工業(yè)八大集成趨勢(shì)（上）| 2016漢諾威博覽會(huì)技術(shù)深度解讀
漢諾威工博會(huì)所形成新聞熱浪正在退去。但它所指引的工業(yè)方向，卻是值得坊間中人咂摸再三、回味難忘的思考。 工業(yè)集成，成為2016年漢諾威的主調(diào)。本屆漢諾威博覽會(huì)兩大官方主題皆為此而來，一個(gè)是“集成工業(yè)-發(fā)現(xiàn)之旅”（Integrated Industry – Discover solutions），一個(gè)是“集成能源-未來能源系統(tǒng)”（Integrated Energy-The Energy system of the future）。 在工業(yè)和能源領(lǐng)域，數(shù)字化進(jìn)程使得各種機(jī)構(gòu)和各種技術(shù)加速融合與集成。 集成什么？融合何在？在現(xiàn)場(chǎng)，筆者跟蹤了八大集成趨勢(shì)。 那一個(gè)頒獎(jiǎng)的夜晚，燈光屬于德國浩亭（HARTING）公司。其工業(yè)計(jì)算機(jī)MICA，斬獲了有“工業(yè)界奧斯卡獎(jiǎng)”之稱的Hermes獎(jiǎng)。 圖2 德國聯(lián)邦教育與科研部長Wanka親自頒獎(jiǎng) 這個(gè)不起眼的黑盒子，就是斬獲大獎(jiǎng)的“MICA”。它究竟有何特別之處？ （注：本文中的圖片，如未注明來源，則均為筆者本人制作或是筆者在博覽會(huì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝） 作為一臺(tái)小型工業(yè)計(jì)算機(jī)（Mini PC），它可以對(duì)于智能化工廠的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、處理和發(fā)送。配合上傳感器，它就讓原本冷冰冰的機(jī)器變得“智能”起來，讓生成的數(shù)據(jù)開始流動(dòng)。 讓MICA獲得評(píng)委一致青睞的是其良好的兼容性。 它是一款很容易讓人“上手”的模塊化產(chǎn)品，可以廣泛適用于各種企業(yè)的環(huán)境。成為“智能工廠的神經(jīng)系統(tǒng)”。 MICA計(jì)算機(jī)的“易上手”體現(xiàn)在三大方面：硬件兼容、軟件兼容、擴(kuò)展性強(qiáng)。 MICA具有軟硬通吃的好胃口：無論現(xiàn)在用的是什么硬件標(biāo)準(zhǔn)還是軟件標(biāo)準(zhǔn)，都可以應(yīng)用。應(yīng)用的范圍也可大可?。杭瓤梢杂迷谝慌_(tái)機(jī)器上，也可以用于成百上千臺(tái)機(jī)器。許多臺(tái)機(jī)器結(jié)成的網(wǎng)絡(luò)之間可以用現(xiàn)有的通訊標(biāo)準(zhǔn)相互通信，數(shù)據(jù)的處理既可以在本地完成，也可以方便地傳到云端。 自從去年9月推出以來，MICA已經(jīng)有了30多個(gè)成功的應(yīng)用案例，例如用在這輛帥氣的跑車“RINSPEED”（圖5）中。 RINSPEED跑車內(nèi)部安裝了多個(gè)傳感器，用來探測(cè)油耗情況和溫室氣體排放情況；這些傳感器獲得的數(shù)據(jù)由MICA計(jì)算機(jī)來收集、處理，并且統(tǒng)一上傳到云端的第三方監(jiān)測(cè)平臺(tái)。通過在成千上萬輛車上安裝MICA，就可以實(shí)現(xiàn)智能的汽車排放檢測(cè)，并且從大數(shù)據(jù)中還可以分析出更多有用的信息。 能夠在問世不久之后就獲此成功應(yīng)用，而且又和環(huán)保的主題相融合，難怪MICA能夠獲得專業(yè)評(píng)委和政要們的青睞了。 MICA為代表的產(chǎn)品，代表了一種集成趨勢(shì)：全面兼容，用戶易于上手。 看上去工業(yè)4.0的升級(jí)可以是一種有機(jī)的自然生長，不必非得“傷筋動(dòng)骨”。這種“親民產(chǎn)品”的出現(xiàn)，更多地是為中小企業(yè)量身定做，便于其用較低的成本來實(shí)現(xiàn)智能化“從0到1”的突破。這在德國也是一種“政治正確”：德國產(chǎn)業(yè)規(guī)劃從來都把中小企業(yè)擺在重要位置，因?yàn)樗鼈儽却蠊靖枰饨鐜椭?/section> 在工業(yè)4.0時(shí)代，德國產(chǎn)業(yè)界有許多有趣的比喻。 上文介紹的工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品被稱為智能工廠的“神經(jīng)系統(tǒng)”，而能量鏈產(chǎn)品則被稱為新一代智能設(shè)備的“臍帶”。 能量鏈（德語：Energieführungskette）是一種機(jī)械元件，通常包含電纜，用來傳輸電流。最大特點(diǎn)是：這條輸送能量的“鏈”是在不斷運(yùn)動(dòng)著的。 這種典型應(yīng)用例子包括機(jī)床、機(jī)器臂、全自動(dòng)倉庫等）。如果沒有合適的材料和機(jī)械裝置對(duì)內(nèi)在的電纜進(jìn)行保護(hù)，并提供一定的柔性和扭動(dòng)能力，則電纜會(huì)很容易損壞。 如何在確保材料導(dǎo)電能力、并且保證能量鏈不易損壞（給設(shè)備“輸血”的臍帶不斷裂）的情況下，還能夠降低整體成本? 圖6 常見的塑料能量鏈（左）和
金屬能量鏈（右）
（圖6源自德語維基百科詞條”Energieführungskette”） 在本次展會(huì)上，Igus公司推出的“智能能量鏈”（e-chains）產(chǎn)品給出了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案，并且獲得漢諾威“展會(huì)快報(bào)”的專題報(bào)導(dǎo)。 圖7 展會(huì)上的智能產(chǎn)品“e-chains” e-chains是Igus公司用塑料材料制造的能量鏈產(chǎn)品。和普通的能量鏈不同的是： 它將高性能的聚合物材料與傳感器集成在一起，使得每條鏈都可以發(fā)出信號(hào)，及時(shí)“報(bào)告”其損壞情況。 這些信號(hào)在本地匯總之后，通過Igus獨(dú)有的通訊模塊可以傳遞到云端，從而使得遠(yuǎn)程的客戶/工程師也可以接收和分析其數(shù)據(jù)（圖8）。 圖8 能量鏈渾身都在蒸發(fā)出數(shù)據(jù) 這款復(fù)合型智能產(chǎn)品的除了主動(dòng)性維護(hù)，降低了維修頻率，降低能耗，最為重要的是 它構(gòu)成了數(shù)據(jù)的真正回流：它在運(yùn)動(dòng)中的大量數(shù)據(jù)可以反饋給研發(fā)人員，幫助其進(jìn)一步改善材料、傳感器和通訊模塊的研發(fā)。 e-chains產(chǎn)品用實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)指導(dǎo)研發(fā)活動(dòng)，從而使得產(chǎn)品從研發(fā)到使用形成了一個(gè)“閉環(huán)系統(tǒng)”。在數(shù)字化時(shí)代，傳統(tǒng)的硬件廠商紛紛搖身一變，變成了硬件、軟件、能源、服務(wù)等要素的集成提供者；而在這整個(gè)集成閉環(huán)活動(dòng)中包含的大量有價(jià)值數(shù)據(jù)，也反過來不斷促進(jìn)公司自身競爭力。與此同時(shí)，材料也成為焦點(diǎn)。事實(shí)上, Igus公司在先進(jìn)塑料材料產(chǎn)品方面的營收迎來了爆發(fā)式增長，在2015年增長近20%，并且未來預(yù)期還有很大增長空間。 新材料、信息、能源日益呈現(xiàn)
集成趨勢(shì)
事實(shí)上，各種新型材料已經(jīng)事實(shí)上成為了物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)入口。目前歐美還有很多新穎產(chǎn)品也具備類似特性，例如：美國麻省理工學(xué)院（MIT）的AFFOA聯(lián)盟正在研究革命性的新型纖維（集能量、信息和材料于一體的功能材料），用于發(fā)展可穿戴電子服裝。將來，我們穿戴的衣服和飾物也可能成為物聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)接口。 趨勢(shì)三：增材制造與軟件技術(shù)
的整合
更快，更強(qiáng)，將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，正在成為挑戰(zhàn)極限的核心競爭力。 增材制造（'Additive Manufacturing”）在本次展會(huì)上也是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一，許多知名的公司紛紛推出其解決方案，而西門子給出了一個(gè)相互集成的典范。 值得注意的是，“3D打印”這個(gè)說法用得并不頻繁了，往往由“增材制造”取而代之。 在本次展會(huì)上，西門子在列出齊全的產(chǎn)品系列同時(shí)，還專門增設(shè)了四個(gè)“Highlight Cubes”展區(qū)，重點(diǎn)展示幾個(gè)特定領(lǐng)域的成就。其中有一個(gè)展區(qū)就是關(guān)于增材制造的。在這里，西門子共展示了三種增材制造技術(shù)（表1中信息均來源于其漢諾威博覽會(huì)展臺(tái)）： 下面是現(xiàn)場(chǎng)拍攝的產(chǎn)品實(shí)例： 圖9 三種增材制造技術(shù)的產(chǎn)品實(shí)例 現(xiàn)代高端制造業(yè)對(duì)于產(chǎn)品的要求日漸復(fù)雜，用傳統(tǒng)技術(shù)可能無法制造，或是要構(gòu)建冗長的供應(yīng)鏈才能合作造出來。而利用增材制造技術(shù)，可以打造出之前無法構(gòu)建的幾何形狀，或是大大降低分工協(xié)作的復(fù)雜性。 這種變化，絕不會(huì)是任何一家有抱負(fù)的軟件廠商所能忽視的。增材制造已經(jīng)不是一種單純的制造技術(shù)，而是集制造與軟件于一身的先進(jìn)流程。 在西門子三種增材制造方式的背后，都有著強(qiáng)大的軟件技術(shù)支持，如圖10所示： 在此圖中，實(shí)際上又有三大交互過程：一是應(yīng)用先進(jìn)的軟件技術(shù)，本身就能大大縮短增材制造產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。通過3D數(shù)據(jù)建模、系統(tǒng)仿真等技術(shù)，可以在實(shí)際制造開始之前就對(duì)產(chǎn)品的性能有很多了解，從而減少出錯(cuò)的概率； 二是對(duì)于那些仿真還不能完全模擬的要素，通過增材制造過程則可以快速地制造出高品質(zhì)產(chǎn)品原型，從而在短時(shí)間內(nèi)了解該產(chǎn)品的特性； 三是圖中所涉及到的這些軟件技術(shù)本身，如果能夠有機(jī)結(jié)合成一個(gè)整體，則大大提升智能制造和研發(fā)水平。 值得注意的是，西門子公司的這些軟件幾乎都由自己開發(fā)。近年來，它正逐步將自身打造成一個(gè)“軟件公司”，以數(shù)字化來驅(qū)動(dòng)制造進(jìn)程。 上述幾種增材制造技術(shù)已經(jīng)有了實(shí)際的應(yīng)用案例，用于能源、汽車等行業(yè)。在本次漢諾威博覽會(huì)上，一家叫”Local Motors”的公司將上述技術(shù)用于電動(dòng)車的增材制造，整個(gè)制造的原材料只有塑料和碳纖維兩種。 每一輛汽車都可以為顧客量身定做，從在系統(tǒng)里確定其數(shù)字方案到實(shí)際“打印”出來，只需要20小時(shí)。 整個(gè)制造方案預(yù)計(jì)在未來一年內(nèi)投入實(shí)用。 圖11 Local Motors電動(dòng)汽車的“粉末層融合”
制造場(chǎng)面
圖11中可以看到“粉末層融合”印刷過程。我們固然可以想象這種車在成本等方面的局限性，然而它畢竟是要實(shí)際投產(chǎn)了，并且，20小時(shí)！傳統(tǒng)制造商，如何能不感受到壓力？ 縮短研發(fā)周期、縮短”Time to market”，由于軟件與增材制造的集成，正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)思維的極限。全新機(jī)遇，正在展開。 以人為中心的”虛實(shí)結(jié)合”技術(shù)，開始大舉進(jìn)軍工業(yè)界。 本次開幕式上的一幕令人印象深刻：德國總理默克爾戴著虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，在“虛擬世界”中向奧巴馬伸出手，而奧巴馬則在“現(xiàn)實(shí)世界”中伸出手回應(yīng)。 漢諾威官方網(wǎng)站評(píng)論說：這一幕將無疑是本屆展會(huì)上最令人銘記的畫面，它象征著美德兩國在工業(yè)4.0道路上深度合作的誠意。 （圖12源自博覽會(huì)官方網(wǎng)站） 好吧。這個(gè)誠意也太具有作秀的成分了。但在事實(shí)上，VR/AR等技術(shù)已經(jīng)開始全面滲透工業(yè)界了。博世（Bosch）公司讓工人通過配戴虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡來感知生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況，以及通過視頻投影儀來為工人提供指導(dǎo)、提示下一步工序所需的工件。 在本次展會(huì)的研究展區(qū)(Research & Technology Area)中，著名的Fraunhofer研究所也展出增強(qiáng)融合技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用案例。此案例是對(duì)“工人”裝配汽車的過程進(jìn)行指導(dǎo)： 圖13 Fraunhofer研究所展示AR交互技術(shù) 場(chǎng)景看上去并不起眼，但是研究所有著清晰的應(yīng)用思路，通過AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)來指導(dǎo)人的工作。 其中，攝像機(jī)對(duì)于場(chǎng)景的監(jiān)控可以具體識(shí)別出人的身體動(dòng)作和臉部表情，而“給人下達(dá)建議”則可以通過來激光指示或佩帶眼鏡（具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果）來完成。這種技術(shù)在更為復(fù)雜的工作環(huán)境里可以發(fā)揮非常大的作用：首先，減少人的腦力負(fù)擔(dān)（比如可以免于鑒別成百上千種不同的零件型號(hào)）；其次，可以減少體力負(fù)擔(dān)，例如規(guī)劃最短的行走路線；再次，可以避免工作中的低級(jí)錯(cuò)誤-電腦算法通常不會(huì)因?yàn)椤捌凇被颉白呱瘛倍鲥e(cuò)。 除了激光指示和數(shù)字化眼鏡之外，平板顯示等技術(shù)也常常用來描繪虛擬的世界。 例如在圖14中，Fraunhofer展示了如何用AR系統(tǒng)顯示出機(jī)器隱患的。這可以幫助員工提早發(fā)現(xiàn)問題，避開很多“雷區(qū)”。 圖14 Fraunhofer用AR來“透明化”機(jī)器運(yùn)行中的隱患 在此必須強(qiáng)調(diào)，這里討論的是“以人為中心”的虛實(shí)結(jié)合技術(shù)。事實(shí)上，德國在工業(yè)4.0進(jìn)程中從來不忽略“人”的要素，也不認(rèn)為人會(huì)逐步被機(jī)器淘汰。 德國人不斷描繪的新型工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，是一個(gè)人與機(jī)器和諧共存的體系。 新的勞動(dòng)觀已經(jīng)形成共識(shí)。所有的開發(fā)和應(yīng)用這些技術(shù)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持雙重目標(biāo)導(dǎo)向，在提高工作效率的同時(shí)，一定要為勞動(dòng)者帶來便利、愉悅和健康。工廠現(xiàn)場(chǎng)那些違背宜人工程學(xué)原理的布局，都在成為工業(yè)4.0世界的不和諧之音符。
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