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智能工厂的各个要素到底长什么样?  

2016-08-02 17:21:45|  分类: 工业4.0 |  标签: |举报 |字号 订阅

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智能工厂的各个要素到底长什么样? - 智能制造顾问组织 - 智能制造解决方案顾问组织
智能工厂的各个要素到底长什么样?德国联邦政府的Autonomik研究项目试图回答智能工具和系统的问题。Autonomik是德国联邦经济与能源部(BMWi)的一个战略性研究项目,是BMWi重点资助的六大数字化技术项目之一。这个看上去有点奇怪的德文词,字面上显示出“自主、自治”的含义,但实际内涵则要更加丰富。
  
  工业4.0的宠儿:人机交互技术助力建设智能工厂智能工厂的各个要素到底长什么样? - 智能制造顾问组织 - 智能制造解决方案顾问组织
 
  
  工业4.0项目的宠儿
  
  Autonomik是德国联邦经济与能源部(BMWi)的一个战略性研究项目,是BMWi重点资助的六大数字化技术项目之一。这个看上去有点奇怪的德文词,字面上显示出“自主、自治”的含义,但实际内涵则要更加丰富。
  
  事实上,早在2010年(“工业4.0”尚未提出),德国就已经启动了相关的项目,名为“Autonomik-自主和基于仿真的系统服务于中小企业”。在“工业4.0“正式提出之后,此项目被升级为“AutonomikfuerIndustrie4.0”,从而将其与工业4.0进程紧密地结合在了一起。
  
  工四100术语解读
  
  目前,Autonomik项目是德国面向未来的科技创新项目,目标是为中小企业开发新一代的智能工具和系统。这些工具和系统能够自主地联网、识别周围环境、适应外界条件的变化,并且能够与用户(以及其它对象)融为一体。
  
  Autonomik的语境与定义包含了这样的关键词
  
  1、工具与系统
  
  这给Autonomik的研发目标定了性。研发的成果是拿来给人用的,而不是要取代人类的。
  
  2、中小企业
  
  这是德国工业4.0不厌其烦强调的关键词。德国政府推动4.0的最主要目的之一,是让广大中小企业从转型升级中受益。
  
  3、自主
  
  这是Autonomik工具/系统的最主要特点。在其设计思想之下,工具能够在感知外界情况之后通过通信和计算来自行作出决策,不需外界干预。
  
  4、人机一体
  
  自主的工具和用户/环境有机地结合,成为整个工业生态系统的一部分。
  
  Autonomik项目作为德国工业4.0计划的资助重点,目前有十五个子项目正在进行之中,其牵头单位包括阿迪达斯、奥迪等公司及慕尼黑工业大学等科研院所(如图2所示)。这些项目涉及生产、物流、机器人等领域,具体研究领域包括工厂架构设计、物流自动化、产品研发等,内容很丰富。德国联邦政府也很积极地对外宣传这些项目的进展,在2016年的汉诺威工业博览会、2016慕尼黑国际机器人及自动化博览会(Automatica2016)上面都设置了专门的展台,对Autonomik的研究内容进行介绍。
  
  实例1:InventAiry飞行机器人项目
  
  FraunhoferIML(弗朗恩霍夫-物流研究所)在Autonomik的资助下开展了名为”InventAiry”的项目,目标是在仓库环境中用自主飞行的机器人来清点库存。这样的机器人体积甚小,凭借其摄像/探测设备可以在飞行中感知和分析周围环境,并自行决定飞行的路线。在飞行过程中,机器人会探测和记录每件物品上的条形码/RFID标信息,从而完成库存清点的过程。
  
  InventAiry这样的系统,具有相当大的灵活性:首先,此机器人的应用不需要其它的硬件布署作前提,因此能够迅速投入使用;其次,它能够动态地识别周围环境的变化,不依赖于已有的地图。因此,即使是飞行过程中出现了新的障碍物,或是移到一个全新的仓库中,机器人也能够很快地适应。
  
  这种自主飞行机器人的应用,可以大幅节省库存盘点所需人力资源,将劳动者从简单的体力劳动中解放出来。同时,它使得库存监控成为一个常态化的、可连续运行的过程,有助于库存准确度的提高。
  
  实例2:SPEEDFACTORY项目
  
  SPEEDFACTORY是阿迪达斯的创新性生产战略,也是Autonomik最知名的子项目之一。其意在将相关产能从亚洲迁回德国,重振其本土运动鞋/服装产业。
  
  SPEEDFACTORY模式的一大亮点是生产的全自动化,制鞋加工过程中不再有工人的参与(如图5所示)。其生产设备占据的面积很小,便于灵活布局,以及在必要的时候移至它处。通过3D打印等技术,SPEEDFACTORY最大限度地压缩了库存和相关的原材料物流环节,并且可以以最快的速度来制作出成品。
  
  SPEEDFACTORY项目的另一大亮点是贴近客户。每一双鞋都可以为顾客量身定做:他/她只需在跑步机上试跑一段时间,系统便可以根据采集到的数据自动确定生产参数,制作定制化跑鞋。生产设备将被搬到本地的阿迪达斯专卖店里面,从而让德国顾客亲眼看到自己专属运动鞋的诞生过程。
  
  “体验-生产-购买”的过程融为一体,使得生产设备成为客户体验的一部分,而客户也成为了生产的参与者。
  
  按阿迪达斯的说法,这种“所需即所得”的高效灵活生产方式,将开启制鞋业的新时代。
  
  阿迪达斯计划SPEEDFACTORY今年进入预运行,试做500双鞋投入市场进行销售测试。鞋类生产是SPEEDFACTORY项目的第一阶段,并且实现私人订制,即对用户的个性化需求进行迅速反馈,这将成为阿迪达斯的竞争优势。
  
  这一项目已经作好了商业化的前期准备,将于2017年在德国本土实现全面量产。
 
 实例3:设计生产线的平台OPAK
  
  在OPAK项目中,以液压气动系统而闻名的Festo公司,正在开发一种面向功能的系统设计平台,来简化生产系统的设计过程(如图6所示)。现代生产系统往往有着大量的零部件、传感器、控制器等等,其协调、管理和维护是一项非常复杂的工作,而且其软件架构的开发和维护也带来了很大的挑战。Festo的目标是通过可插拔式的生产系统组件和可视化的设计,实现“即插即生产”的目标。
  
  在OPAK项目框架下,生产系统具有高度的灵活性和兼容性:通过接口和模块的标准化,来自不同制造商的机电元件可以较为容易地结合在一起,而不用作特殊的调整。即使整个系统已经投入运营了,也还可以再插入新的元件,轻松实现功能扩展。OPAK系统可以应用在各种环境,不依赖于特定的行业,也不依赖于特定的生产者。
  
  此项目的成果可以大大解放生产系统设计师:他们可以更加专注于要实现的具体功能,而不必过度纠结于相应软件架构、硬件标准等约束。当新的机电设备/组件被纳入系统时,相应的后台软件代码生成都将自动完成,不需人为干预。设计生产系统可以像可视化编程一样,在电脑/移动设备的屏幕上轻松完成,“所见即所得”。设计人员在减少了不必要劳动之后,可以更好地发挥自己的创造潜力,以及综合考虑跨学科的因素。
  
  制造系统设计思想
  
  从Autonomik项目的实例中,可以体会到德国工业4.0对于工具和系统的设计思想:
  
  A、基于感知的反馈
  
  控制如前所述:研发出的工具可以在没有接到外界指令的情况下,自发地完成一些功能(如库存盘点机器人的自主飞行、OPAK系统机电元件的自动接入)。并且,完成这些功能是基于“认知”,即借助传感器、摄像头等对外界情况进行识别和判断。在实时感知的前提下,可以通过计算机的分析计算来作出最优的决策,并且反馈给工具的控制设备来执行命令。这和赛博信息系统(CPS)的理念是契合的。实时感知和分析计算的实现,有赖于先进的信息与通信技术(ICT)与工业生产技术的融合。这也是Autonomik众多研发项目的重心之所在。
  
  B、应变和调整能力
  
  Autonomik强调的一点是:当周围环境/顾客需求发生变化的时候,工具和系统要能够及时调整自身,去较快地适应新的环境。这一理念在现代供应链管理中也是非常重要的:由于经济活动的外界环境日趋复杂,运营面临着各种风险,所以在供应链外部环境发生变化的情况下,每个环节要能够迅速适应,恢复正常运作。具体到工厂环境中,各个生产/物流环节也要具备调整和适应的能力。当接受新的任务的时候,生产系统和工具要能够“快速学习”,及时应对。
  
  如果将“自主性”和“应变与调整能力”结合起来看,Autonomik理念下的工具和系统显然初步具备一定的智能特征:除了认知、决策和应变之外,它还具有“进化”的能力,可以通过扩充自身功能来延长生命周期。
  
  C、易于上手
  
  使用如前文所述,Autonomik的主要服务对象是中小企业。所以,系统的成本要尽可能低廉,使用时所占用的土地和人力要尽可能少;它要能够比较容易地布署在一个新环境中,而不需要太多前提条件。
  
  如果传统的大型制造企业可以比作“集团军”,那么Autonomik理念下的生产系统则可以比作“特种部队”:人数不多,但灵活精干。局部爆发力超强,招招见血。
  
  D、多领域知识融合
  
  对于有自主性的人机交互系统,其设计过程会涉及到很多领域的知识,包括:机械、电子、人工智能、心理学、甚至法律知识(关于IT安全等话题)。所以,未来的制造系统设计必然是一个跨学科的综合项目,需要设计师/项目经理具有系统工程的思想,去协调设计整体框架。这个过程中的跨学科交流讨论也是德国联邦政府部门所希望促成的。
  
  E、以人为本
  
  这个理念在德国工业哲学中是不可动摇的。无论硬件和软件进化到何种程度,人类既不会被淘汰,也不会成为机器的附属。充满智能的机器将会帮助人类,和人类协同工作、和谐并存。智能工厂的各个要素到底长什么样? - 智能制造顾问组织 - 智能制造解决方案顾问组织
 
  
  后记
  
  入选这样一个词,似乎并不太符合一般“术语”的解读。然而,Autonomik项目的确是德国工业4.0项目的一颗夜明珠,中国工业界一窝蜂打着火把的欢快路上,似乎并尚未感受到它坚定而温和的光泽。
  
  我们相信,它灿烂的光芒很快会让人惊讶的。《工四100术语》编写组入选该词的目的,就是想提醒工业4.0和智能制造都需要扎扎实实、在全面思考的前提下推动落地。
  
  德国对于4.0在本土的实施有若干极其清晰的理念,如“服务中小企业”、“以人为本”、“全面考虑各方面影响”(比如法律影响、青少年教育)等。这些理念在德国各个层级、各种机构都反复强调,并且付诸实施。
  
  相比而言,中国制造2025需要俯下身来,用更细微的笔触,描画工业的根节。

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