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德國為了實現(xiàn)新一代制造業(yè)，提出了高科技戰(zhàn)略“Industry 4.0”(工業(yè)4.0)。作為其主要成員，博世公司(Bosch)正在加快推進(jìn)基于工業(yè)4.0的生產(chǎn)革新，在包括集團(tuán)旗下公司在內(nèi)的多個工廠進(jìn)行實際驗證。

那么，基于工業(yè)4.0的生產(chǎn)革新究竟是什么?博世想要借此達(dá)到什么目的?筆者就先從這兩個問題開始為大家解說一二。

利用“虛擬”分毫不差地重現(xiàn)“現(xiàn)實”

“與過去的根本差別，是要將‘現(xiàn)實世界’與‘虛擬世界’融合到一起”，在博世公司統(tǒng)管工業(yè)4.0相關(guān)項目的Joachim Frangen(Corporate Sector Researchand Advance Engineering, Chief Expert)這樣介紹該公司正在推進(jìn)的舉措(圖1)。

工業(yè)4.0描繪出了使控制工廠生產(chǎn)線的FA系統(tǒng)與管理各類經(jīng)營信息的IT系統(tǒng)相互聯(lián)動，從而實現(xiàn)高度自動化的“智能工廠”的藍(lán)圖。現(xiàn)在，F(xiàn)A系統(tǒng)與IT系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了互聯(lián)，但范圍非常有限。工業(yè)4.0瞄準(zhǔn)的目標(biāo)是更高層次的聯(lián)動，也就是現(xiàn)實與虛擬的融合。

這里所說的“現(xiàn)實世界”，是指組成實際生產(chǎn)線的機(jī)械、治具等，以及線上的工件、工作的工人、周邊環(huán)境等實際存在的所有事物。工業(yè)4.0要在IT系統(tǒng)這個“虛擬世界”里，分毫不差地重現(xiàn)“現(xiàn)實世界”，使二者實時聯(lián)動。

通過使現(xiàn)實與虛擬融合，現(xiàn)實世界的變化馬上會反映到虛擬世界，在虛擬世界對各項變更進(jìn)行驗證后，也可以馬上在現(xiàn)實世界實施。這就是工業(yè)4.0中“Cyber Physical System(CPS)”的概念。在這個概念下，實時分析并運(yùn)用生產(chǎn)線的大數(shù)據(jù)、生產(chǎn)線上的設(shè)備可與人和其他機(jī)械“對話”并自動工作、以等同于批量產(chǎn)品的效率和成本來生產(chǎn)客戶定制品的“大規(guī)模定制”等都有望成為現(xiàn)實，向工業(yè)4.0描繪的智能工廠的形態(tài)靠攏。

為此，博世正在大力發(fā)展“數(shù)字化”。把現(xiàn)實世界存在的所有事物(信息)，轉(zhuǎn)換成虛擬世界的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。希望通過最大限度利用這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從根本上改變制造形態(tài)的生產(chǎn)革新。

博世公司的Joachim Frangen稱，在推進(jìn)數(shù)字化的進(jìn)程中，該公司將會逐漸表現(xiàn)出“既是先進(jìn)的操作員(用戶)，也是供應(yīng)商”的特點。從備貨型生產(chǎn)的汽車部件，到訂貨型生產(chǎn)的工業(yè)設(shè)備，博世集團(tuán)各公司的工廠生產(chǎn)著種類繁多的產(chǎn)品。這是工廠作為智能工廠的“操作員(用戶)”的一面。而另一方面，該公司也在開發(fā)MEMS傳感器、數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)等數(shù)字化所必需的部件和軟件。也就是說，該公司不僅是工廠的操作員，還充當(dāng)著“供應(yīng)商”的角色。因此，“在實現(xiàn)智能工廠上很有優(yōu)勢”(Frangen)。

因人而異改變

在博世推進(jìn)的基于工業(yè)4.0的生產(chǎn)革新中，最尖端的當(dāng)屬博世力士樂公司(Bosch Rexroth)的舉措。在臨近法國的德國薩爾州洪堡，博世力士樂的工廠(以下簡稱洪堡工廠)正在試驗性運(yùn)用大量融入數(shù)字化思路的先進(jìn)組裝線。

博世力士樂生產(chǎn)工業(yè)設(shè)備使用的液壓裝置和電動裝置(圖2)。絕大多數(shù)產(chǎn)品為訂貨型生產(chǎn)，必然要采取多品種少量生產(chǎn)的方式。一年生產(chǎn)的產(chǎn)品多達(dá)4500種。該公司的目標(biāo)是以高效率實現(xiàn)“單件流生產(chǎn)”。因而成為了基于工業(yè)4.0的生產(chǎn)革新的對象。

圖2：在洪堡工廠制造的液壓裝置因為是訂貨型生產(chǎn)品，所以種類繁多。

洪堡工廠的組裝線乍看上去很普通，就是許多個工作臺(工作站)連成“凹”字形(圖3)。這是組裝線常用的排列方式，在日本的工廠里也很常見。但仔細(xì)觀察，便可從中看出數(shù)字化的端倪。

圖3：數(shù)字化組裝線 乍一看只是普通的凹字形生產(chǎn)線，但采取了很多數(shù)字化措施。

例如，工作站配備的讀卡器讀取工件的IC標(biāo)簽(RFID)后，顯示器上會圖文并茂地顯示操作步驟。也就是說，工件信息事先已經(jīng)全部數(shù)字化，可以按照工件的種類顯示相應(yīng)的操作步驟。

而且，所有操作員全都隨身攜帶藍(lán)牙終端，該終端始終與工作站的計算機(jī)保持通信。這樣，計算機(jī)可以“認(rèn)出”現(xiàn)在的操作員是誰，會根據(jù)操作員的熟練度和使用的語言，自動改變屏幕上顯示的內(nèi)容。雖然步驟沒變，但現(xiàn)實的具體內(nèi)容因人而異，向生手顯示結(jié)合圖片和視頻的詳細(xì)說明，向老手顯示純文字的簡要說明。這樣一來，即便是剛剛?cè)肼殹⒓夹g(shù)還不熟練的操作員，在工件種類繁多的組裝線上也能順利完成工作。Moller說：“以人為本是工業(yè)4.0的真諦，這與傳統(tǒng)的自動化不同。”

先不說讀取工件的IC標(biāo)簽并在屏幕上顯示操作內(nèi)容這一點，因人而異地改變顯示內(nèi)容的組裝線應(yīng)該并不多。這不是因為技術(shù)困難，而是因為目前還沒有這樣做的必要。但是，實現(xiàn)自動運(yùn)轉(zhuǎn)的智能工廠的前提，是設(shè)備、工件乃至人員都要實現(xiàn)數(shù)字化。洪堡工廠的組裝線大力推行數(shù)字化，正是出于這樣的想法。

工作站也立足于智能工廠的需要。具體來說，形狀、各種接口都實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，可以按照工件和產(chǎn)量的變化，靈活地調(diào)整布局和順序。

而且，各個工作站的計算機(jī)，不是由上級主機(jī)集中控制，而是采用相鄰計算機(jī)通過“對話”自動進(jìn)行控制的分布式控制方式。可以根據(jù)相鄰工作站出現(xiàn)的變化自動采取對策。由此可見，博世瞄準(zhǔn)的目標(biāo)，不是短期性地提高生產(chǎn)效率，而是著眼于未來，面向工業(yè)4.0實現(xiàn)生產(chǎn)革新。

活用大數(shù)據(jù)

與洪堡工廠一樣，位于巴登-符騰堡州羅伊特林根的MEMS傳感器工廠(以下簡稱羅伊特林根工廠)也在推行基于工業(yè)4.0的生產(chǎn)革新的過程中拿出了引人注目的舉措(圖4)。這里的主要舉措是利用從生產(chǎn)線得到的大數(shù)據(jù)，方式有“反饋”和“前饋”兩種。

圖4：羅伊特林根工廠的MEMS傳感器生產(chǎn)線 積極運(yùn)用大數(shù)據(jù)。

反饋的例子是以工序為單位，測量并收集與工件(作為MEMS傳感器基礎(chǔ)的硅晶圓等)的狀態(tài)和加工結(jié)果相關(guān)的數(shù)據(jù)，將分析結(jié)果用于改善工序和維護(hù)。比如說，通過始終分析上述數(shù)據(jù)，可以確定合適的維護(hù)時間，容易長期性地提高生產(chǎn)效率和成品率。

前饋的例子是根據(jù)實時的工件狀態(tài)和加工結(jié)果，調(diào)整下一道工程的加工參數(shù)。事先設(shè)定調(diào)整范圍的閾值，以保證該范圍內(nèi)的品質(zhì)為前提，設(shè)計產(chǎn)品和工序。

過去，要想在實際生產(chǎn)線中反映大數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，基本都需要技術(shù)人員介入。今后，為了取消技術(shù)人員的環(huán)節(jié)，該廠將會設(shè)法擴(kuò)大大數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍并且提高數(shù)據(jù)的精度。