1、现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产复复杂杂程程度度工业革命工业革命1.018世纪末1784工业革命工业革命2.020世纪初电力广泛应用蒸汽机工业革命工业革命3.0电子、IT、工业机器人工业革命工业革命4.0信息物联系统nIndustry 4.0 德国高科技战略计划首位德国高科技战略计划首位现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产智能化环境智能化环境嵌入式计算机嵌入式计算机智能工厂智能工厂智能手机智能手机智能卡智能卡90%的计算机的计算机都是嵌
2、入式都是嵌入式多个计算机：多个计算机：1个用户个用户1个计算机：个计算机：1个用户个用户PC中央计算机中央计算机1个计算机：个计算机：多个用户多个用户基于物联网与服务的智能基于物联网与服务的智能环境发展过程环境发展过程现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产高精度高品质多品种小高精度高品质多品种小批量的批量的智能产品智能产品绿色生产绿色生产：清洁、资源：清洁、资源利用率高的可持续发展利用率高的可持续发展智能工厂位于城市智能工厂位于城市的的城市生产城市生产现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重
3、点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产nIndustry 4.0 德国高科技战略计划首位德国高科技战略计划首位“工业4.0” 研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略。德国联邦政府投入达2亿欧元。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产nIndustry 4.0德国高科技战略计划德国高科技战略计划n两大主题：两大主题：智慧工厂、智能生产智慧工厂、智能生产n智慧工厂智慧工厂p重点研究智能化生产系统及过程，以
4、及网络化分布式生产设施的实现n智能生产智能生产p主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动、3D打印以及增材制造等技术在工业生产过程中的应用等现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产nIndustry 4.0德国高科技战略计划德国高科技战略计划n两大主题：两大主题：智慧工厂、智能生产智慧工厂、智能生产n三个设想：三个设想：产品、设施、管理产品、设施、管理n产品：产品：集成有动态数字存储器、感知和通信能力，集成有动态数字存储器、感知和通信能力，承载着在其整个承载着在其整个供应链供应链和和生命周期生命周期中所需的各种必中所需的
5、各种必需信息需信息n设施：设施：由整个生产由整个生产价值链价值链所集成，可实现自组织所集成，可实现自组织n管理：管理：能够根据当前的状况灵活决定生产过程能够根据当前的状况灵活决定生产过程现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智慧工厂的架构智慧工厂的架构 基于物联网和服务互联网基于物联网和服务互联网物联网物联网服务互联网服务互联网智能物料智能物料APP平台平台智能产品智能产品APP平台平台信息物理生产系统信息物理生产系统智慧工厂智慧工厂APP平台平台基于语义的基于语义的PLM、ERP、QMS、ERP现代设计与集成制造技
6、术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智慧工厂的流程智慧工厂的流程 基于云安全网络基于云安全网络智能物料智能物料智能产品智能产品智慧工厂智慧工厂2N2N智慧工厂智慧工厂1 1智能智能机床机床1智能智能机床机床2面向机床的面向机床的APPAPP平台平台信息物理生产系统信息物理生产系统机床间通信机床间通信现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智慧工厂的布局智慧工厂的布局 面向服务的工厂系统布局面向服务的工厂系统布局服务库硬件无关硬件无关抽象服务抽象服务硬件相关硬件
7、相关设备控制设备控制现场层现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智慧工厂的车间智慧工厂的车间 基于无线、基于无线、RFID、传感器和服务的架构、传感器和服务的架构现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0下的产品特点下的产品特点集成了信息存储、传感、无线通信功能集成了信息存储、传感、无线通信功能n产品是信息载体产品是信息载体n产品在整个完整的供应链和生命周期中都一直产品在整个完整的供应链和生命周期中都一直带有自身信息带有自身信息p
8、产品是一个产品是一个agentp产品会影响其所在环境产品会影响其所在环境p产品具有自监测功能产品具有自监测功能p产品会对其自身状态和环境进行监测产品会对其自身状态和环境进行监测我生产于2010年4月30日，5月3日出厂请握中间已经打开2分钟了，请盖上现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0下的数据挖据与知识发现下的数据挖据与知识发现大数据大数据n制造业存储了超过其他工业部门的数据制造业存储了超过其他工业部门的数据n从从2010年以来新产品数据达到接近年以来新产品数据达到接近2艾字节（艾字节（216）n仪器
9、仪表产品仪器仪表产品n供应链管理系统供应链管理系统n产品全生命周期系统产品全生命周期系统现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0下的多模式交互下的多模式交互多模式交互多模式交互语音语音图形图形/ /视觉视觉手势手势眼球跟踪眼球跟踪面部表情面部表情身体语言身体语言肢体动作肢体动作现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n以人为中心的基于信息物理系统的智能工厂辅助系统以人为中心的基于信息物理系统的智能工厂辅助系统基于上下文的自适应基于上
10、下文的自适应故障诊断辅助工具故障诊断辅助工具基于肢体动作的物理基于肢体动作的物理辅助辅助移动式个性化自适应移动式个性化自适应的辅助导航系统的辅助导航系统多模式的人机交互多模式的人机交互基于位置的维护和规基于位置的维护和规划辅助工具划辅助工具基于虚拟现实基于虚拟现实/ /增强增强现实的复杂工作流程现实的复杂工作流程辅助管理工具辅助管理工具现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n面向智慧工厂的面向智慧工厂的APP商店商店n下载量身定制的用户界面下载量身定制的用户界面现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技
11、术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n面向智慧工厂的室内精确定位面向智慧工厂的室内精确定位现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智慧工厂中的增强现实技术智慧工厂中的增强现实技术工业环境工业环境佩戴谷歌眼镜的工人佩戴谷歌眼镜的工人工具工具现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智慧工厂中的机器人技术智慧工厂中的机器人技术今天今天明天明天机器人不再被固定在机器人不再被固定在安全工作地点而是与人一起协同工作安全工作地点而是与人一
12、起协同工作新一代轻量化，灵活的机器人与人类在智能工厂一起协同工作新一代轻量化，灵活的机器人与人类在智能工厂一起协同工作现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智慧工厂中的智能装配智慧工厂中的智能装配DFKI研发的抽象产品记忆系统用于自适应抓取和智能产品装配研发的抽象产品记忆系统用于自适应抓取和智能产品装配在头部安装立体在头部安装立体相机，在手臂靠相机，在手臂靠近物体的地方安近物体的地方安装装3D3D摄像头摄像头机器人利用左手内部天线从产品内存中读机器人利用左手内部天线从产品内存中读取尺寸、重量和加持点，同时机器人能够取
13、尺寸、重量和加持点，同时机器人能够从信息物理系统中获得产品装配说明书从信息物理系统中获得产品装配说明书现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0自动化自动化-信息物理系统（信息物理系统（CPS）n信息物理系统（信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）强调物）强调物理过程与信息间的反馈。理过程与信息间的反馈。n2008年美国加利福利亚大学的年美国加利福利亚大学的Lee.E在其技术报告信息在其技术报告信息物理系统：设计挑战中指出：信息物理系统是计算和物理系统：设计挑战中指出：信息物理系
14、统是计算和物理过程的整合集成。嵌入式计算机和网络对物理过程物理过程的整合集成。嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制进行监测和控制。n从自动化技术的观点看，从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计算和通信的内核，以及物理环境中的嵌入在物体中的计算和通信的内核，以及物理环境中的结构所监测和控制。（结构所监测和控制。（Karl Henrik Johansson，2011）n以信息物理生产系统以信息物理生产系统CPPS为模型构建智慧工厂，或者数为模型构建智慧工厂，或者数字化工厂字化工厂现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育
15、部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0自动化自动化-信息物理系统（信息物理系统（CPS）算法算法文档文档三维模型三维模型工艺数据工艺数据CPS：系统中的物理对象和相应的虚拟对：系统中的物理对象和相应的虚拟对象通过泛在信息网络进行通信象通过泛在信息网络进行通信Cyber：算法和服务，服务的动态集成：算法和服务，服务的动态集成 和服务提供商，并跨越边界进行信息交流和服务提供商，并跨越边界进行信息交流Cyber：包括：包括3D模型，仿真模型，文档，模型，仿真模型，文档，关系，工作条件等数据能够通过可变信息关系，工作条件等数据能够通过可变信息网络在任何地方和任何时间进行搜集
16、网络在任何地方和任何时间进行搜集Physcial：在生产系统中的人和自动化模块：在生产系统中的人和自动化模块具有智能化、自我解释、自我意识、自我具有智能化、自我解释、自我意识、自我诊断、交互评估能力诊断、交互评估能力CPS系统触发了工业自动化模式转变系统触发了工业自动化模式转变服务服务云云物理物理对象对象现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0自动化自动化-信息物理系统（信息物理系统（CPS）文化工业工业CPS应用应用智慧工厂智慧工厂CPPS能源能源CPS应用应用智能电网智能电网移动通信移动通信CPS应用
17、应用智能手机智能手机健康健康CPS应用应用智能健康智能健康经济安全、工程、教育、参考框架、模型安全、工程、教育、参考框架、模型物联网物联网现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0自动化自动化-信息物理系统（信息物理系统（CPS）通过价值链实现横向集成通过价值链实现横向集成跨整跨整个价个价值链值链的工的工程程现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0自动化自动化-信息物理系统（信息物理系统（CPS）垂直集成与网络化制造垂
18、直集成与网络化制造 在明天的智慧工厂，生产结构不会是固定的，预定义的。相在明天的智慧工厂，生产结构不会是固定的，预定义的。相反，一组反，一组IT配置的配置的 规则将被定义，可以根据具体情况规则将被定义，可以根据具体情况 进行工进行工厂结构的拓扑结构配置组合，其中包括针对模型，数据，通信厂结构的拓扑结构配置组合，其中包括针对模型，数据，通信和计算和计算 算法的所有相关要求。算法的所有相关要求。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n工业工业4.0的标准规范的标准规范工业工业4.0智慧工厂智慧工厂标准标准EMMA:多模式工
19、业辅多模式工业辅助系统助系统OMM: 语义产品内存语义产品内存USDL: 信息物理产品系信息物理产品系统中的语义服务统中的语义服务现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智能产品案例智能产品案例-智能化汽车智能化汽车动力管理动力管理APP驾驶员辅助驾驶员辅助APP智能用户界面智能用户界面APP绿色驾驶绿色驾驶APP现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n智能产品案例智能产品案例-波音波音n波音公司已经在一些领域（军用民用）应用信息物理系波音公司
20、已经在一些领域（军用民用）应用信息物理系统，从中获益匪浅。统，从中获益匪浅。nCPS 对于波音公司航空航天领域至关重要对于波音公司航空航天领域至关重要现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产n德国一些企业已经开始实施德国一些企业已经开始实施industry 4.0TRUMPF公司SAP公司WITTENSTEIN公司FESTO公司BOSCH公司现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产总结总结n多品种小批量智能产品的高精度卓越品质生产是未来像德国一多品
21、种小批量智能产品的高精度卓越品质生产是未来像德国一样成功经济的发展趋势样成功经济的发展趋势n80%制造创新基于信息通信技术，通过信息通信技术实现了智制造创新基于信息通信技术，通过信息通信技术实现了智慧工厂、绿色和城市生产慧工厂、绿色和城市生产n第四次工业革命将基于信息物理系统、物联网和互联服务，它第四次工业革命将基于信息物理系统、物联网和互联服务，它将产生大量的大数据流，这些大数据能够被搜集和分析用于指将产生大量的大数据流，这些大数据能够被搜集和分析用于指导高效高品质生产；导高效高品质生产；n基于信息物理系统的工业辅助系统能够支持、帮助和培训智慧基于信息物理系统的工业辅助系统能够支持、帮助和培训智慧工厂的下一代工人；工厂的下一代工人；n多通道增强现实系统能够允许个性化的工作流程和快速学习新多通道增强现实系统能够允许个性化的工作流程和快速学习新产品工艺。产品工艺。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4.1 工业4.0从智慧工厂到智能生产
