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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 第四次工业革命从智慧工厂到智能生产时间时间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第四次工业革命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
2、嵌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第四次工业革命从智慧工厂到智能生产高精度高精度高品质多品种小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：清洁、资源、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点
3、实验室 第四次工业革命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“第四次工业革命”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 第四次工业革命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，以及网
4、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 第四次工业革命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产产品品：集集成成有有动动态态数数字字存存储储器器、感感知知和和通通信信能能力力，承承载载着着在在其其整整个个供供应应链链和和生生命命周周期期中中所所需需的的各各种种必必需信息
5、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第四次工业革命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信息物理生产系统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术教育部重点实验室
6、现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 第四次工业革命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云安全网络智慧工厂智慧工厂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 第四次工业革命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相关设备控制
7、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第四次工业革命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第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命下的产品特点第四次工业革命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p产品在整个完整的供应链和生命周期中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都一直带有自身信息n产品是
8、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n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第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命下的数据挖据与知识发现第四次工业革命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）p
9、仪器仪表产品仪器仪表产品p供应链管理系统供应链管理系统p产品全产品全生命周期系统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 第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命下的多模式交互第四次工业革命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 第四次工业革命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
10、基于上下文的自适应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基于位置的维护和规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现实的复杂工作流程流程辅助管理辅助管理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第四次工业革命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
11、技术教育部重点实验室第四次工业革命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 第四次工业革命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 第四次工业革命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安全工作地点而是与人一起协同工作协同
12、工作新一代轻新一代轻量化，量化，灵活的机器人与人类在智能灵活的机器人与人类在智能工厂工厂一起协同工作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 第四次工业革命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，同时机器人能够取尺寸、重
13、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 第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命自动化第四次工业革命自动化-信息物理系统（信息物理系统（CPS）n信信息息物物理理系系统统（CyberPhysicalSystem，CPS）强强调调物物理理过程与信息间的反馈过程与信息间的反馈。n2008年年美美国国加加利利福福利利亚亚大大学学的的Lee.E在在其其技技术术报报告告信信息息物物理理系系统统：设设计计挑挑战战中中指指出出：信信息息物物理理系系统统是是计计算算和和
14、物物理理过过程程的的整整合合集集成成。嵌嵌入入式式计计算算机机和和网网络络对对物物理理过过程程进行监测和进行监测和控制控制。n从从自自动动化化技技术术的的观观点点看看，CPS是是一一种种工工程程系系统统，由由一一个个嵌嵌入入在在物物体体中中的的计计算算和和通通信信的的内内核核，以以及及物物理理环环境境中中的的结构所监测和控制。（结构所监测和控制。（KarlHenrikJohansson，2011）n以以信信息息物物理理生生产产系系统统CPPS为为模模型型构构建建智智慧慧工工厂厂，或或者者数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部重点实验室第四次工业革
15、命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命自动化第四次工业革命自动化-信息物理系统（信息物理系统（CPS）算法算法文档文档三维三维模型模型工艺工艺数据数据CPS：系统中的物理对象和：系统中的物理对象和相应的虚拟相应的虚拟对对象通过泛在信息象通过泛在信息网络进行通信网络进行通信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，并和服务提供商，并跨越边界进行信息跨越边界进行信息交流交流Cyber：包括包括3D模型，仿真模型，文档，模型，仿真模型，文档，关系关系，工作，工作条件条件等数据能够通过可变信息等数据能够通过可变信息网络在网络在任何地方和任何任何地方和任何时间进行搜
16、集时间进行搜集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第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命自动化第四次工业革命自动化-信息物理系统（信息物理系统（CPS）文化工业工业CPS应用应用智慧智慧工厂工厂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应用应用智能
17、手机智能手机健康健康CPS应用应用智能健康智能健康与所有领域相关的通用技术（语义技术、云计算服务平台）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第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命自动化第四次工业革命自动化-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第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命自动化第四次工业革命自
18、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直集成与网络化制造在在明天明天的智的智慧慧工厂工厂，生产结构，生产结构不会是不会是固定的，预定义的。相固定的，预定义的。相反，一组反，一组IT配置的配置的规则规则将被定义，可以根据具体将被定义，可以根据具体情况情况进行工进行工厂结构的拓扑结构配置组合，其中包括针对模型厂结构的拓扑结构配置组合，其中包括针对模型，数据，通信，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 第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n第四次工业革命的标准规范第四次工业革
19、命的标准规范第四次工业革命第四次工业革命智慧工厂智慧工厂标准标准EMMA:多模式工业辅多模式工业辅助系统助系统OMM:语义语义产品内存产品内存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 第四次工业革命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 第四次工业革命从智慧工厂到智能生产n智能产品案例智能产
20、品案例-波音波音n波波音音公公司司已已经经在在一一些些领领域域（军军用用民民用用）应应用用信信息息物物理理系系统，从中统，从中获益匪浅获益匪浅。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 第四次工业革命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 第四次工业革命从智慧工厂到智能生产总结
21、总结n多多品品种种小小批批量量智智能能产产品品的的高高精精度度卓卓越越品品质质生生产产是是未未来来像像德德国国一样成功经济的发展趋势一样成功经济的发展趋势n80%制制造造创创新新基基于于信信息息通通信信技技术术，通通过过信信息息通通信信技技术术实实现现了了智慧工厂、绿色和城市生产智慧工厂、绿色和城市生产n第第四四次次工工业业革革命命将将基基于于信信息息物物理理系系统统、物物联联网网和和互互联联服服务务，它它将将产产生生大大量量的的大大数数据据流流，这这些些大大数数据据能能够够被被搜搜集集和和分分析析用用于指导高效高品质生产；于指导高效高品质生产；n基基于于信信息息物物理理系系统统的的工工业业辅辅助助系系统统能能够够支支持持、帮帮助助和和培培训训智智慧工厂的下一代工人；慧工厂的下一代工人；n多多通通道道增增强强现现实实系系统统能能够够允允许许个个性性化化的的工工作作流流程程和和快快速速学学习习新产品工艺。新产品工艺。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 第四次工业革命从智慧工厂到智能生产