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“工业4.0”下制造业可持续发展的机遇
摘 要
当前，全球化面临的挑战是要满足不断增长的资本和消费品的需求，同时确保其在社会，环境和经济方面的可持续发展。为了应对这个挑战，创造产业价值必须面向可持续。目前，早期的工业化国家正在走向第四次工业革命，即工业4.0。这一场革命为实现可持续制造提供了巨大的机遇。本文将根据“工业4.0”研究和实践的最新进展做一个简介。随后，本文将展现工业4.0下的各种类型的可持续制造。最后展示一个制造设备改造的案例，将其作为在工业4.0下的可持续发展的模范。
第1章 引言
早期工业化国家正在走向第四次工业革命，即工业4.0。这一发展伴随着第三次工业革命，第三次工业革命在20世纪70年代初开始，其以电子产品和信息技术为基础，实现高水平的自动化制造。而工业4.0的发展已经对制造业产生了重大影响。它基于智能工厂、智能产品、嵌入互联网的实物和智能服务，因此也被称为工业互联网。此外，崭新的并具有破坏性的商业模式正在围绕工业4.0的这些要素不断发展。工业4.0将会使用无处不在的信息通信技术（ICT）基础设施。本文将根据最新的研究和实践阐述工业4.0的最新进展。并在工业4.0的宏观和微观的角度进行可视化分析。随后，把工业4.0与可持续生产相结合，从宏观和微观的角度进行可持续生产的可行性分析。最后，把对机床的改造作为在工业4.0可持续制造的示范。
第二章 最新进展
工业4.0的主要思想是2011年由卡格曼首次提出，为由德国科学与工程学院在2013年公布的《工业4.0宣言》建立了基础。在欧洲层面，未来工厂（FOF）的公私合作伙伴关系（PPP）是工业4.0的主题。美国关于工业4.0的内容则由工业互联网协会（IIC）推广。工业4.0的模式基本上是由三个维度勾勒的：整个价值创造网络的横向整合，端对端工程的整个产品生命周期，以及纵向一体化和网络化的制造系统。
整个价值创造网络的横向一体化是指跨公司和公司内部价值模块的智能交联，以及产品和毗邻的产品的生命周期的价值链之间的智能交联。
端对端的设计在整个产品生命周期中使用智能交联和数字化，而整个产品生命周期是从原始材料采集、制造，产品使用，直至产品寿命结束。
纵向一体化和网络化制造系统，其中不仅包含制造单元，流水线和智能工厂，并且整合了相关的价值链活动，如市场营销，技术开发等。各种价值创造模块的聚集、层级内的智能交联和数字化覆盖了整个信息和通信技术端对端方案的应用。
在制造系统中，智能交联的自组织和操作事通过赛博物理系统（CPS）的应用来实现的。它们是基于嵌入式机电元件即传感器系统，用于收集数据，致动器系统用于影响物理进程。 CPS可以使智能产品彼此相连，连续地交换虚拟网络的数据，例如云中事物和服务的联网。作为社会技术系统的一部分，CPS的人机界面用于和运营商的交互。
2.1 工业4.0的宏观视野
如图2.1所示，工业4.0的宏观角度涵盖了横向整合以及端对端工程两个方面。在这种可视化的基础上，通过将交联产品生命周期中的价值创造网络核心要素看作庞大的产品生命周期相关的点。
从宏观角度来看，横向一体化是指创造价值模块连成的网络。价值创造模块的定义为不同的价值创造因素的相互作用，即：设备、人力、组织、流程和产品的相互作用。价值创造模块，是工厂聚集的最高级的代表，是在整个产品生命周期中交联的完整的价值链，也是为毗邻的产品生命周期的价值链中创造价值的模块。链接指向的是涵盖不同产品生命周期的价值链和创造价值模块的智能网络。这种智能网络为商业模式提供了创新的环境，因此可以促使商业模式的变革。
图2.1 工业4.0的宏观角度
图2.1显示，从宏观角度来看，端对端工程是利益相关者。产品和设备以及产品生命周期的交联，以原料采集阶段为开始，以产品寿命终结的阶段作为结束。在该产品中，制造设备嵌入在虚拟网络中，不同利益相关者例如客户，员工或供应商，可以在产品生命周期的不同阶段交换数据。这个生命周期中的原料采集阶段，包含产品的开发制造阶段，相关制造系统的工程设计阶段，产品的制造、使用和服务阶段。寿命终结阶段含重用，再制造，回收，处置阶段以及所有阶段之间的输送。
智能工厂是由包含有大量智能数据的价值创造模块发展而来。智能工厂制造的智能产品，沿其生命周期或毗邻产品的生命周期之间的物质流将成为智能物流。在工业4.0价值创造网络的不同元素之间的智能数据流可以通过云互换，其可以大大提高决策的效率。智能工厂使用的是嵌入式创造价值的赛博物理系统，这使得智能产品可以自由的与CPS 交换智能数据、组织所需的制造工艺、设定整个工厂的运转方式。
智能产品包含有制造工艺和生产设备的信息。智能物流是使用赛博物理系统在工厂外部和内部之间、客户和其他利益相关者之间的材料流动。它们是根据产品的要求以分散的方式控制的。智能电网可以利用可再生能源给消费者供电，例如智能工厂、智能家庭，也可以通过使用短期能量存储器来储存能量。通过智能电网，能源消费者和供应商可以合为一体。
2.2 工业4.0的微观视角
图2.2中所示的工业4.0的微观视角主要内容包括横向整合以及垂直智能工厂内的整合，但它也是高端工程维度的一部分。
智能工厂最高聚集级别的价值创造模块包含较低聚集级别的生产线，制造单元和制造站等。智能工厂将越来越多地使用可再生能源。智能工厂除了由外部智能电网所提供的电源以外，还有自供应的一部分，因此工厂可以同时成为能源供应商和消费者，智能电网和智能工厂的能量管理系统能够处理动态能源供应和信息反馈的问题。水作为智能工厂内的价值创造模块的源头，也是另一项重要的资源流动，所以智能工厂需要充足和完整的水库。
图2.2 工业4.0的微观视角
从微观角度看，水平集成的特点在于整合了智能物流。工厂作为智能物流的入口和出口，智能物流可以通过传输设备对不可预见的事件做快速处理，例如在交通或天气发生变化时，能够自主设定起始点之间的特征点和目的地。工厂将运用自主操作运输设备，如自动导引车（AGV），实行内部运输。所有的运输设备，都可以在自动运输系统下实现物资和产品的分散协调，并可以交换价值创造模块的智能数据。为了实现这个目标，所述用品和产品中都含有的识别系统，例如RFID芯片或QR码。这使得在价值链中的所有材料能够无线识别和定位。
从微观的角度垂直整合网络化制造系统，实现了价值创造因素的交联智能：从生产线到智能产品，智能设备和人力，沿着价值创造模块的不同层级聚合。该网络在整个不同聚合层级，还包括不同的价值创造模块与不同的价值链活动，例如交联营销和销售，服务，采购等。
工厂的价值创造模块可以对应到嵌入式赛博物理系统，例如机床或装配工具或制造设备使用的传感器系统、用于识别和定位的模块，以及相应的工艺，例如切割、组装、运输等等。在制造设备上施加的传感器监测的智能数据可在实时反应特定产品。价值创造模块之间的通信和价值创造因素之间的智能数据交换可以通过云执行，同样，设备运输、不同层次的聚集和不同的价值链活动之间也可以通过云执行。
表2.1 工业4.0不同的价值创造因素的概述和预期的发展
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设备 |
制造设备将由高度自动化的机床和机器人应用来组成。该设备将能够灵活地适应于其他价值创造因素的变化，例如机器人联合工人共同协作。 |
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人员 |
从事制造业的人员目前的工作正面临着被自动化取代的风险。工人的数量将减少，其余的制造业岗位将需要更多知识，以及更多的在短期内完成并难以规划的任务。工人们需要越来越多地监控自动化设备，并参与工程活动作为端对端工程的一部分。 |
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组织 |
制造系统中增加的组织十分复杂，不能由一个中央或从某一点来管理。决策将走向分散。在分散化下，决策会自动考虑本地信息。这就要求设备采用工人或使用人工智能领域的方法。 |
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加工 |
成型制造技术也被称为3D打印，将越来越多地部署在价值创造的过程中使用，在过去几年中，成型制造的成本正在不断下降，而在速度和精度方面同时增加。这使得其成为设计更复杂，力学性能更加突出，更轻质几何形状的成型制造的更好的出路。 |
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产品 |
智能产品将根据客户的具体要求来制造，产品将提供全新的服务和新功能，而不仅仅是以顾客所有权作为商业模式。 |
第3章 工业4.0的可持续性
范式工业4.0将朝着更加可持续的产业价值创造迈进。在目前的文献中，可持续发展主要在环境方面做出贡献。资源例如材料、能源和水的分配，能够以更有效的方式来实现智能交联价值。
除了在这些环保方面的贡献，工业4.0还适用于三个可持续性的方面，以实现可持续发展创造工业价值：经济、社会和环境。表3.2总结了工业4.0在宏观角度可持续制造的机遇。表3.2总结了在微观角度的机遇。两张表根据目前文献的提出的概念，为工业4.0的可持续生产提供了最重要的途径。
表3.1 宏观角度的可持续生产的机遇
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商业模式 |
在工业4.0中，新的业务模式受智能数据提供的新服务驱动。这种发展已被锚定为新的可持续商业模式。可持续的商业模式会产生显著的积极影响，并减少对环境和社会的负面影响，甚至可以从根本上解决环境问题和社会问题。另外，可持续的商业模式必然可以保持长期的竞争力。从这方面来说，商家出售的是产品的功能和辅助功能，而不仅仅是有形产品。 |
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价值创造网络 |
在工业4.0中，价值创造网络的交联提供了实现闭环产品生命周期和产业共生的可能。它允许产品、材料和能量的有效协调，以及在整个产品生命周期和不同的工厂之间的水流动。闭环产品生命周期有助于产品在多次使用中的再制造、再利用，共生描述了不同工厂可以通过交易实现竞争优势，并且能通过智能数据在地方一级（跨公司）实现交换产品、材料、能源、水等。 |
表3.2 微观角度下可持续生产的机遇
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设备 |
工厂的制造设备通常具长达20年或更长的使用期。改造设备使其以克服异质性，使用传感器和致动器系统升级现有的制造设备与相关的控制逻辑，这种方式十分容易操作并且成本较低。因此可以通过改造现有的制造设备的方法用作于改造整个创建模块从而创建CPS，如智能工厂。它扩展了使用阶段，并且有助于在新的使用阶段对生产设备的应用，基本上可以促进在经济和环境两个方面的可持续发展。它作为一个低成本的替代新的生产设备来说，特别适合于中小型企业。 |
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工人 |
工人仍然是在工业4.0社会中应对挑战并创造价值的。在工业4.0中有三种可持续的方法：（1）和新的ICT技术相结合以提高工人的培训效率，例如使用虚拟现实头盔了解并学习仪器。（2）提高的内在动力，通过建立工作组织和设计基于CPS的新的方法来鼓励创造，例如通过试行流动理论，或使用新的ICT技术，以支持分散决策，实现游戏化的概念。（3）通过实行个人奖励制度为职工增加外在动机，例如，在产品生命周期内的智能数据提供个人反馈机制。 |
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组织 |
在智能工厂，面向可持续分散的组织专注于产品、材料、能源和水资源的有效配置，并且要考虑到CPS，例如动态约束智能物流，智能电网，客户的自给自足。整体资源使用效率的提升为工业4.0的基本优点之一。 |
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加工 |
通过设计适当的制造流程链或通过使用新技术来实现流程的可持续性设计，如使用内部冷却工具，来提高工业4.0的整体资源效率。 |
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产品 |
通过使特定产品的再利用和再制造，或应用摇篮到摇篮的原则侧重于实现产品的闭环生命周期，为工业4.0可持续设计提供了方法。可持续的方法还注重对消费者的福利的设计。这些可以通过识别系统，例如应用程序来支持。回收再制造的芯也可以用于为客户谋求更多的福利。 |
第4章 改造案例
这个案例是在柏林1026 TU合作研究中心，其可持续生产实验室对台式机工具进行了改造，并且提供了问题解决方案。开发改造流程包括四个的步骤：（1）情况分析，（2）制定监视策略，（3）数据处理（4）在CPS下执行设备。
形势分析包括需求列表的定义。在这种情况下，改造流程应该可以监视设备的现有的操作状态：关闭开
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