通信并交換命令。換言之，未來的工廠將在很大程度上自行優(yōu)化和控制其制造工序。然而，專家也認為，在這之前還有很長一段路要走。

不過，這絲毫不會削弱這一趨勢。德國聯(lián)邦政府已撥出近2億歐元資金用于幫助行業(yè)協(xié)會、研究機構(gòu)和企業(yè)制定實施戰(zhàn)略。美國政府也極為重視創(chuàng)新制造戰(zhàn)略的制定，并計劃拿出高達10億美元資金建立一個覆蓋全國研究機構(gòu)和企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)。政府部門負責提供無處不在的寬帶網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)界需要及時地將數(shù)據(jù)標準化和傳輸協(xié)議系統(tǒng)部署到位。

在智能工廠，機器可以在很大程度上自行組織，但最終決策仍需由人來做出。

西門子工業(yè)戰(zhàn)略主管Marion Horstmann是向德國政府提供有關(guān)高科技戰(zhàn)略意見的科學家與工商界高管組織研究聯(lián)盟中的西門子代表，他認為，“實現(xiàn)Industry 4.0目標需要我們解決介質(zhì)和數(shù)據(jù)傳輸方面的大量不連續(xù)性問題”。該聯(lián)盟創(chuàng)造了“Industry 4.0”這個術(shù)語。除德國之外的其他工業(yè)化國家雖未普遍使用這一術(shù)語，但不可改變的事實是，盡可能降低生產(chǎn)經(jīng)營成本、提高靈活性和加快創(chuàng)新周期也是這些國家的共同目標。

德國希望成為引領(lǐng)這一趨勢的弄潮兒，許多政府和企業(yè)領(lǐng)導認為，當前形勢對德國企業(yè)成為信息物理系統(tǒng)（CPS）的*供應商非常有利。“信息物理系統(tǒng)”是國際上用于描述源自軟件、傳感器、處理器和通信技術(shù)等的“Industry 4.0”概念的術(shù)語之一。德國國家科學與工程院（acatech）認為，該新型制造工序?qū)⑹构I(yè)生產(chǎn)率提高30%。正如德國國家科學與工程院所指出的那樣，CPS不僅將*改變生產(chǎn)方式，還將在交通和醫(yī)療領(lǐng)域引發(fā)一場變革。

Herweck表示，“西門子將在這一過程中扮演關(guān)鍵角色，因為我們是自動化技術(shù)和工業(yè)軟件系統(tǒng)的全球*供應商。”西門子已經(jīng)蓄勢待發(fā)。Horstmann指出，過去幾年來，西門子每一次收購軟件公司都是出于整合和進一步開發(fā)實現(xiàn)Industry 4.0所需的所有技術(shù)專長的戰(zhàn)略考慮。他說：“多年來，西門子一直在擴張其與行業(yè)IT系統(tǒng)有關(guān)的業(yè)務。”

專家喜歡將Industry 4.0系統(tǒng)內(nèi)的生產(chǎn)活動比喻為在一個大市場上，機器提供服務，并實時與產(chǎn)品交換信息。德國人工智能研究中心（DFKI）與包括西門子在內(nèi)的20個工業(yè)與研究合作伙伴在德國Kaiserslautern聯(lián)合創(chuàng)辦的一座智能工廠，演示了信息物理系統(tǒng)在實際應用中的運轉(zhuǎn)方式。這座試點工廠利用皂液瓶來演示產(chǎn)品與制造機器之間的通信方式：每個空皂液瓶底部都貼有射頻識別（RFID）標簽，以告知機器應為其套上黑色還是白色瓶蓋。換句話說，這一制造流程中的產(chǎn)品從一開始就攜帶有數(shù)字產(chǎn)品記憶，可以通過無線信號與周圍環(huán)境進行溝通。這樣一來，產(chǎn)品就成為了一個信息物理系統(tǒng)，將現(xiàn)實世界和虛擬世界合二為一。

靈活性：只要輕擊鼠標。在德國安貝格市，一座因其在數(shù)字化領(lǐng)域取得的重大進步屢獲殊榮的西門子電子裝置工廠，表明智能工廠的一些要素已經(jīng)存在于現(xiàn)實當中。這座工廠的規(guī)劃團隊借助*的西門子PLM軟件來確保高效地生產(chǎn)大概1,000件產(chǎn)品的標準程序。只要輕擊鼠標，規(guī)劃師就能為新產(chǎn)品設(shè)計出多種不同的制造流程，并按諸如吞吐量和成本等參數(shù)進行計算和比較，然后從中選出效率最高的過程。Horstmann表示，“安貝格工廠昭示了我們前進的方向。”在安貝格工廠，數(shù)字規(guī)劃仍需以“人工”方式轉(zhuǎn)換到實際生產(chǎn)中，因為目前這兩個過程是順次執(zhí)行的。然而未來，這兩個過程將日益重疊，最終實現(xiàn)同時進行——在安貝格工廠以及所有其他高度自動化的工廠。到那個時候，工程師在設(shè)計新產(chǎn)品如新型開關(guān)的時候，將使用專門的軟件來同步規(guī)劃其制造流程，包括所有有關(guān)機械、電氣和自動化系統(tǒng)。

就像如今USB端口可用于將不同類型的設(shè)備連接至電腦一樣，有朝一日，現(xiàn)場設(shè)備、機器以及其他設(shè)備等也能連接到Industry 4.0生產(chǎn)系統(tǒng)中，而無需進一步設(shè)置參數(shù)或編程。然而，設(shè)備與機器之間必須實現(xiàn)天衣無縫的交互。西門子的博途（TIA Portal）平臺為利用反復出現(xiàn)的數(shù)據(jù)集來規(guī)劃、試驗和實現(xiàn)自動化生產(chǎn)過程創(chuàng)造了條件。Thomas Hahn博士負責管理西門子中央研究院（CT）所有與Industry 4.0有關(guān)的活動，他表示，“自動化早已不止是簡單地控制生產(chǎn)過程?，F(xiàn)在，自動化也涉及針對新產(chǎn)品快速調(diào)整機器和廠房。”

攻克數(shù)據(jù)不連續(xù)性問題。本文描繪的生產(chǎn)環(huán)境將逐漸成為現(xiàn)實。請就皂液瓶試點工廠，思考如下問題：機器如何知道有多少只皂液瓶需要白色瓶蓋，有多少只皂液瓶需要黑色瓶蓋？機器如何知道工廠是否備有足夠數(shù)量的瓶蓋，或者將按時交付足夠數(shù)量的瓶蓋？庫房是否有足夠數(shù)量的工作人員可以收貨？如今，所有這些信息都保存在不同系統(tǒng)中。譬如，企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)負責管理物料物理、人員規(guī)劃和成本計算，而制造執(zhí)行系統(tǒng)（EMS）則負責控制生產(chǎn)作業(yè)。問題是，這些不同系統(tǒng)所使用的多種不同的格式、操作系統(tǒng)和編程語言，妨礙了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)之間順暢、完整地轉(zhuǎn)移——而這正是將現(xiàn)實世界和虛擬世界合二為一所必需的。

研究項目將確定信息物理系統(tǒng)需要哪些類型的數(shù)據(jù)以及通過什么樣的方式較有效地利用這些數(shù)據(jù)。

*的模擬工具可以事先測試生產(chǎn)過程變化、成本發(fā)展和物料利用。

西門子中央研究院的生產(chǎn)優(yōu)化專家Jürgen Back指出，“現(xiàn)在，我們首先要確定哪些數(shù)據(jù)是與生產(chǎn)有關(guān)的。”工業(yè)數(shù)據(jù)與日俱增，更加劇了這項任務的難度。西門子中央研究院的研究人員勇挑重擔。Hahn在報告中稱，“現(xiàn)在，我們正計劃與大學和研究機構(gòu)的研究合作伙伴開展不同類型的合作項目。”

這些項目的具體目標當前尚在醞釀之中。Hahn說：“所有人都還記得，過去電話機的用途就是打電話?，F(xiàn)在，還可以發(fā)送和接收照片和視頻，管理約會，以及運行各種能在日常工作和生活中幫助我們的應用程序。同樣地，未來的生產(chǎn)設(shè)施將不僅交換監(jiān)測和控制數(shù)據(jù)，還要交換截然不同類型的產(chǎn)品和過程內(nèi)容。現(xiàn)在，我們正在研究這些內(nèi)容究竟應當是哪種類型的內(nèi)容。”數(shù)據(jù)安全是另一個重大研究問題，因為如果可以利用一個數(shù)據(jù)集完成制造整件產(chǎn)品，那么，企業(yè)必須采取更加有效的保護措施，以防止工業(yè)間諜和產(chǎn)品盜版。

無論如何，顯然“那些未能順應這一發(fā)展趨勢的企業(yè)將遭遺棄，”Armin Haupt博士如是道。Armin Haupt博士是德國愛爾蘭根西門子中央研究院的生產(chǎn)規(guī)劃與優(yōu)化部門負責人。他解釋道，“要想在數(shù)字化的未來占有一席之地，企業(yè)必須擁有連續(xù)可用的數(shù)據(jù)供其處置。”這是必須首先實現(xiàn)的里程碑式目標。目前，西門子的顧問正在分析眾多西門子生產(chǎn)工廠使用的數(shù)據(jù)，以便制定路線圖計劃——通過一系列開發(fā)，締造標準化數(shù)據(jù)環(huán)境。

實現(xiàn)Industry 4.0所需的許多技術(shù)已經(jīng)問世，包括互聯(lián)網(wǎng)、面向工業(yè)設(shè)施的標準化數(shù)據(jù)連接技術(shù)Profinet、模擬軟件以及旨在加快工程設(shè)計的博途（TIA Portal）平臺。因此，專家確信朝著Industry 4.0前進的步伐勢不可擋。Herweck說：“Industry 4.0并非空中閣樓。”不同于過去風行一時的類似概念，如計算機一體化制造（CIM），Industry 4.0趨勢是隨著現(xiàn)有技術(shù)的融合和優(yōu)化而發(fā)展的。

Herweck還指出了另一個重大差別，他說：“這個問題已經(jīng)讓大型國有企業(yè)、學術(shù)研究機構(gòu)和政府聯(lián)合起來，齊心追求一個共同目標。”

作者：Katrin Nikolaus

模擬軟件：保持競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵

要保持競爭力，企業(yè)必須減少開發(fā)和生產(chǎn)日益復雜的產(chǎn)品所需的時間和成本。與此同時，客戶的要求也變得越來越苛刻，呈現(xiàn)出各種細微的差別。生產(chǎn)專家認為，解決辦法就是將虛擬規(guī)劃與實物生產(chǎn)流程合二為一。這正是信息物理系統(tǒng)（CPS）和Industry 4.0等概念背后的理念。要實現(xiàn)這樣的生產(chǎn)環(huán)境，必須采用定制軟件，但通常并非像辦公應用程序和數(shù)據(jù)庫那樣可用于許多不同應用的橫向IT系統(tǒng)。更為重要的是縱向IT系統(tǒng)，即專為特定工業(yè)領(lǐng)域及其特殊需求而開發(fā)的解決方案。開發(fā)這樣的解決方案正是西門子的17,500位軟件工程師的主要任務。西門子目前是僅次于SAP的歐洲第二大軟件公司。近年來，為了整合和優(yōu)化其行業(yè)IT技術(shù)專長，西門子已經(jīng)收購了數(shù)家軟件公司并將它們整合入工業(yè)業(yè)務領(lǐng)域。其中大多數(shù)公司都專長于某些涵蓋了大型軟件應用的特定分部的功能。西門子工業(yè)戰(zhàn)略負責人Marion Horstmann表示，“這些軟件公司的技術(shù)能力，結(jié)合西門子在自動化領(lǐng)域的技術(shù)專長，讓我們得以提供貫穿產(chǎn)品開發(fā)和制造的整個價值創(chuàng)造過程的工業(yè)軟件。”

從摩托車到電機和挖掘機，利用西門子的模擬軟件可以開發(fā)和試驗各式各樣的產(chǎn)品。

2007年，在收購美國公司UGS的同時，西門子宣布了新的軟件戰(zhàn)略。如今，該公司已更名為西門子產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件公司。PLM軟件最引人矚目的應用*是其在紅牛賽車中的應用，以及用于設(shè)計2012年登陸“紅色星球”的“好奇號”火星探測器。在開發(fā)“好奇號”火星探測器的過程中，美國航空航天局全程采用了PLM軟件，從設(shè)計初稿到模擬其進入火星大氣層，不一而足。盡管這些博人眼球的項目引起了各方關(guān)注，但事實上，在航空和汽車等行業(yè)已有超過700萬名許可用戶在使用PLM軟件，早在規(guī)劃階段進行產(chǎn)品功能試驗。通過在虛擬工廠中模擬生產(chǎn)流程，該軟件縮短了生產(chǎn)規(guī)劃周期。該特性讓使用西門子自動化系統(tǒng)的客戶受益良多。PLM軟件公司在德國的銷售和服務主管Lothar Hahn表示，“對將要用于制造產(chǎn)品的機器的屬性了解越透徹，所編寫的模擬程序就越精確。”

西門子PLM已經(jīng)并購了多家公司，德國格平根的*成本核算解決方案公司（Perfect Costing Solutions）便是其中之一。該公司于2012年9月加入西門子，其技術(shù)允許早在新產(chǎn)品規(guī)劃階段估算出其制造成本。Hahn說：“過去，成本核算往往要到很晚的階段才執(zhí)行。”這導致了一些問題，因為待到開發(fā)人員向采購專員尋求意見時，規(guī)劃工作已開展了一段時間，以至于任何變更都會導致巨大的額外費用。*成本核算解決方案公司提供的軟件，有一個突出優(yōu)點，那就是它可以持續(xù)不斷地納入所有影響到成本的變化因素。這意味著可以隨時執(zhí)行采購價格分析，并且可以快速估算出設(shè)計和制造替代方案的成本。

此外，借助新的解決方案，如位于比利時勒芬的LMS公司——西門子PLM收購的另一家公司——推出的軟件系統(tǒng)，現(xiàn)在可以回答像下面這樣的問題：振動會對風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子和機艙造成什么影響？這些影響會在多長時間后造成這些組件的磨損？一輛新款緊湊型汽車在鋪滿鵝卵石的道路上行駛時，其內(nèi)部的噪聲有多大？通過LMS軟件實現(xiàn)的計算機模擬，可以如實地執(zhí)行有關(guān)試驗及其他分析。西門子于2012年11月收購了LMS公司并將之整合到西門子PLM軟件公司。現(xiàn)在，LMS負責向所有大型汽車和飛機制造商提供模擬和機電一體化試驗軟件。實際試驗設(shè)備與軟件雙劍合璧，允許對聲學、震動、振動、運行穩(wěn)定性和動力學等進行更加精確的分析。所生成的數(shù)據(jù)庫將有助于工業(yè)企業(yè)在未來模擬、試驗、優(yōu)化和制造產(chǎn)品。

2011年11月，西門子收購了位于馬薩諸塞州Waltham的Vistagy公司，該公司專長于模擬復合材料，特別是碳纖維的屬性?，F(xiàn)代化飛機的一大半材料都采用了碳纖維，這種專門開發(fā)的碳材料也被用于風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子葉片。在汽車工業(yè)，碳纖維強化塑料也變得越來越重要。Vistagy提供了全球可以從開發(fā)階段到制造過程，隨時模擬這些復合材料的具體屬性的軟件。行業(yè)IT解決方案，如Vistagy和Kineo C.A.M.（西門子在法國的一家子公司，專攻自動化生產(chǎn)過程規(guī)劃）開發(fā)的解決方案，將成為未來的制造系統(tǒng)中*的組件。Horstmann說：“像西門子這樣在軟件領(lǐng)域擁有廣博技術(shù)專長的大型企業(yè)，將成為推動Industry 4.0的主力軍。”