第一节 介绍
为了反应日益复杂的外部市场和内部生产环境，制造商必须要快速发展。制造商的新种类正在兴起以迎接这些挑战并且迈向”工业 4.0”，它促进了智能工厂的愿景。借助无缝地连接制造厂的实体世界和虚拟的 it 系统，同时，去激励有意义的决定并不断带动营运和战略的弹性。
第二节 工业 4.0
工业4.0一词首次被使用在2011年的汉诺威工业博览会于第四次工业革命，一个新阶段在整个价值链的组织和管理中遍及整个产品生命周期。从一个世纪到一个世纪，有显著的发展。图 10.1 描述在工业里新技术的改进。
图 10.1 智能工厂的未来是基于第四次工业革命工业 4.0，并且集中在虚实整合系统的使用
一、第一次工业革命：18 世纪，利用水和蒸汽动力的工业应用
二、第二次工业革命：19 世纪，利用电力在产品的大规模生产
三、第三次工业革命：20 世纪，利用计算器生产过程的自动化
四、第四次工业革命：生产的持续数字化(虚实整合系统、物联网)去实现最大的弹性和最佳的资源使用与效率
工业 4.0 的架构(图 10.2)借助所有涉及价值链的组件的网络所提供，使得相关信息可以实时获得，并且使用这些数据导出最佳值随时加入串流。连接人、对象和系统产生动态的、自我管理的和跨公司的增值网络，它可以实时的被更新且在不同标准下优化，包括成本、可用性和资源消耗的基础。这个概念激发了智能工厂的建设。
图 10.2 所有事物在工业 4.0 中连接
第三节 智能工厂
德国联邦教育部与研究院定义工业 4.0 为“存在于借助虚实整合制造系统(cpps)价值创造的网络的弹性”，如图 10.3 所示。这使得机器和工厂能够去调整它们的行为，以透过自我优化和重新配置去改变订单和工作条件。智能工厂可以被描述为生产环境，其中涉及生产过程的所有组件(例如，工件、物流链、工程)彼此通讯，以确保资源有效的利用加倍灵活性。
图 10.3 智能工厂中的虚实整合制造系统(cpps)连接有形和虚拟的世界
主要的重点在于系统去感知信息的能力，从中得到结论并相应地去改变它们的行为，以及储存从经验中获得的知识。智能生产系统与过程以及合适的工程方式与工具，将会是成功实现在未来智能工厂分布和相互连接生产设施的关键因素。
图 10.4 显示智能工厂提供顾客连接到互联网的智能产品和服务。接着，智能工厂将会从智能产品和相关的智能应用程序收集和分析数据，使工厂能够更恰当地去定义顾客行为和需要，并且提供顾客新的且能持续发展的产品和服务。此外，物联网技术使得顾客能够去参与产品设计过程。
图10.4智能工厂和消费者在工业4.0中的互动
一、在智能工厂的虚实整合系统和物联网
智能工厂是网络信息化技术在整个生产和供应链企业的普遍应用。该定义技术的主题是时间、同步、综合性能指针和虚实整合劳动力的需求。虚实整合系统是一群组件的组成，如机器、工具和工件以目标性的方式相互沟通。当为了工业环境中的不同机器系统设计一个 cps，很难一步到位去达到最高水平，因为它包含不同层次的技术实施。cps 可以从基本的连接和数据到信息级别来实现，然后透过更高层级的增加先进的分析且弹性的功能，增加其对用户的价值。在cps 中有五个等级在图 10.5 中描述。
图 10.5 虚实整合系统价值论点
（一） 智慧连接层：如何以有效率且可靠的方式从机器或组件中获得数据，包括本地代理(用于数据纪录、缓冲和精简)，并利用通讯协议来传送本地机器系统数据到远程中心服务器。
（二） 数据到信息的转换层：在工业环境中来自不同资源的数据，包括控制器、传感器、制造系统(erp、mes、scm 和 crm 系统)以及维修纪录等(其代表监测机器系统的状态)，需要被转换成对于现实世界应用有意义的信息。
（三） 网络层：从监测系统中提出的信息可以代表系统在该时间点的状态。如果它能被与其他相似的机器或与不同时间历程的机器相比，用户可以获得对系统变化和机器寿命预测更深入的了解。
（四） 认知层：机器利用在线监测系统来判断其潜在的失误。提前了解其潜在的下降，并预估达到一定程度故障的时间。
（五） 结构层：机器状态的信息将会被发送到操作层级，使工厂管理者可以基于维修的信息做正确的决定。在同一时间，为了减少机器故障的损失并且最终达成一个弹性的系统，机器本身可以调整它的工作负荷或生产排程。
图 10.6 两个汇聚发展线作为创新的驱动因素
物联网是互联网应用的扩展，使得人们、机器和组件，包括工件和对象能够利用新技术的可能性。所有实体的智能对象，例如工件、机器、操作上的资源、仓库与运输系统和生产控制中心，经由互联网或是其他网络来通讯。它们将会在同个基础上通讯。这使得信息交换(识别、寻址、数据格式、传送)标准化且一致化。从 it 领域已有的技术(硬件及软件)，可以因此被使用在如生产制程和物流链的新领域。基于如大数据、云端运算和智能设备的全球数据网络，使得数据和服务互联网成为一个可能性，如图 10.6 所示。
二、智能工厂的概念和参考架构
在图 10.7，有 15 个概念用于识别未来的智能工厂所描绘的，并非全部都直接与物联网(iot)相关，但它们都带来了使工厂更为聪明显著的变化。
图 10.7 未来智能工厂的要素
它包括智能供应网络、下一代制造系统、云端储存及处理、数据分析、网络安全、智能(传感器和执行器)、虚实整合系统、智能维修、移动工作人员、自驾车辆、智能产品、附加制造、机器人和先进材料。有几组技术(图 10.8)和几个观点将会成为以物联网为基础的智能工厂在工业4.0 里的参考架构，例如：
（一） 智慧机器：包括 m2m 通讯、机器与其他设备和人沟通。
（二） 智慧设备：包括在工厂内的连接设备，例如现场设备、移动设备、操作设备等。
（三） 智能制造过程：包括动态、高效率、自动化及实时过程通讯，透过物联网启用一个高度动态的制造环境的管理和控制。
（四） 智能工程：包括产品设计和开发、产品工程、生产及售后服务。这可能需要在规划过程中使用从制造流程里收集到的数据，并且将机器优化（机械、电子、等等）。
（五） 制造业的 it：首先包括软件应用被一或更多支持价值型网络的企业使用；第二，透过传感器、智慧电表和智慧移动式设备智慧监测和控制；第三，从物联网 到生产管理逻辑整合数据的智能生产管理。
（六） 智慧物流：包括智能物流工具和制程。自我组织的物流是一个聪明的内部物流例子，它在生产中反映意想不到的改变，例如瓶颈和物料短缺。
（七） 大数据和云端运算数据：包括算法和分析应用等。大数据分析将会带给提升未来工厂、制造流程极深的机会，并且使工厂能够提供新产品。
（八） 智慧供货商：包括与供货商建立持久的关系。借助增加实时信息分享；同样地，透过基于工厂需求选择最佳供货商来增加弹性。
（九） 智慧联网：包括智能工厂在能源供应领域的智慧基础建设。尤其，对能源价格方面的改变产生反应是必要的(即需求面管理)。
图 10.8 基于 iot 的智能工厂参考架构
三、智能工厂的过程
二十一世纪的新时代，智能工厂将会借助开始将其转化为利润中心来优化工厂和供应网络。智能工厂将信息、技术和人类智能结合，对于企业各方面在智能制造开发和应用上实现快速变革。这将会从根本上改变产品如何创造、生产、运输和销售。智能工厂预计发生于三个阶段(图 10.9)。
图 10.9 智能制造的三阶段
（一） 工厂和企业范围的整合
智能工厂(制造)将互相连接并协调生产过程的各个阶段，通过使用几乎所有的传感器和电机/驱动器、计算机控制和生产管理软件，越来越多不同的讯息技术与处理器芯片促进全工厂的效率。每一个管理制造业程序的一个特定的阶段或操作。这种“智能制造”的出现将迎接智能化制造的第二个阶段。
（二） 从工厂范围的优化到智能制造
智能制造将会借助成品配送的原物料供应和客户需求连接工厂特定的信息到数据。在低需求期它将会促进智能联网的使用来安排能源密集的活动，并在最高能源需求期间缓慢生产，使更多的产品能够订制化及新产品仿真和更高效率的制程。它将会支持更安全的产品生产且更准确的定义、更快速的产品追踪。
（三） 制造业知识将会扰乱市场
达到第三阶段”制造知识”的企业将会赢得长期优势，使制造商对于个别的需求去订制化产品，如特定剂量和配方的药品。顾客将 告诉 工厂顾客想要借助制造生产哪一类型的产品。
因此，许多物联网技术的应用被认为具有高潜在价值，包含以 物联网系统对工业的系统作翻新改进。实际上在工业中应用物联网的目标是借助减少现实世界和虚拟世界之间的差距，将现有程序优化。
四、智能工厂的特色
以下为这些特色如何提升智能工厂的永续性的信息。
（一） 大量订制化
生产过程满足生产订单的不同需求，其允许个体纳入设计之中，并能够在最后一分钟改变。大量订制化(mc)的概念可以被用来处理经济效益和范围之间的不均衡(仍然在低产量中获利创造利润)。
（二） 弹性
智能制造过程和自我配置将会考虑很多方面，例如时间、质量、价格和生态方面(例如，避开高峰时间等)。
（三） 工厂能见度和优化的决策制定
物联网提供终端到终端几乎是实时地的透明(如生产状况)，允许在生产领域扩大到工厂用地的优化，进而提高工厂效率。例如，借助实时提供决策者生产状况来减少浪费，以便他们能做出更有效率的决策。在他们继续生产不良品前机器将会关闭。
（四） 工厂新的规划方法
对于资源生产率和提高能源利用率的目的，让制造业的程序被在实时中的不同的水平和以个案方式优化是必需的。
（五） 从大数据收集创造价值
新的进步和价值可以借助透过物联网设备收集的数据(即大数据)大量的分析来提供。例如，在机器提供者方面，大数据可以被使用来理解在不同时期机器的行为。因此，那些提供者能提供最好的维护服务，并且改善机器效率及建立和他们的顾客的强烈关系。
（六） 创造新的服务
物联网(如智能设备和移动应用程序) 将会为顾客在购买前及购买后创造服务和价值开启一个新的方式。
（七） 远程监控
物联网技术将将允许由第三方(如供货商)监测，以一个新的服务操作和工厂维护。
（八） 自动化和改变人的角色
生产作业能以一个人类的最小干涉优化。这提高了效率、减少错误和能源与其他资源的浪费。
（九） 主动维修
监测产品系统和实时收集性能的数据，对提高主动的维修有正面的影响。例如使用传感器去监测温度，当它超出范围可以采取先发制人的移动避免故障。
（十） 连接的供应链
物联网将帮助制造业者得到供应链在实时中被递送的数据的进一步理解。
（十一） 能源管理(hvac 和生产)
能源效率的提高需要对生产线和设备水平能源消费行为的认识。智能仪表可以提供实时的数据并且根据自己的能力和与外部服务的合作来做决策。
第四节物联网 为工业企业带来价值
有 6 个物联网驱使的价值如图 10.10 中所描述，
一、 更快的上市时间
物联网使产业能够加快新产品上市和执行供应链调整，速度比以前还更快。
二、 卓越经营，提高生产率
物联网的连接提供操作资产的新阶级，经常嵌入”自我意识”的传感器和致动器，它能够与其他机器通讯无需与人工干预。
三、 人
在物联网中，人们将以无数的，更有意义的和有价值的方式连接到互联网。
图 10.10 物联网带来价值到工业企业
四、 制程
有了正确的物联网制程，连接将变成有意义的，并且因为对的信息在对的时间以恰当的方式被传的给对的人而增价价值。
五、 数据
借助物联网，设备通常收集数据并且串流它在互联网上传送给中心资源，用来分析和处理。当被连接到互联网的事物的能力继续推进，它们将借助整合数据变成更有用的数据而更加智能化。
六、 事物
物联网层包括了实体项目，像是传感器、设备和企业资产都连接到互联网并且相互连接。在物联网，事物将成为环境感知的感应到更多的数据,, 而且提供更多经验讯息来帮助人们和机器做出更有价值的相关决定。
第五节 案件研究：在纺织品生产中的虚实整合系统
在德国，许多纺织企业沿着生产链试着在工业 4.0 的水平上得到他们的制程炼，然而信息流透过各层级的企业需要被连接到纺织程序中的其他成员。这使得有弹性且快速的生产，借助数字技术和 cps 去处理批量的订单将会提升公司的生产率。在这种情况下，工厂将会重新配置自身去满足顾客的生产订单。
一、具有虚实整合系统的纺织机器
纺织机器具有开放的接口将会是非常有弹性的，它能够去基于一个全面的信息平台独立地调整状态。金�...